JP2022028859A - 電気化学素子ユニット、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ユニットおよび固体酸化物形電解セルユニット - Google Patents

電気化学素子ユニット、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ユニットおよび固体酸化物形電解セルユニット Download PDF

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Abstract

【課題】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素子を提供する。【解決手段】電気化学素子Ｑは、金属基板１と、複数の電気化学反応部とを有し、金属基板１は、金属基板１の表側４と裏側５との間での気体の通流を許容する気体通流許容領域を有し、電気化学反応部は、電極層Ａと、電解質層Ｂと、対極電極層Ｃとを少なくとも有し、金属基板１の表側４に配置されており、電解質層Ｂは、電極層Ａと対極電極層Ｃとの間に配置されており、電極層Ａに、気体通流許容領域を通流した気体が供給される。【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、電気化学装置およびエネルギーシステムに関する。
従来の固体酸化物形燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」と記す。）は、主としてセラミックス材料を支持基板とする構造にて開発が進められている。そしてＳＯＦＣの性能を向上させるために、一つの支持基板の上に複数の発電体を並べて配置したＳＯＦＣの開発が進められている。
特許文献１には、例えば、セラミックスであるＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）の多孔質材料からなる平板状の焼成体を支持基板とし、その一つの支持基板の上に、燃料極・固体電解質膜・反応防止膜・空気極から成る積層体（発電体）が複数配置された「横縞型」と呼ばれるＳＯＦＣが開示されている。
特開２０１２－３８６９６号公報
高価で割れやすいセラミックスを支持基板とする場合、ある程度の強度をもたせるためには、支持基板の厚さをかなり厚くする必要が生じるため、高コストになり、サイズや重量も大きくなってしまうという課題がある。また、セラミックスの支持基板を用いて、一つの支持基板上に複数の発電体を並べて配置するような細かい加工を行うことは難しく、加工コストも高くなるという課題がある。
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、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素子を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明に係る電気化学素子の特徴構成は、金属基板と、複数の電気化学反応部とを有し、
前記金属基板は、前記金属基板の表側と裏側との間での気体の通流を許容する気体通流許容領域を有し、
前記電気化学反応部は、電極層と、電解質層と、対極電極層とを少なくとも有し、前記金属基板の表側に配置されており、
少なくとも前記電極層と前記対極電極層との間に、前記電解質層が配置されており、
前記電極層に、前記気体通流許容領域を通流した気体が供給される点にある。
上記の特徴構成によれば、薄くても十分な強度を有する金属基板の上に、複数の電気化学反応部を配置するから、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素子を得ることができる。
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記金属基板は、互いに離間した複数の前記気体通流許容領域を有しており、前記電気化学反応部の前記電解質層が、少なくとも個々の前記気体通流許容領域もしくは前記気体通流許容領域に設けられた前記電極層の少なくとも一部を覆って配置される点にある。
上記の特徴構成によれば、金属基板の上に複数の電気化学素子を並べて配置する場合でも、ガスタイトな電解質層によりガスのシールを行うことができるため、コンパクトで高性能な、強度と信頼性に優れた電気化学素子を得ることができる。すなわち、電解質層が少なくとも個々の気体通流許容領域もしくは前記気体通流許容領域に設けられた電極層を覆って配置されることにより、金属基板の裏側から気体通流許容領域を通流して電極層に供給された気体が、金属基板の表側に漏れ出ることを抑制でき、電気化学素子としての性能・信頼性を高めることができ好適である。
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記金属基板の表側における、少なくとも前記金属基板と前記電極層とが接触する領域に、金属酸化物被膜が形成されている点にある。
上記の特徴構成によれば、金属酸化物被膜により金属基板からCr等の成分が電極層へ拡散することを抑制できるので、電気化学反応部の性能低下を抑制し、電気化学反応部の性能を高めることができる。
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記金属基板の表側における、少なくとも電極層と電解質層・対極電極層のいずれにも覆われていない領域に、金属酸化物被膜が形成されている点にある。
上記の特徴構成によれば、金属基板から酸化Ｃｒ等の成分が蒸発して対局電極層等と反応して高抵抗成分が生成することを金属酸化物被膜により抑制できるので、電気化学反応部の性能低下を抑制し、電気化学反応部の性能を高めることができる。
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記金属酸化物被膜が、少なくとも前記金属基板に含まれる金属元素を含有する酸化物である点にある。
上記の特徴構成によれば、金属基板上に電極層などの電気化学反応部を形成する工程で金属基板表面を酸化させて金属酸化物被膜を併せて形成可能となるため、金属酸化物被膜を別途形成する工程を省く事ができ、材料コスト・加工コストを低減することができる。
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記金属酸化物被膜が絶縁被膜である点にある。
上記の特徴構成によれば、電気的絶縁性を有する被膜により金属基板と電極層とが絶縁されるので、複数の電気化学反応部の間の金属基板を経由した導通を抑制することができる。とりわけ、金属基板上に複数形成された電気化学反応部を直列接続する場合は、電気化学反応部から金属基板への漏れ電流を抑制することができるため、電気化学反応部の性能を高めることができる。また、金属基板上に複数形成された電気化学反応部を並列接続する場合は、金属基板と電極層との間に導通パスを別途設けても良い。
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記金属基板にＳｉ、Ａｌおよび２～７族元素のうち少なくともひとつが含有されている点にある。
上記の特徴構成によれば、例えば空気中での加熱等の簡易な処理により、金属基板の表面にシリカやアルミナ、２～１２族元素酸化物を含有する絶縁被膜を形成することができるため、材料コストと製造コストを抑制した低コストな電気化学素子を得ることができる。なお、例えば、前記金属基板の材料として、ＳｉとＡｌのうち少なくとも一方が１重量％～５重量％程度含有されている金属材料を用いると、焼成処理によって、その表面に容易に絶縁被膜を形成することができるため好ましい。また、ＳｉとＡｌのうち少なくとも一方が３重量％～５重量％程度含有されている金属材料を用いると、焼成処理によって、その表面に更に容易に絶縁被膜を形成することができるためより好ましい。
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、複数の前記電気化学反応部が電気的に直列に接続されている点にある。
上記の特徴構成によれば、複数の電気化学反応部が電気的に直列に接続されていることにより、電気化学素子から外部への電気的接続のための構造を簡便化することができる。加えて、電気化学反応部が燃料電池として動作する場合、電気的に直列に接続されていることで、電気化学反応部で生じる電圧を足し合わせて電気化学素子から出力することができるので、一つの電気化学素子の出力電圧を高めることができ好適である。
なお、一つの前記電気化学反応部の前記電極層と、他の前記電気化学反応部の前記対極電極層とを電気的に接続することで、複数の前記電気化学反応部を電気的に直列に接続することができる。
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、複数の前記電気化学反応部が電気的に並列に接続されている点にある。
上記の特徴構成によれば、複数の電気化学反応部が電気的に並列に接続されていることにより、電気化学素子から外部への電気的接続のための構造を簡便化することができる。加えて、電気化学反応部が燃料電池として動作する場合、電気的に並列に接続されていることで、電気化学反応部で生じる電流を足し合わせて電気化学素子から出力することができるので、一つの電気化学素子の出力電流を高めることができ好適である。
なお、一つの前記電気化学反応部の前記電極層と、他の前記電気化学反応部の前記電極層とを電気的に接続することで、複数の前記電気化学反応部を電気的に並列に接続することができる。
上記目的を達成するための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。
上記目的を達成するための本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、上述の電気化学モジュールと改質器を少なくとも有し、前記電気化学モジュール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を有する点にある。
上記の特徴構成によれば、電気化学モジュールと改質器を有し電気化学モジュール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を有するので、都市ガス等の既存の原燃料供給インフラを用い、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学モジュールから電力を取り出すことができ、耐久性・信頼性および性能に優れ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。
上記目的を達成するための本発明に係る電気化学装置の別の特徴構成は、前記電気化学モジュールから電力を取り出すインバータを有する点にある。
上記の特徴構成によれば、電気化学モジュールから電力を取り出す高効率な電気化学装置を実現することができる。
上記目的を達成するための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。
電気化学素子の構造を示す正面図、断面図および積層構造を示す上面図 電気化学素子の構造を示す正面図、断面図および積層構造を示す上面図 電気化学素子の構造を示す正面図、断面図および積層構造を示す上面図 電気化学素子の構造を示す正面図、断面図および積層構造を示す上面図 電気化学素子の構造を示す斜視図 電気化学素子の構造を示す斜視図 電気化学モジュールの構成を示す概略図 電気化学モジュールの構成を示す概略図 電気化学モジュールの構成を示す概略図 電気化学装置およびエネルギーシステムの構成を示す概略図 電気化学素子の構造を示す断面図 電気化学素子の構造を示す断面図 電気化学素子の構造を示す断面図 電気化学素子の構造を示す断面図 電気化学素子の構造を示す断面図 電気化学素子の構造を示す断面図 電気化学素子の構造を示す断面図 電気化学素子の構造を示す断面図 電気化学素子の構造を示す断面図 電気化学素子の構造を示す断面図 電気化学素子の構造を示す断面図 電気化学素子の構造を示す断面図 電気化学素子の構造を示す断面図 電気化学素子の構造を示す断面図 電気化学素子の構造を示す断面図 電気化学モジュールの構造を示す断面図 電気化学素子の構造を示す正面図および断面図 電気化学素子の構造を示す上面図 金属基板の構造を示す断面図 電気化学素子の構造を示す断面図
＜第１実施形態＞
以下、第１実施形態に係る電気化学素子について図１に基づいて説明する。電気化学素子Ｑは、金属基板１と、複数の電気化学反応部Ｒとを有する。金属基板１は、金属基板１の表側４と裏側５との間での気体の通流を許容する気体通流許容領域Ｐを有する。電気化学反応部Ｒは、電極層Ａと、電解質層Ｂと、対極電極層Ｃとを少なくとも有し、金属基板１の表側４に配置されている。電極層Ａと対極電極層Ｃとの間の一部に、電解質層Ｂが配置されており、電極層Ａに、気体通流許容領域Ｐを通流した気体が供給される。
本実施形態では、長方形の金属基板１の表面上に、金属基板１の長辺に沿って５つの電気化学反応部Ｒ（第１電気化学反応部Ｒ１、第２電気化学反応部Ｒ２、第３電気化学反応部Ｒ３、第４電気化学反応部Ｒ４および第５電気化学反応部Ｒ５）が配置される。
また本実施形態では、電気化学反応部Ｒは金属基板１の表面に３つの層を形成して構成される。金属基板１に接する第１層には電極層Ａ、電解質層Ｂおよび絶縁層Ｄが含まれる。第１層の上側の第２層には電解質層Ｂ、絶縁層Ｄおよび導通層Ｅが含まれる。そして第２層の上側すなわち最上層の第３層には対極電極層Ｃが含まれる。
以下、金属基板１と電気化学反応部Ｒの構成について説明し、その次に複数の前記電気化学反応部Ｒの配置および詳細構造と、電気化学素子Ｑが燃料電池として動作する場合について説明する。
なお図１の上段は、電気化学素子Ｑをその長手方向に垂直な方向から見た正面図である。図１の中段は、上段と同じ方向から見た電気化学素子Ｑの断面図である。図１の下段は、金属基板１の表側４から電気化学素子Ｑを見た上面図である。そして以下、長方形の金属基板１の長手方向を単に「長手方向」といい、長方形の金属基板１の短手方向を単に「短手方向」という場合がある。
図１の下段の上面図では、電気化学素子Ｑの層状構造の説明のため、第１層、第２層および第３層の一部を取り除いた状態が示されている。図１の下段の上面図における各層除去の位置を示す線（太線）が、図１の上段の正面図に示されている。詳しくは、第２電気化学反応部Ｒ２の中央から第３電気化学反応部Ｒ３の中央までは、上側の第３層（対極電極層Ｃ）を取り除いた状態が示されている。第３電気化学反応部Ｒ３の中央から第４電気化学反応部Ｒ４の中央までは、第３層と第２層（電解質層Ｂ、絶縁層Ｄおよび導通層Ｅ）を取り除いた状態が示されている。第４電気化学反応部Ｒ４の中央から第５電気化学反応部Ｒ５の中央までは、第３層、第２層および第１層（電極層Ａ、電解質層Ｂ、絶縁層Ｄ）を取り除いた状態が示されている。
＜金属基板＞
金属基板１は、金属製の長方形の平板である。金属基板１には、表側４と裏側５とを貫通して複数の貫通孔２が形成されている。この貫通孔２を通じて金属基板１の表側４と裏側５との間で気体の通流が可能となっている。本実施形態では、複数の貫通孔２が、金属基板１の長辺と短辺とに平行な格子の交点位置に形成されている。なお、金属基板１は、支持体として電気化学素子を形成するのに充分な強度を有すれば良く、例えば、０．１ｍｍ～２ｍｍ程度、好ましくは０．１ｍｍ～１ｍｍ程度、より好ましくは０．１ｍｍ～０．５ｍｍ程度の厚みのものを用いることができる。また、金属基板１には、焼結金属や発泡金属等を用いることもできる。
そして５つの電気化学反応部Ｒに対応する位置に、複数の貫通孔２が集まった領域である気体通流許容領域Ｐが５つ（第１気体通流許容領域Ｐ１、第２気体通流許容領域Ｐ２、第３気体通流許容領域Ｐ３、第４気体通流許容領域Ｐ４、第５気体通流許容領域Ｐ５）が形成されている。すなわち本実施形態では、気体通流許容領域Ｐは貫通孔２により構成されている。５つの気体通流許容領域Ｐは、長手方向に互いに離間して形成されている。気体通流許容領域Ｐの間は、金属基板１の表側４と裏側５との間で気体の通流が禁止される領域（気体通流禁止領域）である。
金属基板１の表面には、絶縁被膜３（金属酸化物被膜）が形成されている。絶縁被膜３は、電気化学反応部Ｒの電極層Ａと金属基板１との間を絶縁し、それにより隣接する電気化学反応部Ｒの電極層Ａの間の絶縁を実現している。したがって絶縁被膜３は、金属基板１の少なくとも表側に形成されていればよいし、少なくとも金属基板１と電極層Ａとが接触する領域に形成されていればよい。本実施形態では、金属基板１の全面にわたって絶縁被膜３が形成されている。なお本実施形態では後述の通り、電気化学素子Ｑと外部との電気的接続のために、第１電気化学反応部Ｒ１に隣接して導通層Ｅが形成されている。この導通層Ｅと金属基板１とが接触する領域にも絶縁被膜３が形成されていると好適である。
絶縁被膜３の抵抗値としては、１ｋΩ・ｃｍ2程度以上あればよく、１０ｋΩ・ｃｍ2程度以上あれば、電気化学素子Ｑを燃料電池として動作させた場合でも十分な起電力と電流量を確保でき好適である。
