JP2021163764A - 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、固体酸化物形電解セル - Google Patents
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Abstract
【課題】金属支持体から電極層への元素拡散を抑制できかつ、ガスの拡散を阻害しにくい拡散防止層を備えることで高い性能と耐久性を有する電気化学素子等を提供することを目的とする。【解決手段】電気化学素子Ｅは、気体透過可能な金属支持体１と、金属支持体１の上に形成された拡散防止層７と、拡散防止層７の上に形成された電極層２と、電極層２の上に形成された電解質層４と、電解質層４の上に形成された対極電極層６と、を備え、拡散防止層７は、第１気孔率を有する第１拡散防止層７ａ及び第１気孔率よりも気孔率が高い第２気孔率を有する第２拡散防止層７ｂを含む。【選択図】図１
Description
本発明は、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、固体酸化物形電解セルに関する。
特許文献１の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、ＳＵＳ４３０を材料とした多孔質板である支持体と、支持体上部に配置された発電セルとを有する。発電セルは、アノード層、電解質層及びカソード層を有する。このようなＳＯＦＣにおいて、拡散防止層が支持体とアノード層との間に配置されている。これにより、支持体とアノード層との間での金属の拡散が抑制できる。
しかし、特許文献１の上記の支持体とアノード層との間に拡散防止層を備えるＳＯＦＣにおいては、金属支持体からアノード層へＦｅやＣｒが拡散しており、それにより性能や耐久性が低下するという懸念がある。よって、拡散防止層を備えるＳＯＦＣにおいて、性能や耐久性を向上するための新たな技術開発が求められている。
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、金属支持体から電極層への元素拡散を抑制できかつ、ガスの拡散を阻害しにくい拡散防止層を備えることで高い性能と耐久性を有する電気化学素子等を提供することにある。
[構成]
本発明に係る電気化学素子の特徴構成は、
気体透過可能な金属支持体と、
前記金属支持体の上に形成された拡散防止層と、
前記拡散防止層の上に形成された電極層と、
前記電極層の上に形成された電解質層と、
前記電解質層の上に形成された対極電極層と、
を備え、
前記拡散防止層は、第１気孔率を有する第１拡散防止層及び前記第１気孔率よりも気孔率が高い第２気孔率を有する第２拡散防止層を含む点にある。
本発明に係る電気化学素子の特徴構成は、
気体透過可能な金属支持体と、
前記金属支持体の上に形成された拡散防止層と、
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前記電解質層の上に形成された対極電極層と、
を備え、
前記拡散防止層は、第１気孔率を有する第１拡散防止層及び前記第１気孔率よりも気孔率が高い第２気孔率を有する第２拡散防止層を含む点にある。
上記特徴構成によれば、金属支持体と電極層との間に拡散防止層が設けられている。拡散防止層は、互いに異なる気孔率を有する第１拡散防止層及び第２拡散防止層を含んで構成されている。この拡散防止層によって、金属支持体と電極層との間の元素拡散を抑制することができ、性能及び耐久性の高い電気化学素子が得られる。例えば、金属支持体からマンガン、クロム、鉄等の元素が電極層に拡散して電極層を被毒するのを抑制できる。
また、上記の通り拡散防止層が気孔率の異なる第１拡散防止層及び第２拡散防止層を含んで構成されている。つまり、第２拡散防止層の第２気孔率は、第１拡散防止層の第１気孔率よりも高い。この気孔率の高い第２拡散防止層は、金属支持体から電極層へ燃料ガス又は酸化剤ガスの供給を阻害しにくいため、第２拡散防止層が存在することによる発電性能の低下を抑制できる。
以上の通り、上記特徴構成のように拡散防止層を気孔率の高い第２拡散防止層と気孔率の低い第１拡散防止層とを組み合わせて構成することで、金属支持体と電極層との間の元素拡散を抑制できかつ、金属支持体から電極層へ燃料ガス又は酸化剤ガスの供給が阻害されるのが抑制されるため、性能及び耐久性の高い電気化学素子が得られる。
以上の通り、上記特徴構成のように拡散防止層を気孔率の高い第２拡散防止層と気孔率の低い第１拡散防止層とを組み合わせて構成することで、金属支持体と電極層との間の元素拡散を抑制できかつ、金属支持体から電極層へ燃料ガス又は酸化剤ガスの供給が阻害されるのが抑制されるため、性能及び耐久性の高い電気化学素子が得られる。
[構成]
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第２拡散防止層の厚さが０．１μｍ以上１０μｍ以下である点にある。
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第２拡散防止層の厚さが０．１μｍ以上１０μｍ以下である点にある。
第２拡散防止層は第１拡散防止層よりも気孔率が高く燃料ガス又は酸化剤ガスを透過し易い。上記の特徴構成の通り第２拡散防止層を０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚さで形成することで、金属支持体と電極層との間の元素拡散の抑制と、金属支持体から電極層への燃料ガス又は酸化剤ガスの供給とを両立することができ、発電性能の低下を抑制できる。
また、上記厚みであれば、第２拡散防止層を形成した場合でも電気抵抗が高くなりすぎるのを抑制でき好ましい。
また、上記厚みであれば、第２拡散防止層を形成した場合でも電気抵抗が高くなりすぎるのを抑制でき好ましい。
[構成]
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第１拡散防止層の厚さが３μｍ以下である点にある。
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第１拡散防止層の厚さが３μｍ以下である点にある。
第１拡散防止層は第２拡散防止層よりも気孔率が低く、金属支持体と電極層との間の元素拡散を抑制し易いが、一方で燃料ガス又は酸化剤ガスの透過性は第２拡散防止層よりも劣る。上記の特徴構成の通り第１拡散防止層を３μｍ以下の厚さで形成することで、燃料ガス又は酸化剤ガスの透過を阻害し過ぎるのを抑制できるので好ましい。例えば、第１拡散防止層は、第２拡散防止層よりも薄く形成することができる。これにより、第１拡散防止層が、燃料ガス又は酸化剤ガスの透過を阻害し過ぎるのをさらに抑制できる。また、上記厚みで第１拡散防止層を形成することで電気抵抗が高くなりすぎるのを抑制でき好ましい。
[構成]
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第１拡散防止層及び前記第２拡散防止層の少なくともいずれかは金属酸化物である点にある。
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第１拡散防止層及び前記第２拡散防止層の少なくともいずれかは金属酸化物である点にある。
上記特徴構成のように少なくともいずれかが金属酸化物である第１拡散防止層及び第２拡散防止層は、金属支持体と電極層との間の元素拡散を抑制することができる。また、電気化学素子を熱処理により製造する過程における、例えば金属支持体及び電極層等を熱処理により製造する過程における酸化、また、金属支持体及び電極層等が形成された構造物を熱処理する過程における酸化等によって第１拡散防止層及び第２拡散防止層の少なくともいずれかを製造することができる。
[構成]
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第２拡散防止層がＣｅを含有する点にある。
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第２拡散防止層がＣｅを含有する点にある。
上記特徴構成の通り第２拡散防止層をＣｅを含有するように形成することができる。このような第２拡散防止層により、金属支持体と電極層との間の元素拡散を抑制することができる。
また、Ｃｅを含有するような拡散防止層であると、金属支持体や電極層や電解質層などとの熱膨張係数を近いものとすることができるので、低温と高温の温度サイクルが繰り返された場合でも性能及び耐久性の高い電気化学素子を実現できるので好ましい。
なお、このような第２拡散防止層によって、特に金属支持体から電極層へのＦｅ等の拡散が抑制できるので好ましい。
また、Ｃｅを含有するような拡散防止層であると、金属支持体や電極層や電解質層などとの熱膨張係数を近いものとすることができるので、低温と高温の温度サイクルが繰り返された場合でも性能及び耐久性の高い電気化学素子を実現できるので好ましい。
なお、このような第２拡散防止層によって、特に金属支持体から電極層へのＦｅ等の拡散が抑制できるので好ましい。
[構成]
