JP2021158026A - 電気化学素子の金属支持体、電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池、および固体酸化物形電解セル - Google Patents
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Abstract
【課題】十分な性能を確保しつつ、量産時の加工性とコストを改善した電気化学素子等を提供する。【解決手段】電気化学素子Ｅの金属基板１（金属支持体）は、全体として板状であり、電極層２が設けられる面を表側面１ａとして、表側面１ａから裏側面１ｂへ貫通する複数の貫通空間１ｃを有し、貫通空間１ｃの表側面１ａの開口部である表側開口部１ｄの面積が１．３×１０-1ｍｍ2未満であり、貫通空間１ｃの少なくとも表側開口部１ｄが多孔質セラミック材９により塞がれている。【選択図】図１
Description
本発明は、金属支持型の電気化学素子と、その金属支持体等に関する。
従来の金属支持型ＳＯＦＣにおいて、金属支持体は金属板に多数の孔を開けて構成されている。しかしながら、ＳＯＦＣとしての十分な性能と、量産時の加工性やコストの両立には未だ至っていない。
特許文献１では、フェライト系ＳＵＳ板上に、下部電極界面層として、ＮｉＯ−８ＹＳＺ層をスパッタリング法を用いて厚さ１μｍで作製し、その下部電極界面層上にＹＳＺ電解質層を成膜し、その後、エッチングでＳＵＳ板裏面から孔を開け、スパッタリングで孔側からＮｉＯ−８ＹＳＺアノード電極層を形成している。しかし特許文献１に記載の手法では、セラミックスのセル構成材料を積層させた後の金属支持体をエッチングで孔加工する必要があるため、セル構成材料を傷めないよう加工する必要がある。しかも、スパッタリングのような高価な方法で電極層を形成しなければならず、性能と量産時の加工性やコストとを両立することが困難であった。
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、十分な性能を確保しつつ、量産時の加工性とコストを改善した電気化学素子等を提供することにある。
〔構成１〕
上記目的を達成するための電気化学素子の金属支持体の特徴構成は、
前記金属支持体は全体として板状であり、
前記金属支持体は、電極層が設けられる面を表側面として、前記表側面から裏側面へ貫通する複数の貫通空間を有し、
前記貫通空間の前記表側面の開口部である表側開口部の面積が１．３×１０-1ｍｍ2未満であり、
前記貫通空間の少なくとも前記表側開口部が多孔質セラミック材により塞がれている点にある。
上記目的を達成するための電気化学素子の金属支持体の特徴構成は、
前記金属支持体は全体として板状であり、
前記金属支持体は、電極層が設けられる面を表側面として、前記表側面から裏側面へ貫通する複数の貫通空間を有し、
前記貫通空間の前記表側面の開口部である表側開口部の面積が１．３×１０-1ｍｍ2未満であり、
前記貫通空間の少なくとも前記表側開口部が多孔質セラミック材により塞がれている点にある。
上記の特徴構成によれば、表側開口部が多孔質セラミック材により塞がれているから、表側開口部を大きくした場合でも、金属支持体の表側面への電極層の形成が容易になる。そして表側開口部の面積が１．３×１０-1ｍｍ2未満とされているから、電極層に十分な量の燃料ガス（または空気）を供給でき、電気化学素子として十分な性能を確保することができる。したがって、性能を確保しつつ、量産時の加工性とコストを改善した電気化学素子の金属支持体を提供することができる。
〔構成２〕
上記目的を達成するための電気化学素子の金属支持体の特徴構成は、
前記金属支持体は全体として板状であり、
前記金属支持体は、電極層が設けられる面を表側面として、前記表側面から裏側面へ貫通する複数の貫通空間を有し、
前記貫通空間の前記表側面の開口部である表側開口部の直径が０．４ｍｍ以下であり、
前記貫通空間の少なくとも前記表側開口部が多孔質セラミック材により塞がれている点にある。
上記目的を達成するための電気化学素子の金属支持体の特徴構成は、
前記金属支持体は全体として板状であり、
前記金属支持体は、電極層が設けられる面を表側面として、前記表側面から裏側面へ貫通する複数の貫通空間を有し、
前記貫通空間の前記表側面の開口部である表側開口部の直径が０．４ｍｍ以下であり、
前記貫通空間の少なくとも前記表側開口部が多孔質セラミック材により塞がれている点にある。
上記の特徴構成によれば、表側開口部が多孔質セラミック材により塞がれているから、表側開口部を大きくした場合でも、金属支持体の表側面への電極層の形成が容易になる。そして表側開口部の直径が０．４ｍｍ以下とされているから、電極層に十分な量の燃料ガス（または空気）を供給でき、電気化学素子として十分な性能を確保することができる。したがって、性能を確保しつつ、量産時の加工性とコストを改善した電気化学素子の金属支持体を提供することができる。
〔構成３〕
前記貫通空間の全体に前記多孔質セラミック材が充填されていてもよい。
前記貫通空間の全体に前記多孔質セラミック材が充填されていてもよい。
上記の特徴構成によれば、前記貫通空間の全体に前記多孔質セラミック材が充填されているから、表側開口部を大きくした場合でも、支持体としての強度を高めつつ、電極層に十分な量の燃料ガス（または空気）を供給でき、電気化学素子として十分な性能を確保することができる。したがって、強度と性能を確保しつつ、量産時の加工性とコストを改善した電気化学素子の金属支持体を提供することができる。
〔構成４〕
前記表側開口部の直径を前記金属支持体の厚さで除した値であるアスペクト比が１．４以下であってもよい。
前記表側開口部の直径を前記金属支持体の厚さで除した値であるアスペクト比が１．４以下であってもよい。
上記の特徴構成によれば、前記表側開口部の直径を前記金属支持体の厚さで除した値であるアスペクト比が１．４以下であるから、金属支持体の表側面への電極層の形成が容易になり、また、金属支持体の強度を向上できるので好ましい。
〔構成５〕
前記表側開口部の間隔は０．９ｍｍ以下であってもよい。
前記表側開口部の間隔は０．９ｍｍ以下であってもよい。
上記の特徴構成によれば、前記表側開口部の間隔が０．９ｍｍ以下であるから、金属支持体の表側面への電極層の形成が容易になり、また、金属支持体の強度を向上できるので好ましい。
〔構成６〕
本発明に係る金属支持体の別の特徴構成は、前記表側面において前記貫通空間が形成されている領域を孔領域とし、前記孔領域における前記表側開口部の占める割合である開口率が２２％以下である点にある。
本発明に係る金属支持体の別の特徴構成は、前記表側面において前記貫通空間が形成されている領域を孔領域とし、前記孔領域における前記表側開口部の占める割合である開口率が２２％以下である点にある。
上記の特徴構成によれば、開口率が２２％以下であるから、金属支持体の表側面への電極層の形成が容易になり、また、金属支持体の強度を向上できるので好ましい。
〔構成７〕
本発明に係る金属支持体の別の特徴構成は、材料がＦｅ−Ｃｒ系合金である点にある。
本発明に係る金属支持体の別の特徴構成は、材料がＦｅ−Ｃｒ系合金である点にある。
上記の特徴構成によれば、金属支持体の耐酸化性と高温強度を向上できる。
〔構成８〕
本発明に係る金属支持体の別の特徴構成は、前記表側面の少なくとも一部が金属酸化物膜で覆われている点にある。
本発明に係る金属支持体の別の特徴構成は、前記表側面の少なくとも一部が金属酸化物膜で覆われている点にある。
上記の特徴構成によれば、金属酸化物被膜により金属支持体からＣｒ等の成分が電極層等へ拡散することを抑制できるので、電極層等の性能低下を抑制し、電気化学素子の性能を高めることができる。
〔構成９〕
上述の金属支持体の前記表側面に、少なくとも電極層と電解質層と対極電極層とが設けられた電気化学素子は、十分な性能を確保しつつ、量産時の加工性とコストを改善したものとなり好適である。
〔構成１０〕
本発明に係る電気化学モジュールの特徴構成は、上述の電気化学素子が複数集合した状態で配置される点にある。
上述の金属支持体の前記表側面に、少なくとも電極層と電解質層と対極電極層とが設けられた電気化学素子は、十分な性能を確保しつつ、量産時の加工性とコストを改善したものとなり好適である。
〔構成１０〕
本発明に係る電気化学モジュールの特徴構成は、上述の電気化学素子が複数集合した状態で配置される点にある。
上記の特徴構成によれば、上述の電気化学素子が複数集合した状態で配置されるので、材料コストと加工コストを抑制しつつ、コンパクトで高性能な、強度と信頼性に優れた電気化学モジュールを得ることができる。
〔構成１１〕
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、上述の電気化学素子若しくは上述の電気化学モジュールと、前記電気化学素子若しくは前記電気化学モジュールに還元性成分を含有するガスを流通する燃料変換器、或いは前記電気化学素子若しくは前記電気化学モジュールで生成する還元性成分を含有するガスを変換する燃料変換器と、を少なくとも有する点にある。
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、上述の電気化学素子若しくは上述の電気化学モジュールと、前記電気化学素子若しくは前記電気化学モジュールに還元性成分を含有するガスを流通する燃料変換器、或いは前記電気化学素子若しくは前記電気化学モジュールで生成する還元性成分を含有するガスを変換する燃料変換器と、を少なくとも有する点にある。
上記の特徴構成によれば、上記の特徴構成によれば、電気化学素子又は電気化学モジュールと、電気化学素子又は電気化学モジュールに還元性成分を含有するガスを流通する燃料変換器を有する。よって、電気化学モジュールを燃料電池として動作させる場合、改質器などの燃料変換器によって、都市ガス等の既存の原燃料供給インフラを用いて供給される天然ガス等から水素を生成し、燃料電池に流通させる構成とすると、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学モジュールを備えた電気化学装置を実現することができる。また、電気化学モジュールから排出される未利用の燃料ガスをリサイクルするシステムを構築し易くなるため、高効率な電気化学装置を実現することができる。
更に、上記の特徴構成によれば、電気化学素子又は電気化学モジュールと、電気化学素子又は電気化学モジュールで生成する還元性成分を含有するガスを変換する燃料変換器を有する。よって、電気化学モジュールを電解セルとして動作させる場合は、例えば、水の電解反応によって生成する水素を燃料変換器で一酸化炭素や二酸化炭素と反応させてメタンなどに変換する電気化学装置とすることが出来るが、このような構成にすると、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学モジュールを備えた電気化学装置を実現することができる。