絶縁被膜３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。なおＣｒを含む合金をＳＯＦＣのセル間接続部材として用いる場合、Ｃｒの飛散を抑制するためにセル間接続部材の表面に酸化皮膜を形成して拡散防止膜とする場合がある。その場合、拡散防止膜での電圧降下を低減するために、拡散防止膜は可及的薄く形成して抵抗値を低くする。本実施形態の絶縁被膜３は拡散防止膜とは異なり、上述の通り金属基板１と電極層Ａとの間を絶縁して、これにより電気化学反応部Ｒの電極層Ａの間を絶縁するために、抵抗値が高くなるよう形成される。なお絶縁被膜３は、金属酸化物の被膜である点で共通するから、拡散防止膜としての機能（例えばＣｒ飛散の抑制）を併せて有することができる。
また、絶縁被膜３は、金属基板１の表面に、絶縁性の高いシリカやアルミナ、２～１２族元素酸化物などを含む酸化物被膜をスパッタリング法やＰＬＤ法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スプレーコーティング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。
金属基板１の材料としては、耐熱性、耐酸化性および耐腐食性に優れた金属材料が用いられる。例えば、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、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。例えば、Ｃｒを１５重量％～２５重量％程度含むＦｅ－Ｃｒ系合金材料の場合、その上に形成する電極層Ａや電解質層Ｂの材料と熱膨張率が近くなり、信頼性・耐久性に優れた電気化学素子を得ることができるため好ましい。また、Ｃｒを７０重量％以上含むＣｒリッチなＣｒ－Ｆｅ系合金を用いることもできる。更に、Ｎｉ－Ｃｒ－Ａｌ系やＦｅ－Ｃｒ－Ａｌ系の合金等も用いることができる。本実施形態では、ＳｉとＡｌのうち少なくとも一方が含有されている材料が好適に用いられる。この場合、大気雰囲気下や酸素分圧を制御した雰囲気下にて金属基板１を熱処理することにより、適切な抵抗値を有する絶縁被膜３を金属基板１の表面に好適に形成することができる。例えば、金属基板１の材料として、ＳｉとＡｌのうち少なくとも一方が１重量％～５重量％程度含有されている金属材料を用いると、焼成処理によって、その表面に容易に絶縁被膜３を形成することができるため好ましい。また、ＳｉとＡｌおよび２～１２族元素のうち少なくとも一方が３重量％～５重量％程度含有されている金属材料を用いると、焼成処理によって、その表面に更に容易に絶縁被膜３を形成することができるためより好ましい。
＜筒状ガス流通部＞
本実施形態では、金属基板１にＵ字部材１１と蓋部１２とが接合されて、筒状ガス流通部１０を形成している。Ｕ字部材１１は、長手方向に直交する断面がＵ字状の部材である。金属基板１の長辺とＵ字部材１１の長辺（Ｕ字の２つの頂点に対応する辺）とが接合され、形成された筒の一方の端部が蓋部１２で塞がれている。これにより、内部に内部空間２２を有し全体として平板あるいは平棒状の筒状ガス流通部１０が構成されている。金属基板１は、筒状ガス流通部１０の中心軸に対して平行に配置される。
蓋部１２には孔（気体流出口１３）が複数形成されている。そして筒状ガス流通部１０の蓋部１２と反対側の端部は開放され、もって気体流入口２１が形成されている。これにより電気化学素子Ｑの動作時には、筒状ガス流通部１０の開放された端部から流入した気体は、筒状ガス流通部１０の内部空間２２を通流し、金属基板１の気体通流許容領域Ｐを通流して表側４に到達し、電極層Ａに供給される。残余の気体は、蓋部１２の気体流出口１３から流出する。
Ｕ字部材１１と蓋部１２の材料としては、金属基板１と同じ材料を用いると、筒状ガス流通部１０全体で熱膨張係数等の物性が統一されるため好適である。また金属基板１をはじめとする筒状ガス流通部１０の材料にフェライト系ステンレス鋼を用いた場合、電気化学反応部Ｒにて材料に用いられるＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）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くなる。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Ｑ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Ｑを実現できるので好ましい。
なお筒状ガス流通部１０の材料としては、熱伝導率が３Ｗｍ-1Ｋ-1を上回る材料を用いることが好ましく、１０Ｗｍ-1Ｋ-1を上回る材料であればさらに好ましい。例えばステンレス鋼であれば熱伝導率が１５～３０Ｗｍ-1Ｋ-1程度であるため、筒状ガス流通部１０の材料として好適である。
また、筒状ガス流通部１０の材料としては、脆性破壊を起こさない高靱性材料である事がさらに望ましい。セラミックス材料などと比較して金属材料は高靱性であり、筒状ガス流通部１０の材料として好適である。
なお筒状ガス流通部１０において、金属基板１の気体通流許容領域Ｐを除く部位は、筒状ガス流通部１０の内部空間２２から外側へ気体が通流できないように構成すると好適である。そのため、気体通流許容領域Ｐを除く筒状ガス流通部１０の部位は、結晶性の金属などの気体を透過しない材料で形成すると好適である。一方で、金属基板１の気体通流許容領域Ｐは、上述した貫通孔２に換えて、多孔質金属の板などにより形成することも可能である。
＜電気化学反応部＞
本実施形態に係る電気化学反応部Ｒは、電極層Ａと、電解質層Ｂと、対極電極層Ｃと、中間層とを有する。
＜電極層＞
電極層Ａは、金属基板１の表側４の表面、すなわち絶縁被膜３の上に、膜の状態で形成される。その膜厚は、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ～５０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、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Ａの材料としては、例えばＮｉＯ－酸化セリウム（セリア）を主成分とするもの、Ｎｉ－酸化セリウム（セリア）を主成分とするもの、ＮｉＯ－ジルコニアを主成分とするもの、Ｎｉ－ジルコニアを主成分とするもの、ＣｕＯ－酸化セリウム（セリア）を主成分とするもの、Ｃｕ－酸化セリウム（セリア）を主成分とするものなどの複合材を用いることができる。なお、酸化セリウム（セリア）、ジルコニア等あるいはこれらに異種元素をドープした固溶体を複合材の骨材と呼ぶ。電極層Ａは、気体透過性を具備するように形成される。例えば、電極層Ａの表面および内部に微細な複数の細孔を有するように構成される。
電極層Ａは、低温焼成法（例えば１４００℃等の高温域での焼成処理をせず、例えば１１００℃程度以下の低温域での焼成処理を用いる湿式法）や、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スプレーコーティング法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域での使用可能なプロセスにより、例えば１４００℃等の高温域での焼成を用いずに、例えば１１００℃程度以下の低温域での処理によって、良好な電極層Ａが得られる。そのため、金属基板１に高温加熱によるダメージを与えることを抑制でき、また、金属基板１と電極層Ａとの間の高温加熱による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Ｑを実現できるので好ましい。
＜電解質層＞
電解質層Ｂは、電極層Ａと対極電極層Ｃとの間に膜状で設けられる。その膜厚は、例えば、１μｍ～５０μｍ程度、好ましくは１μｍ～２０μｍ程度、より好ましくは２μｍ～１０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、高価な電解質層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電解質性能を確保することが可能となる。
電解質層Ｂの材料としては、種々のジルコニア系材料、酸化セリウム系材料、種々のペロブスカイト系複合酸化物等の酸化物イオンや水素イオンを伝導可能な固体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Ｂをジルコニア系セラミックスにすると、電気化学素子Ｑの稼働時の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、非常に高効率な電気化学素子Ｑを構成することができる。
電解質層Ｂは、低温焼成法（例えば１４００℃等の高温域での焼成処理をせず、例えば１１００℃程度以下の低温域での焼成処理を用いる湿式法）や、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スプレーコーティング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１４００℃等の高温域での焼成を用いずに、例えば１１００℃程度以下の低温域での処理によって、緻密で気密性の高い電解質層Ｂが得られる。そのため、金属基板１に高温加熱によるダメージを与えることを抑制でき、また、金属基板１と電極層Ａとの間の高温加熱による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Ｑを実現できるので好ましい。
電解質層Ｂは、気密性を保つために緻密に構成される。なお、電解質層Ｂに、相対密度が９０％以上である層が含まれることが好ましい。また、相対密度が９５％以上である層が含まれることがより好ましく、更には、相対密度が９８％以上である層が含まれることが好ましい。このように、相対密度を高くすることで電解質層Ｂを緻密なものとすることができる。なお、ここで相対密度とは、電解質材料の理論密度に対して実際に形成された電解質層Ｂの密度の割合を表す。
＜対極電極層＞
対極電極層Ｃは、電解質層Ｂの上に膜状で設けられる。その膜厚は、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ～５０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、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、十分な対極電極性能を確保することが可能となる。
対極電極層Ｃの材料としては、例えば、ＬＳＣＦ（Ｌａ－Ｓｒ－Ｃｏ－Ｆｅ系酸化物）、ＬＳＣ（Ｌａ－Ｓｒ－Ｃｏ系酸化物）、ＬＳＭ（Ｌａ－Ｓｒ－Ｍｎ系酸化物）、ＳＳＣ（Ｓｍ－Ｓｒ－Ｃｏ系酸化物）、ＳＤＣ（Ｃｅ－Ｓｍ系酸化物）等の複合酸化物を用いることができる。なお対極電極層Ｃは、低温焼成法（例えば１４００℃等の高温域での焼成処理をせず、例えば１１００℃程度以下の低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスパッタリング法、パルスレーザーデポジション法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スプレーコーティング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１４００℃等の高温域での焼成を用いずに、例えば１１００℃程度以下の低温域での処理によって、良好な対極電極層Ｃが得られる。そのため、金属基板１に高温加熱によるダメージを与えることを抑制でき、また、金属基板１と電極層Ａとの間の高温加熱による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Ｑを実現できるので好ましい。
＜中間層＞
なお、電極層Ａと電解質層Ｂとの間に中間層が膜の状態で形成されていてもよい。その膜厚は、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは２μｍ～５０μｍ程度、より好ましくは５μｍ～２０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、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、十分な中間層性能を確保することが可能となる。
中間層の材料としては、例えば、酸化セリウム系材料やジルコニア系材料等を用いることができる。中間層を電極層Ａと電解質層Ｂとの間に導入することにより、電気化学反応部Ｒの性能や信頼性、耐久性を向上できる。なお中間層は、低温焼成法（例えば１４００℃等の高温域での焼成処理をせず、例えば１１００℃程度以下の低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスパッタリング法、パルスレーザーデポジション法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スプレーコーティング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１４００℃等の高温域での焼成を用いずに、例えば１１００℃程度以下の低温域での処理によって、良好な中間層が得られる。そのため、金属基板１に高温加熱によるダメージを与えることを抑制でき、また、金属基板１と電極層Ａとの間の高温加熱による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Ｑを実現できるので好ましい。
また電解質層Ｂと対極電極層Ｃとの間に、中間層が膜の状態で形成されていてもよい。その膜厚は、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは２μｍ～５０μｍ程度、より好ましくは５μｍ～２０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、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、十分な中間層性能を確保することが可能となる。
中間層の材料としては、例えば、酸化セリウム系材料やジルコニア系材料等を用いることができる。中間層を電解質層Ｂと対極電極層Ｃとの間に導入することにより、対極電極層Ｃの構成材料と電解質層Ｂの構成材料との反応が効果的に抑制され、電気化学反応部Ｒの性能の長期安定性を向上できる。なお中間層は、低温焼成法（例えば１４００℃等の高温域での焼成処理をせず、例えば１１００℃程度以下の低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスパッタリング法、パルスレーザーデポジション法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スプレーコーティング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１４００℃等の高温域での焼成を用いずに、例えば１１００℃程度以下の低温域での処理によって、良好な中間層が得られる。そのため、金属基板１に高温加熱によるダメージを与えることを抑制でき、また、金属基板１と電極層Ａとの間の高温加熱による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Ｑを実現できるので好ましい。
以上説明した中間層は、一方だけ、あるいは両方を設けることが可能である。すなわち、電極層Ａ、電解質層Ｂ、中間層、対極電極層Ｃをこの順で積層した構成も可能である。電極層Ａ、中間層、電解質層Ｂ、対極電極層Ｃをこの順で積層した構成も可能である。電極層Ａ、中間層、電解質層Ｂ、中間層、対極電極層Ｃをこの順で積層した構成も可能である。
＜電気化学反応部Ｒでの電気化学反応＞
以上の様に構成された電気化学反応部Ｒは、気体の供給を受け、電気化学反応を生じさせる。
電気化学反応部Ｒが燃料電池として動作する場合のうち、電解質として酸化物イオン導電体を用いる場合は、電極層Ａに例えば水素ガスを含む燃料が供給され、対極電極層Ｃに酸素を含むガスが供給される。そうすると、対極電極層Ｃにおいて酸素分子Ｏ2が電子ｅ-と反応して酸素イオン（酸化物イオン）Ｏ2-が生成される。その酸素イオンＯ2-が電解質層Ｂを通って電極層Ａへ移動する。電極層Ａ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。電解質として水素イオン導電体を用いる場合は、電極層Ａにおいては、水素分子Ｈ2が電子ｅ-を放出してプロトン（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Ｂを通って対極電極層Ｃへ移動する。対極電極層Ｃにおいて酸素分子Ｏ2が水素イオンＨ＋と反応して、電子ｅ-を消費して水Ｈ2Ｏが生成される。
以上の反応により、電極層Ａと対極電極層Ｃとの間に起電力が発生し、発電が行われる。