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第２拡散防止層が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つを含有する点にある。
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第２拡散防止層が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つを含有する点にある。
上記特徴構成の通り第２拡散防止層を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つを含有するように形成することができる。このような第２拡散防止層により、金属支持体と電極層との間の元素拡散を抑制しながら、導電性の高い拡散防止層を有する性能の高い電気化学素子を得ることができるので好ましい。
[構成]
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第１拡散防止層は酸化クロムを主成分とする点にある。
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第１拡散防止層は酸化クロムを主成分とする点にある。
金属支持体にはクロムを含有するフェライト系ステンレス材が用いられる場合がある。
この場合、金属支持体の熱処理により酸化クロムを主成分とする第１拡散防止層を形成できる。このような第１拡散防止層により、金属支持体のＣｒ等が電極層や電解質層へ拡散することを抑制することができる。
この場合、金属支持体の熱処理により酸化クロムを主成分とする第１拡散防止層を形成できる。このような第１拡散防止層により、金属支持体のＣｒ等が電極層や電解質層へ拡散することを抑制することができる。
[構成]
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記金属支持体はフェライト系ステンレス材である点にある。
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記金属支持体はフェライト系ステンレス材である点にある。
上記特徴構成のように、金属支持体がフェライト系ステンレス材から構成されると、安価で強度が高い電気化学素子を実現できるので好ましい。
[構成]
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記電解質層がジルコニア系セラミックスを含有する点にある。
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記電解質層がジルコニア系セラミックスを含有する点にある。
上記の特徴構成によれば、電解質層が安定化ジルコニアを含むから、例えば６００℃以上、好ましくは６５０℃以上の比較的高い温度域でも高い電気化学性能を発揮可能な電気化学素子を実現できる。
[構成]
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第１拡散防止層は前記第２拡散防止層よりも前記金属支持体側に配置されている点にある。
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第１拡散防止層は前記第２拡散防止層よりも前記金属支持体側に配置されている点にある。
上記の特徴構成によれば、緻密で薄い第１拡散防止層が第２拡散防止層よりも前記金属支持体側に配置されているため、金属支持体からの元素拡散を十分に抑制できるため好ましい。
[構成]
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記金属支持体は、裏面から、前記電極層側の表面まで貫通する複数の貫通孔を有している点にある。
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記金属支持体は、裏面から、前記電極層側の表面まで貫通する複数の貫通孔を有している点にある。
上記の特徴構成によれば、金属支持体が複数の貫通孔を有しているため、金属支持体の裏面から電極層側への燃料ガス及び酸化剤ガス等の供給をスムーズにできるので高性能な電気化学素子を実現できる。
[構成]
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第１拡散防止層は、前記複数の貫通孔を閉塞しないように配置されている点にある。
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第１拡散防止層は、前記複数の貫通孔を閉塞しないように配置されている点にある。
上記の特徴構成によれば、金属支持体には複数の貫通孔が形成されているが、緻密な第１拡散防止層が複数の貫通孔を閉塞しないように配置されているので、金属支持体の裏面から電極層側への燃料ガス及び酸化剤ガス等の供給をスムーズにできるので高性能な電気化学素子を実現できる。
[構成]
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第２拡散防止層の前記第２気孔率は５％以上６０％以下である点にある。
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第２拡散防止層の前記第２気孔率は５％以上６０％以下である点にある。
上記の特徴構成によれば、金属支持体と電極層との間の元素拡散を抑制しかつ、燃料ガス及び酸化剤ガス等を電極層側にスムーズに供給できる。また、前記第２拡散防止層の前記第２気孔率は好ましくは１０％以上、より好ましくは１５％以上であれば燃料ガス及び酸化剤ガス等を電極層側によりスムーズに供給できるため好ましい。また、当該気孔率は好ましくは５０％以下、より好ましくは４０％以下であれば強度の高い第２拡散防止素が得られると共に、金属支持体と電極層の間の元素拡散をより抑制できるため好ましい。
[構成]
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第１拡散防止層の前記第１気孔率は５％未満である点にある。
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記第１拡散防止層の前記第１気孔率は５％未満である点にある。
上記の特徴構成によれば、金属支持体と電極層との間の元素拡散を十分に抑制できるので好ましい。
[構成]
本発明に係る電気化学モジュールの特徴構成は上記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。
本発明に係る電気化学モジュールの特徴構成は上記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]
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、上記の電気化学素子もしくは上記の電気化学モジュールと、前記電気化学素子又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、あるいは前記電気化学素子又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、上記の電気化学素子もしくは上記の電気化学モジュールと、前記電気化学素子又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、あるいは前記電気化学素子又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、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]
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、上記の電気化学素子もしくは上記の電気化学モジュールと、前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールから電力を取り出すあるいは前記電気化学素子も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。
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、上記の電気化学素子もしくは上記の電気化学モジュールと、前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールから電力を取り出すあるいは前記電気化学素子も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、電気化学素子もしくは電気化学モジュールが発電した電力を取り出し、あるいは、電気化学素子も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もしくは電気化学モジュールは、燃料電池として作用し、あるいは、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素子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]