〔構成１２〕
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、上述の電気化学素子若しくは上述の電気化学モジュールと、前記電気化学素子若しくは前記電気化学モジュールから電力を取り出す、或いは前記電気化学素子若しくは前記電気化学モジュールに電力を流通する電力変換器とを少なくとも有する点にある。
〔構成１２〕
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、上述の電気化学素子若しくは上述の電気化学モジュールと、前記電気化学素子若しくは前記電気化学モジュールから電力を取り出す、或いは前記電気化学素子若しくは前記電気化学モジュールに電力を流通する電力変換器とを少なくとも有する点にある。
上記の特徴構成によれば、電力変換器は、電気化学素子若しくは電気化学モジュールが発電した電力を取り出し、或いは、電気化学素子若しくは電気化学モジュールに電力を流通する。これにより、上記のように電気化学素子若しくは電気化学モジュールは、燃料電池として作用し、或いは、電解セルとして作用する。よって、上記構成によれば、燃料等の化学的エネルギーを電気エネルギーに変換する、あるいは電気エネルギーを燃料等の化学的エネルギーに変換する効率を向上できる電気化学モジュール等を提供することができる。
なお、例えば、電力変換器としてインバータを用いる場合、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学素子もしくは電気化学モジュールから得られる電気出力を、インバータによって昇圧したり、直流を交流に変換したりすることができるため、電気化学素子もしくは電気化学モジュールで得られる電気出力を利用しやすくなるので好ましい。
なお、例えば、電力変換器としてインバータを用いる場合、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学素子もしくは電気化学モジュールから得られる電気出力を、インバータによって昇圧したり、直流を交流に変換したりすることができるため、電気化学素子もしくは電気化学モジュールで得られる電気出力を利用しやすくなるので好ましい。
〔構成１３〕
本発明に係るエネルギーシステムの特徴構成は、上述の電気化学装置と、前記電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部を有する点にある。
本発明に係るエネルギーシステムの特徴構成は、上述の電気化学装置と、前記電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部を有する点にある。
上記の特徴構成によれば、電気化学装置と、電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部を有するので、耐久性・信頼性および性能に優れ、かつエネルギー効率にも優れたエネルギーシステムを実現することができる。なお、電気化学装置から排出される未利用の燃料ガスの燃焼熱を利用して発電する発電システムと組み合わせてエネルギー効率に優れたハイブリットシステムを実現することもできる。
〔構成１４〕
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、上述の電気化学素子を備え、前記電気化学素子で発電反応を生じさせる点にある。
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、上述の電気化学素子を備え、前記電気化学素子で発電反応を生じさせる点にある。
上記の特徴構成によれば、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学素子を固体酸化物形燃料電池として使用し、発電反応を行うことができるので、高耐久・高性能な固体酸化物形燃料電池を得る事ができる。なお、定格運転時に６５０℃以上の温度域で運転可能な固体酸化物形燃料電池であると、都市ガス等の炭化水素系ガスを原燃料とする燃料電池システムにおいて、原燃料を水素に変換する際に必要となる熱を燃料電池の排熱で賄うことが可能なシステムを構築できるため、燃料電池システムの発電効率を高めることができるので、より好ましい。また、定格運転時に９００℃以下の温度域で運転される固体酸化物形燃料電池であると、金属支持型電気化学素子からのＣｒ揮発の抑制効果が高められるのでより好ましく、定格運転時に８５０℃以下の温度域で運転される固体酸化物形燃料電池であると、Ｃｒ揮発の抑制効果を更に高められるので更に好ましい。
〔構成１５〕
本発明に係る固体酸化物形電解セルの特徴構成は、上述の電気化学素子を備え、前記電気化学素子で電解反応を生じさせる点にある。
本発明に係る固体酸化物形電解セルの特徴構成は、上述の電気化学素子を備え、前記電気化学素子で電解反応を生じさせる点にある。
上記の特徴構成によれば、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学素子を固体酸化物形電解セルとして使用し、電解反応によるガスの生成を行うことができるので、高耐久・高性能な固体酸化物形電解セルを得る事ができる。
＜第１実施形態＞
以下、図１を参照しながら、本実施形態に係る電気化学素子Ｅおよび固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）について説明する。電気化学素子Ｅは、例えば、水素を含む燃料ガスと空気の供給を受けて発電する固体酸化物形燃料電池の構成要素として用いられる。なお以下、層の位置関係などを表す際、例えば電解質層４から見て対極電極層６の側を「上」または「上側」、電極層２の側を「下」または「下側」という場合がある。また、金属基板１における電極層２が形成されている側の面を「表側」、反対側の面を「裏側」という場合がある。
以下、図１を参照しながら、本実施形態に係る電気化学素子Ｅおよび固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）について説明する。電気化学素子Ｅは、例えば、水素を含む燃料ガスと空気の供給を受けて発電する固体酸化物形燃料電池の構成要素として用いられる。なお以下、層の位置関係などを表す際、例えば電解質層４から見て対極電極層６の側を「上」または「上側」、電極層２の側を「下」または「下側」という場合がある。また、金属基板１における電極層２が形成されている側の面を「表側」、反対側の面を「裏側」という場合がある。
（電気化学素子）
電気化学素子Ｅは、図１に示される通り、金属基板１（金属支持体）と、金属基板１の上に形成された電極層２と、電極層２の上に形成された中間層３と、中間層３の上に形成された電解質層４とを有する。そして電気化学素子Ｅは、更に、電解質層４の上に形成された反応防止層５と、反応防止層５の上に形成された対極電極層６とを有する。つまり対極電極層６は電解質層４の上に形成され、反応防止層５は電解質層４と対極電極層６との間に形成されている。電極層２は多孔質であり、電解質層４は緻密である。
電気化学素子Ｅは、図１に示される通り、金属基板１（金属支持体）と、金属基板１の上に形成された電極層２と、電極層２の上に形成された中間層３と、中間層３の上に形成された電解質層４とを有する。そして電気化学素子Ｅは、更に、電解質層４の上に形成された反応防止層５と、反応防止層５の上に形成された対極電極層６とを有する。つまり対極電極層６は電解質層４の上に形成され、反応防止層５は電解質層４と対極電極層６との間に形成されている。電極層２は多孔質であり、電解質層４は緻密である。
（金属支持体）
金属基板１は、電極層２、中間層３および電解質層４等を支持して電気化学素子Ｅの強度を保つ。つまり金属基板１は、電気化学素子Ｅを支持する支持体としての役割を担う。
金属基板１は、電極層２、中間層３および電解質層４等を支持して電気化学素子Ｅの強度を保つ。つまり金属基板１は、電気化学素子Ｅを支持する支持体としての役割を担う。
金属基板１の材料としては、電子伝導性、耐熱性、耐酸化性および耐腐食性に優れた材料が用いられる。例えば、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、ニッケル基合金などが用いられる。特に、クロムを含む合金が好適に用いられる。本実施形態では、金属支持体１は、Ｃｒを１８質量％以上２５質量％以下含有するＦｅ−Ｃｒ系合金を用いているが、Ｍｎを０．０５質量％以上含有するＦｅ−Ｃｒ系合金、Ｔｉを０．１５質量％以上１．０質量％以下含有するＦｅ−Ｃｒ系合金、Ｚｒを０．１５質量％以上１．０質量％以下含有するＦｅ−Ｃｒ系合金、ＴｉおよびＺｒを含有しＴｉとＺｒとの合計の含有量が０．１５質量％以上１．０質量％以下であるＦｅ−Ｃｒ系合金、Ｃｕを０．１０質量％以上１．０質量％以下含有するＦｅ−Ｃｒ系合金であると特に好適である。本実施形態では、金属基板１の材料はＦｅ−Ｃｒ系合金である。
金属基板１は全体として板状である。そして金属基板１は、電極層２が設けられる面を表側面１ａとして、表側面１ａから裏側面１ｂへ貫通する複数の貫通空間１ｃ（孔）を有する。貫通空間１ｃは、金属基板１の裏側面１ｂから表側面１ａへ気体を透過させる機能を有する。貫通空間１ｃの表側面１ａの開口部を、表側開口部１ｄと呼ぶ。貫通空間１ｃの裏側面１ｂの開口部を、裏側開口部１ｅと呼ぶ。なお、板状の金属支持体１を曲げたりして、例えば箱状、円筒状などの形状に変形させて使用することも可能である。
金属基板１の表面に、拡散抑制層としての金属酸化物層１ｆが設けられる。すなわち、金属基板１と後述する電極層２との間に、拡散抑制層が形成されている。金属酸化物層１ｆは、金属基板１の外部に露出した面だけでなく、電極層２との接触面（界面）および貫通空間１ｃの内側の面にも設けられる。この金属酸化物層１ｆにより、金属基板１と電極層２との間の元素相互拡散を抑制することができる。例えば、金属基板１としてクロムを含有するフェライト系ステンレスを用いた場合は、金属酸化物層１ｆが主にクロム酸化物となる。そして、金属基板１のクロム原子等が電極層２や電解質層４へ拡散することを、クロム酸化物を主成分とする金属酸化物層１ｆが抑制する。金属酸化物層１ｆの厚さは、拡散防止性能の高さと電気抵抗の低さを両立させることのできる厚みであれば良い。