電気化学反応部Ｒが電解セルとして動作する場合のうち、電解質として酸化物イオン導電体を用いる場合は、電極層Ａと対極電極層Ｃとの間に電圧が印加されると、電極層Ａにおいて水分子Ｈ2Ｏが電子ｅ-を受け取って水素分子Ｈ2と酸素イオン（酸化物イオン）Ｏ2-を生成する。酸素イオンＯ2-は電解質層Ｂを通って対極電極層Ｃへ移動する。対極電極層Ｃ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。電解質として水素イオン導電体を用いる場合は、対極電極層Ｃにおいて水Ｈ2Ｏから酸素分子Ｏ2と水素イオンＨ＋が生成し電子ｅ-を放出する。水素イオンＨ＋は電解質層Ｂを通って電極層Ａへ移動し、電極層Ａにおいては、水素イオンＨ＋が電子ｅ-と反応し水素分子Ｈ2が生成される。
以上の反応により、水分子Ｈ2Ｏが水素Ｈ2と酸素Ｏ2とに電気分解される。
＜電気化学反応部の電気的接続＞
以下の説明では、第１電気化学反応部Ｒ１の電極層Ａ、電解質層Ｂおよび対極電極層Ｃを、第１電極層Ａ１、第１電解質層Ｂ１、第１対極電極層Ｃ１という。第２電気化学反応部Ｒ２の電極層Ａ、電解質層Ｂおよび対極電極層Ｃを、第２電極層Ａ２、第２電解質層Ｂ２、第２対極電極層Ｃ２という。第３以降の電気化学反応部Ｒについても同様である。
本実施形態では、複数の電気化学反応部Ｒが電気的に直列に接続されている。そして一つの電気化学反応部Ｒの電極層Ａと、他の電気化学反応部Ｒの対極電極層Ｃとが電気的に接続されている。
図１の中段の断面図に基づいて、第１電気化学反応部Ｒ１と第２電気化学反応部Ｒ２との接続について説明する。第１層および第２層において、第１電気化学反応部Ｒ１と第２電気化学反応部Ｒ２との間に、絶縁層Ｄと導通層Ｅが形成されている。これら絶縁層Ｄおよび導通層Ｅにより、第１電気化学反応部Ｒ１と第２電気化学反応部Ｒ２との間の直列接続が実現されている。
絶縁層Ｄは、例えばアルミナ等の絶縁性の金属酸化物により構成することができる。本実施形態では、絶縁層Ｄは緻密に形成され、気体透過性を抑制したガスタイトな状態で形成される。
導通層Ｅは、インターコネクタとも呼ばれるが、例えば、ＬａＣｒＯ3（ランタンクロマイト）やＳｒＴｉＯ3（ストロンチウムチタネイト）等の導電性を有する金属酸化物により構成することができる。本実施形態では、導通層Ｅは緻密に形成され、気体透過性を抑制したガスタイトな状態で形成される。
第１層において、第１電極層Ａ１と第２電極層Ａ２との間に絶縁層Ｄが形成されている。第２層において、第１電解質層Ｂ１と第２電解質層Ｂ２との間に、絶縁層Ｄと導通層Ｅとが形成されている。第２層の絶縁層Ｄは、第１層の絶縁層と第１電極層Ａ１との両方に跨って形成されている。導通層Ｅは、第１層の絶縁層と第２電極層Ａ２との両方に跨って形成されている。第３層において、第１対極電極層Ｃ１は、第１電解質層Ｂ１の上から、第２層の絶縁層Ｄを越えて、導通層Ｅまで跨って形成されている。すなわち第２層の導通層Ｅは、第１対極電極層Ｃ１と第２電極層Ａ２との両方に接触し、電気的に接続されている。
以上の構成により、第１電極層Ａ１と第２電極層Ａ２との間は、絶縁層Ｄの存在により絶縁される。そして第１対極電極層Ｃ１と第２電極層Ａ２との間は、導通層Ｅの存在により電気的に接続される。
電気化学反応部Ｒが燃料電池として動作する場合、上述の通り、電極層Ａと対極電極層Ｃとの間に起電力が生じる。そうすると、第１対極電極層Ｃ１と第２電極層Ａ２とが電気的に接続されていることにより、第１電気化学反応部Ｒ１の起電力と第２電気化学反応部Ｒ２の起電力とが足し合わされた起電力が、第１電極層Ａ１と第２対極電極層Ｃ２との間に生じることとなる。つまりこの場合、第１電気化学反応部Ｒ１と第２電気化学反応部Ｒ２とが電気的に直列に接続されているといえる。
図１の中段の断面図に示される通り、第２対極電極層Ｃ２と第３電極層Ａ３との間も導通層Ｅにより接続されている。第３対極電極層Ｃ３と第４電極層Ａ４との間も導通層Ｅにより接続されている。第４対極電極層Ｃ４と第５電極層Ａ５との間も導通層Ｅにより接続されている。すなわち、第２電気化学反応部Ｒ２から第５電気化学反応部Ｒ５までの各電気化学反応部Ｒも、同様に電気的に直列に接続されている。
電気的に直列に接続された電気化学反応部Ｒの両端には、電気化学素子Ｑの外部と電気的に接続するための構成が配置される。本実施形態では、第５電気化学反応部Ｒ５の第５対極電極層Ｃ５に、集電部材２６が接続される。そして第１電気化学反応部Ｒ１の第１電極層Ａ１に、導通層Ｅが接続され、その導通層Ｅの上に集電部材２６が接続される。
集電部材２６には、導電性と気体透過性とを有する部材が用いられる。例えば、耐酸化コーティングを施した金属箔を用いたエキスパンドメタルや金属メッシュ、フェルト様部材が用いられる。
以上の様に構成した電気化学素子Ｑを燃料電池として動作させると、両端の集電部材２６の間に起電力が生じる。そして集電部材２６を外部の負荷等に接続すると、図１の中段の断面図に示されるように、第１電気化学反応部Ｒ１側の集電部材２６から第５電気化学反応部Ｒ５の集電部材２６に向けて、矢印Ｉで示される様に電流が流れる。すなわち、直列に接続された５つの燃料電池（電気化学反応部Ｒ）が、外部に電力を供給する。
なお本実施形態に係る電気化学素子Ｑを、上述した電解セルとして動作させる場合、一対の集電部材２６の間に電圧を印加する。そうすると、各電気化学反応部Ｒの電極層Ａと対極電極層Ｃとが上述の通り接続されていることから、各電気化学反応部Ｒに電圧が印加され、電解反応が進行することになる。すなわちこの場合も、５つの電解セルが直列に接続されて動作するとみなすことができ、電気化学反応部Ｒが電気的に直列に接続されているといえる。
＜電気化学素子における気体の封止＞
電気化学素子Ｑでは、金属基板１の気体通流許容領域Ｐを通流した気体が電極層Ａに供給されるが、その気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことを抑制する必要がある。そのため本実施形態に係る電気化学素子Ｑは、気体を封止するための以下の構造を有する。
本実施形態では、第１電極層Ａ１が第１気体通流許容領域Ｐ１を覆って形成されている。その他の第２電極層Ａ２～第５電極層Ａ５についても同様に、各々、第２気体通流許容領域Ｐ２～第５気体通流許容領域Ｐ５を覆って形成されている。すなわち電極層Ａは、気体通流許容領域Ｐよりも大きな領域に、気体通流許容領域Ｐを覆って設けられている。この場合、電極層Ａをガスタイトな層で覆えば、気体の漏出を抑制できることになる。
以下第３電気化学反応部Ｒ３に注目して説明する。第３電極層Ａ３は、第３電解質層Ｂ３と、絶縁層Ｄと、導通層Ｅとによって覆われている。第３電解質層Ｂ３は、少なくとも第３気体通流許容領域Ｐ３に設けられた第３電極層Ａ３を覆って配置されている。
詳しくは、短手方向において第３電解質層Ｂ３が第３電極層Ａ３よりも広い幅に渡って形成されている。第３電極層Ａ３は、第３電極層Ａ３が存在する領域では第３電極層Ａ３の上、すなわち第２層に配置される。第３電極層Ａ３が存在しない領域（第３電極層Ａ３の短手方向の両側の領域）では、第３電解質層Ｂ３は金属基板１の上、すなわち第１層に配置される。第１層の第３電解質層Ｂ３と第２層の第３電解質層Ｂ３とは、連続した層として形成されており、両者の接続部位からの気体漏洩は抑止されている。
第３電極層Ａ３の長手方向の両端は、絶縁層Ｄおよび導通層Ｅによって覆われている。第２層の絶縁層Ｄと導通層Ｅとは、短手方向に細長く延び、第３電極層Ａ３が存在しない領域（第３電極層Ａ３の短手方向の両側の領域）では、第１層の絶縁層Ｄと導通層Ｅとにそれぞれ接続される。第１層の絶縁層Ｄと第２層の絶縁層Ｄ、および第１層の導通層Ｅと第２層の導通層Ｅとは、連続した層として形成されており、両者の接続部位からの気体漏洩は抑止されている。
以上述べた通り、第３電極層Ａ３は、第３電解質層Ｂ３と、絶縁層Ｄと、導通層Ｅとによって覆われている。電解質層Ｂ、絶縁層Ｄおよび導通層Ｅはいずれも気体透過性の小さいガスタイトな層であるから、以上の構成により、第３電極層Ａ３に供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。
以上、第３電気化学反応部Ｒ３に注目して説明したが、第２電気化学反応部Ｒ２、第４電気化学反応部Ｒ４および第５電気化学反応部Ｒ５についても同様である。また第１電気化学反応部Ｒ１については、長手方向の一方は導通層Ｅのみにより覆われているが、同様に気体の漏出は抑制されている。
上述した本実施形態に係る電気化学反応部Ｒの構造は、次のようにして形成することができる。まず第１層の電極層Ａ、絶縁層Ｄおよび導通層Ｅを、図１下段の上面図に示す平面形状にて金属基板１の上に形成する。次に第２層の電解質層Ｂ、絶縁層Ｄおよび導通層Ｅを、図１下段の上面図に示す平面形状にて、すなわち第１層よりも短手方向に広い幅にて、金属基板１および第１層の上に形成する。これにより電極層Ａが電解質層Ｂ、絶縁層Ｄおよび導通層Ｅによって覆われる。そして第３層の対極電極層Ｃを、第２層の上に形成する。
＜第２実施形態＞
第２実施形態に係る電気化学素子Ｑを図２に示す。なお以下の第２～第１０実施形態、及び、他の実施形態では、第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
この電気化学素子Ｑでは、貫通孔２が金属基板１の長手方向に沿って連続して形成されている。すなわち、気体通流許容領域Ｐが一繋がりの領域として形成されている。そして本実施形態においても、気体通流許容領域Ｐに設けられた電極層Ａは、電解質層Ｂ、絶縁層Ｄおよび導通層Ｅによって覆われている。したがって、電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。
＜第３実施形態＞
第３実施形態に係る電気化学素子Ｑを図３に示す。本実施形態では、一つの電気化学反応部Ｒの電極層Ａと、他の電気化学反応部Ｒの電極層Ａとが電気的に接続され、もって複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている。
金属基板１の表面のうち少なくとも電極層Ａと接する部分には、絶縁被膜に換えて、拡散防止膜６（金属酸化物被膜）が形成されている。拡散防止膜６は、金属基板１からのＣｒの飛散を抑制するために設けられる。拡散防止膜６は、絶縁被膜と異なり導電性を有し、電気化学反応部Ｒの電極層Ａと金属基板１との導通を抑制しないよう、低い抵抗値となるように構成される。
なお、金属基板１の表面のうち電極層と電解質層・対極電極層のいずれにも覆われていない領域を覆う金属酸化物被膜は、金属基板１から酸化Ｃｒ等の成分が蒸発することを抑制する機能を有していればよく、絶縁被膜であっても導電性を有する拡散防止膜であってもよい。
拡散防止膜６の抵抗値としては、０．１Ω・ｃｍ2程度以下であればよく、０．０５Ω・ｃｍ2程度以下であれば、電気化学素子Ｑを燃料電池として動作させた場合でも十分な起電力と電流量を確保でき好適である。
金属基板１の材料としては、耐熱性、耐酸化性および耐腐食性に優れた金属材料が用いられる。例えば、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、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。例えば、Ｃｒを１５重量％～２５重量％程度含むＦｅ－Ｃｒ系合金材料の場合、その上に形成する電極層Ａや電解質層Ｂの材料と熱膨張率が近くなり、信頼性・耐久性に優れた電気化学素子を得ることができるため好ましい。また、Ｃｒを７０重量％以上含むＣｒリッチなＣｒ－Ｆｅ系合金を用いることもできる。更に、Ｎｉ－Ｃｒ－Ａｌ系やＦｅ－Ｃｒ－Ａｌ系の合金等も用いることができる。拡散防止膜６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。その場合、酸素分圧を低く制御した雰囲気下や、不活性ガスあるいは水素雰囲気下にて金属基板１を熱処理することにより、適切な厚さおよび抵抗値を有する拡散防止膜６を金属基板１の表面に好適に形成することができる。特に、金属基板１に、Ｃｒを１５重量％～２５重量％程度含むＦｅ－Ｃｒ系合金材料を用いると、焼成処理によって、その表面に容易に酸化クロムを主成分とする拡散防止膜を形成することができるため好ましい。また、拡散防止膜６は、金属基板１の表面に、スパッタリング法やＰＬＤ法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スプレーコーティング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、拡散防止膜６は導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。
本実施形態では第１実施形態と同様に、金属基板１に５つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１～第５気体通流許容領域Ｐ５）が、互いに離間して形成されている。そして５つの電気化学反応部Ｒ（第１電気化学反応部Ｒ１～第５電気化学反応部Ｒ５）が、互いに離間して形成されている。
詳しくは、まず５つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第５電極層Ａ５）が、各々の気体通流許容領域Ｐより大きな領域に、各気体通流許容領域Ｐを覆って形成されている。５つの電極層Ａは、互いに離間して形成されている。そして５つの電解質層Ｂ（第１電解質層Ｂ１～第５電解質層Ｂ５）が、各々の電極層Ａより大きな領域に、各電極層Ａを覆って形成されている。５つの電解質層Ｂは、互いに離間して形成されている。５つの対極電極層Ｃ（第１対極電極層Ｃ１～第５対極電極層Ｃ５）が、各々の電解質層Ｂの上に形成されている。
各々の気体通流許容領域Ｐが電極層Ａで覆われ、各々の電極層Ａが電解質層Ｂで覆われることにより、気体通流許容領域Ｐから電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。すなわち本実施形態では、金属基板１は、互いに離間した複数の気体通流許容領域Ｐを有しており、電気化学反応部Ｒの電解質層Ｂが、個々の気体通流許容領域Ｐに設けられた前記電極層Ａを覆って配置される
本実施形態では上述の通り、金属基板１の表面に導電性を有する拡散防止膜６が形成されている。したがって、互いに離間して形成されている複数の電極層Ａは、金属基板１を通じて電気的に接続されている。第１実施形態および第２実施形態では、隣接する電気化学反応部Ｒの電極層Ａと対極電極層Ｃとが電気的に接続されて、電気化学反応部Ｒが直列に接続された。本実施形態では、隣接する電気化学反応部Ｒの電極層Ａが電気的に接続されることにより、複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている。
本実施形態に係る電気化学素子Ｑを燃料電池として動作させる場合、気体通流許容領域Ｐを通流した水素が電極層Ａに供給され、対極電極層Ｃに酸素が供給され、電極層Ａと対極電極層Ｃとの間に起電力が生じる。第１電極層Ａ１～第５電極層Ａ５は金属基板１により電気的に接続されているから、同じ電位となる。そして第１対極電極層Ｃ１～第５対極電極層Ｃ５に取り付けられた集電部材（図示なし）と、金属基板１（あるいは筒状ガス流通部１０）とが外部に接続され、外部に起電力・電流が取り出される。すなわち、並列に接続された５つの燃料電池（電気化学反応部Ｒ）が、外部に電力を供給する。
本実施形態に係る電気化学素子Ｑを電解セルとして動作させる場合、気体通流許容領域Ｐを通流した水（水蒸気）が電極層Ａに供給され、第１対極電極層Ｃ１～第５対極電極層Ｃ５に取り付けられた集電部材（図示なし）と、金属基板１（あるいは筒状ガス流通部１０）との間に電圧を印加する。そうすると、第１電極層Ａ１～第５電極層Ａ５は金属基板１により電気的に接続されているから、各電気化学反応部Ｒに電圧が印加され、電解反応が進行することになる。すなわちこの場合も、５つの電解セルが並列に接続されて動作するとみなすことができ、電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されているといえる。
＜第４実施形態＞
第４実施形態に係る電気化学素子Ｑを図４に示す。この電気化学素子Ｑでは、第２実施形態と同様に、貫通孔２が金属基板１の長手方向に沿って連続して形成されている。すなわち、気体通流許容領域Ｐが一繋がりの領域として形成されている。金属基板１の表面には、拡散防止膜６が形成されている。
金属基板１の表側４に、５つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第５電極層Ａ５）が形成されている。５つの電極層Ａは、互いに離間して形成されている。そしてその上に、電解質層Ｂが、気体通流許容領域Ｐよりも大きな領域に、気体通流許容領域Ｐを覆って形成されている。本実施形態では電解質層Ｂは、一繋がりの層として、第１層と第２層にわたって、そして金属基板１の表側４のほぼ全体に形成されている。５つの電極層Ａは、電解質層Ｂによって覆われている。これにより、電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。そして電解質層Ｂの上の、電極層Ａに対応する領域に、５つの対極電極層Ｃ（第１対極電極層Ｃ１～第５対極電極層Ｃ５）が形成されている。