本発明に係るエネルギーシステムの特徴構成は、上記の電気化学装置と、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とを有する点にある。
本発明に係るエネルギーシステムの特徴構成は、上記の電気化学装置と、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とを有する点にある。
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]
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、上記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、上記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備えた固体酸化物形燃料電池として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]
本発明に係る固体酸化物形電解セルの特徴構成は、上記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、上記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備えた固体酸化物形電解セルとして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、金属支持体１における電極層２が形成されている側の面を表側面１ａ、反対側の面を裏側面１ｂという。
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、金属支持体１における電極層２が形成されている側の面を表側面１ａ、反対側の面を裏側面１ｂという。
（電気化学素子）
電気化学素子Ｅは、図１に示される通り、金属支持体１と、第１拡散防止層７ａ及び第２拡散防止層７ｂを含む拡散防止層７と、拡散防止層７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、金属支持体１と、第１拡散防止層７ａ及び第２拡散防止層７ｂを含む拡散防止層７と、拡散防止層７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）
金属支持体１は、拡散防止層７（第１拡散防止層７ａ、第２拡散防止層７ｂ）、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。つまり金属支持体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。
金属支持体１は、拡散防止層７（第１拡散防止層７ａ、第２拡散防止層７ｂ）、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。つまり金属支持体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。
金属支持体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。
なお、金属支持体１がフェライト系ステンレス材から構成されると、安価で強度が高い電気化学素子を実現できるので好ましい。
なお、金属支持体１がフェライト系ステンレス材から構成されると、安価で強度が高い電気化学素子を実現できるので好ましい。
金属支持体１は全体として板状である。金属支持体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れば良く、その厚さは、強度を確保するという観点で、例えば、０．１ｍｍ以上であると好ましく、０．１５ｍｍ以上であるとより好ましく、０．２ｍｍ以上であると更に好ましい。また、その厚さは、コストを抑制するという観点で、例えば、２ｍｍ以下であると好ましく、１ｍｍ以下であるとより好ましく、０．５ｍｍ以下であると更に好ましい。そして金属支持体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を有する。例えば、金属支持体１は、金属板の表側面１ａと裏側面１ｂとを貫通するように、パンチング加工やエッチング加工、レーザー加工などの、機械的、化学的あるいは光学的穿孔加工などにより、複数の貫通孔を複数の貫通空間１ｃとして設けることができる。これにより、金属支持体１の裏側面１ｂから電極層２側への燃料ガス及び酸化剤ガス等の供給をスムーズにできるので高性能な電気化学素子を実現できる。
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。
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。
（拡散防止層）
本実施形態では、拡散防止層７は、第１気孔率を有する第１拡散防止層７ａ及び第１気孔率よりも高い第２気孔率を有する第２拡散防止層７ｂを含む。ここで、第１気孔率とは、第１拡散防止層７ａの全体積のうち空隙が占める割合である。第２気孔率とは、第２拡散防止層７ｂの全体積のうち空隙が占める割合である。
本実施形態では、第１拡散防止層７ａは、金属支持体１の表面及び貫通空間１ｃの内面に形成されている。第２拡散防止層７ｂは、金属支持体１の表面に設けられた第１拡散防止層７ａの上に設けられており、金属支持体１の表面において、貫通空間１ｃが設けられた領域を覆うように、貫通空間１ｃの領域よりも大きな領域に薄層の状態で設けられている。つまり、貫通空間１ｃは第２拡散防止層７ｂ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が第２拡散防止層７ｂに面して設けられている。
本実施形態では、拡散防止層７は、第１気孔率を有する第１拡散防止層７ａ及び第１気孔率よりも高い第２気孔率を有する第２拡散防止層７ｂを含む。ここで、第１気孔率とは、第１拡散防止層７ａの全体積のうち空隙が占める割合である。第２気孔率とは、第２拡散防止層７ｂの全体積のうち空隙が占める割合である。
本実施形態では、第１拡散防止層７ａは、金属支持体１の表面及び貫通空間１ｃの内面に形成されている。第２拡散防止層７ｂは、金属支持体１の表面に設けられた第１拡散防止層７ａの上に設けられており、金属支持体１の表面において、貫通空間１ｃが設けられた領域を覆うように、貫通空間１ｃの領域よりも大きな領域に薄層の状態で設けられている。つまり、貫通空間１ｃは第２拡散防止層７ｂ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が第２拡散防止層７ｂに面して設けられている。
この拡散防止層７（第１拡散防止層７ａ、第２拡散防止層７ｂ）によって、金属支持体１と電極層２との間の元素拡散を抑制することができ、電気化学素子Ｅの発電性能の低下を抑制できる。例えば、金属支持体１からマンガン、クロム、鉄等の元素が電極層２に拡散して電極層２を被毒するのを抑制できる。また、本実施形態の拡散防止層７は、気孔率の高い第２拡散防止層７ｂを有しているため、第２拡散防止層７ｂによる金属支持体１から電極層２へ燃料ガス又は酸化剤ガスの拡散が阻害されにくく、発電性能の低下を抑制できる。
第１拡散防止層７ａの第１気孔率は５％未満であることができる。これにより、金属支持体１と電極層２との間の元素拡散を十分に抑制できるので好ましい。
また、第２拡散防止層７ｂの第２気孔率は５％以上６０％以下であることができる。これにより、金属支持体１と電極層２との間の元素拡散を抑制しかつ、燃料ガス及び酸化剤ガス等を電極層２側にスムーズに供給できる。また、第２拡散防止層７ｂの第２気孔率は好ましくは１０％以上、より好ましくは１５％以上であれば燃料ガス及び酸化剤ガス等を電極層２側によりスムーズに供給できるため好ましい。また、当該第２気孔率は好ましくは５０％以下、より好ましくは４０％以下であれば強度の高い第２拡散防止層７ｂが得られると共に、金属支持体１と電極層２の間の元素拡散をより抑制できるため好ましい。
また、第１拡散防止層７ａの第１気孔率は５％未満であることができる。これにより、金属支持体１と電極層２との間の元素拡散を十分に抑制できるので好ましい。
以上の通り、拡散防止層７を気孔率の高い第２拡散防止層７ｂと気孔率の低い第１拡散防止層７ａとを組み合わせて構成することで、金属支持体１と電極層２との間の元素拡散を抑制できると共に、金属支持体１から電極層２へ燃料ガス又は酸化剤ガスの供給が阻害されるのも抑制できるため、発電性能の低下が抑制される。これにより、電気化学素子Ｅの性能の長期安定性を向上できる。
また、気孔率の高い第２拡散防止層７ｂを、気孔率の低い第１拡散防止層７ａと電極層２との間に配置することで、金属支持体１と電極層２との間の元素拡散も抑制できる。つまり、緻密で薄い第１拡散防止層７ａが第２拡散防止層７ｂよりも金属支持体１側に配置されているため、金属支持体１からの元素拡散を十分に抑制できるため好ましい。
