JP7097735B2 - 金属板、電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池、および金属板の製造方法 - Google Patents

金属板、電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池、および金属板の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、金属板と、その金属板を備えた金属支持型の電気化学素子等、およびその金属板の製造方法に関する。
従来の金属支持型ＳＯＦＣにおいて、金属支持体は金属板に多数の孔を開けて構成されている。しかしながら、ＳＯＦＣとして十分な性能を確保しつつ、量産時の加工性やコストを勘案した最適な孔形状は、未だ見出されていない。
特表２００８－５２５９６７号公報
特許文献１では、セル積層時の加工性を勘案した金属支持体の構造が開示されている。特許文献１のセルでは、多数の孔を開けた１５μｍ程度の金属箔の上に電極層・電解質層・対極電極層を積層している。このように薄い金属箔では強度が小さいため、セル製造時のハンドリングが極めて困難であり、量産に不向きであった。
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、十分な強度と性能を確保しつつ、量産時の加工性とコストを改善した金属板と、その金属板を備えた電気化学素子等を提供することにある。
〔構成１〕
上記目的を達成するための金属板の特徴構成は、金属板であって、前記金属板は、厚肉部位と、前記厚肉部位よりも厚さが小さい薄肉部位とを有し、厚さ方向に貫通する貫通空間が前記薄肉部位に形成され、前記金属板の全体の厚さを、前記貫通空間の内径の最小値で除した値である金属板アスペクト比が２以上である点にある。
上記の特徴構成によれば、厚肉部位よりも厚さが小さい薄肉部位に貫通空間が形成されるから、貫通空間の加工が容易になるので、厚肉部位によって金属板としての強度を確保しながら、低コストで小さな貫通空間を形成でき好適である。
更に、前記金属板の全体の厚さを、前記貫通空間の内径の最小値で除した値である金属板アスペクト比が２以上である金属板であれば、ガス等の流体の通流性能等を確保しながら、金属板としての強度を高められる。加えて、例えば、金属板の上に電気化学素子等を形成し易くなるので好ましい。なお、金属板の金属板アスペクト比が３以上であるとより好ましく、５以上であると更に好ましい。このようにすることで、金属板のガス等の流体の通流性能等を確保しながら、金属板としての強度をより高められ、更には、金属板の上に電気化学素子等を形成する場合に、より形成し易くなるからである。また、金属板の金属板アスペクト比が３０以下であると好ましく、２５以下であるとより好ましく、２０以下であると更に好ましい。このようにすることで、強度を保ちながら、金属板のガス等の流体の通流性能等をより高められるからである。
〔構成２〕
複数の前記厚肉部位と複数の前記薄肉部位を有する金属板であれば、ガス等の流体の通流が容易にできるので、例えば燃料電池などの電気化学素子に好適に用いることができる。
〔構成３〕
複数の前記貫通空間が前記薄肉部位に形成されている金属板であれば、ガス等の流体の通流が容易にできるので、例えば燃料電池などの電気化学素子に好適に用いることができる。
〔構成４〕
前記金属板の全体の厚さが０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下であれば、金属板としての強度を確保しつつ、金属板の重量・コストを低減できるので好ましい。なお、金属板の厚さが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。このようにすることで、金属板としての強度を保ちながら、量産時のハンドリングがよりし易くなるからである。また。金属板の厚さが０．７５ｍｍ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。このようにすることで、金属板としての強度を保ちながら、金属板のコストをより低減できるからである。
〔構成５〕
金属板が金属製の一枚板で形成されていると、材料コストや加工コストを抑制できるので好ましい。
〔構成６〕
本発明に係る金属板の別の特徴構成は、金属板の材料がＦｅ－Ｃｒ系合金である点にある。
上記の特徴構成によれば、金属板の耐酸化性と高温強度を向上できる。また、例えば、金属板上に形成される支持対象物（電極層や電解質層などの電気化学素子などの構成要素の材料）と熱膨張係数を近いものにできるので、ヒートサイクル耐久性に優れた構成を実現できるので好ましい。
〔構成７〕
本発明に係る金属板の別の特徴構成は、前記金属板の表面の少なくとも一部が金属酸化物膜で覆われている点にある。
上記の特徴構成によれば、金属酸化物被膜により金属板からＣｒ等の成分が拡散することを抑制できる。例えば、金属板の上に電極層等を積層した電気化学素子とする場合には、電極層等の性能低下を抑制し、電気化学素子の性能・耐久性を高めることができる。