金属酸化物層１ｆは種々の手法により形成されうるが、金属基板１の表面を酸化させて金属酸化物とする手法が好適に利用される。また、金属基板１の表面に、金属酸化物層１ｆをスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、スパッタリング法やＰＬＤ法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法などにより形成しても良いし、メッキと酸化処理によって形成しても良い。更に、金属酸化物層１ｆは導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。
金属酸化物層１ｆは種々の手法により形成されうるが、金属基板１の表面を酸化させて金属酸化物とする手法が好適に利用される。また、金属基板１の表面に、金属酸化物層１ｆをスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、スパッタリング法やＰＬＤ法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法などにより形成しても良いし、メッキと酸化処理によって形成しても良い。更に、金属酸化物層１ｆは導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。
金属基板１としてフェライト系ステンレス材を用いた場合、電極層２や電解質層４の材料として用いられるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア、ＣＧＯとも呼ぶ）等と熱膨張係数が近い。従って、低温と高温の温度サイクルが繰り返された場合も電気化学素子Ｅがダメージを受けにくい。よって、長期耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。
（多孔質セラミック材）
本実施形態では、図１に示すように、金属基板１の貫通空間１ｃの少なくとも表側開口部１ｄが多孔質セラミック材９により塞がれている。これにより、金属基板１の表側面１ａが平滑な面になり、電極層２の形成が容易になる。本実施形態では、金属基板１の貫通空間１ｃの全体に多孔質セラミック材９が充填されている。
本実施形態では、図１に示すように、金属基板１の貫通空間１ｃの少なくとも表側開口部１ｄが多孔質セラミック材９により塞がれている。これにより、金属基板１の表側面１ａが平滑な面になり、電極層２の形成が容易になる。本実施形態では、金属基板１の貫通空間１ｃの全体に多孔質セラミック材９が充填されている。
多孔質セラミック材９は、セラミックを材料として、多孔質に形成されている。すなわち多孔質セラミック材９は、気体の透過、もしくは気体の通流が可能な材料である。多孔質セラミック材９としては具体的には、マグネシア（酸化マグネシウム）やジルコニア（酸化ジルコニウム）、安定化ジルコニア（イットリア安定化ジルコニア）、セリア（酸化セリウム）、ガドリニウム・ドープ・セリア、ＬＳＣＦ等の複合酸化物、及びそれらの混合物などを用いることができる。多孔質セラミック材９としては、電極層２とは異なる材料が好適に用いられる。多孔質セラミック材９としては、電子導電性を有する物質が好適に用いられる。なお多孔質セラミック材９として、電子導電性を有さない物質を用いてもよい。
（金属支持体および貫通空間の構造）
以下、金属基板１および貫通空間１ｃの構造の例について図５を参照しながら説明する。なお金属酸化物層１ｆについては図示を省略する。金属基板１は、厚さＴの板状の部材であり、すなわち全体として板状である。金属基板１は、表側面１ａから裏側面１ｂへ貫通する複数の貫通空間１ｃを有する。貫通空間１ｃは、断面が円形の孔である。なお貫通空間１ｃの断面形状は、円形や略円形の他、矩形や三角形、多角形なども可能であり、金属板貫通空間１ｃが形成できれば、金属基板１としての機能を保てる範囲で種々の形状とすることができる。この孔（貫通空間１ｃ）は、レーザー加工、パンチング加工またはエッチング加工によって、金属基板１に形成されている。この孔の中心軸は、金属基板１に対して直交している。なお孔（貫通空間１ｃ）の中心軸は、金属基板１に対して傾斜していてもよい。
以下、金属基板１および貫通空間１ｃの構造の例について図５を参照しながら説明する。なお金属酸化物層１ｆについては図示を省略する。金属基板１は、厚さＴの板状の部材であり、すなわち全体として板状である。金属基板１は、表側面１ａから裏側面１ｂへ貫通する複数の貫通空間１ｃを有する。貫通空間１ｃは、断面が円形の孔である。なお貫通空間１ｃの断面形状は、円形や略円形の他、矩形や三角形、多角形なども可能であり、金属板貫通空間１ｃが形成できれば、金属基板１としての機能を保てる範囲で種々の形状とすることができる。この孔（貫通空間１ｃ）は、レーザー加工、パンチング加工またはエッチング加工によって、金属基板１に形成されている。この孔の中心軸は、金属基板１に対して直交している。なお孔（貫通空間１ｃ）の中心軸は、金属基板１に対して傾斜していてもよい。
貫通空間１ｃの断面が円形の孔であるから、表側開口部１ｄおよび裏側開口部１ｅは、いずれも円形である。表側開口部１ｄと裏側開口部１ｅとは、同じ大きさであってもよい。裏側開口部１ｅが、表側開口部１ｄより大きくてもよい。表側開口部１ｄの直径を、直径Ｄとする。
図５に示されるように、金属基板１において、複数の孔（貫通空間１ｃ）が、ピッチＰ（間隔）にて、直交格子の格子点の位置に形成されている。複数の孔（貫通空間１ｃ）の配置の態様としては、直交格子の他、斜方格子、正三角形状の格子も可能であるし、格子点に加えて対角線交点への配置も可能である。
金属基板１の表側面１ａにおいて、貫通空間１ｃが形成されている領域を孔領域１ｇと呼ぶ。孔領域１ｇは、金属基板１の外周域周辺を除いた範囲内に設けられる。１つの孔領域１ｇが金属基板１に設けられてもよいし、複数の孔領域１ｇが金属基板１に設けられてもよい。
金属基板１は、支持体として電気化学素子Ｅを形成するのに充分な強度を有することが求められる。金属基板１の厚さＴは、０．１ｍｍ以上が好ましく、０．１５ｍｍ以上がより好ましく、０．２ｍｍ以上が更に好ましい。また、金属基板１の厚さＴは、１．０ｍｍ以下が好ましく、０．７５ｍｍ以下がより好ましく、０．５ｍｍ以下が更に好ましい。
表側開口部１ｄの直径Ｄは、０．０３ｍｍ以上が好ましく、０．０５ｍｍ以上がより好ましく、０．１ｍｍ以上が更に好ましい。また、表側開口部１ｄの直径Ｄは、０．４ｍｍ以下が好ましく、０．３５ｍｍ以下がより好ましく、０．３ｍｍ以下が更に好ましい。
貫通空間１ｃの配置のピッチＰは、表側開口部１ｄの直径Ｄの１．５倍以上が好ましく、２倍以上がより好ましい。また、貫通空間１ｃ（孔）の配置のピッチＰは、０．９ｍｍ以下が好ましく、０．８ｍｍ以下がより好ましく、０．７ｍｍ以下が更に好ましい。
貫通空間１ｃの表側開口部１ｄの面積Ｓは、０.７×１０−３ｍｍ2以上であると好ましく、１.９×１０−３ｍｍ2以上がより好ましく、７.８×１０−３ｍｍ2以上が更に好ましい。また、貫通空間１ｃの表側開口部１ｄの面積Ｓは、１．３×１０−１ｍｍ2未満であると好ましく、１．０×１０−１ｍｍ2以下であるとより好ましく、０．８×１０−１ｍｍ2以下であると更に好ましい。
貫通空間１ｃの表側開口部１ｄの直径（内径）を金属基板１の厚みで除した値であるアスペクト比は、０．１以上が好ましく、０．１５以上がより好ましく、０．３以上が更に好ましい。また、当該アスペクト比は、１．４以下が好ましく、１．２以下がより好ましい。
孔領域１ｇにおける表側開口部１ｄの占める割合を開口率Ａと定義する。開口率Ａは、３％以上であると好ましく、２２％以下であると好ましい。開口率Ａは、孔領域１ｇにおける表側開口部１ｄの面積Ｓの合計を、孔領域１ｇの面積で除して算出される。
なお開口率Ａは、孔領域１ｇにおいて周期的に現われる領域に着目して算出することも可能である。例えば、図５に示す単位領域１ｈに着目して、面積Ｓを単位領域１ｈの面積（ピッチＰの自乗）で除した値は、孔領域１ｇ全体の開口率Ａにほぼ等しくなる。すなわち図５に示す直交格子の場合、開口率Ａは以下の式１で算出できる。表側開口部１ｄが直径Ｄの円形の場合、さらに以下の式２の関係が成立する。
（電極層）
電極層２は、図１に示すように、金属基板１の表側の面であって貫通空間１ｃが設けられた領域より大きな領域に、薄層の状態で設けることができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ〜５０μｍとすることができる。このような厚さにすると、高価な電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。貫通空間１ｃが設けられた領域の全体が、電極層２に覆われている。つまり、貫通空間１ｃは金属基板１における電極層２が形成された領域の内側に形成されている。換言すれば、全ての貫通空間１ｃが電極層２に面して設けられている。
電極層２は、図１に示すように、金属基板１の表側の面であって貫通空間１ｃが設けられた領域より大きな領域に、薄層の状態で設けることができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ〜５０μｍとすることができる。このような厚さにすると、高価な電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。貫通空間１ｃが設けられた領域の全体が、電極層２に覆われている。つまり、貫通空間１ｃは金属基板１における電極層２が形成された領域の内側に形成されている。換言すれば、全ての貫通空間１ｃが電極層２に面して設けられている。
電極層２の材料としては、例えばＮｉＯ−ＧＤＣ、Ｎｉ−ＧＤＣ、ＮｉＯ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＹＳＺ、ＣｕＯ−ＣｅＯ2、Ｃｕ−ＣｅＯ2などの複合材を用いることができる。これらの例では、ＧＤＣ、ＹＳＺ、ＣｅＯ2を複合材の骨材と呼ぶことができる。なお、電極層２は、低温焼成法（例えば１１００℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法やパルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能なプロセスにより、例えば１１００℃より高い高温域での焼成を用いずに、良好な電極層２が得られる。そのため、金属基板１を傷めることなく、また、金属基板１と電極層２との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子を実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