特に、図１に示すように、第１拡散防止層７ａは、複数の貫通空間１ｃを閉塞しないように形成されているのが好ましい。図１において、第１拡散防止層７ａは、貫通空間１ｃの側面を含む金属支持体１の表面に形成されている。第２拡散防止層７ｂは、金属支持体１の表側面１ａ側において第１拡散防止層７ａ及び貫通空間１ｃの表側面１ａ側を覆うように形成されている。よって、貫通空間１ｃは、貫通方向に沿った側面は第１拡散防止層７ａに覆われつつ、かつ裏側面１ｂから表側面１ａに貫通している。そして、貫通空間１ｃの貫通方向の直上である表側面１ａ側は第２拡散防止層７ｂにより覆われている。つまり、第１拡散防止層７ａは金属支持体１の貫通空間１ｃを閉塞しないように配置されているが、第２拡散防止層７ｂは貫通空間１ｃを閉塞するように貫通空間１ｃの上部に配置されている。
この場合であっても、第２拡散防止層７ｂの第２気孔率は第１拡散防止層７ａの第１気孔率よりも大きいため、貫通空間１ｃの上部が第２拡散防止層７ｂで閉塞されていても、貫通空間１ｃ及び第２拡散防止層７ｂを介して燃料ガス及び酸化剤ガス等を電極層２側に供給できる。つまり、第２拡散防止層７ｂよりも気孔率が低い緻密な第１拡散防止層７ａが貫通空間１ｃを閉塞しないように配置されているため、金属支持体１の裏面から貫通空間１ｃを介して燃料ガス及び酸化剤ガス等を電極層２側にスムーズに供給できるので、高性能な電気化学素子Ｅを実現できる。
第１拡散防止層７ａ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が、例えば３μｍ以下である。第１拡散防止層７ａは第２拡散防止層７ｂよりも気孔率が低く、金属支持体１と電極層２との間の元素拡散を抑制し易いが、一方で燃料ガス又は酸化剤ガスの透過性は第２拡散防止層７ｂよりも劣る。上記の通り第１拡散防止層７ａを３μｍ以下の厚さで形成することで、燃料ガス又は酸化剤ガスの透過を阻害するのを抑制できるので好ましい。例えば、第１拡散防止層７ａは、第２拡散防止層７ｂよりも薄く形成することができる。これにより、第１拡散防止層７ａが、燃料ガス又は酸化剤ガスの透過を阻害するのをさらに抑制できる。また、上記厚みで第１拡散防止層７ａを形成することで電気抵抗が高くなりすぎるのを抑制でき好ましい。また、第１拡散防止層７ａの厚みはより好ましくは２.５μｍ以下、更に好ましくは２μｍ以下とすれば、電気抵抗の増大を更に抑制できるので好ましい。
一方で、第２拡散防止層７ｂ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とともに、ガス拡散性が低下しない厚みであれば良いが、例えば、０．１μｍ以上、好ましくは０．５μｍ以上、より好ましくは１μｍ以上とすることができる。このような厚さにすると金属支持体１と電極層２との間の元素拡散の抑制を確保できる。また、第２拡散防止層７ｂの厚さは、１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下、より好ましくは３μｍ以下とすることができる。このような厚さにすると、高価な材料の使用量を低減してコストダウンを図ることができる。また、このような厚さにすると、金属支持体１から電極層２への燃料ガス又は酸化剤ガスの供給を阻害しにくいため、発電性能の低下を抑制できる。また、上記厚みであれば、第２拡散防止層７ｂを形成した場合でも電気抵抗が高くなりすぎるのを抑制でき好ましい。
第１拡散防止層７ａ及び第２拡散防止層７ｂの少なくともいずれかは金属酸化物であると好ましい。この場合、第１拡散防止層７ａ及び第２拡散防止層７ｂからなる拡散防止層７は、金属支持体１と電極層２との間の元素拡散を抑制することができる。また、電気化学素子Ｅを熱処理により製造する過程における、例えば金属支持体１及び電極層２等を熱処理により製造する過程における酸化、また、金属支持体１及び電極層２等が形成された構造物を熱処理する過程における酸化等によって、金属酸化物からなる第１拡散防止層７ａ及び第２拡散防止層７ｂの少なくともいずれかを製造することができる。
特に、第２拡散防止層７ｂをＣｅを含有するセリア系材料等から形成することができる。このような第２拡散防止層７ｂにより、金属支持体１と電極層２との間の元素拡散を抑制することができる。
また、熱膨張係数が近い材料として、金属支持体１にはフェライト系ステンレス材が用いられ、電極層２及び電解質層４にはＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア、ＣＧＯとも呼ぶ）等が用いられる。Ｃｅを含有するような第２拡散防止層７ｂであると、金属支持体１や電極層２や電解質層４などとの熱膨張係数を近いものとすることができるので、低温と高温の温度サイクルが繰り返された場合でも性能及び耐久性の高い電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。Ｃｅを含有するような第２拡散防止層７ｂは、セリア系材料を含む電極層２の熱処理により形成することもできる。
また、第２拡散防止層７ｂとして金属支持体１と電極層２及び電解質層４との熱膨張係数が比較的近い酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）系材料等を用いて形成することもできる。
また、熱膨張係数が近い材料として、金属支持体１にはフェライト系ステンレス材が用いられ、電極層２及び電解質層４にはＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア、ＣＧＯとも呼ぶ）等が用いられる。Ｃｅを含有するような第２拡散防止層７ｂであると、金属支持体１や電極層２や電解質層４などとの熱膨張係数を近いものとすることができるので、低温と高温の温度サイクルが繰り返された場合でも性能及び耐久性の高い電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。Ｃｅを含有するような第２拡散防止層７ｂは、セリア系材料を含む電極層２の熱処理により形成することもできる。
また、第２拡散防止層７ｂとして金属支持体１と電極層２及び電解質層４との熱膨張係数が比較的近い酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）系材料等を用いて形成することもできる。
さらに、第２拡散防止層７ｂを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つを含有するように形成することができる。このような第２拡散防止層７ｂにより、金属支持体１と電極層２との間の元素拡散を抑制しながら、導電性の高い拡散防止層を有する性能の高い電気化学素子を得ることができる。
上述の通り、熱膨張係数が近い材料として、金属支持体１にはフェライト系ステンレス材が用いられる場合がある。そして、電極層２及び電解質層４にはＧＤＣ以外にも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）等も用いられる場合がある。この場合、電極層２の熱処理によりＳｍ、ＧｄおよびＹ等を含有する第２拡散防止層７ｂを形成できる。このような第２拡散防止層７ｂにより、金属支持体１と電極層２との間の元素拡散を抑制することができる。
上述の通り、熱膨張係数が近い材料として、金属支持体１にはフェライト系ステンレス材が用いられる場合がある。そして、電極層２及び電解質層４にはＧＤＣ以外にも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）等も用いられる場合がある。この場合、電極層２の熱処理によりＳｍ、ＧｄおよびＹ等を含有する第２拡散防止層７ｂを形成できる。このような第２拡散防止層７ｂにより、金属支持体１と電極層２との間の元素拡散を抑制することができる。
なお、上述の通り、金属支持体１としてフェライト系ステンレス材を用い、電極層２や電解質層４の材料として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）等を用いた場合、これらの材料の熱膨張係数が近い。
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。
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。
なお、第２拡散防止層７ｂにおける、Ｓｍ、ＧｄおよびＹ等の元素の含有率の合計が１．０質量％以上１０質量％以下であるのが好ましい。
上記のような第２拡散防止層７ｂによって、特に金属支持体１から電極層２へのＦｅ等の拡散が抑制されていることが確認されており、電極層２の被毒が抑制され好ましい。
第１拡散防止層７ａは金属支持体１に焼成工程を施すことにより金属支持体１に含まれる金属成分の酸化物被膜として形成することができる。焼成工程の温度は１１００℃程度以下であれば金属支持体１を傷めることなく、第１拡散防止層７ａが形成できるため、好ましい。また、焼成工程を酸素分圧が低い雰囲気条件で行うと薄膜で元素の拡散抑制効果が高く、抵抗値の低い良質な第１拡散防止層７ａが形成されるので好ましい。なお、第１拡散防止層７ａは、メッキなどのコーティング方法や、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法などによっても形成できる。