〔構成８〕
上述の金属支持体の上に、少なくとも電極層と電解質層と対極電極層とが設けられた電気化学素子は、十分な性能を確保しつつ、量産時の加工性とコストを改善したものとなり好適である。更に、強度に優れた金属板の上に電極層や電解質層などの電気化学素子の構成要素を構成するから、電極層や電解質層などの電気化学素子の構成要素を薄層化や薄膜化することが可能なので、電気化学素子の材料コストを低減することが可能となり好適である。
〔構成９〕
本発明に係る電気化学モジュールの特徴構成は、上述の電気化学素子が複数集合した状態で配置される点にある。
上記の特徴構成によれば、上述の電気化学素子が複数集合した状態で配置されるので、材料コストと加工コストを抑制しつつ、コンパクトで高性能な、強度と信頼性に優れた電気化学モジュールを得ることができる。
〔構成１０〕
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とを少なくとも有し、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とを有するので、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。
〔構成１１〕
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、電気化学モジュールと、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少なくとも有する点にある。
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１２〕
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１３〕
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、上述の電気化学素子を備え、前記電気化学素子で発電反応を生じさせる点にある。
上記の特徴構成によれば、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学素子を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１４〕
上記目的を達成するための金属板の製造方法の特徴構成は、
金属板の製造方法であって、前記金属板に厚肉部位と、前記厚肉部位よりも厚さが小さい薄肉部位とを形成する第１加工工程と、前記第１加工工程で形成された前記薄肉部位に、厚さ方向に貫通する貫通空間を形成する第２加工工程とを有し、前記金属板の全体の厚さを、前記貫通空間の内径の最小値で除した値である金属板アスペクト比が２以上である点にある。
上記の特徴構成によれば、第１加工工程で厚肉部位よりも厚さが小さい薄肉部位が形成され、その薄肉部位に第２加工工程で貫通空間が形成されるから、貫通空間の加工が容易になる。よって厚肉部位によって金属板としての強度を確保しながら、低コストで小さな貫通空間を形成でき好適である。
更に、前記金属板の全体の厚さを、前記貫通空間の内径の最小値で除した値である金属板アスペクト比が２以上である金属板であれば、ガス等の流体の通流性能等を確保しながら、金属板としての強度を高められる。加えて、例えば、金属板の上に電気化学素子等を形成し易くなるので好ましい。なお、金属板の金属板アスペクト比が３以上であるとより好ましく、５以上であると更に好ましい。このようにすることで、金属板のガス等の流体の通流性能等を確保しながら、金属板としての強度をより高められ、更には、金属板の上に電気化学素子等を形成する場合に、より形成し易くなるからである。また、金属板の金属板アスペクト比が３０以下であると好ましく、２５以下であるとより好ましく、２０以下であると更に好ましい。このようにすることで、強度を保ちながら、金属板のガス等の流体の通流性能等をより高められるからである。
〔構成１５〕
前記第１加工工程は、プレス加工、エッチング加工、またはレーザー加工により行われてもよい。前記第２加工工程は、プレス加工、エッチング加工、またはレーザー加工により行われてもよい。このような加工工程を用いることにより、比較的安価に加工できるからである。
電気化学素子の構成を示す概略図 電気化学素子および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 電気化学モジュールの構成を示す概略図 金属支持体の構造を示す平面図および断面図 金属支持体の構造を示す断面図 金属支持体の製造方法の説明図 金属支持体の製造方法の説明図 金属支持体の製造方法の説明図 金属支持体の構造を示す断面図