電極層２は、気体透過性を持たせるため、その内部および表面に複数の細孔を有する。
すなわち電極層２は、多孔質な層として形成される。電極層２は、例えば、その緻密度が３０％以上８０％未満となるように形成される。細孔のサイズは、電気化学反応を行う際に円滑な反応が進行するのに適したサイズを適宜選ぶことができる。なお緻密度とは、層を構成する材料の空間に占める割合であって、（１−空孔率）と表すことができ、また、相対密度と同等である。
すなわち電極層２は、多孔質な層として形成される。電極層２は、例えば、その緻密度が３０％以上８０％未満となるように形成される。細孔のサイズは、電気化学反応を行う際に円滑な反応が進行するのに適したサイズを適宜選ぶことができる。なお緻密度とは、層を構成する材料の空間に占める割合であって、（１−空孔率）と表すことができ、また、相対密度と同等である。
（中間層）
中間層３（挿入層）は、図１に示すように、電極層２を覆った状態で、電極層２の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは２μｍ〜５０μｍ程度、より好ましくは４μｍ〜２５μｍ程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な中間層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。中間層３の材料としては、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア）、ＹＤＣ（イットリウム・ドープ・セリア）、ＳＤＣ（サマリウム・ドープ・セリア）等を用いることができる。特にセリア系のセラミックスが好適に用いられる。
中間層３（挿入層）は、図１に示すように、電極層２を覆った状態で、電極層２の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは２μｍ〜５０μｍ程度、より好ましくは４μｍ〜２５μｍ程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な中間層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。中間層３の材料としては、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア）、ＹＤＣ（イットリウム・ドープ・セリア）、ＳＤＣ（サマリウム・ドープ・セリア）等を用いることができる。特にセリア系のセラミックスが好適に用いられる。
中間層３は、低温焼成法（例えば１１００℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば１１００℃より高い高温域での焼成を用いずに中間層３が得られる。そのため、金属基板１を傷めることなく、金属基板１と電極層２との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できる。また、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
中間層３としては、酸素イオン（酸化物イオン）伝導性を有することが好ましい。また、酸素イオン（酸化物イオン）と電子との混合伝導性を有すると更に好ましい。これらの性質を有する中間層３は、電気化学素子Ｅへの適用に適している。
（電解質層）
電解質層４は、図１に示すように、電極層２および中間層３を覆った状態で、中間層３の上に薄層の状態で形成される。また、厚さが１０μｍ以下の薄膜の状態で形成することもできる。なお、厚さが１μｍ以上であると強度が高くなり好ましい。詳しくは電解質層４は、図１に示すように、中間層３の上と金属基板１の上とにわたって（跨って）設けられる。このように構成し、電解質層４を金属基板１に接合することで、電気化学素子全体として堅牢性に優れたものとすることができる。
電解質層４は、図１に示すように、電極層２および中間層３を覆った状態で、中間層３の上に薄層の状態で形成される。また、厚さが１０μｍ以下の薄膜の状態で形成することもできる。なお、厚さが１μｍ以上であると強度が高くなり好ましい。詳しくは電解質層４は、図１に示すように、中間層３の上と金属基板１の上とにわたって（跨って）設けられる。このように構成し、電解質層４を金属基板１に接合することで、電気化学素子全体として堅牢性に優れたものとすることができる。
また電解質層４は、図１に示すように、金属基板１の表側の面であって貫通空間１ｃが設けられた領域より大きな領域に設けられる。つまり、貫通空間１ｃは金属基板１における電解質層４が形成された領域の内側に形成されている。
また電解質層４の周囲においては、電極層２および中間層３からのガスのリークを抑制することができる。説明すると、電気化学素子ＥをＳＯＦＣの構成要素として用いる場合、ＳＯＦＣの作動時には、金属基板１の裏側から貫通空間１ｃを通じて電極層２へガスが供給される。電解質層４が金属基板１に接している部位においては、ガスケット等の別部材を設けることなく、ガスのリークを抑制することができる。なお、本実施形態では電解質層４によって電極層２の周囲をすべて覆っているが、電極層２および中間層３の上部に電解質層４を設け、周囲にガスケット等を設ける構成としてもよい。
電解質層４の材料としては、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア）、ＹＤＣ（イットリウム・ドープ・セリア）、ＳＤＣ（サマリウム・ドープ・セリア）、ＬＳＧＭ（ストロンチウム・マグネシウム添加ランタンガレート）等を用いることができる。特にジルコニア系のセラミックスが好適に用いられる。電解質層４をジルコニア系セラミックスとすると、電気化学素子Ｅを用いたＳＯＦＣの稼働温度をセリア系セラミックスに比べて高くすることができる。例えば電気化学素子ＥをＳＯＦＣに用いる場合、電解質層４の材料としてＹＳＺのような６５０℃程度以上の高温域でも高い電解質性能を発揮できる材料を用い、システムの原燃料に都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系の原燃料を用い、原燃料を水蒸気改質等によってＳＯＦＣのアノードガスとするシステム構成とすると、ＳＯＦＣのセルスタックで生じる熱を原燃料ガスの改質に用いる高効率なＳＯＦＣシステムを構築することができる。
電解質層４は、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば１１００℃を越える高温域での焼成を用いずに、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層４が得られる。そのため、金属基板１の損傷を抑制し、また、金属基板１と電極層２との元素相互拡散を抑制することができ、性能・耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、スプレーコーティング法を用いると、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層が低温域で容易に得られやすいので更に好ましい。
電解質層４は、アノードガスやカソードガスのガスリークを遮蔽し、かつ、高いイオン伝導性を発現するために、緻密に構成される。電解質層４の緻密度は９０％以上が好ましく、９５％以上であるとより好ましく、９８％以上であると更に好ましい。電解質層４は、均一な層である場合は、その緻密度が９５％以上であると好ましく、９８％以上であるとより好ましい。また、電解質層４が、複数の層状に構成されているような場合は、そのうちの少なくとも一部が、緻密度が９８％以上である層（緻密電解質層）を含んでいると好ましく、９９％以上である層（緻密電解質層）を含んでいるとより好ましい。このような緻密電解質層が電解質層の一部に含まれていると、電解質層が複数の層状に構成されている場合であっても、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層を形成しやすくできるからである。
（反応防止層）
反応防止層５は、電解質層４の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは２μｍ〜５０μｍ程度、より好ましくは３μｍ〜１５μｍ程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な反応防止層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。反応防止層５の材料としては、電解質層４の成分と対極電極層６の成分との間の反応を防止できる材料であれば良い。例えばセリア系材料等が用いられる。また反応防止層５の材料として、Ｓｍ、ＧｄおよびＹからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも１つを含有する材料が好適に用いられる。なお、Ｓｍ、ＧｄおよびＹからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも１つを含有し、これら元素の含有率の合計が１．０質量％以上１０質量％以下であるとよい。反応防止層５を電解質層４と対極電極層６との間に導入することにより、対極電極層６の構成材料と電解質層４の構成材料との反応が効果的に抑制され、電気化学素子Ｅの性能の長期安定性を向上できる。反応防止層５の形成は、１１００℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、金属基板１の損傷を抑制し、また、金属基板１と電極層２との元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
反応防止層５は、電解質層４の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは２μｍ〜５０μｍ程度、より好ましくは３μｍ〜１５μｍ程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な反応防止層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。反応防止層５の材料としては、電解質層４の成分と対極電極層６の成分との間の反応を防止できる材料であれば良い。例えばセリア系材料等が用いられる。また反応防止層５の材料として、Ｓｍ、ＧｄおよびＹからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも１つを含有する材料が好適に用いられる。なお、Ｓｍ、ＧｄおよびＹからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも１つを含有し、これら元素の含有率の合計が１．０質量％以上１０質量％以下であるとよい。反応防止層５を電解質層４と対極電極層６との間に導入することにより、対極電極層６の構成材料と電解質層４の構成材料との反応が効果的に抑制され、電気化学素子Ｅの性能の長期安定性を向上できる。反応防止層５の形成は、１１００℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、金属基板１の損傷を抑制し、また、金属基板１と電極層２との元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