また、第１拡散防止層７ａは、酸化クロムを主成分とする材料から形成されると好ましい。金属支持体１にはクロムを含有するフェライト系ステンレス材が用いられる場合がある。この場合、金属支持体１の熱処理により酸化クロムを主成分とする第１拡散防止層７ａを形成できる。このような第１拡散防止層７ａにより、金属支持体１のＣｒ等が電極層２や電解質層４へ拡散することを抑制することができる。
第２拡散防止層７ｂ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第２拡散防止層７ｂが得られる。そのため、金属支持体１を傷めることなく、金属支持体１と電極層２との元素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。
また、第１拡散防止層７ａは、場合によっては低温焼成法等による焼成工程を経る第２拡散防止層７ｂの形成過程において同時に形成されてもよい。
（電極層）
電極層２は、図１に示すように、金属支持体１の貫通空間１ｃを覆うように第２拡散防止層７ｂの表面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。
電極層２は、図１に示すように、金属支持体１の貫通空間１ｃを覆うように第２拡散防止層７ｂの表面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。
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、金属支持体１を傷めることなく、また、拡散防止層７の存在による元素拡散の抑制に加えて金属支持体１と電極層２との元素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−気孔率）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−気孔率）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、金属支持体１を傷めることなく、拡散防止層７の存在による元素拡散の抑制に加えて金属支持体１と電極層２との元素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、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。
電解質層４は、図１に示すように、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。
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）等の酸素イオンを伝導する電解質材料や、ペロブスカイト型酸化物等の水素イオンを伝導する電解質材料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や種々の水素イオン伝導性材料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、金属支持体１の損傷を抑制し、また、拡散防止層７の存在による元素拡散の抑制に加えて金属支持体１と電極層２との元素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が、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、金属支持体１の損傷を抑制し、また、金属支持体１と電極層２との元素拡散を抑制でき、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が、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、金属支持体１の損傷を抑制し、また、金属支持体１と電極層２との元素拡散を抑制でき、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、金属支持体１の損傷を抑制し、また、金属支持体１と電極層２との元素拡散を抑制でき、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を発電反応を生じさせる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、金属支持体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を発電反応を生じさせる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、金属支持体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。
（拡散防止層形成ステップ）
拡散防止層形成ステップでは、金属支持体１の貫通空間１ｃの内面及び金属支持体１の表面に第１拡散防止層７ａが形成され、その上に第２拡散防止層７ｂが形成される。なお、金属支持体１の貫通空間１ｃはレーザー加工等によって設けることができる。
拡散防止層形成ステップでは、金属支持体１の貫通空間１ｃの内面及び金属支持体１の表面に第１拡散防止層７ａが形成され、その上に第２拡散防止層７ｂが形成される。なお、金属支持体１の貫通空間１ｃはレーザー加工等によって設けることができる。
（第１拡散防止層形成ステップ）
第１拡散防止層７ａは、例えば金属支持体１の焼成工程により、金属支持体１に含まれる金属成分の酸化物被膜として金属支持体１の表面及び貫通空間１ｃに形成される。焼成工程の温度は１１００℃程度以下であれば金属支持体１を傷めることなく、第１拡散防止層７ａが形成できるため、望ましい。なお、焼成工程を、酸素分圧が低い雰囲気条件とすると薄膜で元素の拡散抑制効果が高く、抵抗値の低い良質な第１拡散防止層７ａが形成されるので好ましい。なお、第１拡散防止層７ａはメッキなどのコーティング方法や、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法などによっても形成できる。
第１拡散防止層７ａは、例えば金属支持体１の焼成工程により、金属支持体１に含まれる金属成分の酸化物被膜として金属支持体１の表面及び貫通空間１ｃに形成される。焼成工程の温度は１１００℃程度以下であれば金属支持体１を傷めることなく、第１拡散防止層７ａが形成できるため、望ましい。なお、焼成工程を、酸素分圧が低い雰囲気条件とすると薄膜で元素の拡散抑制効果が高く、抵抗値の低い良質な第１拡散防止層７ａが形成されるので好ましい。なお、第１拡散防止層７ａはメッキなどのコーティング方法や、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法などによっても形成できる。
（第２拡散防止層形成ステップ）
第２拡散防止層ステップでは、金属支持体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第２拡散防止層７ｂが薄膜の状態で形成される。第２拡散防止層７ｂは、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て形成することができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体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。
第２拡散防止層ステップでは、金属支持体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第２拡散防止層７ｂが薄膜の状態で形成される。第２拡散防止層７ｂは、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て形成することができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体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。
第２拡散防止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、第２拡散防止層７ｂ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、金属支持体１の表側の面に塗布する。そして第２拡散防止層７ｂを圧縮成形し（第２拡散防止層平滑化工程）、１１００℃以下で焼成する（第２拡散防止層焼成工程）。第２拡散防止層７ｂ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、第２拡散防止層７ｂの焼成は、８００℃以上１１００℃以下の温度で行うと好適である。また、第２拡散防止層平滑化工程と第２拡散防止層焼成工程の順序を入れ替えることもできる。なお、第２拡散防止層７ｂを有する電気化学素子Ｅを形成する場合では、第２拡散防止層平滑化工程や第２拡散防止層焼成工程を省いたり、第２拡散防止層平滑化工程や第２拡散防止層焼成工程を後述する電極層平滑化工程や電極層焼成工程に含めることもできる。
なお、第２拡散防止層平滑化工程は、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。