５つの電極層Ａおよび５つの対極電極層Ｃが互いに離間して形成されていることから、対向する電極層Ａと対極電極層Ｃと、これらに挟まれた電解質層Ｂとによって、電気化学反応が生じ得る。つまり第１電極層Ａ１と第１対極電極層Ｃ１と、これらに挟まれた部分である第１電解質層Ｂ１とによって、第１電気化学反応部Ｒ１が形成されている。同様に第２電極層Ａ２～第５電極層Ａ５と、第２対極電極層Ｃ２～第５対極電極層Ｃ５と、これらに挟まれた部分である第２電解質層Ｂ２～第５電解質層Ｂ５によって、第２電気化学反応部Ｒ２～第５電気化学反応部Ｒ５が形成されている。すなわち本実施形態では、金属基板１の表側４に、複数の電気化学反応部Ｒが配置されている。
そして第３実施形態と同様に、互いに離間して形成されている複数の電極層Ａは、金属基板１を通じて電気的に接続されている。したがって、複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されているといえる。
＜第５実施形態＞
上述の実施形態では、複数の電気化学反応部Ｒが、長方形の金属基板１の長手方向に沿って１列で設けられていた。これを改変し、複数の電気化学反応部Ｒを複数の列に並べて形成することも可能である。
第５実施形態に係る電気化学素子Ｑを図５に示す。本実施形態では、金属基板１に５つの電気化学反応部Ｒを、２列に並べて配置する例が示されている。詳しくは、図５の手前側の列に、集電部材２６と導通層Ｅ、第１電気化学反応部Ｒ１および第２電気化学反応部Ｒ２がこの順に配置され、図５の奥側の列に、第５電気化学反応部Ｒ５、第４電気化学反応部Ｒ４および第３電気化学反応部Ｒ３がこの順に配置されている。
金属基板１の表面には、絶縁被膜３（金属酸化物被膜）が形成されている。図示を省略しているが、金属基板１には、表側４と裏側５とを貫通する複数の貫通孔２が形成され、５つの電気化学反応部Ｒに対応する位置に、複数の貫通孔２が集まった領域である気体通流許容領域Ｐが５つ形成されている。なお第２実施形態のように、金属基板１の全体にわたって気体通流許容領域Ｐを形成することも可能である。ただしその場合は、気体通流許容領域Ｐを導通層Ｅおよび電解質層Ｂの形成された領域の内側に収まるように形成して、金属基板１の裏側５からの気体が対極電極層Ｃの側（金属基板１の表側４）に漏れ出すことを抑制する必要がある。
なお図５には金属基板１と電気化学反応部Ｒとを示しているが、第１実施形態と同様に、金属基板１にＵ字部材１１と蓋部１２とを取り付けて筒状ガス流通部１０を形成することも可能である。
本実施形態では第１実施形態や第２実施形態と同様に、第１電気化学反応部Ｒ１～第５電気化学反応部Ｒ５が電気的に直列に接続されて、一対の集電部材２６に接続されている。すなわち、一つの電気化学反応部Ｒの電極層Ａと、他の電気化学反応部Ｒの対極電極層Ｃとが電気的に接続されている。各電気化学反応部Ｒの構造、すなわち電極層Ａ、電解質層Ｂ、対極電極層Ｃ、絶縁層Ｄおよび導通層Ｅの配置および位置関係は、第１実施形態と同様に形成される。
＜第６実施形態＞
第６実施形態に係る電気化学素子Ｑを図６に示す。本実施形態では、金属基板１に４つの電気化学反応部Ｒを、２列に並べて配置する例が示されている。詳しくは、図６の手前側の列に、第１電気化学反応部Ｒ１および第２電気化学反応部Ｒ２がこの順に配置され、図６の奥側の列に、第４電気化学反応部Ｒ４および第３電気化学反応部Ｒ３がこの順に配置されている。
金属基板１の表面には、拡散防止膜６（金属酸化物被膜）が形成されている。図示を省略しているが、金属基板１には、表側４と裏側５とを貫通して複数の貫通孔２が形成され、４つの電気化学反応部Ｒに対応する位置に、複数の貫通孔２が集まった領域である気体通流許容領域Ｐが４つ形成されている。なお第４実施形態のように、金属基板１の全体にわたって気体通流許容領域Ｐを形成することも可能である。ただしその場合は、気体通流許容領域Ｐを導通層Ｅおよび電解質層Ｂの形成された領域の内側に収まるように形成して、金属基板１の裏側５からの気体が対極電極層Ｃの側（金属基板１の表側４）に漏れ出すことを抑制する必要がある。
本実施形態では第３実施形態や第４実施形態と同様に、第１電気化学反応部Ｒ１～第４電気化学反応部Ｒ４が電気的に並列に接続されている。すなわち、一つの電気化学反応部Ｒの電極層Ａと、他の電気化学反応部Ｒの電極層Ａとが電気的に接続されている。各電気化学反応部Ｒの構造、すなわち電極層Ａ、電解質層Ｂ、対極電極層Ｃの配置および位置関係は、第４実施形態と同様に形成される。
なお図６には金属基板１と電気化学反応部Ｒとを示しているが、第１実施形態と同様に、金属基板１にＵ字部材１１と蓋部１２とを取り付けて筒状ガス流通部１０を形成することも可能である。
＜第７実施形態＞
図７に、電気化学モジュールＭの構成を示す。電気化学モジュールＭは、上述した電気化学素子Ｑが複数積層した状態で配置されるモジュールである。第７実施形態に係る電気化学モジュールＭには、複数の電気化学反応部Ｒが電気的に直列に接続されている電気化学素子Ｑ、すなわち第１実施形態、第２実施形態および第５実施形態に係る電気化学素子Ｑが用いられる。
電気化学モジュールＭは、ガスマニホールド１７と、５つの電気化学素子Ｑとを有する。電気化学素子Ｑの筒状ガス流通部１０の気体流入口２１が、ガスマニホールド１７の内部空間と連通するように、電気化学素子Ｑがガスマニホールド１７に接続される。本実施形態では、５つの電気化学素子Ｑが、電気化学反応部Ｒを一方（図７の右側）に向ける姿勢にて積層され、ガスマニホールド１７に取り付けられている。
本実施形態では複数の電気化学反応部Ｒが電気的に直列に接続されている電気化学素子Ｑを用いるところ、電気化学反応部Ｒと金属基板１、すなわち筒状ガス流通部１０との間は絶縁されている。したがって、筒状ガス流通部１０のガスマニホールド１７への取付に際しては絶縁を行う必要が無いため、溶接等の簡易で強固な方法により取付を行うことができる。
電気化学モジュールＭの電気化学素子Ｑは、互いに電気的に接続される。本実施形態では、各電気化学素子Ｑの第１電気化学反応部Ｒ１に接続された集電部材２６が、互いに電気的に接続され、外部と接続される。そして各電気化学素子Ｑの第５電気化学反応部Ｒ５に接続された集電部材２６が、互いに電気的に接続され、外部と接続される。以上のように接続されることで、直列に接続された５つの電気化学反応部Ｒが５組、並列に接続される。
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、ガスマニホールド１７の内部に水素を供給し、電気化学素子Ｑの周囲に酸素を供給する。そうすると各電気化学反応部Ｒ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、集電部材２６から電気化学モジュールＭの外部に取り出される。
＜第８実施形態＞
図８に、電気化学モジュールＭの他の実施形態を示す。第８実施形態に係る電気化学モジュールＭには、複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている電気化学素子Ｑ、すなわち第３実施形態、第４実施形態および第６実施形態に係る電気化学素子Ｑが用いられる。
第７実施形態と同様に、電気化学素子Ｑの筒状ガス流通部１０の気体流入口２１が、ガスマニホールド１７の内部空間と連通するように、電気化学素子Ｑがガスマニホールド１７に接続される。本実施形態では、５つの電気化学素子Ｑが、電気化学反応部Ｒを一方（図７の右側）に向ける姿勢にて積層され、ガスマニホールド１７に取り付けられている。そして電気化学素子Ｑの間に集電部材２６が配置され、電気化学反応部Ｒと、電気化学素子Ｑの筒状ガス流通部１０の背面１４とを電気的に接続している。これにより、並列に接続された５つの電気化学反応部Ｒが５組、直列に接続される。
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、ガスマニホールド１７の内部に水素を供給し、電気化学素子Ｑの周囲に酸素を供給する。そうすると各電気化学反応部Ｒ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Ｑの両端から取り出される。すなわち、第１電気化学反応部Ｒ１の筒状ガス流通部１０の背面１４と、第５電気化学反応部Ｒ５の集電部材２６とから、発生した電力が電気化学モジュールＭの外部に取り出される。
なお本実施形態では複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている電気化学素子Ｑを用いるところ、電気化学反応部Ｒと金属基板１、すなわち筒状ガス流通部１０との間は絶縁されず、導通状態である。したがって筒状ガス流通部１０のガスマニホールド１７への取付に際しては、筒状ガス流通部１０とガスマニホールド１７との間を絶縁する必要がある。例えば、筒状ガス流通部１０とガスマニホールド１７とは、ガラスシール材により接合される。
＜第９実施形態＞
図９に、電気化学モジュールＭの他の実施形態を示す。第９実施形態に係る電気化学モジュールＭには、図６に示される第６実施形態にかかる電気化学素子Ｑ、すなわち複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている電気化学素子Ｑを好適に用いることができる。この電気化学素子Ｑ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９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Ｑを積層すると、溝７２を通じて気体を電気化学素子Ｑ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Ｑの表側、すなわち対極電極層Ｃ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Ｑの裏側、すなわち金属基板１の気体通流許容領域Ｐに気体を供給する。
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Ｑの各電気化学反応部Ｒ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Ｑ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９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。
＜第１０実施形態＞
以上説明した電気化学素子Ｑおよび電気化学モジュールＭを用いて、電気化学装置ＹおよびエネルギーシステムＺを構築することができる。
＜エネルギーシステム、電気化学装置＞
図１０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、脱硫器３１と改質器３４とを有し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、電気化学モジュールＭから電力を取り出すインバータ３８とを有する。
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Ｑに対する悪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Ｑとガスマニホールド１７とを有する。複数の電気化学素子Ｑ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Ｑ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Ｑ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Ｑに対して分配され、電気化学素子Ｑ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Ｑ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Ｑ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Ｑ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Ｑ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１１実施形態＞
本実施形態に係る電気化学素子Ｑを図１１に示す。本実施形態では、第４実施形態と同様に、一つの電気化学反応部Ｒの電極層Ａと、他の電気化学反応部Ｒの電極層Ａとが電気的に接続され、もって複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている。
本実施形態に係る電気化学素子Ｑは、金属基板１と、４つの電気化学反応部Ｒ（第１電気化学反応部Ｒ１～第４電気化学反応部Ｒ４）とを有して構成される。本実施形態の電気化学反応部Ｒは、電極層Ａ、中間層Ｆ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ、および対極電極層Ｃを有して構成される。
本実施形態の金属基板１の構成は、第３実施形態のものと同様である。つまり、金属基板１の材料は、第３実施形態に係る金属基板１と同様である。金属基板１の表面には、拡散防止膜６が形成されている。金属基板１に、４つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１～第４気体通流許容領域Ｐ４）が、互いに離間して形成されている。
金属基板１の表側４に、４つの電気化学反応部Ｒ（第１電気化学反応部Ｒ１～第４電気化学反応部Ｒ４）が形成されている。
詳しくは、まず４つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）が、各々の気体通流許容領域Ｐより大きな領域に、各気体通流許容領域Ｐを覆って形成されている。４つの電極層Ａは、互いに離間して形成されている。
４つの中間層Ｆ（第１中間層Ｆ１～第４中間層Ｆ４）が、各々の電極層Ａより大きな領域に、各電極層Ａを覆って形成されている。４つの中間層Ｆは、互いに離間して形成されている。
４つの電解質層Ｂ（第１電解質層Ｂ１～第４電解質層Ｂ４）が、各々の電極層Ａおよび中間層Ｆより大きな領域に、各電極層Ａおよび中間層Ｆを覆って形成されている。４つの電解質層Ｂは、互いに離間して形成されている。
４つの反応防止層Ｇ（第１反応防止層Ｇ１～第４反応防止層Ｇ４）が、各々の電解質層Ｂの上に形成されている。
４つの対極電極層Ｃ（第１対極電極層Ｃ１～第４対極電極層Ｃ４）が、各々の反応防止層Ｇの上に形成されている。
本実施形態では、電極層Ａと電解質層Ｂとの間に中間層Ｆが膜の状態で形成されている。その膜厚は、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは２μｍ～５０μｍ程度、より好ましくは５μｍ～２０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、高価な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Ｆの材料としては、例えば、酸化セリウム系材料やジルコニア系材料等を用いることができる。中間層Ｆを電極層Ａと電解質層Ｂとの間に導入することにより、電気化学反応部Ｒの性能や信頼性、耐久性を向上できる。なお中間層Ｆは、低温焼成法（例えば１４００℃等の高温域での焼成処理をせず、例えば１１００℃程度以下の低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスパッタリング法、パルスレーザーデポジション法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スプレーコーティング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１４００℃等の高温域での焼成を用いずに、例えば１１００℃程度以下の低温域での処理によって、良好な中間層Ｆが得られる。そのため、金属基板１に高温加熱によるダメージを与えることを抑制でき、また、金属基板１と電極層Ａとの間の高温加熱による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Ｑを実現できるので好ましい。
本実施形態では、電解質層Ｂと対極電極層Ｃとの間に、反応防止層Ｇが膜の状態で形成されている。その膜厚は、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは２μｍ～５０μｍ程度、より好ましくは５μｍ～２０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、高価な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Ｇの材料としては、例えば、酸化セリウム系材料やジルコニア系材料等を用いることができる。反応防止層Ｇを電解質層Ｂと対極電極層Ｃとの間に導入することにより、対極電極層Ｃの構成材料と電解質層Ｂの構成材料との反応が効果的に抑制され、電気化学反応部Ｒの性能の長期安定性を向上できる。なお反応防止層Ｇは、低温焼成法（例えば１４００℃等の高温域での焼成処理をせず、例えば１１００℃程度以下の低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスパッタリング法、パルスレーザーデポジション法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スプレーコーティング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１４００℃等の高温域での焼成を用いずに、例えば１１００℃程度以下の低温域での処理によって、良好な反応防止層Ｇが得られる。そのため、金属基板１に高温加熱によるダメージを与えることを抑制でき、また、金属基板１と電極層Ａとの間の高温加熱による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Ｑを実現できるので好ましい。