（対極電極層）
対極電極層６は、電解質層４もしくは反応防止層５の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ〜５０μｍとすることができる。このような厚さにすると、高価な対極電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。対極電極層６の材料としては、例えば、ＬＳＣＦ、ＬＳＭ等の複合酸化物、セリア系酸化物およびこれらの混合物を用いることができる。特に対極電極層６が、Ｌａ、Ｓｒ、Ｓｍ、Ｍｎ、ＣｏおよびＦｅからなる群から選ばれる２種類以上の元素を含有するペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。以上の材料を用いて構成される対極電極層６は、カソードとして機能する。
対極電極層６は、電解質層４もしくは反応防止層５の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ〜５０μｍとすることができる。このような厚さにすると、高価な対極電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。対極電極層６の材料としては、例えば、ＬＳＣＦ、ＬＳＭ等の複合酸化物、セリア系酸化物およびこれらの混合物を用いることができる。特に対極電極層６が、Ｌａ、Ｓｒ、Ｓｍ、Ｍｎ、ＣｏおよびＦｅからなる群から選ばれる２種類以上の元素を含有するペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。以上の材料を用いて構成される対極電極層６は、カソードとして機能する。
なお、対極電極層６の形成は、１１００℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、金属基板１の損傷を抑制し、また、金属基板１と電極層２との元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＤＶ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
（固体酸化物形燃料電池）
以上のように電気化学素子Ｅを構成することで、電気化学素子を燃料電池（電気化学発電セル）として機能させる場合には、電気化学素子Ｅを固体酸化物形燃料電池の発電セルとして用いることができる。例えば、金属基板１の裏側の面から貫通空間１ｃを通じて水素を含む燃料ガスを電極層２へ流通し、電極層２の対極となる対極電極層６へ空気を流通し、例えば、５００℃以上９００℃以下の温度で作動させる。そうすると、対極電極層６において空気に含まれる酸素Ｏ２が電子ｅ−と反応して酸素イオンＯ２−が生成される。その酸素イオンＯ２−が電解質層４を通って電極層２へ移動する。電極層２においては、供給された燃料ガスに含まれる水素Ｈ２が酸素イオンＯ２−と反応し、水Ｈ２Ｏと電子ｅ−が生成される。
電解質層４に水素イオンを伝導する電解質材料を用いた場合には、電極層２において流通された燃料ガスに含まれる水素Ｈ２が電子ｅ−を放出して水素イオンＨ＋が生成される。その水素イオンＨ＋が電解質層４を通って対極電極層６へ移動する。対極電極層６において空気に含まれる酸素Ｏ２と水素イオンＨ＋、電子ｅ−が反応し水Ｈ２Ｏが生成される。
以上の反応により、電極層２と対極電極層６との間に起電力が発生する。この場合、電極層２はＳＯＦＣの燃料極（アノード）として機能し、対極電極層６は空気極（カソード）として機能する。
以上のように電気化学素子Ｅを構成することで、電気化学素子を燃料電池（電気化学発電セル）として機能させる場合には、電気化学素子Ｅを固体酸化物形燃料電池の発電セルとして用いることができる。例えば、金属基板１の裏側の面から貫通空間１ｃを通じて水素を含む燃料ガスを電極層２へ流通し、電極層２の対極となる対極電極層６へ空気を流通し、例えば、５００℃以上９００℃以下の温度で作動させる。そうすると、対極電極層６において空気に含まれる酸素Ｏ２が電子ｅ−と反応して酸素イオンＯ２−が生成される。その酸素イオンＯ２−が電解質層４を通って電極層２へ移動する。電極層２においては、供給された燃料ガスに含まれる水素Ｈ２が酸素イオンＯ２−と反応し、水Ｈ２Ｏと電子ｅ−が生成される。
電解質層４に水素イオンを伝導する電解質材料を用いた場合には、電極層２において流通された燃料ガスに含まれる水素Ｈ２が電子ｅ−を放出して水素イオンＨ＋が生成される。その水素イオンＨ＋が電解質層４を通って対極電極層６へ移動する。対極電極層６において空気に含まれる酸素Ｏ２と水素イオンＨ＋、電子ｅ−が反応し水Ｈ２Ｏが生成される。
以上の反応により、電極層２と対極電極層６との間に起電力が発生する。この場合、電極層２はＳＯＦＣの燃料極（アノード）として機能し、対極電極層６は空気極（カソード）として機能する。
（電気化学素子の製造方法）
次に、電気化学素子Ｅの製造方法について説明する。
次に、電気化学素子Ｅの製造方法について説明する。
（貫通空間閉塞ステップ）
貫通空間閉塞ステップでは、金属基板１の貫通空間１ｃに多孔質セラミック材９が充填され、表側開口部１０ｄが多孔質セラミック材９により閉塞される。貫通空間閉塞ステップは例えば次のようにして行われる。まず材料となるセラミックを含有するペースト等を、金属基板１の表側面１ａへ滴下あるいは塗布する。続いてブレードやスキージ等により金属基板１の表側面１ａのペースト等を拭き取る。以上の滴下・塗布、拭き取りにより、貫通空間１ｃの内部にペースト等が入り込む。最後に金属基板１を熱処理して、ペースト等に含まれるバインダーを焼き飛ばす。
貫通空間閉塞ステップでは、金属基板１の貫通空間１ｃに多孔質セラミック材９が充填され、表側開口部１０ｄが多孔質セラミック材９により閉塞される。貫通空間閉塞ステップは例えば次のようにして行われる。まず材料となるセラミックを含有するペースト等を、金属基板１の表側面１ａへ滴下あるいは塗布する。続いてブレードやスキージ等により金属基板１の表側面１ａのペースト等を拭き取る。以上の滴下・塗布、拭き取りにより、貫通空間１ｃの内部にペースト等が入り込む。最後に金属基板１を熱処理して、ペースト等に含まれるバインダーを焼き飛ばす。
（電極層形成ステップ）
電極層形成ステップでは、金属基板１の表側の面の貫通空間１ｃが設けられた領域より広い領域に電極層２が薄膜の状態で形成される。金属基板１の貫通孔はレーザー加工等によって設けることができる。電極層２の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
電極層形成ステップでは、金属基板１の表側の面の貫通空間１ｃが設けられた領域より広い領域に電極層２が薄膜の状態で形成される。金属基板１の貫通孔はレーザー加工等によって設けることができる。電極層２の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
電極層形成ステップを低温焼成法で行う場合には、具体的には以下の例のように行う。
まず電極層２の材料粉末と溶媒とを混合して材料ペーストを作成し、表側開口部１０ｄが多孔質セラミック材９により閉塞された金属基板１の表側の面に塗布する。そして電極層２を圧縮成形し（電極層平滑化工程）、１１００℃以下で焼成する（電極層焼成工程）。電極層２の圧縮成形は、例えば、ＣＩＰ（Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ 、冷間静水圧加圧）成形、ロール加圧成形、ＲＩＰ（Ｒｕｂｂｅｒ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）成形などにより行うことができる。また、電極層の焼成は、８００℃以上１１００℃以下の温度で行うと好適である。また、電極層平滑化工程と電極層焼成工程の順序を入れ替えることもできる。
なお、中間層３を有する電気化学素子を形成する場合では、電極層平滑化工程や電極層焼成工程を省いたり、電極層平滑化工程や電極層焼成工程を後述する中間層平滑化工程や中間層焼成工程に含めることもできる。
まず電極層２の材料粉末と溶媒とを混合して材料ペーストを作成し、表側開口部１０ｄが多孔質セラミック材９により閉塞された金属基板１の表側の面に塗布する。そして電極層２を圧縮成形し（電極層平滑化工程）、１１００℃以下で焼成する（電極層焼成工程）。電極層２の圧縮成形は、例えば、ＣＩＰ（Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ 、冷間静水圧加圧）成形、ロール加圧成形、ＲＩＰ（Ｒｕｂｂｅｒ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）成形などにより行うことができる。また、電極層の焼成は、８００℃以上１１００℃以下の温度で行うと好適である。また、電極層平滑化工程と電極層焼成工程の順序を入れ替えることもできる。
なお、中間層３を有する電気化学素子を形成する場合では、電極層平滑化工程や電極層焼成工程を省いたり、電極層平滑化工程や電極層焼成工程を後述する中間層平滑化工程や中間層焼成工程に含めることもできる。
（拡散抑制層形成ステップ）
上述した電極層形成ステップにおける焼成工程時に、金属基板１の表面に金属酸化物層１ｆ（拡散抑制層）が形成される。なお、上記焼成工程に、焼成雰囲気を酸素分圧が低い雰囲気条件とする焼成工程が含まれていると元素の相互拡散抑制効果が高く、抵抗値の低い良質な金属酸化物層１ｆ（拡散抑制層）が形成されるので好ましい。電極層形成ステップを、焼成を行わないコーティング方法とする場合を含め、別途の拡散抑制層形成ステップを含めても良い。いずれにおいても、金属基板１の損傷を抑制可能な１１００℃以下の処理温度で実施することが望ましい。また、後述する中間層形成ステップにおける焼成工程時に、金属支持体１の表面に金属酸化物層１ｆ（拡散抑制層）が形成されても良い。