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、第２拡散防止層７ｂの焼成は、８００℃以上１１００℃以下の温度で行うと好適である。また、第２拡散防止層平滑化工程と第２拡散防止層焼成工程の順序を入れ替えることもできる。なお、第２拡散防止層７ｂを有する電気化学素子Ｅを形成する場合では、第２拡散防止層平滑化工程や第２拡散防止層焼成工程を省いたり、第２拡散防止層平滑化工程や第２拡散防止層焼成工程を後述する電極層平滑化工程や電極層焼成工程に含めることもできる。
なお、第２拡散防止層平滑化工程は、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。
また、第１拡散防止層７ａは、場合によっては低温焼成法等による焼成工程を経る第２拡散防止層７ｂの形成過程において同時に形成することもできる。また、後述する電極層形成ステップ及び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の表面に第１拡散防止層７ａが形成されても良い。
（電極層形成ステップ）
電極層形成ステップでは、拡散防止層７上に電極層２が薄膜の状態で形成される。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、金属支持体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、拡散防止層７上に電極層２が薄膜の状態で形成される。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、金属支持体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（分散媒）とを混合して材料ペーストを作成し、金属支持体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。なお、電極層平滑化工程は、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、電極層２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、金属支持体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。なお、電極層平滑化工程は、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。
（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、金属支持体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、金属支持体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、金属支持体１の表側の面に塗布する。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、金属支持体１の表側の面に塗布する。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、金属支持体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、金属支持体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の材料を金属支持体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、金属支持体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、金属支持体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、金属支持体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、金属支持体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・比較例＞
実施例１として、図２に示すように、金属支持体１上に第１拡散防止層７ａ（第１気孔率）及び第２拡散防止層７ｂ（第２気孔率＞第１気孔率）を形成した。なお、実施例１の第２拡散防止層７ｂの材料としてはＣｅＯ２を用いた。その後、第１拡散防止層７ａ及び第２拡散防止層７ｂ上に電極層２を形成し、図２には示されていないが中間層３、電解質層４、反応防止層５及び対極電極層６を形成し、実施例１の電気化学素子Ｅを製造した。
また、実施例２として、図１０に示すように、金属支持体１上に第１拡散防止層７ａ（第１気孔率）及び第２拡散防止層７ｂ（第２気孔率＞第１気孔率）を形成した。なお、実施例２の第２拡散防止層７ｂの材料としてはＧＤＣを用いた。その後、第１拡散防止層７ａ及び第２拡散防止層７ｂ上に電極層２を形成し、図１０には示されていないが中間層３、電解質層４、反応防止層５及び対極電極層６を形成し、実施例２の電気化学素子Ｅを製造した。
一方、比較例では、実施例１及び２と異なり第２拡散防止層７ｂを形成せず、金属支持体上に第１拡散防止層を形成した。その後、第１拡散防止層上に電極層、中間層、電解質層、反応防止層及び対極電極層を形成し、比較例の電気化学素子Ｅを製造した。
実施例１として、図２に示すように、金属支持体１上に第１拡散防止層７ａ（第１気孔率）及び第２拡散防止層７ｂ（第２気孔率＞第１気孔率）を形成した。なお、実施例１の第２拡散防止層７ｂの材料としてはＣｅＯ２を用いた。その後、第１拡散防止層７ａ及び第２拡散防止層７ｂ上に電極層２を形成し、図２には示されていないが中間層３、電解質層４、反応防止層５及び対極電極層６を形成し、実施例１の電気化学素子Ｅを製造した。
また、実施例２として、図１０に示すように、金属支持体１上に第１拡散防止層７ａ（第１気孔率）及び第２拡散防止層７ｂ（第２気孔率＞第１気孔率）を形成した。なお、実施例２の第２拡散防止層７ｂの材料としてはＧＤＣを用いた。その後、第１拡散防止層７ａ及び第２拡散防止層７ｂ上に電極層２を形成し、図１０には示されていないが中間層３、電解質層４、反応防止層５及び対極電極層６を形成し、実施例２の電気化学素子Ｅを製造した。
一方、比較例では、実施例１及び２と異なり第２拡散防止層７ｂを形成せず、金属支持体上に第１拡散防止層を形成した。その後、第１拡散防止層上に電極層、中間層、電解質層、反応防止層及び対極電極層を形成し、比較例の電気化学素子Ｅを製造した。
比較例（第１拡散防止層のみ）では、金属支持体１から電極層２へのＣｒの拡散はほとんど見られなかったものの、Ｆｅの拡散が確認された。一方で、実施例１（第１拡散防止層７ａ＋第２拡散防止層７ｂ）では、金属支持体１から電極層２へのＣｒの拡散がほとんど見られなかったことに加え、Ｆｅの拡散が比較例よりも抑えられていた。このことより、第１拡散防止層７ａに加えて第２拡散防止層７ｂにより拡散防止層７を形成することで、金属支持体１から電極層２への元素の拡散をより抑えることができたことが分かった。
また、上記実施例１及び比較例について、電気化学素子Ｅの性能評価を行った。性能評価は温度７５０℃、電流密度０．４Ａ／ｃｍ２の発電条件で行った。実施例１では初期からの電圧低下は見られず、７０００時間発電後における電圧は０．８８Ｖであった。
一方、比較例は時間経過とともに電圧低下が見られ、７０００時間発電後における電圧は０．８５Ｖであった。この結果より、第１拡散防止層７ａに加えて第２拡散防止層７ｂを有する実施例１の電気化学素子Ｅは、第１拡散防止層７ａのみを有する比較例の電気化学素子Ｅよりも性能及び耐久性が高いことが分かった。
一方、比較例は時間経過とともに電圧低下が見られ、７０００時間発電後における電圧は０．８５Ｖであった。この結果より、第１拡散防止層７ａに加えて第２拡散防止層７ｂを有する実施例１の電気化学素子Ｅは、第１拡散防止層７ａのみを有する比較例の電気化学素子Ｅよりも性能及び耐久性が高いことが分かった。
図２の実施例１において、第１拡散防止層７ａの厚さＬａは１．０μｍであり、第２拡散防止層７ｂの厚さＬｂは２．２μｍであった。また、第２拡散防止層７ｂの第２気孔率は２４．５％であった。
また、図１０の実施例２において、第１拡散防止層７ａの厚さＬａは１．５μｍであり、第２拡散防止層７ｂの厚さＬｂは２．０μｍであった。また、第２拡散防止層７ｂの第２気孔率は９．６％であった。
また、図１０の実施例２において、第１拡散防止層７ａの厚さＬａは１．５μｍであり、第２拡散防止層７ｂの厚さＬｂは２．０μｍであった。また、第２拡散防止層７ｂの第２気孔率は９．６％であった。
＜第２実施形態＞
図３・図４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３・図４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３に示すように、金属支持体１の裏面にＵ字部材９が取り付けられており、金属支持体１とＵ字部材９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９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９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、金属支持体１の貫通空間１ｃを通って電極層２に供給される。