各々の気体通流許容領域Ｐが電極層Ａで覆われ、各々の電極層Ａ（および中間層Ｆ）が電解質層Ｂで覆われることにより、気体通流許容領域Ｐから電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。すなわち本実施形態では、金属基板１は、互いに離間した複数の気体通流許容領域Ｐを有しており、電気化学反応部Ｒの電解質層Ｂが、個々の気体通流許容領域Ｐの全体を覆って配置される
本実施形態では上述の通り、金属基板１の表面に導電性を有する拡散防止膜６が形成されている。したがって、互いに離間して形成されている複数の電極層Ａは、金属基板１を通じて電気的に接続されている。すなわち本実施形態では、隣接する電気化学反応部Ｒの電極層Ａが電気的に接続されることにより、複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている。
＜第１２実施形態＞
本実施形態に係る電気化学素子Ｑを図１２に示す。本実施形態では、第１１実施形態と同様に、一つの電気化学反応部Ｒの電極層Ａと、他の電気化学反応部Ｒの電極層Ａとが電気的に接続され、もって複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている。
第１１実施形態と異なり、本実施形態に係る電気化学反応部Ｒには、中間層Ｆが設けられていない。すなわち電気化学反応部Ｒは、電極層Ａ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ、および対極電極層Ｃを有して構成される。中間層Ｆを除く構成は、第１１実施形態と類似する。
各々の気体通流許容領域Ｐが電極層Ａで覆われ、各々の電極層Ａが電解質層Ｂで覆われることにより、気体通流許容領域Ｐから電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。すなわち本実施形態では、金属基板１は、互いに離間した複数の気体通流許容領域Ｐを有しており、電気化学反応部Ｒの電解質層Ｂが、個々の気体通流許容領域Ｐの全体を覆って配置される
本実施形態では上述の通り、金属基板１の表面に導電性を有する拡散防止膜６が形成されている。したがって、互いに離間して形成されている複数の電極層Ａは、金属基板１を通じて電気的に接続されている。すなわち本実施形態では、隣接する電気化学反応部Ｒの電極層Ａが電気的に接続されることにより、複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている。
＜第１３実施形態＞
本実施形態に係る電気化学素子Ｑを図１３に示す。本実施形態では、第１１実施形態と同様に、一つの電気化学反応部Ｒの電極層Ａと、他の電気化学反応部Ｒの電極層Ａとが電気的に接続され、もって複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている。
第１１実施形態と異なり、本実施形態に係る電気化学反応部Ｒでは、電解質層Ｂが複数の電気化学反応部Ｒに渡って設けられている。電解質層Ｂを除く構成は、第１１実施形態と類似する。
詳しくは、電解質層Ｂは、４つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）および４つの中間層Ｆ（第１中間層Ｆ１～第４中間層Ｆ４）の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。４つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１～第４気体通流許容領域Ｐ４）および４つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）が、電解質層Ｂによって覆われている。これにより、電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。そして電解質層Ｂの上の、電極層Ａに対応する領域に、４つの反応防止層Ｇ（第１反応防止層Ｇ１～第４反応防止層Ｇ４）、および４つの対極電極層Ｃ（第１対極電極層Ｃ１～第４対極電極層Ｃ４）が形成されている。
４つの電極層Ａおよび４つの対極電極層Ｃが互いに離間して形成されていることから、対向する電極層Ａと対極電極層Ｃと、これらに挟まれた電解質層Ｂとによって、電気化学反応が生じ得る。つまり第１電極層Ａ１と第１対極電極層Ｃ１と、これらに挟まれた部分（第１中間層Ｆ１、電解質層Ｂ、および第１反応防止層Ｇ１）とによって、第１電気化学反応部Ｒ１が形成されている。同様に第２電極層Ａ２～第４電極層Ａ４と、第２対極電極層Ｃ２～第４対極電極層Ｃ４と、これらに挟まれた部分（第２中間層Ｆ２～第４中間層Ｆ４、電解質層Ｂ、および第２反応防止層Ｇ２～第４反応防止層Ｇ４）によって、第２電気化学反応部Ｒ２～第４電気化学反応部Ｒ４が形成されている。すなわち本実施形態では、金属基板１の表側４に、複数の電気化学反応部Ｒが配置されている。
そして第３実施形態と同様に、互いに離間して形成されている複数の電極層Ａは、金属基板１を通じて電気的に接続されている。したがって、複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されているといえる。
＜第１４実施形態＞
本実施形態に係る電気化学素子Ｑを図１４に示す。本実施形態では、第１３実施形態と同様に、一つの電気化学反応部Ｒの電極層Ａと、他の電気化学反応部Ｒの電極層Ａとが電気的に接続され、もって複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている。
第１３実施形態と異なり、本実施形態に係る電気化学反応部Ｒには、中間層Ｆが設けられていない。すなわち電気化学反応部Ｒは、電極層Ａ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ、および対極電極層Ｃを有して構成される。中間層Ｆを除く構成は、第１３実施形態と類似する。
各々の気体通流許容領域Ｐが電極層Ａで覆われ、各々の電極層Ａが電解質層Ｂで覆われることにより、気体通流許容領域Ｐから電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。すなわち本実施形態では、金属基板１は、互いに離間した複数の気体通流許容領域Ｐを有しており、電気化学反応部Ｒの電解質層Ｂが、個々の気体通流許容領域Ｐの全体を覆って配置される
本実施形態では上述の通り、金属基板１の表面に導電性を有する拡散防止膜６が形成されている。したがって、互いに離間して形成されている複数の電極層Ａは、金属基板１を通じて電気的に接続されている。すなわち本実施形態では、隣接する電気化学反応部Ｒの電極層Ａが電気的に接続されることにより、複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている。
＜第１５実施形態＞
本実施形態に係る電気化学素子Ｑを図１５に示す。本実施形態では、第１１実施形態と同様に、一つの電気化学反応部Ｒの電極層Ａと、他の電気化学反応部Ｒの電極層Ａとが電気的に接続され、もって複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている。
第１１実施形態と異なり、本実施形態に係る電気化学反応部Ｒでは、電解質層Ｂおよび反応防止層Ｇが、複数の電気化学反応部Ｒに渡って設けられている。電解質層Ｂと反応防止層Ｇとを除く構成は、第１１実施形態と類似する。
詳しくは、電解質層Ｂは、４つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）および４つの中間層Ｆ（第１中間層Ｆ１～第４中間層Ｆ４）の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。４つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１～第４気体通流許容領域Ｐ４）および４つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）が、電解質層Ｂによって覆われている。これにより、電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。
反応防止層Ｇは、電解質層Ｂの上に、４つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）および４つの中間層Ｆ（第１中間層Ｆ１～第４中間層Ｆ４）の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。そして反応防止層Ｇの上の、電極層Ａに対応する領域に、４つの対極電極層Ｃ（第１対極電極層Ｃ１～第４対極電極層Ｃ４）が形成されている。
４つの電極層Ａおよび４つの対極電極層Ｃが互いに離間して形成されていることから、対向する電極層Ａと対極電極層Ｃと、これらに挟まれた電解質層Ｂとによって、電気化学反応が生じ得る。つまり第１電極層Ａ１と第１対極電極層Ｃ１と、これらに挟まれた部分（第１中間層Ｆ１、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ）とによって、第１電気化学反応部Ｒ１が形成されている。同様に第２電極層Ａ２～第４電極層Ａ４と、第２対極電極層Ｃ２～第４対極電極層Ｃ４と、これらに挟まれた部分（第２中間層Ｆ２～第４中間層Ｆ４、電解質層Ｂ、および反応防止層Ｇ）によって、第２電気化学反応部Ｒ２～第４電気化学反応部Ｒ４が形成されている。すなわち本実施形態では、金属基板１の表側４に、複数の電気化学反応部Ｒが配置されている。
そして第３実施形態と同様に、互いに離間して形成されている複数の電極層Ａは、金属基板１を通じて電気的に接続されている。したがって、複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されているといえる。
＜第１６実施形態＞
本実施形態に係る電気化学素子Ｑを図１６に示す。本実施形態では、第１５実施形態と同様に、一つの電気化学反応部Ｒの電極層Ａと、他の電気化学反応部Ｒの電極層Ａとが電気的に接続され、もって複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている。
第１５実施形態と異なり、本実施形態に係る電気化学反応部Ｒには、中間層Ｆが設けられていない。すなわち電気化学反応部Ｒは、電極層Ａ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ、および対極電極層Ｃを有して構成される。中間層Ｆを除く構成は、第１５実施形態と類似する。
各々の気体通流許容領域Ｐが電極層Ａで覆われ、各々の電極層Ａが電解質層Ｂで覆われることにより、気体通流許容領域Ｐから電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。すなわち本実施形態では、金属基板１は、互いに離間した複数の気体通流許容領域Ｐを有しており、電気化学反応部Ｒの電解質層Ｂが、個々の気体通流許容領域Ｐの全体を覆って配置される
本実施形態では上述の通り、金属基板１の表面に導電性を有する拡散防止膜６が形成されている。したがって、互いに離間して形成されている複数の電極層Ａは、金属基板１を通じて電気的に接続されている。すなわち本実施形態では、隣接する電気化学反応部Ｒの電極層Ａが電気的に接続されることにより、複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている。
＜第１７実施形態＞
本実施形態に係る電気化学素子Ｑを図１７に示す。本実施形態では、第１１実施形態と同様に、一つの電気化学反応部Ｒの電極層Ａと、他の電気化学反応部Ｒの電極層Ａとが電気的に接続され、もって複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている。
第１１実施形態と異なり、本実施形態に係る電気化学反応部Ｒでは、中間層Ｆ、電解質層Ｂおよび反応防止層Ｇが、複数の電気化学反応部Ｒに渡って設けられている。中間層Ｆ、電解質層Ｂおよび反応防止層Ｇを除く構成は、第１１実施形態と類似する。
詳しくは、中間層Ｆは、４つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。そして電解質層Ｂは、４つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）および中間層Ｆの全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。４つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１～第４気体通流許容領域Ｐ４）および４つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）が、電解質層Ｂによって覆われている。これにより、電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。
反応防止層Ｇは、電解質層Ｂの上に、４つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）および中間層Ｆの全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。そして反応防止層Ｇの上の、電極層Ａに対応する領域に、４つの対極電極層Ｃ（第１対極電極層Ｃ１～第４対極電極層Ｃ４）が形成されている。
４つの電極層Ａおよび４つの対極電極層Ｃが互いに離間して形成されていることから、対向する電極層Ａと対極電極層Ｃと、これらに挟まれた電解質層Ｂとによって、電気化学反応が生じ得る。つまり第１電極層Ａ１と第１対極電極層Ｃ１と、これらに挟まれた部分（中間層Ｆ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ）とによって、第１電気化学反応部Ｒ１が形成されている。同様に第２電極層Ａ２～第４電極層Ａ４と、第２対極電極層Ｃ２～第４対極電極層Ｃ４と、これらに挟まれた部分（中間層Ｆ、電解質層Ｂ、および反応防止層Ｇ）によって、第２電気化学反応部Ｒ２～第４電気化学反応部Ｒ４が形成されている。すなわち本実施形態では、金属基板１の表側４に、複数の電気化学反応部Ｒが配置されている。
そして第３実施形態と同様に、互いに離間して形成されている複数の電極層Ａは、金属基板１を通じて電気的に接続されている。したがって、複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されているといえる。
＜第１８実施形態＞
本実施形態に係る電気化学素子Ｑを図１８に示す。本実施形態では、第１１実施形態と同様に、一つの電気化学反応部Ｒの電極層Ａと、他の電気化学反応部Ｒの電極層Ａとが電気的に接続され、もって複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている。
第１１実施形態と異なり、本実施形態に係る電気化学反応部Ｒでは、中間層Ｆおよび電解質層Ｂが、複数の電気化学反応部Ｒに渡って設けられている。中間層Ｆおよび電解質層Ｂを除く構成は、第１１実施形態と類似する。
詳しくは、中間層Ｆは、４つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。そして電解質層Ｂは、４つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）および中間層Ｆの全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。４つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１～第４気体通流許容領域Ｐ４）および４つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）が、電解質層Ｂによって覆われている。これにより、電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。
そして電解質層Ｂの上の、電極層Ａに対応する領域に、４つの反応防止層Ｇ（第１反応防止層Ｇ１～第４反応防止層Ｇ４）、および４つの対極電極層Ｃ（第１対極電極層Ｃ１～第４対極電極層Ｃ４）が形成されている。