上述した電極層形成ステップにおける焼成工程時に、金属基板１の表面に金属酸化物層１ｆ（拡散抑制層）が形成される。なお、上記焼成工程に、焼成雰囲気を酸素分圧が低い雰囲気条件とする焼成工程が含まれていると元素の相互拡散抑制効果が高く、抵抗値の低い良質な金属酸化物層１ｆ（拡散抑制層）が形成されるので好ましい。電極層形成ステップを、焼成を行わないコーティング方法とする場合を含め、別途の拡散抑制層形成ステップを含めても良い。いずれにおいても、金属基板１の損傷を抑制可能な１１００℃以下の処理温度で実施することが望ましい。また、後述する中間層形成ステップにおける焼成工程時に、金属支持体１の表面に金属酸化物層１ｆ（拡散抑制層）が形成されても良い。
（中間層形成ステップ）
中間層形成ステップでは、電極層２を覆う形態で、電極層２の上に中間層３が薄層の状態で形成される。中間層３の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
中間層形成ステップでは、電極層２を覆う形態で、電極層２の上に中間層３が薄層の状態で形成される。中間層３の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
中間層形成ステップを低温焼成法で行う場合には、具体的には以下の例のように行う。
まず中間層３の材料粉末と溶媒（分散媒）とを混合して材料ペーストを作成し、電極層２及び金属基板１の上に塗布する。そして中間層３を圧縮成形し（中間層平滑化工程）、１１００℃以下で焼成する（中間層焼成工程）。中間層３の圧延は、例えば、ＣＩＰ（Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ 、冷間静水圧加圧）成形、ロール加圧成形、ＲＩＰ（Ｒｕｂｂｅｒ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）成形などにより行うことができる。また、中間層３の焼成は、８００℃以上１１００℃以下の温度で行うと好適である。このような温度であると、金属支持体１の損傷・劣化を抑制しつつ、強度の高い中間層３を形成できるためである。また、中間層３の焼成を１０５０℃以下で行うとより好ましく、１０００℃以下で行うと更に好ましい。これは、中間層３の焼成温度を低下させる程に、金属支持体１の損傷・劣化をより抑制しつつ、電気化学素子Ｅを形成できるからである。また、中間層平滑化工程と中間層焼成工程の順序を入れ替えることもできる。
なお、中間層平滑化工程は、ラップ成形やレベリング処理、表面の切削・研磨処理などを施すことによって行うことでもできる。
まず中間層３の材料粉末と溶媒（分散媒）とを混合して材料ペーストを作成し、電極層２及び金属基板１の上に塗布する。そして中間層３を圧縮成形し（中間層平滑化工程）、１１００℃以下で焼成する（中間層焼成工程）。中間層３の圧延は、例えば、ＣＩＰ（Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ 、冷間静水圧加圧）成形、ロール加圧成形、ＲＩＰ（Ｒｕｂｂｅｒ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）成形などにより行うことができる。また、中間層３の焼成は、８００℃以上１１００℃以下の温度で行うと好適である。このような温度であると、金属支持体１の損傷・劣化を抑制しつつ、強度の高い中間層３を形成できるためである。また、中間層３の焼成を１０５０℃以下で行うとより好ましく、１０００℃以下で行うと更に好ましい。これは、中間層３の焼成温度を低下させる程に、金属支持体１の損傷・劣化をより抑制しつつ、電気化学素子Ｅを形成できるからである。また、中間層平滑化工程と中間層焼成工程の順序を入れ替えることもできる。
なお、中間層平滑化工程は、ラップ成形やレベリング処理、表面の切削・研磨処理などを施すことによって行うことでもできる。
（電解質層形成ステップ）
電解質層形成ステップでは、電極層２および中間層３を覆った状態で、電解質層４が中間層３の上に薄層の状態で形成される。また、厚さが１０μｍ以下の薄膜の状態で形成されても良い。電解質層４の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
電解質層形成ステップでは、電極層２および中間層３を覆った状態で、電解質層４が中間層３の上に薄層の状態で形成される。また、厚さが１０μｍ以下の薄膜の状態で形成されても良い。電解質層４の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
緻密で気密性およびガスバリア性能の高い、良質な電解質層４を１１００℃以下の温度域で形成するためには、電解質層形成ステップをスプレーコーティング法で行うことが望ましい。その場合、電解質層４の材料を金属基板１上の中間層３に向けて噴射し、電解質層４を形成する。
（反応防止層形成ステップ）
反応防止層形成ステップでは、反応防止層５が電解質層４の上に薄層の状態で形成される。反応防止層５の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。なお反応防止層５の上側の面を平坦にするために、例えば反応防止層５の形成後にレベリング処理や表面を切削・研磨処理を施したり、湿式形成後焼成前に、プレス加工を施してもよい。
反応防止層形成ステップでは、反応防止層５が電解質層４の上に薄層の状態で形成される。反応防止層５の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。なお反応防止層５の上側の面を平坦にするために、例えば反応防止層５の形成後にレベリング処理や表面を切削・研磨処理を施したり、湿式形成後焼成前に、プレス加工を施してもよい。
（対極電極層形成ステップ）
対極電極層形成ステップでは、対極電極層６が反応防止層５の上に薄層の状態で形成される。対極電極層６の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
対極電極層形成ステップでは、対極電極層６が反応防止層５の上に薄層の状態で形成される。対極電極層６の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
以上の様にして、電気化学素子Ｅを製造することができる。
なお電気化学素子Ｅにおいて、中間層３（挿入層）と反応防止層５とは、何れか一方、あるいは両方を備えない形態とすることも可能である。すなわち、電極層２と電解質層４とが接触して形成される形態、あるいは電解質層４と対極電極層６とが接触して形成される形態も可能である。この場合に上述の製造方法では、中間層形成ステップ、反応防止層形成ステップが省略される。なお、他の層を形成するステップを追加したり、同種の層を複数積層したりすることも可能であるが、いずれの場合であっても、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
＜実施例＞
厚さ０．３ｍｍ、直径２５ｍｍの円形の金属板（金属基板１）の全領域に対して、パンチング加工により貫通空間１ｃを複数設けて、金属基板１を作製した。貫通空間１ｃは、直交格子の格子点に設けた。表側開口部１ｄの直径は０．３ｍｍ、ピッチＰは０．６ｍｍである。表側開口部１ｄの面積は、７．０７×１０−２ｍｍ２である。金属板の厚さに対する表側開口部１ｄの直径の比であるアスペクト比は１であり、開口率は１９．６％である。
厚さ０．３ｍｍ、直径２５ｍｍの円形の金属板（金属基板１）の全領域に対して、パンチング加工により貫通空間１ｃを複数設けて、金属基板１を作製した。貫通空間１ｃは、直交格子の格子点に設けた。表側開口部１ｄの直径は０．３ｍｍ、ピッチＰは０．６ｍｍである。表側開口部１ｄの面積は、７．０７×１０−２ｍｍ２である。金属板の厚さに対する表側開口部１ｄの直径の比であるアスペクト比は１であり、開口率は１９．６％である。
次に、８ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）の微粉末に有機バインダーと純水を加えてペーストを作製した。そのペーストを金属基板１の表側面１ａに塗布し、スキージで拭き取りを行い、真空ポンプを用いて減圧を行った。上記操作を３〜４回繰り返して行い、８０℃で乾燥させた。その後、１０００℃で焼成処理を行うことで、貫通空間１ｃを８ＹＳＺの多孔質セラミック材で塞いだ（貫通空間閉塞ステップ）。
次にＧＤＣ粉末とＬＳＣＦ粉末とを混合し、有機バインダーと有機溶媒（分散媒）を加えて作製したペーストを用いて、上記の金属基板１上に電極層２を積層し、ＣＩＰ成形した後、９５０℃で焼成処理を行い、電極層２を作製した（電極層形成ステップ、拡散抑制層形成ステップ）。焼成後の電極層２の顕微鏡写真を図６Ａに示す。図６Ａからわかるように、表側開口部１ｄの直径を０．３ｍｍ、ピッチを０．６ｍｍとし、貫通空間１ｃを８ＹＳＺの多孔質セラミック材で塞ぐことによって、均質かつ平坦な電極の形成が可能であった。
＜比較例＞
厚さ０．３ｍｍ、直径２５ｍｍの円形の金属板（金属基板１）の全領域に対して、パンチング加工により貫通空間１ｃを複数設けて、金属基板１を作製した。貫通空間１ｃは、６０°千鳥型（正三角形の頂点に各貫通空間１ｃの中心を配置）となるように設けた。表側開口部１ｄの直径は０．５ｍｍ、ピッチＰは１ｍｍである。表側開口部１ｄの面積は、１．９６×１０−１ｍｍ２である。金属板の厚さに対する表側開口部１ｄの直径の比であるアスペクト比は１．７であり、開口率は２２．７％である。
厚さ０．３ｍｍ、直径２５ｍｍの円形の金属板（金属基板１）の全領域に対して、パンチング加工により貫通空間１ｃを複数設けて、金属基板１を作製した。貫通空間１ｃは、６０°千鳥型（正三角形の頂点に各貫通空間１ｃの中心を配置）となるように設けた。表側開口部１ｄの直径は０．５ｍｍ、ピッチＰは１ｍｍである。表側開口部１ｄの面積は、１．９６×１０−１ｍｍ２である。金属板の厚さに対する表側開口部１ｄの直径の比であるアスペクト比は１．７であり、開口率は２２．７％である。
次に、８ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）の微粉末に有機バインダーと純水を加えてペーストを作製した。そのペーストを金属基板１の表側面１ａに塗布し、スキージで拭き取りを行い、真空ポンプを用いて減圧を行った。上記操作を３〜４回繰り返して行い、８０℃で乾燥させた。その後、１０００℃で焼成処理を行うことで、貫通空間１ｃを８ＹＳＺの多孔質セラミック材で塞いだ（貫通空間閉塞ステップ）。