図４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及び改質器３４等からなり、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１０２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及び改質器３４等からなり、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１０２が燃料変換器となる。
その他、電気化学装置Ｙは、改質水タンク３２、ブロア３５、燃焼部３６、制御部３９、収納容器４０等を有する。
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５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５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５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、すなわち金属支持体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。
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。
（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を電解反応を生じさせる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が生成した炭化水素等を電気化学素子Ｅ及び電気化学モジュールＭに流通したり、本システム・装置外に取り出して別途燃料や化学原料として利用することができる。
図６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）と連通するガスマニホールド１７１によって収集される。
図６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６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６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６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、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。
（３）上記の実施形態では、電気化学素子Ｅとして主に平板型や円筒平板型の固体酸化物形燃料電池を用いたが、円筒型の固体酸化物形燃料電池などの電気化学素子に利用することもできる。
（４）上記の実施形態において、電気化学装置Ｙは、複数の電気化学素子Ｅを備える電気化学モジュールＭを備えている。しかし、上記の実施形態の電気化学装置Ｙは１つの電気化学素子Ｅを備える構成にも適用可能である。
（５）上記の実施形態では、電気化学素子Ｅは、金属支持体１の裏面にＵ字部材９が取り付けられており、金属支持体１とＵ字部材９との２部材で筒状支持体を形成する構成としたが、一部材を用いて金属支持体１とＵ字部材９とを一体的に形成して筒状支持体とする構成としても良く、また、３部材以上の部材を用いて筒状支持体を形成しても良い。また、Ｕ字部材９を省略して金属支持体１により電極層２等を支持する構成としても良い。
（６）上記実施形態では、金属支持体１に複数の貫通空間１ｃが設けられており、これにより金属支持体１の裏側面１ｂから表側面１ａへ気体を透過させる。しかし、金属支持体１は気体を透過可能であれば、多孔質性材料から形成された多孔質基体であってもよい。多孔質基体は、金属支持体１の裏側面１ｂから表側面１ａへ気体を透過可能である。このような多孔質基体からなる金属支持体１を有する電気化学素子Ｅについて図７を用いて簡単に説明する。上記実施形態と同様の構成には同一の符号を付している。
図７に示すように、電気化学素子Ｅは、多孔質基体から構成された金属支持体１と、金属支持体１の表面に形成された第１拡散防止層７ａと、第１拡散防止層７ａの上に形成された第２拡散防止層７ｂと、第２拡散防止層７ｂ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、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。
金属支持体１が多孔質基体である点を除いて、上記実施形態の電気化学素子Ｅと同様の構成である。
図７に示すように、電気化学素子Ｅは、多孔質基体から構成された金属支持体１と、金属支持体１の表面に形成された第１拡散防止層７ａと、第１拡散防止層７ａの上に形成された第２拡散防止層７ｂと、第２拡散防止層７ｂ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、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。
金属支持体１が多孔質基体である点を除いて、上記実施形態の電気化学素子Ｅと同様の構成である。
（７）上記実施形態では、図１に示すように、第１拡散防止層７ａは金属支持体１の表面及び貫通空間１ｃの内面に形成され、第２拡散防止層７ｂは第１拡散防止層７ａ上に形成され、電極層２は第２拡散防止層７ｂ上に形成され、中間層３は電極層２上に形成され、電解質層４は中間層３上に形成されている。
しかし、これとは異なり、図８に示すように、中間層３は第２拡散防止層７ｂおよび電極層２を覆った状態で、電極層２の上に薄層の状態で形成されていてもよい。詳しくは中間層３は、図８に示すように、電極層２の上と金属支持体１の第１拡散防止層７ａ上とにわたって（跨って）設けられる。なお、第１拡散防止層７ａは、図１と同様に金属支持体１の表面及び貫通空間１ｃの内面に形成されている。
また、電解質層４は、第２拡散防止層７ｂ、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ていてもよい。詳しくは電解質層４は、図８に示すように、中間層３の上と金属支持体１の第１拡散防止層７ａ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を金属支持体１の第１拡散防止層７ａ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。
しかし、これとは異なり、図８に示すように、中間層３は第２拡散防止層７ｂおよび電極層２を覆った状態で、電極層２の上に薄層の状態で形成されていてもよい。詳しくは中間層３は、図８に示すように、電極層２の上と金属支持体１の第１拡散防止層７ａ上とにわたって（跨って）設けられる。なお、第１拡散防止層７ａは、図１と同様に金属支持体１の表面及び貫通空間１ｃの内面に形成されている。
また、電解質層４は、第２拡散防止層７ｂ、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ていてもよい。詳しくは電解質層４は、図８に示すように、中間層３の上と金属支持体１の第１拡散防止層７ａ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を金属支持体１の第１拡散防止層７ａ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８に示すように、金属支持体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は金属支持体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。
電解質層４の周囲においては、拡散防止層７、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、金属支持体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が金属支持体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、図８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。
（８）上記実施形態では、第１拡散防止層７ａは第２拡散防止層７ｂよりも金属支持体１側に配置されている。しかし、気孔率の高い第２拡散防止層７ｂと気孔率の低い第１拡散防止層７ａとを組み合わせて構成することで、金属支持体１と電極層２との間の元素拡散を抑制できるだけでなく、金属支持体１から電極層２へ燃料ガス又は酸化剤ガスの供給が阻害されるのが抑制できればよく、第２拡散防止層７ｂが第１拡散防止層７ａよりも金属支持体１側に配置されていてもよい。