４つの電極層Ａおよび４つの対極電極層Ｃが互いに離間して形成されていることから、対向する電極層Ａと対極電極層Ｃと、これらに挟まれた電解質層Ｂとによって、電気化学反応が生じ得る。つまり第１電極層Ａ１と第１対極電極層Ｃ１と、これらに挟まれた部分（中間層Ｆ、電解質層Ｂ、第１反応防止層Ｇ１）とによって、第１電気化学反応部Ｒ１が形成されている。同様に第２電極層Ａ２～第４電極層Ａ４と、第２対極電極層Ｃ２～第４対極電極層Ｃ４と、これらに挟まれた部分（中間層Ｆ、電解質層Ｂ、および第２反応防止層Ｇ２～第４反応防止層Ｇ４）によって、第２電気化学反応部Ｒ２～第４電気化学反応部Ｒ４が形成されている。すなわち本実施形態では、金属基板１の表側４に、複数の電気化学反応部Ｒが配置されている。
そして第３実施形態と同様に、互いに離間して形成されている複数の電極層Ａは、金属基板１を通じて電気的に接続されている。したがって、複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されているといえる。
＜第１９実施形態＞
本実施形態に係る電気化学素子Ｑを図１９に示す。本実施形態に係る電気化学素子Ｑは、金属基板１と、電極層Ａ、中間層Ｆ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ、および対極電極層Ｃを有して構成される。電極層Ａ、中間層Ｆ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ、および対極電極層Ｃが、電気化学反応部Ｒを構成している。
本実施形態の金属基板１の構成は、第３実施形態のものと同様である。つまり、金属基板１の材料は、第３実施形態に係る金属基板１と同様である。金属基板１の表面には、拡散防止膜６が形成されている。金属基板１に、４つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１～第４気体通流許容領域Ｐ４）が、互いに離間して形成されている。
４つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）が、各々の気体通流許容領域Ｐより大きな領域に、各気体通流許容領域Ｐを覆って形成されている。４つの電極層Ａは、互いに離間して形成されている。
４つの中間層Ｆ（第１中間層Ｆ１～第４中間層Ｆ４）が、各々の電極層Ａより大きな領域に、各電極層Ａを覆って形成されている。４つの中間層Ｆは、互いに離間して形成されている。
第１電解質層Ｂ１が、第１電極層Ａ１および第２電極層Ａ２の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。２つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１および第２気体通流許容領域Ｐ２）および２つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１および第２電極層Ａ２）が、第１電解質層Ｂ１によって覆われている。これにより、電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。
第２電解質層Ｂ２が、第３電極層Ａ３および第４電極層Ａ４の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。２つの気体通流許容領域Ｐ（第３気体通流許容領域Ｐ３および第４気体通流許容領域Ｐ４）および２つの電極層Ａ（第３電極層Ａ３および第４電極層Ａ４）が、第２電解質層Ｂ２によって覆われている。これにより、電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。
第１反応防止層Ｇ１が、第１電解質層Ｂ１の上に、２つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１および第２電極層Ａ２）および２つの中間層Ｆ（第１中間層Ｆ１および第２中間層Ｆ２）の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。
第２反応防止層Ｇ２が、第２電解質層Ｂ２の上に、２つの電極層Ａ（第３電極層Ａ３および第４電極層Ａ４）および２つの中間層Ｆ（第３中間層Ｆ４および第４中間層Ｆ４）の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。
第１対極電極層Ｃ１が、第１反応防止層Ｇ１の上に、２つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１および第２電極層Ａ２）および２つの中間層Ｆ（第１中間層Ｆ１および第２中間層Ｆ２）の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。
第２対極電極層Ｃ２が、第２反応防止層Ｇ２の上に、２つの電極層Ａ（第３電極層Ａ３および第４電極層Ａ４）および２つの中間層Ｆ（第３中間層Ｆ４および第４中間層Ｆ４）の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。
本実施形態では、４つの電極層Ａが互いに離間して形成されている。それら４つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）と、電解質層Ｂと、対極電極層Ｃ（第１対極電極層Ｃ１および第２対極電極層Ｃ２）とによって、電気化学反応が生じうる。したがって、第１電極層Ａ１と、第１対極電極層Ｃ１の左半分と、これらに挟まれた部分（第１中間層Ｆ１、第１電解質層Ｂ１、第１反応防止層Ｇ１）とによって、第１電気化学反応部Ｒ１が構成されていると解釈される。
第２電極層Ａ２と、第１対極電極層Ｃ１の右半分と、これらに挟まれた部分（第２中間層Ｆ２、第１電解質層Ｂ１、第１反応防止層Ｇ１）とによって、第２電気化学反応部Ｒ２が構成されていると解釈される。
第３電極層Ａ３と、第２対極電極層Ｃ２の左半分と、これらに挟まれた部分（第３中間層Ｆ３、第２電解質層Ｂ２、第２反応防止層Ｇ２）とによって、第３電気化学反応部Ｒ３が構成されていると解釈される。
第４電極層Ａ４と、第２対極電極層Ｃ２の右半分と、これらに挟まれた部分（第４中間層Ｆ４、第２電解質層Ｂ２、第２反応防止層Ｇ２）とによって、第４電気化学反応部Ｒ４が構成されていると解釈される。
すなわち本実施形態では、金属基板１の表側４に、複数の電気化学反応部Ｒが配置されている。
また本実施形態では、２つの対極電極層Ｃが互いに離間して形成されている。それら２つの対極電極層Ｃ（第１対極電極層Ｃ１および第２対極電極層Ｃ２）と、電解質層Ｂと、電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）とによって、電気化学反応が生じうる。したがって、第１電極層Ａ１および第２電極層Ａ２と、第１対極電極層Ｃ１と、これらに挟まれた部分（第１中間層Ｆ１および第２中間層Ｆ２、第１電解質層Ｂ１、第１反応防止層Ｇ１）とによって、第５電気化学反応部Ｒ５が構成されていると解釈される。
第３電極層Ａ３および第４電極層Ａ４と、第２対極電極層Ｃ２と、これらに挟まれた部分（第３中間層Ｆ３および第４中間層Ｆ４、第２電解質層Ｂ２、第２反応防止層Ｇ２）とによって、第６電気化学反応部Ｒ６が構成されていると解釈される。
すなわち本実施形態では、金属基板１の表側４に、複数の電気化学反応部Ｒが配置されている。
本実施形態の第５電気化学反応部Ｒ５および第６電気化学反応部Ｒ６のように、一つ電気化学反応部Ｒに複数の気体通流許容領域Ｐが対応する場合がある。このような場合でも、電気化学反応部Ｒの電解質層Ｂが、個々の気体通流許容領域Ｐの全体を覆って配置される。これにより、金属基板１の裏側から気体通流許容領域Ｐを通流して電極層Ａに供給された気体が、金属基板１の表側に漏れ出ることを抑制でき、電気化学素子としての性能・信頼性を高めることができる。具体的には、第５電気化学反応部Ｒ５の第１電解質層Ｂ１が、第１気体通流許容領域Ｐ１および第２気体通流許容領域Ｐ２の全体を覆って配置される。第６電気化学反応部Ｒ６の第２電解質層Ｂ２が、第３気体通流許容領域Ｐ３および第４気体通流許容領域Ｐ４の全体を覆って配置される。
＜第２０実施形態＞
本実施形態に係る電気化学素子Ｑを図２０に示す。本実施形態に係る電気化学素子Ｑは、金属基板１と、電極層Ａ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ、および対極電極層Ｃを有して構成される。第１９実施形態と異なり、本実施形態に係る電気化学反応部Ｒには、中間層Ｆが設けられていない。すなわち電気化学反応部Ｒは、電極層Ａ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ、および対極電極層Ｃを有して構成される。中間層Ｆを除く構成は、第１９実施形態と類似する。
第１電解質層Ｂ１が、第１電極層Ａ１および第２電極層Ａ２の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。２つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１および第２気体通流許容領域Ｐ２）および２つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１および第２電極層Ａ２）が、第１電解質層Ｂ１によって覆われている。これにより、電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。
第２電解質層Ｂ２が、第３電極層Ａ３および第４電極層Ａ４の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。２つの気体通流許容領域Ｐ（第３気体通流許容領域Ｐ３および第４気体通流許容領域Ｐ４）および２つの電極層Ａ（第３電極層Ａ３および第４電極層Ａ４）が、第２電解質層Ｂ２によって覆われている。これにより、電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。
本実施形態では、４つの電極層Ａが互いに離間して形成されている。それら４つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）と、電解質層Ｂと、対極電極層Ｃ（第１対極電極層Ｃ１および第２対極電極層Ｃ２）とによって、電気化学反応が生じうる。したがって、第１電極層Ａ１と、第１対極電極層Ｃ１の左半分と、これらに挟まれた部分（第１電解質層Ｂ１、第１反応防止層Ｇ１）とによって、第１電気化学反応部Ｒ１が構成されていると解釈される。
第２電極層Ａ２と、第１対極電極層Ｃ１の右半分と、これらに挟まれた部分（第１電解質層Ｂ１、第１反応防止層Ｇ１）とによって、第２電気化学反応部Ｒ２が構成されていると解釈される。
第３電極層Ａ３と、第２対極電極層Ｃ２の左半分と、これらに挟まれた部分（第２電解質層Ｂ２、第２反応防止層Ｇ２）とによって、第３電気化学反応部Ｒ３が構成されていると解釈される。
第４電極層Ａ４と、第２対極電極層Ｃ２の右半分と、これらに挟まれた部分（第２電解質層Ｂ２、第２反応防止層Ｇ２）とによって、第４電気化学反応部Ｒ４が構成されていると解釈される。
すなわち本実施形態では、金属基板１の表側４に、複数の電気化学反応部Ｒが配置されている。
また本実施形態では、２つの対極電極層Ｃが互いに離間して形成されている。それら２つの対極電極層Ｃ（第１対極電極層Ｃ１および第２対極電極層Ｃ２）と、電解質層Ｂと、電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）とによって、電気化学反応が生じうる。したがって、第１電極層Ａ１および第２電極層Ａ２と、第１対極電極層Ｃ１と、これらに挟まれた部分（第１電解質層Ｂ１、第１反応防止層Ｇ１）とによって、第５電気化学反応部Ｒ５が構成されていると解釈される。
第３電極層Ａ３および第４電極層Ａ４と、第２対極電極層Ｃ２と、これらに挟まれた部分（第２電解質層Ｂ２、第２反応防止層Ｇ２）とによって、第６電気化学反応部Ｒ６が構成されていると解釈される。
すなわち本実施形態では、金属基板１の表側４に、複数の電気化学反応部Ｒが配置されている。
＜第２１実施形態＞
本実施形態に係る電気化学素子Ｑを図２１に示す。本実施形態に係る電気化学素子Ｑは、金属基板１と、電極層Ａ、中間層Ｆ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ、および対極電極層Ｃを有して構成される。電極層Ａ、中間層Ｆ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ、および対極電極層Ｃが、電気化学反応部Ｒを構成している。
本実施形態に係る電気化学素子Ｑの構成は、第１９実施形態と類似する。第１９実施形態と異なる点は、中間層Ｆが複数の電極層Ａの上に渡って設けられている点である。第１中間層Ｆ１が、第１電極層Ａ１および第２電極層Ａ２の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。第２中間層Ｆ２が、第３電極層Ａ３および第４電極層Ａ４の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。
第１電解質層Ｂ１が、第１電極層Ａ１および第２電極層Ａ２の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。２つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１および第２気体通流許容領域Ｐ２）および２つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１および第２電極層Ａ２）が、第１電解質層Ｂ１によって覆われている。これにより、電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。
第２電解質層Ｂ２が、第３電極層Ａ３および第４電極層Ａ４の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。２つの気体通流許容領域Ｐ（第３気体通流許容領域Ｐ３および第４気体通流許容領域Ｐ４）および２つの電極層Ａ（第３電極層Ａ３および第４電極層Ａ４）が、第２電解質層Ｂ２によって覆われている。これにより、電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。
本実施形態では、４つの電極層Ａが互いに離間して形成されている。それら４つの電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）と、電解質層Ｂと、対極電極層Ｃ（第１対極電極層Ｃ１および第２対極電極層Ｃ２）とによって、電気化学反応が生じうる。したがって、第１電極層Ａ１と、第１対極電極層Ｃ１の左半分と、これらに挟まれた部分（第１中間層Ｆ１、第１電解質層Ｂ１、第１反応防止層Ｇ１）とによって、第１電気化学反応部Ｒ１が構成されていると解釈される。
第２電極層Ａ２と、第１対極電極層Ｃ１の右半分と、これらに挟まれた部分（第１中間層Ｆ１、第１電解質層Ｂ１、第１反応防止層Ｇ１）とによって、第２電気化学反応部Ｒ２が構成されていると解釈される。
第３電極層Ａ３と、第２対極電極層Ｃ２の左半分と、これらに挟まれた部分（第２中間層Ｆ２、第２電解質層Ｂ２、第２反応防止層Ｇ２）とによって、第３電気化学反応部Ｒ３が構成されていると解釈される。
第４電極層Ａ４と、第２対極電極層Ｃ２の右半分と、これらに挟まれた部分（第２中間層Ｆ２、第２電解質層Ｂ２、第２反応防止層Ｇ２）とによって、第４電気化学反応部Ｒ４が構成されていると解釈される。
すなわち本実施形態では、金属基板１の表側４に、複数の電気化学反応部Ｒが配置されている。
また本実施形態では、２つの対極電極層Ｃが互いに離間して形成されている。それら２つの対極電極層Ｃ（第１対極電極層Ｃ１および第２対極電極層Ｃ２）と、電解質層Ｂと、電極層Ａ（第１電極層Ａ１～第４電極層Ａ４）とによって、電気化学反応が生じうる。したがって、第１電極層Ａ１および第２電極層Ａ２と、第１対極電極層Ｃ１と、これらに挟まれた部分（第１中間層Ｆ１、第１電解質層Ｂ１、第１反応防止層Ｇ１）とによって、第５電気化学反応部Ｒ５が構成されていると解釈される。
第３電極層Ａ３および第４電極層Ａ４と、第２対極電極層Ｃ２と、これらに挟まれた部分（第２中間層Ｆ２、第２電解質層Ｂ２、第２反応防止層Ｇ２）とによって、第６電気化学反応部Ｒ６が構成されていると解釈される。
すなわち本実施形態では、金属基板１の表側４に、複数の電気化学反応部Ｒが配置されている。
＜第２２実施形態＞
本実施形態に係る電気化学素子Ｑを図２２に示す。本実施形態に係る電気化学素子Ｑは、金属基板１と、電極層Ａ、中間層Ｆ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ、および対極電極層Ｃを有して構成される。電極層Ａ、中間層Ｆ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ、および対極電極層Ｃが、電気化学反応部Ｒを構成している。
本実施形態の金属基板１の構成は、第３実施形態のものと同様である。つまり、金属基板１の材料は、第３実施形態に係る金属基板１と同様である。金属基板１の表面には、拡散防止膜６が形成されている。金属基板１に、４つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１～第４気体通流許容領域Ｐ４）が、互いに離間して形成されている。