次にＧＤＣ粉末とＬＳＣＦ粉末とを混合し、有機バインダーと有機溶媒（分散媒）を加えて作製したペーストを用いて、上記の金属基板１上に電極層２を積層し、ＣＩＰ成形した後、９５０℃で焼成処理を行い、電極層２を作製した（電極層形成ステップ、拡散抑制層形成ステップ）。焼成後の電極層２の顕微鏡写真を図６Ｂに示す。図６Ｂからわかるように、表側開口部１ｄの縁に沿って亀裂が見られ、均質な電極層２を形成することが困難であった。
＜第２実施形態＞
図２・図３を用いて、第２実施形態に係る電気化学素子Ｅ、電気化学モジュールＭ、電気化学装置ＹおよびエネルギーシステムＺについて説明する。
図２・図３を用いて、第２実施形態に係る電気化学素子Ｅ、電気化学モジュールＭ、電気化学装置ＹおよびエネルギーシステムＺについて説明する。
第２実施形態に係る電気化学素子Ｅは、図２に示すように、金属基板１の裏面にＵ字部材７が取り付けられており、金属基板１とＵ字部材７とで筒状支持体を形成している。
そして集電部材２６を間に挟んで電気化学素子Ｅが複数積層（複数集合）されて、電気化学モジュールＭが構成されている。集電部材２６は、電気化学素子Ｅの対極電極層６と、Ｕ字部材７とに接合され、両者を電気的に接続している。なお、集電部材２６を省略して、電気化学素子Ｅの対極電極層６とＵ字部材７とを直接電気的に接続する構成としても良い。
電気化学モジュールＭは、ガスマニホールド１７、集電部材２６、終端部材および電流引出し部を有する。複数積層された電気化学素子Ｅは、筒状支持体の一方の開口端部がガスマニホールド１７に接続されて、ガスマニホールド１７から気体の供給を受ける。供給された気体は、筒状支持体の内部を通流し、金属基板１の貫通空間１ｃを通って電極層２に供給される。
図３には、エネルギーシステムＺおよび電気化学装置Ｙの概要が示されている。
エネルギーシステムＺは、電気化学装置Ｙと、電気化学装置Ｙから排出される熱を再利用する排熱利用部としての熱交換器５３とを有する。
電気化学装置Ｙは、電気化学モジュールＭと、燃料供給モジュールと、電気化学モジュールＭから電力を取り出す出力部としてのインバータ（電力変換器の一例）３８とを有する。燃料供給モジュールは、脱硫器３１、気化器３３、改質器３４からなり、電気化学モジュールＭに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部とを有する。なお、この場合、改質器３４が燃料変換器となる。
エネルギーシステムＺは、電気化学装置Ｙと、電気化学装置Ｙから排出される熱を再利用する排熱利用部としての熱交換器５３とを有する。
電気化学装置Ｙは、電気化学モジュールＭと、燃料供給モジュールと、電気化学モジュールＭから電力を取り出す出力部としてのインバータ（電力変換器の一例）３８とを有する。燃料供給モジュールは、脱硫器３１、気化器３３、改質器３４からなり、電気化学モジュールＭに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部とを有する。なお、この場合、改質器３４が燃料変換器となる。
詳しくは電気化学装置Ｙは、脱硫器３１、改質水タンク３２、気化器３３、改質器３４、ブロア３５、燃焼部３６、インバータ３８、制御部３９、収納容器４０および電気化学モジュールＭを有する。
脱硫器３１は、都市ガス等の炭化水素系の原燃料に含まれる硫黄化合物成分を除去（脱硫）する。原燃料中に硫黄化合物が含有される場合、脱硫器３１を備えることにより、硫黄化合物による改質器３４あるいは電気化学素子Ｅに対する影響を抑制することができる。気化器３３は、改質水タンク３２から供給される改質水から水蒸気を生成する。改質器３４は、気化器３３にて生成された水蒸気を用いて脱硫器３１にて脱硫された原燃料を水蒸気改質して、水素を含む改質ガスを生成する。
電気化学モジュールＭは、改質器３４から供給された改質ガスと、ブロア３５から供給された空気とを用いて、電気化学反応させて発電する。燃焼部３６は、電気化学モジュールＭから排出される反応排ガスと空気とを混合させて、反応排ガス中の可燃成分を燃焼させる。
電気化学モジュールＭは、複数の電気化学素子Ｅとガスマニホールド１７とを有する。
複数の電気化学素子Ｅは互いに電気的に接続された状態で並列して配置され、電気化学素子Ｅの一方の端部（下端部）がガスマニホールド１７に固定されている。電気化学素子Ｅは、ガスマニホールド１７を通じて供給される改質ガスと、ブロア３５から供給された空気とを電気化学反応させて発電する。
複数の電気化学素子Ｅは互いに電気的に接続された状態で並列して配置され、電気化学素子Ｅの一方の端部（下端部）がガスマニホールド１７に固定されている。電気化学素子Ｅは、ガスマニホールド１７を通じて供給される改質ガスと、ブロア３５から供給された空気とを電気化学反応させて発電する。
インバータ３８は、電気化学モジュールＭの出力電力を調整して、商用系統（図示省略）から受電する電力と同じ電圧および同じ周波数にする。制御部３９は電気化学装置ＹおよびエネルギーシステムＺの運転を制御する。
気化器３３、改質器３４、電気化学モジュールＭおよび燃焼部３６は、収納容器４０内に収納される。そして改質器３４は、燃焼部３６での反応排ガスの燃焼により発生する燃焼熱を用いて原燃料の改質処理を行う。
原燃料は、昇圧ポンプ４１の作動により原燃料供給路４２を通して脱硫器３１に供給される。改質水タンク３２の改質水は、改質水ポンプ４３の作動により改質水供給路４４を通して気化器３３に供給される。そして、原燃料供給路４２は脱硫器３１よりも下流側の部位で、改質水供給路４４に合流されており、収納容器４０外にて合流された改質水と原燃料とが収納容器４０内に備えられた気化器３３に供給される。
改質水は気化器３３にて気化され水蒸気となる。気化器３３にて生成された水蒸気を含む原燃料は、水蒸気含有原燃料供給路４５を通して改質器３４に供給される。改質器３４にて原燃料が水蒸気改質され、水素ガスを主成分とする改質ガス（還元性成分を有する第１気体）が生成される。改質器３４にて生成された改質ガスは、改質ガス供給路４６を通して電気化学モジュールＭのガスマニホールド１７に供給される。
ガスマニホールド１７に供給された改質ガスは、複数の電気化学素子Ｅに対して分配され、電気化学素子Ｅとガスマニホールド１７との接続部である下端から電気化学素子Ｅに供給される。改質ガス中の主に水素（還元性成分）が、電気化学素子Ｅにて電気化学反応に使用される。反応に用いられなかった残余の水素ガスを含む反応排ガスが、電気化学素子Ｅの上端から燃焼部３６に排出される。
反応排ガスは燃焼部３６で燃焼され、燃焼排ガスとなって燃焼排ガス排出口５０から収納容器４０の外部に排出される。燃焼排ガス排出口５０には燃焼触媒部５１（例えば、白金系触媒）が配置され、燃焼排ガスに含有される一酸化炭素や水素等の還元性成分を燃焼除去する。燃焼排ガス排出口５０から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス排出路５２により熱交換器５３に送られる。
熱交換器５３は、燃焼部３６における燃焼で生じた燃焼排ガスと、供給される冷水とを熱交換させ、温水を生成する。すなわち熱交換器５３は、電気化学装置Ｙから排出される熱を再利用する排熱利用部として動作する。
なお、排熱利用部の代わりに、電気化学モジュールＭから（燃焼されずに）排出される反応排ガスを利用する反応排ガス利用部を設けてもよい。反応排ガスには、電気化学素子Ｅにて反応に用いられなかった残余の水素ガスが含まれる。反応排ガス利用部では、残余の水素ガスを利用して、燃焼による熱利用や、燃料電池等による発電が行われ、エネルギーの有効利用がなされる。
＜第３実施形態＞
図４に、電気化学モジュールＭの他の実施形態を示す。第３実施形態に係る電気化学モジュールＭは、上述の電気化学素子Ｅを、セル間接続部材７１を間に挟んで積層することで、電気化学モジュールＭを構成する。
図４に、電気化学モジュールＭの他の実施形態を示す。第３実施形態に係る電気化学モジュールＭは、上述の電気化学素子Ｅを、セル間接続部材７１を間に挟んで積層することで、電気化学モジュールＭを構成する。
セル間接続部材７１は、導電性を有し、かつ気体透過性を有さない板状の部材であり、表面と裏面に、互いに直交する溝７２が形成されている。セル間接続部材７１はステンレス等の金属や、金属酸化物を用いることができる。
図４に示すように、このセル間接続部材７１を間に挟んで電気化学素子Ｅを積層すると、溝７２を通じて気体を電気化学素子Ｅに供給することができる。詳しくは一方の溝７２が第１気体流路７２ａとなり、電気化学素子Ｅの表側、すなわち対極電極層６に気体を供給する。他方の溝７２が第２気体流路７２ｂとなり、電気化学素子Ｅの裏側、すなわち金属基板１の裏側の面から貫通空間１ｃを通じて電極層２へ気体を供給する。
この電気化学モジュールＭを燃料電池として動作させる場合は、第１気体流路７２ａに酸素を供給し、第２気体流路７２ｂに水素を供給する。そうすると電気化学素子Ｅにて燃料電池としての反応が進行し、起電力・電流が発生する。発生した電力は、積層された電気化学素子Ｅの両端のセル間接続部材７１から、電気化学モジュールＭの外部に取り出される。
なお、本第３実施形態では、セル間接続部材７１の表面と裏面に、互いに直交する溝７２を形成したが、セル間接続部材７１の表面と裏面に、互いに並行する溝７２を形成することもできる。
（他の実施形態）
（１）上記の実施形態では、電気化学素子Ｅ又は電気化学モジュールＭを固体酸化物形燃料電池に用いたが、電気化学素子Ｅ又は電気化学モジュールＭは、固体酸化物形電解セルや、固体酸化物を利用した酸素センサ等に利用することもできる。
（１）上記の実施形態では、電気化学素子Ｅ又は電気化学モジュールＭを固体酸化物形燃料電池に用いたが、電気化学素子Ｅ又は電気化学モジュールＭは、固体酸化物形電解セルや、固体酸化物を利用した酸素センサ等に利用することもできる。
すなわち、上記の実施形態では、燃料等の化学的エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を向上できる構成について説明した。つまり、上記の実施形態では、電気化学素子Ｅ及び電気化学モジュールＭを燃料電池として動作させ、電極層２に水素ガスが流通され、対極電極層６に酸素ガスが流通される。そうすると、対極電極層６において酸素分子Ｏ２が電子ｅ−と反応して酸素イオンＯ２−が生成される。その酸素イオンＯ２−が電解質層４を通って電極層２へ移動する。電極層２においては、水素分子Ｈ２が酸素イオンＯ２−と反応し、水Ｈ２Ｏと電子ｅ−が生成される。以上の反応により、電極層２と対極電極層６との間に起電力が発生し、発電が行われる。