（９）上記実施形態では、第１拡散防止層７ａは金属支持体１の表面及び貫通空間１ｃの内面に設けられている。また、第２拡散防止層７ｂは第１拡散防止層７ａを覆うように設けられている。
しかし、これとは異なり、図９に示すように、金属支持体１上において貫通空間１ｃが設けられた領域を覆うように第１拡散防止層７ａが設けられていてもよい。つまり、図９では、第１拡散防止層７ａは、貫通空間１ｃの内面及び金属支持体１の表面全体を覆うようには形成されておらず、金属支持体１上に配置されるように形成されている。そして、第２拡散防止層７ｂは第１拡散防止層７ａを覆うように設けられている。
このとき、第１拡散防止層７ａは、第２拡散防止層７ｂを形成するための焼成工程において第１拡散防止層７ａと同時に形成されてもよい。また、第１拡散防止層７ａは、第２拡散防止層７ｂとは別途の焼成工程により形成されてもよい。また、第１拡散防止層７ａは、焼成を行わないコーティング方法により形成されてもよい。同様に、第２拡散防止層７ｂも焼成を行わないコーティング方法により形成されてもよい。
しかし、これとは異なり、図９に示すように、金属支持体１上において貫通空間１ｃが設けられた領域を覆うように第１拡散防止層７ａが設けられていてもよい。つまり、図９では、第１拡散防止層７ａは、貫通空間１ｃの内面及び金属支持体１の表面全体を覆うようには形成されておらず、金属支持体１上に配置されるように形成されている。そして、第２拡散防止層７ｂは第１拡散防止層７ａを覆うように設けられている。
このとき、第１拡散防止層７ａは、第２拡散防止層７ｂを形成するための焼成工程において第１拡散防止層７ａと同時に形成されてもよい。また、第１拡散防止層７ａは、第２拡散防止層７ｂとは別途の焼成工程により形成されてもよい。また、第１拡散防止層７ａは、焼成を行わないコーティング方法により形成されてもよい。同様に、第２拡散防止層７ｂも焼成を行わないコーティング方法により形成されてもよい。
（１０）上記実施形態では、拡散防止層７は、第１気孔率を有する第１拡散防止層７ａ及び第１気孔率よりも高い第２気孔率を有する第２拡散防止層７ｂから構成されている。
しかし、拡散防止層７は、異なる気孔率を有する少なくとも２層の拡散防止層を含んでいればよく、３層以上の異なる気孔率を有する拡散防止層を含んでいてもよい。
しかし、拡散防止層７は、異なる気孔率を有する少なくとも２層の拡散防止層を含んでいればよく、３層以上の異なる気孔率を有する拡散防止層を含んでいてもよい。
（１１）上記実施形態の電気化学素子Ｅでは反応防止層５が設けられているが、反応防止層５は省略可能である。
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。
産業上の利用可能性
産業上の利用可能性
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 ：金属支持体
１ｃ ：貫通空間（貫通孔）
２ ：電極層
３ ：中間層
４ ：電解質層
５ ：反応防止層
６ ：対極電極層
７ ：拡散防止層
７ａ ：第１拡散防止層
７ｂ ：第２拡散防止層
９１ ：燃料変換器
９３ ：電力変換器
１００ ：電気化学装置
１０１ ：脱硫器
１０２ ：改質器
１０３ ：燃料供給部
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
１ｃ ：貫通空間（貫通孔）
２ ：電極層
３ ：中間層
４ ：電解質層
５ ：反応防止層
６ ：対極電極層
７ ：拡散防止層
７ａ ：第１拡散防止層
７ｂ ：第２拡散防止層
９１ ：燃料変換器
９３ ：電力変換器
１００ ：電気化学装置
１０１ ：脱硫器
１０２ ：改質器
１０３ ：燃料供給部
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 (20)
- 気体透過可能な金属支持体と、
前記金属支持体の上に形成された拡散防止層と、
前記拡散防止層の上に形成された電極層と、
前記電極層の上に形成された電解質層と、
前記電解質層の上に形成された対極電極層と、
を備え、
前記拡散防止層は、第１気孔率を有する第１拡散防止層及び前記第１気孔率よりも気孔率が高い第２気孔率を有する第２拡散防止層を含む、電気化学素子。 - 前記第２拡散防止層の厚さが０．１μｍ以上１０μｍ以下である請求項１に記載の電気化学素子。
- 前記第１拡散防止層の厚さが３μｍ以下である請求項１又は２に記載の電気化学素子。
- 前記第１拡散防止層及び前記第２拡散防止層の少なくともいずれかは金属酸化物である請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気化学素子。
- 前記第２拡散防止層がＣｅを含有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気化学素子。
- 前記第２拡散防止層が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つを含有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気化学素子。
- 前記第１拡散防止層は酸化クロムを主成分とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気化学素子。
- 前記金属支持体はフェライト系ステンレス材である請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気化学素子。
- 前記電解質層がジルコニア系セラミックスを含有する請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気化学素子。
- 前記第１拡散防止層は前記第２拡散防止層よりも前記金属支持体側に配置されている請求項１〜９のいずれか１項に記載の電気化学素子。
- 前記金属支持体は、裏面から、前記電極層側の表面まで貫通する複数の貫通孔を有している請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電気化学素子。
- 前記第１拡散防止層は、前記複数の貫通孔を閉塞しないように配置されている請求項１１に記載の電気化学素子。
- 前記第２拡散防止層の前記第２気孔率が５％以上６０％以下である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電気化学素子。
- 前記第１拡散防止層の前記第１気孔率が５％未満である請求項１〜１３のいずれか１項に記載の電気化学素子。
- 請求項１〜１４のいずれか１項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１〜１４のいずれか１項に記載の電気化学素子もしくは請求項１５に記載の電気化学モジュールと、
前記電気化学素子又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、あるいは前記電気化学素子又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１〜１４のいずれか１項に記載の電気化学素子もしくは請求項１５に記載の電気化学モジュールと、
前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールから電力を取り出すあるいは前記電気化学素子も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電気化学装置。 - 請求項１６または１７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とを有するエネルギーシステム。
- 請求項１〜１４のいずれか１項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１〜１４のいずれか１項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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| JP2020062303 | 2020-03-31 | ||
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7280991B1 (ja) | 2022-03-15 | 2023-05-24 | 日本碍子株式会社 | 電気化学セル |
-
2021
- 2021-03-31 JP JP2021059950A patent/JP2021163764A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7280991B1 (ja) | 2022-03-15 | 2023-05-24 | 日本碍子株式会社 | 電気化学セル |
| JP2023135460A (ja) * | 2022-03-15 | 2023-09-28 | 日本碍子株式会社 | 電気化学セル |
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