電極層Ａは、４つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１～第４気体通流許容領域Ｐ４）の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。
中間層Ｆは、電極層Ａの全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。
電解質層Ｂは、電極層Ａおよび中間層Ｆの全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。４つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１～第４気体通流許容領域Ｐ４）および電極層Ａが、電解質層Ｂによって覆われている。これにより、電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。
反応防止層Ｇは、電解質層Ｂの上に、電極層Ａおよび中間層Ｆの全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。
反応防止層Ｇの上の、４つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１～第４気体通流許容領域Ｐ４）に対応する領域に、４つの対極電極層Ｃ（第１対極電極層Ｃ１～第４対極電極層Ｃ４）が形成されている。
本実施形態に係る電気化学素子Ｑでは、電極層Ａと対極電極層Ｃとの間に電解質層Ｂが配置されているから、４つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１～第４気体通流許容領域Ｐ４）を通って電極層Ａに供給された物質と、対極電極層Ｃに供給された物質との間で、電気化学反応が生じうる。したがって、電極層Ａ、中間層Ｆ、電解質層Ｂ、および反応防止層Ｇにおける第１気体通流許容領域Ｐ１と第１対極電極層Ｃ１とによって挟まれた部分と、第１対極電極層Ｃ１とによって、第１電気化学反応部Ｒ１が形成されていると解釈される。
電極層Ａ、中間層Ｆ、電解質層Ｂ、および反応防止層Ｇにおける第２気体通流許容領域Ｐ２と第２対極電極層Ｃ２とによって挟まれた部分と、第２対極電極層Ｃ２とによって、第２電気化学反応部Ｒ２が形成されていると解釈される。
電極層Ａ、中間層Ｆ、電解質層Ｂ、および反応防止層Ｇにおける第３気体通流許容領域Ｐ３と第３対極電極層Ｃ３とによって挟まれた部分と、第３対極電極層Ｃ３とによって、第３電気化学反応部Ｒ３が形成されていると解釈される。
電極層Ａ、中間層Ｆ、電解質層Ｂ、および反応防止層Ｇにおける第４気体通流許容領域Ｐ４と第４対極電極層Ｃ４とによって挟まれた部分と、第４対極電極層Ｃ４とによって、第４電気化学反応部Ｒ４が形成されていると解釈される。
すなわち本実施形態では、金属基板１の表側４に、複数の電気化学反応部Ｒが配置されている。
本実施形態では上述の通り、金属基板１の表面に導電性を有する拡散防止膜６が形成されている。したがって、互いに離間して形成されている複数の電極層Ａは、金属基板１を通じて電気的に接続されている。すなわち本実施形態では、隣接する電気化学反応部Ｒの電極層Ａが電気的に接続されることにより、複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている。
＜第２３実施形態＞
本実施形態に係る電気化学素子Ｑを図２３に示す。本実施形態に係る電気化学素子Ｑは、金属基板１と、電極層Ａ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ、および対極電極層Ｃを有して構成される。第２２実施形態と異なり、本実施形態に係る電気化学反応部Ｒには、中間層Ｆが設けられていない。すなわち電気化学反応部Ｒは、電極層Ａ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ、および対極電極層Ｃを有して構成される。中間層Ｆを除く構成は、第２２実施形態と類似する。
電解質層Ｂは、電極層Ａの全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。４つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１～第４気体通流許容領域Ｐ４）および電極層Ａが、電解質層Ｂによって覆われている。これにより、電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。
本実施形態では第２２実施形態と同様に、金属基板１の表側４に、４つの電気化学反応部Ｒ（第１電気化学反応部Ｒ１～第４電気化学反応部Ｒ４）が配置されている。そして隣接する電気化学反応部Ｒの電極層Ａが金属基板１を通じて電気的に接続されることにより、複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている。
＜第２４実施形態＞
本実施形態に係る電気化学素子Ｑを図２４に示す。本実施形態に係る電気化学素子Ｑは、金属基板１と、電極層Ａ、中間層Ｆ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ、および対極電極層Ｃを有して構成される。電極層Ａ、中間層Ｆ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ、および対極電極層Ｃが、電気化学反応部Ｒを構成している。
本実施形態に係る電気化学素子Ｑの構成は、第１９実施形態と類似する。第１９実施形態と異なる点は、電極層Ａおよび中間層Ｆが複数の気体通流許容領域Ｐの上に渡って設けられている点である。
第１電極層Ａ１が、第１気体通流許容領域Ｐ１および第２気体通流許容領域Ｐ２の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。第１中間層Ｆ１が、第１電極層Ａ１の全体を覆う状態で設けられている。
第２電極層Ａ２が、第３気体通流許容領域Ｐ３および第４気体通流許容領域Ｐ４の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。第２中間層Ｆ２が、第２電極層Ａ２の全体を覆う状態で設けられている。
第１電解質層Ｂ１が、第１電極層Ａ１の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。２つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１および第２気体通流許容領域Ｐ２）および第１電極層Ａ１が、第１電解質層Ｂ１によって覆われている。これにより、電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。
第２電解質層Ｂ２が、第２電極層Ａ２の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。２つの気体通流許容領域Ｐ（第３気体通流許容領域Ｐ３および第４気体通流許容領域Ｐ４）および第２電極層Ａ２が、第２電解質層Ｂ２によって覆われている。これにより、電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。
本実施形態に係る電気化学素子Ｑでは、電極層Ａと対極電極層Ｃとの間に電解質層Ｂが配置されているから、４つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１～第４気体通流許容領域Ｐ４）を通って電極層Ａに供給された物質と、対極電極層Ｃに供給された物質との間で、電気化学反応が生じうる。したがって、第１気体通流許容領域Ｐ１の上側の電極層Ａの部分、中間層Ｆの部分、電解質層Ｂの部分、反応防止層Ｇの部分および対極電極層Ｃの部分によって、第１電気化学反応部Ｒ１が形成されていると解釈される。
第２気体通流許容領域Ｐ２の上側の電極層Ａの部分、中間層Ｆの部分、電解質層Ｂの部分、反応防止層Ｇの部分および対極電極層Ｃの部分によって、第２電気化学反応部Ｒ２が形成されていると解釈される。
第３気体通流許容領域Ｐ３の上側の電極層Ａの部分、中間層Ｆの部分、電解質層Ｂの部分、反応防止層Ｇの部分および対極電極層Ｃの部分によって、第３電気化学反応部Ｒ３が形成されていると解釈される。
第４気体通流許容領域Ｐ４の上側の電極層Ａの部分、中間層Ｆの部分、電解質層Ｂの部分、反応防止層Ｇの部分および対極電極層Ｃの部分によって、第４電気化学反応部Ｒ４が形成されていると解釈される。
すなわち本実施形態では、金属基板１の表側４に、複数の電気化学反応部Ｒが配置されている。
また本実施形態では、２つの対極電極層Ｃが互いに離間して形成されている。それら２つの対極電極層Ｃ（第１対極電極層Ｃ１および第２対極電極層Ｃ２）と、電解質層Ｂ（第１電解質層Ｂ１および第２電解質層Ｂ２）と、電極層Ａ（第１電極層Ａ１および第２電極層Ａ２）とによって、電気化学反応が生じうる。したがって、第１電極層Ａ１と、第１対極電極層Ｃ１と、これらに挟まれた部分（第１中間層Ｆ１、第１電解質層Ｂ１、第１反応防止層Ｇ１）とによって、第５電気化学反応部Ｒ５が構成されていると解釈される。
第２電極層Ａ２と、第２対極電極層Ｃ２と、これらに挟まれた部分（第２中間層Ｆ２、第２電解質層Ｂ２、第２反応防止層Ｇ２）とによって、第６電気化学反応部Ｒ６が構成されていると解釈される。
すなわち本実施形態では、金属基板１の表側４に、複数の電気化学反応部Ｒが配置されている。
＜第２５実施形態＞
本実施形態に係る電気化学素子Ｑを図２５に示す。本実施形態に係る電気化学素子Ｑは、金属基板１と、電極層Ａ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ、および対極電極層Ｃを有して構成される。第１９実施形態と異なり、本実施形態に係る電気化学反応部Ｒには、中間層Ｆが設けられていない。すなわち電気化学反応部Ｒは、電極層Ａ、電解質層Ｂ、反応防止層Ｇ、および対極電極層Ｃを有して構成される。中間層Ｆを除く構成は、第２４実施形態と類似する。
第１電解質層Ｂ１が、第１電極層Ａ１の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。２つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１および第２気体通流許容領域Ｐ２）および第１電極層Ａ１が、第１電解質層Ｂ１によって覆われている。これにより、電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。
第２電解質層Ｂ２が、第２電極層Ａ２の全体を覆う状態で、一繋がりの層として形成されている。２つの気体通流許容領域Ｐ（第３気体通流許容領域Ｐ３および第４気体通流許容領域Ｐ４）および第２電極層Ａ２が、第２電解質層Ｂ２によって覆われている。これにより、電極層Ａに供給された気体が対極電極層Ｃの側に漏れ出すことが抑制されている。
本実施形態に係る電気化学素子Ｑでは、電極層Ａと対極電極層Ｃとの間に電解質層Ｂが配置されているから、４つの気体通流許容領域Ｐ（第１気体通流許容領域Ｐ１～第４気体通流許容領域Ｐ４）を通って電極層Ａに供給された物質と、対極電極層Ｃに供給された物質との間で、電気化学反応が生じうる。したがって、第１気体通流許容領域Ｐ１の上側の電極層Ａの部分、電解質層Ｂの部分、反応防止層Ｇの部分および対極電極層Ｃの部分によって、第１電気化学反応部Ｒ１が形成されていると解釈される。
第２気体通流許容領域Ｐ２の上側の電極層Ａの部分、電解質層Ｂの部分、反応防止層Ｇの部分および対極電極層Ｃの部分によって、第２電気化学反応部Ｒ２が形成されていると解釈される。
第３気体通流許容領域Ｐ３の上側の電極層Ａの部分、電解質層Ｂの部分、反応防止層Ｇの部分および対極電極層Ｃの部分によって、第３電気化学反応部Ｒ３が形成されていると解釈される。
第４気体通流許容領域Ｐ４の上側の電極層Ａの部分、電解質層Ｂの部分、反応防止層Ｇの部分および対極電極層Ｃの部分によって、第４電気化学反応部Ｒ４が形成されていると解釈される。
すなわち本実施形態では、金属基板１の表側４に、複数の電気化学反応部Ｒが配置されている。
また本実施形態では、２つの対極電極層Ｃが互いに離間して形成されている。それら２つの対極電極層Ｃ（第１対極電極層Ｃ１および第２対極電極層Ｃ２）と、電解質層Ｂ（第１電解質層Ｂ１および第２電解質層Ｂ２）と、電極層Ａ（第１電極層Ａ１および第２電極層Ａ２）とによって、電気化学反応が生じうる。したがって、第１電極層Ａ１と、第１対極電極層Ｃ１と、これらに挟まれた部分（第１電解質層Ｂ１および第１反応防止層Ｇ１）とによって、第５電気化学反応部Ｒ５が構成されていると解釈される。
第２電極層Ａ２と、第２対極電極層Ｃ２と、これらに挟まれた部分（第２電解質層Ｂ２および第２反応防止層Ｇ２）とによって、第６電気化学反応部Ｒ６が構成されていると解釈される。
すなわち本実施形態では、金属基板１の表側４に、複数の電気化学反応部Ｒが配置されている。
＜第２６実施形態＞
本実施形態に係る電気化学モジュールＭを図２６に示す。本実施形態に係る電気化学モジュールＭは、電気化学モジュールＭは、上述した電気化学素子Ｑが複数積層した状態で配置されるモジュールである。第２６実施形態に係る電気化学モジュールＭには、第１１実施形態～第２５実施形態に係る電気化学素子Ｑ、すなわち複数の電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続されている電気化学素子Ｑが用いられる。
電気化学モジュールＭは、複数の電気化学素子Ｑ（Ｑ１、Ｑ２等）と、複数の集電板Ｓ（Ｓ１、Ｓ２等）とを有して構成される。本実施形態では、電気化学素子Ｑは第１１実施形態と同様の構成を有するものとして説明する。
本実施形態では、電気化学素子Ｑの対極電極層Ｃの上に、集電層Ｈが設けられている。集電層Ｈとしては、導電性に優れたセラミックペーストや、金属フェルト材料等が用いられる。
集電板Ｓは、波状に形成された金属製の板である。集電板Ｓの材料としては、上述の金属基板１と同様のものを用いることができる。また集電板Ｓの表面に、金属基板１と同様の拡散防止膜を形成すると、Ｃｒ飛散を抑制することができ好適である。以上の様に構成される集電板Ｓは、プレス成形などにより低コストで製造することが可能である。なお集電板Ｓは、表側と裏側との間で気体が通流できないよう、気体を透過しない材料で構成される。
図２６に示すように、電気化学素子Ｑと集電板Ｓとが交互に積層して配置される。集電板Ｓの波形の上側の頂点が、金属基板１の裏側５に、電気的に導通した状態で接合される。この接合は例えば、導電性に優れたセラミックスペースト等を塗布して集電板Ｓを金属基板１に向けて付勢して行う。また例えば、溶接やろう付けにより行う。
集電板Ｓの波形の下側の頂点が、電気化学素子Ｑの集電層Ｈに、電気的に導通した状態で接合される。この接合は例えば、上述した集電層Ｈのセラミックペーストの焼結や、金属フェルトへの集電板Ｓの付勢により行う。
以上の構成により、例えば集電板Ｓは、電気化学素子Ｑ１の金属基板１と、電気化学素子Ｑ２の集電層Ｈとを電気的に接続する。そうすると、電気化学素子Ｑ１の電極層Ａと、電気化学素子Ｑ２の対極電極層Ｃとが電気的に接続されることになる。つまり、電気化学素子Ｑ１の電気化学反応部Ｒと、電気化学素子Ｑ２の電気化学反応部Ｒとが、電気的に直列に接続されることになる。
図２６に示す形態で複数の電気化学素子Ｑと複数の集電板Ｓとが積層されると、集電板Ｓが、一つの電気化学素子Ｑの金属基板１と、下側に配置された電気化学素子Ｑの集電層Ｈとが電気的に接続されることになる。そうすると、一つの電気化学素子Ｑの電極層Ａと、その下側の電気化学素子Ｑの対極電極層Ｃとが電気的に接続されることになる。つまり本実施形態に係る電気化学モジュールＭでは、集電板Ｓによって、複数の電気化学素子Ｑの電気化学反応部Ｒが電気的に直列に接続される。
上述の通り電気化学素子Ｑでは、金属基板１の表側４に複数の電気化学反応部Ｒが配置される。そしてそれら複数の電気化学反応部Ｒ（第１電気化学反応部Ｒ１～第４電気化学反応部Ｒ４）は、電気的に並列に接続される。そうすると、本実施形態に係る電気化学モジュールＭでは、各々の電気化学素子Ｑで電気化学反応部Ｒが電気的に並列に接続され、それら電気化学反応部Ｒが集電板Ｓによって、電気的に直列に接続される。
＜他の実施形態＞
（１）上述の第１実施形態及び第２実施形態では、金属基板１の表面に絶縁被膜を形成したが、筒状ガス流通部１０を形成するＵ字部材１１や蓋部１２などの電気化学素子Ｑや電気化学モジュールＭの形成に関連して金属基板１以外に用いる部材に金属材料を使用する場合、必要に応じて、そのような金属材料の表面に絶縁被膜や拡散防止膜を形成して用いることもできる。
（２）上述の実施形態では、金属基板１と電解質層Ｂとの間に電極層Ａを配置し、電解質層Ｂからみて金属基板１と反対側に対極電極層Ｃを配置した。電極層Ａと対極電極層Ｃとを逆に配置する構成も可能である。つまり、金属基板１と電解質層Ｂとの間に対極電極層Ｃを配置し、電解質層Ｂからみて金属基板１と反対側に電極層Ａを配置する構成も可能である。この場合、電気化学素子Ｑへの気体の供給についても変更する必要がある。例えば電気化学素子Ｑを燃料電池として動作させる場合、金属基板１の気体通流許容領域Ｐを通じて対極電極層Ｃに酸素を供給し、電気化学素子Ｑの周囲から電極層Ａに水素を供給する。