一方、電気化学素子Ｅ及び電気化学モジュールＭを電解セルとして動作させる場合は、電極層２に水蒸気や二酸化炭素を含有するガスが流通され、電極層２と対極電極層６との間に電圧が印加される。そうすると、電極層２において電子ｅ−と水分子Ｈ２Ｏ、二酸化炭素分子ＣＯ２が反応し水素分子Ｈ２や一酸化炭素ＣＯと酸素イオンＯ２−となる。酸素イオンＯ２−は電解質層４を通って対極電極層６へ移動する。対極電極層６において酸素イオンＯ２−が電子を放出して酸素分子Ｏ２となる。以上の反応により、水分子Ｈ２Ｏが水素Ｈ２と酸素Ｏ２とに、二酸化炭素分子ＣＯ２を含有するガスが流通される場合は一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ２とに電気分解される。
水蒸気と二酸化炭素分子ＣＯ２を含有するガスが流通される場合は上記電気分解により電気化学素子Ｅ及び電気化学モジュールＭで生成した水素及び一酸化炭素等から炭化水素などの種々の化合物などを合成する燃料変換器９１（図７）を設けることができる。燃料供給部（図示せず）により、この燃料変換器９１で生成した炭化水素等を本システム・装置外に取り出して別途燃料として利用することができる。また、燃料変換器９１で水素や一酸化炭素を化学原料に変換して利用することもできる。
図７に示すエネルギーシステムでは、電気化学モジュールＭは、複数の電気化学素子Ｅとガスマニホールド１７及びガスマニホールド１７１とを有する。複数の電気化学素子Ｅは互いに電気的に接続された状態で並列して配置され、電気化学素子Ｅの一方の端部（下端部）がガスマニホールド１７に固定されており、他方の端部（上端部）がガスマニホールド１７１に固定されている。電気化学素子Ｅの一方の端部（下端部）におけるガスマニホールド１７は、水蒸気及び二酸化炭素の供給を受ける。そして、電気化学素子Ｅの電気化学素子Ｅで上述の反応により生成した水素及び一酸化炭素等が、電気化学素子Ｅの他方の端部（上端部）と連通するマニホールド１７１によって収集される。
図７中の熱交換器９０を、燃料変換器９１で起きる反応によって生ずる反応熱と水とを熱交換させ気化する排熱利用部として動作させるとともに、図７中の熱交換器９２を、電気化学素子Ｅによって生ずる排熱と水蒸気および二酸化炭素とを熱交換させ予熱する排熱利用部として動作させる構成とすることにより、エネルギー効率を高めることができる。
また、電力変換器９３は、電気化学素子Ｅに電力を流通する。これにより、上記のように電気化学素子Ｅは、電解セルとして作用する。よって、上記構成によれば、電気エネルギーを燃料等の化学的エネルギーに変換する効率を向上できる電気化学素子Ｅ等を提供することができる。
図７中の熱交換器９０を、燃料変換器９１で起きる反応によって生ずる反応熱と水とを熱交換させ気化する排熱利用部として動作させるとともに、図７中の熱交換器９２を、電気化学素子Ｅによって生ずる排熱と水蒸気および二酸化炭素とを熱交換させ予熱する排熱利用部として動作させる構成とすることにより、エネルギー効率を高めることができる。
また、電力変換器９３は、電気化学素子Ｅに電力を流通する。これにより、上記のように電気化学素子Ｅは、電解セルとして作用する。よって、上記構成によれば、電気エネルギーを燃料等の化学的エネルギーに変換する効率を向上できる電気化学素子Ｅ等を提供することができる。
（２）上記の実施形態では、金属基板１を支持体とする金属支持型の固体酸化物形燃料電池に用いたが、本願は、電極層２もしくは対極電極層６を支持体とする電極支持型の固体酸化物形燃料電池や電解質層４を支持体とする電解質支持型の固体酸化物形燃料電池に利用することもできる。それらの場合は、電極層２もしくは対極電極層６、または、電解質層４を必要な厚さとして、支持体としての機能が得られるようにすることができる。
（３）上記の実施形態では、電極層２の材料として例えばＮｉＯ−ＧＤＣ、Ｎｉ−ＧＤＣ、ＮｉＯ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＹＳＺ、ＣｕＯ−ＣｅＯ2、Ｃｕ−ＣｅＯ2などの複合材を用い、対極電極層６の材料として例えばＬＳＣＦ、ＬＳＭ等の複合酸化物を用いた。このように構成された電気化学素子Ｅは、電極層２に水素ガスを供給して燃料極（アノード）とし、対極電極層６に空気を供給して空気極（カソード）とし、固体酸化物形燃料電池セルとして用いることが可能である。この構成を変更して、電極層２を空気極とし、対極電極層６を燃料極とすることが可能なように、電気化学素子Ｅを構成することも可能である。すなわち、電極層２の材料として例えばＬＳＣＦ、ＬＳＭ等の複合酸化物を用い、対極電極層６の材料として例えばＮｉＯ−ＧＤＣ、Ｎｉ−ＧＤＣ、ＮｉＯ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＹＳＺ、ＣｕＯ−ＣｅＯ2、Ｃｕ−ＣｅＯ2などの複合材を用いる。このように構成した電気化学素子Ｅであれば、電極層２に空気を供給して空気極とし、対極電極層６に水素ガスを供給して燃料極とし、電気化学素子Ｅを固体酸化物形燃料電池セルとして用いることができる。
なお、上記の実施形態で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能である。また本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
電気化学素子および固体酸化物形燃料電池セルとして利用可能である。
１ ：金属基板（金属支持体）
１ａ ：表側面
１ｂ ：裏側面
１ｃ ：貫通空間
１ｄ ：表側開口部
１ｅ ：裏側開口部
１ｆ ：金属酸化物層
１ｇ ：孔領域
１ｈ ：単位領域
２ ：電極層
３ ：緩衝層
４ ：電解質層
５ ：反応防止層
６ ：対極電極層
７ ：Ｕ字部材
９ ：多孔質セラミック材
Ｅ ：電気化学素子
Ｍ ：電気化学モジュール
Ｙ ：電気化学装置
Ｚ ：エネルギーシステム
１ａ ：表側面
１ｂ ：裏側面
１ｃ ：貫通空間
１ｄ ：表側開口部
１ｅ ：裏側開口部
１ｆ ：金属酸化物層
１ｇ ：孔領域
１ｈ ：単位領域
２ ：電極層
３ ：緩衝層
４ ：電解質層
５ ：反応防止層
６ ：対極電極層
７ ：Ｕ字部材
９ ：多孔質セラミック材
Ｅ ：電気化学素子
Ｍ ：電気化学モジュール
Ｙ ：電気化学装置
Ｚ ：エネルギーシステム
Claims (15)
- 電気化学素子の金属支持体であって、
前記金属支持体は全体として板状であり、
前記金属支持体は、電極層が設けられる面を表側面として、前記表側面から裏側面へ貫通する複数の貫通空間を有し、
前記貫通空間の前記表側面の開口部である表側開口部の面積が１．３×１０-1ｍｍ2未満であり、
前記貫通空間の少なくとも前記表側開口部が多孔質セラミック材により塞がれている金属支持体。 - 電気化学素子の金属支持体であって、
前記金属支持体は全体として板状であり、
前記金属支持体は、電極層が設けられる面を表側面として、前記表側面から裏側面へ貫通する複数の貫通空間を有し、
前記貫通空間の前記表側面の開口部である表側開口部の直径が０．４ｍｍ以下であり、
前記貫通空間の少なくとも前記表側開口部が多孔質セラミック材により塞がれている金属支持体。 - 前記貫通空間の全体に前記多孔質セラミック材が充填されている請求項１または２に記載の金属支持体。
- 前記表側開口部の直径を前記金属支持体の厚さで除した値であるアスペクト比が１．４以下である請求項１から３のいずれか１項に記載の金属支持体。
- 前記表側開口部の間隔が０．９ｍｍ以下である請求項１から４のいずれか１項に記載の金属支持体。
- 前記表側面において前記貫通空間が形成されている領域を孔領域とし、前記孔領域における前記表側開口部の占める割合である開口率が２２％以下である請求項１から５のいずれか１項に記載の金属支持体。
- 材料がＦｅ−Ｃｒ系合金である請求項１から６のいずれか１項に記載の金属支持体。
- 前記表側面の少なくとも一部が金属酸化物膜で覆われている請求項１から７のいずれか１項に記載の金属支持体。
- 請求項１から８のいずれか１項に記載の金属支持体の前記表側面に、少なくとも電極層と電解質層と対極電極層とが設けられた電気化学素子。
- 請求項９に記載の電気化学素子が複数集合した状態で配置される電気化学モジュール。
- 請求項９に記載の電気化学素子若しくは請求項１０に記載の電気化学モジュールと、前記電気化学素子若しくは前記電気化学モジュールに還元性成分を含有するガスを流通する燃料変換器、或いは前記電気化学素子若しくは前記電気化学モジュールで生成する還元性成分を含有するガスを変換する燃料変換器と、を少なくとも有する電気化学装置。
- 請求項９に記載の電気化学素子若しくは請求項１０に記載の電気化学モジュールと、前記電気化学素子若しくは前記電気化学モジュールから電力を取り出す、或いは前記電気化学素子若しくは前記電気化学モジュールに電力を流通する電力変換器を少なくとも有する電気化学装置。
- 請求項１１又は１２に記載の電気化学装置と、前記電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部を有するエネルギーシステム。
- 請求項９に記載の電気化学素子を備え、前記電気化学素子で発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池。
- 請求項９に記載の電気化学素子を備え、前記電気化学素子で電解反応を生じさせる固体酸化物形電解セル。
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| JP (1) | JP2021158026A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115020735A (zh) * | 2022-05-11 | 2022-09-06 | 南方科技大学 | 一种固体氧化物燃料电池及其制备方法和电堆 |
| WO2023176242A1 (ja) * | 2022-03-14 | 2023-09-21 | 日本碍子株式会社 | 電気化学セル |
-
2020
- 2020-03-27 JP JP2020058882A patent/JP2021158026A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023176242A1 (ja) * | 2022-03-14 | 2023-09-21 | 日本碍子株式会社 | 電気化学セル |
| CN115020735A (zh) * | 2022-05-11 | 2022-09-06 | 南方科技大学 | 一种固体氧化物燃料电池及其制备方法和电堆 |
| CN115020735B (zh) * | 2022-05-11 | 2024-05-07 | 南方科技大学 | 一种固体氧化物燃料电池及其制备方法和电堆 |
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