（３）上述の実施形態では、金属基板１に５つ（または４つ）の電気化学反応部Ｒを設けた。電気化学反応部Ｒの数はこれに限らず、２つ以上であればよい。
（４）上述の実施形態では、金属基板１に１列または２列の電気化学反応部Ｒを設けた。電気化学反応部Ｒの列の数はこれに限らず、３列以上であってもよい。
（５）上述の第７実施形態では、直列に接続された複数の電気化学反応部Ｒが並列に接続される形態を示したが、直列に接続された複数の電気化学反応部Ｒを直列に接続するように構成してもよい。また、直列に接続された複数の電気化学反応部Ｒが直列接続と並列接続が併存するように構成してもよい。
（６）上述の第８実施形態では、並列に接続された複数の電気化学反応部Ｒが直列に接続される形態を示したが、並列に接続された複数の電気化学反応部Ｒを並列に接続するように構成してもよい。また、並列に接続された複数の電気化学反応部Ｒが直列接続と並列接続が併存するように構成してもよい。
（７）一つの電気化学素子Ｑに、電気化学反応部Ｒの直列接続と並列接続が併存してもよい。例えば、金属基板１に４行４列の電気化学反応部Ｒを形成し、一つの行内の４つの電気化学反応部Ｒを直列接続し、行の両端の電気化学反応部Ｒを並列に接続して、電気化学素子Ｑを構成してもよい。なお、上述の（５）や（６）の形態にこのような直列接続と並列接続が併存する複数の電気化学反応部Ｒを適用してもよい。
（８）上述の実施形態では、平板型の電気化学素子および電気化学モジュールについて示したが、本発明の電気化学素子および電気化学モジュールは円筒型や円盤型に適用してもよい。
（９）上述の第１および第２実施形態では、金属基板１にＵ字部材１１と蓋部１２とが接合されて、筒状ガス流通部１０が形成される電気化学素子の形態を示したが、複数の金属基板１を用いて、筒状ガス流通部１０を形成してもよい。図２７および図２８に、２数の金属基板１に２枚の側面接合部材１５と蓋部１２を接合して、筒状ガス流通部１０を形成した例を示した。側面接合部材１５は、矩形状の部材である。２枚の金属基板１の長辺と２枚の側面部材１５の各長辺とが接合され、形成された筒の一方の端部が蓋部１２で塞がれている。これにより、内部に内部空間２２を有し全体として平板あるいは平棒状の筒状ガス流通部１０が構成されている。金属基板１は、筒状ガス流通部１０の中心軸に対して平行に配置され、電気化学素子の両面に電気化学反応部が備えられている。
この電気化学素子Ｑを用いて、上述の第７実施形態に示したのと同様な電気化学モジュールＭを構成することが可能である。
（１０）上述の実施形態では、金属基板１の表側４と裏側５とを貫通して形成される貫通孔２は、表側４と裏側５の間で気体の通流が可能となるように連通していればよく、その配置は、図１～４に示されるように長辺と短辺とに平行な格子の交点位置に形成されていることに限定されず、図１～４、１１～２６に示されるように金属基板１の板面に対して直交する円状孔には限定されない。貫通孔２の径は一定でなくとも良く、テーパー状でもよい。また貫通孔２は屈曲していても良い。
（１１）上述の実施形態では、気体通流禁止領域は、貫通孔を形成しない領域を設けることにより構成する例が示されているが、一旦貫通孔を形成した後、貫通孔の少なくとも一部を閉塞することにより構成しても良い。貫通孔の閉塞方法としては、貫通孔内に気密性材料を充填する方法や、図２９に示すように金属基板の一面に貫通孔を形成していない閉塞材料１６を接合あるいは当接する方法などによっても構成することができる。
（１２）上述の第1，３，１１～２６実施例では、気体通流許容領域Ｐが電極層Ａにより覆われるように配置されているが、図３０（単一の電気化学反応部のみを図示）に示すように、電解質層Ｂが、少なくとも気体通流許容領域Ｐもしくは気体通流許容領域Ｐに設けられた電極層Ａを覆って配置されればよい。これにより、金属基板の裏側から気体通流許容領域を通流して電極層に供給された気体が、金属基板の表側に漏れ出ることを抑制でき、電気化学素子としての性能・信頼性を高めることができる。
（１３）上述の実施形態では、電気化学モジュールＭにおいて電気化学素子Ｑが複数積層した状態、すなわち複数集合した状態で配置される例を説明した。電気化学モジュールＭとしては、電気化学素子Ｑが積層しない状態で集合した形態も可能である。
（１４）電気化学素子を次のように構成してもよい。電気化学素子は、金属基板と、複数の電気化学反応部とを有し、前記金属基板は、前記金属基板の表側と裏側との間での気体の通流を許容する気体通流許容領域を有し、前記電気化学反応部は、電極層と、電解質層と、対極電極層とを少なくとも有し、前記金属基板の表側に配置されており、前記電解質層は、前記電極層と前記対極電極層との間に配置されており、前記電極層に、前記気体通流許容領域を通流した気体が供給される。
（１５）さらに電気化学素子が次の構成を有してもよい。前記金属基板は、互いに離間した複数の前記気体通流許容領域を有しており、前記電気化学反応部の前記電解質層が、個々の前記気体通流許容領域の全体を覆って配置される。
（１６）さらに電気化学素子が次の構成を有してもよい。前記金属酸化物被膜が、前記金属基板に含まれる金属元素の酸化物である。
なお上述の実施形態（他の実施形態を含む、以下同じ）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り、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。
１ ：金属基板
３ ：絶縁被膜（金属酸化物被膜）
４ ：表側
５ ：裏側
６ ：拡散防止膜（金属酸化物被膜）
Ａ ：電極層
Ｂ ：電解質層
Ｃ ：対極電極層
Ｍ ：電気化学モジュール
Ｎ ：気体通流禁止領域
Ｐ ：気体通流許容領域
Ｑ ：電気化学素子
Ｒ ：電気化学反応部
Ｙ ：電気化学装置
Ｚ ：エネルギーシステム
本発明は、電気化学素子ユニット、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ユニットおよび固体酸化物形電解セルユニットに関する。
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、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素子ユニットを提供することにある。
上記目的を達成するための本発明に係る電気化学素子ユニットの特徴構成は、
一つの金属基板と、接続部材とを少なくとも有する電気化学素子ユニットであって、
前記金属基板の表側に複数の電気化学反応部を有し、
前記金属基板は、前記金属基板の表側と裏側との間での気体の通流を許容する気体通流許容領域を有し、
前記電気化学反応部は、電極層と、電解質層と、対極電極層とを少なくとも有し、前記金属基板の表側に配置されており、
少なくとも前記電極層と前記対極電極層との間に、前記電解質層が配置されており、
前記接続部材が、その表側の面に形成される第１気体流路を有し、
前記電極層が、前記接続部材の第１気体流路と前記気体通流許容領域との間を通流する気体と接触し、
前記対極電極層が、前記電極層が接触する気体とは異なる気体と少なくとも接触するように構成される点にある。
上記の特徴構成によれば、薄くても十分な強度を有する金属基板の上に、複数の電気化学反応部を配置するから、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素子ユニットを得ることができる。
尚、本発明に係る電気化学素子ユニットの別の特徴構成は、前記接続部材が、気体透過性を有さない点にある。
また、本発明に係る電気化学素子ユニットの別の特徴構成は、前記接続部材が、導電性を有する点にある。
本発明に係る電気化学素子ユニットの別の特徴構成は、前記金属基板は、互いに離間した複数の前記気体通流許容領域を有する点にある。
また、本発明に係る電気化学素子ユニットの別の特徴構成は、前記電極層が、少なくとも個々の前記気体通流許容領域を覆って配置される点にある。
また、本発明に係る電気化学素子ユニットの別の特徴構成は、前記電解質層が、少なくとも個々の前記気体通流許容領域もしくは前記気体通流許容領域に設けられた前記電極層を覆って配置される点にある。
上記の特徴構成によれば、金属基板の上に複数の電気化学素子ユニットを並べて配置する場合でも、ガスタイトな電解質層によりガスのシールを行うことができるため、コンパクトで高性能な、強度と信頼性に優れた電気化学素子ユニットを得ることができる。すなわち、電解質層が少なくとも個々の気体通流許容領域もしくは前記気体通流許容領域に設けられた電極層を覆って配置されることにより、金属基板の裏側から気体通流許容領域を通流して電極層に供給された気体が、金属基板の表側に漏れ出ることを抑制でき、電気化学素子ユニットとしての性能・信頼性を高めることができ好適である。
尚、本発明に係る電気化学素子ユニットの別の特徴構成は、前記電解質層は、ガスタイトな層である点にある。
また、本発明に係る電気化学素子ユニットの別の特徴構成は、前記電解質層は、前記電極層が接触する気体と前記対極電極層が接触する気体とを区分する点にある。
更に、本発明に係る電気化学素子ユニットの別の特徴構成は、前記複数の電気化学反応部が、互いに離間して形成される点にある。
本発明に係る電気化学素子ユニットの別の特徴構成は、前記金属基板の表側における、少なくとも前記金属基板と前記電極層とが接触する領域に、金属酸化物被膜が形成されている点にある。
本発明に係る電気化学素子ユニットの別の特徴構成は、前記金属基板の表側における、少なくとも前記電極層、前記電解質層及び前記対極電極層のいずれにも覆われていない領域に、金属酸化物被膜が形成されている点にある。
本発明に係る電気化学素子ユニットの別の特徴構成は、前記金属酸化物被膜が、少なくとも前記金属基板に含まれる金属元素を含有する酸化物である点にある。
本発明に係る電気化学素子ユニットの別の特徴構成は、複数の前記電気化学反応部が電気的に並列に接続されている点にある。
上記の特徴構成によれば、複数の電気化学反応部が電気的に並列に接続されていることにより、電気化学素子ユニットから外部への電気的接続のための構造を簡便化することができる。加えて、電気化学反応部が燃料電池として動作する場合、電気的に並列に接続されていることで、電気化学反応部で生じる電流を足し合わせて電気化学素子ユニットから出力することができるので、一つの電気化学素子ユニットの出力電流を高めることができ好適である。
なお、一つの前記電気化学反応部の前記電極層と、他の前記電気化学反応部の前記電極層とを電気的に接続することで、複数の前記電気化学反応部を電気的に並列に接続することができる。
上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物形燃料電池ユニットの特徴構成は、上述の電気化学素子ユニットを備え、前記電気化学素子ユニットで発電反応を生じさせる点にある。
また、上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物形電解セルユニットの特徴構成は、上述の電気化学素子ユニットを備え、前記電気化学素子ユニットで電解反応を生じさせる点にある。
上記目的を達成するための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ユニット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ユニット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。
尚、本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記接続部材は、その裏側の面に形成される第２気体流路を有し、
一つの前記電気化学素子ユニットの前記第２気体流路を通流する気体が、隣接する他の一つの前記電気化学素子ユニットの前記対極電極層と接触するように配置される点にある。
上記目的を達成するための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ユニットまたは電気化学モジュールと、前記電気化学素子ユニットまたは前記電気化学モジュール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点にある。
上記の特徴構成によれば、電気化学素子ユニットまたは電気化学モジュールを有し電気化学モジュール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を有するので、都市ガス等の既存の原燃料供給インフラを用い、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学素子ユニットまたは電気化学モジュールから電力を取り出すことができ、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学装置を実現することができる。また、電気化学素子ユニットまたは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。
上記目的を達成するための本発明に係る電気化学装置の別の特徴構成は、前記電気化学素子ユニットまたは前記電気化学モジュールと、前記電気化学素子ユニットまたは前記電気化学モジュールから電力を取り出すインバータとを有する点にある。
上記の特徴構成によれば、電気化学素子ユニットまたは電気化学モジュールから電力を取り出す高効率な電気化学装置を実現することができる。
Ｕ字部材１１と蓋部１２の材料としては、金属基板１と同じ材料を用いると、筒状ガス流通部１０全体で熱膨張係数等の物性が統一されるため好適である。また金属基板１をはじめとする筒状ガス流通部１０の材料にフェライト系ステンレス鋼を用いた場合、電気化学反応部Ｒにて材料に用いられるＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリニウム・ドープ・セリア、ＣＧＯとも呼ぶ）等と熱膨張係数が近くなる。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Ｑ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Ｑを実現できるので好ましい。

Claims (13)

  1. 金属基板と、複数の電気化学反応部とを有し、
    前記金属基板は、前記金属基板の表側と裏側との間での気体の通流を許容する気体通流許容領域を有し、
    前記電気化学反応部は、電極層と、電解質層と、対極電極層とを少なくとも有し、前記金属基板の表側に配置されており、
    少なくとも前記電極層と前記対極電極層との間に、前記電解質層が配置されており、
    前記電極層に、前記気体通流許容領域を通流した気体が供給される電気化学素子。
  2. 前記金属基板は、互いに離間した複数の前記気体通流許容領域を有しており、前記電気化学反応部の前記電解質層が、少なくとも個々の前記気体通流許容領域もしくは前記気体通流許容領域に設けられた前記電極層を覆って配置される請求項１に記載の電気化学素子。
  3. 前記金属基板の表側における、少なくとも前記金属基板と前記電極層とが接触する領域に、金属酸化物被膜が形成されている請求項１または２に記載の電気化学素子。
  4. 前記金属基板の表側における、少なくとも電極層と電解質層・対極電極層のいずれにも覆われていない領域に、金属酸化物被膜が形成されている請求項１または２に記載の電気化学素子。
  5. 前記金属酸化物被膜が、少なくとも前記金属基板に含まれる金属元素を含有する酸化物である請求項３または４に記載の電気化学素子。
  6. 前記金属酸化物被膜が、絶縁被膜である請求項５に記載の電気化学素子。
  7. 前記金属基板にＳｉ、Ａｌおよび２～１２族元素のうち少なくともひとつが含有されている請求項６に記載の電気化学素子。
  8. 複数の前記電気化学反応部が電気的に直列に接続されている請求項１～７のいずれか一項に記載の電気化学素子。
  9. 複数の前記電気化学反応部が電気的に並列に接続されている請求項１～７のいずれか一項に記載の電気化学素子。
  10. 請求項１～９のいずれか一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。
  11. 請求項１０に記載の電気化学モジュールと改質器を少なくとも有し、前記電気化学モジュール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を有する電気化学装置。
  12. 請求項１０に記載の電気化学モジュールを少なくとも有し、前記電気化学モジュールから電力を取り出すインバータを有する電気化学装置。
  13. 請求項１１または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。
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