＜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の表面のうち、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（金属板の一例）と、金属支持体１の上に形成された電極層２と、電極層２の上に形成された中間層３と、中間層３の上に形成された電解質層４とを有する。そして電気化学素子Ｅは、更に、電解質層４の上に形成された反応防止層５と、反応防止層５の上に形成された対極電極層６とを有する。つまり対極電極層６は電解質層４の上に形成され、反応防止層５は電解質層４と対極電極層６との間に形成されている。電極層２は多孔質であり、電解質層４は緻密である。
（金属支持体）
金属支持体１は、電極層２、中間層３および電解質層４等を支持して電気化学素子Ｅの強度を保つ。つまり金属支持体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。
金属支持体１は全体として板状である。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（孔）を有する。貫通空間１ｃは、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機能を有する。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。
金属支持体１の表面に、拡散抑制層としての金属酸化物層１ｆが設けられる。すなわち、金属支持体１と後述する電極層２との間に、拡散抑制層が形成されている。金属酸化物層１ｆは、金属支持体１の外部に露出した面だけでなく、電極層２との接触面（界面）にも設けられる。また、貫通空間１ｃの内側の面に設けることもできる。この金属酸化物層１ｆにより、金属支持体１と電極層２との間の元素相互拡散を抑制することができる。例えば、金属支持体１としてクロムを含有するフェライト系ステンレスを用いた場合は、金属酸化物層１ｆが主にクロム酸化物となる。そして、金属支持体１のクロム原子等が電極層２や電解質層４へ拡散することを、クロム酸化物を主成分とする金属酸化物層１ｆが抑制する。金属酸化物層１ｆの厚さは、拡散防止性能の高さと電気抵抗の低さを両立させることのできる厚みであれば良い。
金属酸化物層１ｆは種々の手法により形成されうるが、金属支持体１の表面を酸化させて金属酸化物とする手法が好適に利用される。また、金属支持体１の表面に、金属酸化物層１ｆをスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、スパッタリング法やＰＬＤ法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法などにより形成しても良いし、メッキと酸化処理によって形成しても良い。更に、金属酸化物層１ｆは導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。
金属支持体１としてフェライト系ステンレス材を用いた場合、電極層２や電解質層４の材料として用いられるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア、ＣＧＯとも呼ぶ）等と熱膨張係数が近い。従って、低温と高温の温度サイクルが繰り返された場合も電気化学素子Ｅがダメージを受けにくい。よって、長期耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。
（金属支持体および貫通空間の構造）
金属支持体１は、１枚の金属の板により構成することも可能である。また金属支持体１を、金属板を複数重ねて形成することも可能である。金属支持体１を、同一又は略同一の厚さの金属板を複数重ねて形成することも可能である。金属支持体１を、厚さの異なる金属板を複数重ねて形成することも可能である。金属支持体１を、金属板と金属メッシュ板とを重ねて形成することも可能である。また金属支持体１を、図６に示すように、厚肉部位１１０と薄肉部位１２０とを有し、薄肉部位１２０に貫通空間１ｃが形成される構成とすることも可能である。以下、金属支持体１および貫通空間１ｃの構造の例について図面を参照しながら説明する。なお金属酸化物層１ｆについては図示を省略する。
（第１例）
図５を参照して、金属支持体１の構造について詳しく説明する。図５に示されるように、金属支持体１は、厚さＴの板状の部材であり、すなわち全体として板状である。金属支持体１は、表側面１ａから裏側面１ｂへ貫通する複数の貫通空間１ｃを有する。第１例では貫通空間１ｃは、断面が円形の孔である。なお貫通空間１ｃの断面形状は、円形や略円形の他、矩形や三角形、多角形なども可能であり、貫通空間１ｃが形成できれば、金属支持体１としての機能を保てる範囲で種々の形状とすることができる。この孔（貫通空間１ｃ）は、レーザー加工、プレス加工またはエッチング加工のいずれか、もしくは、それらの組合せによって、金属支持体１に形成されている。この孔の中心軸は、金属支持体１に対して直交している。なお孔（貫通空間１ｃ）の中心軸は、金属支持体１に対して傾斜していてもよい。
貫通空間１ｃの表側面１ａの開口部を、表側開口部１ｄと呼ぶ。貫通空間１ｃの裏側面１ｂの開口部を、裏側開口部１ｅと呼ぶ。貫通空間１ｃの断面が円形の孔であるから、表側開口部１ｄおよび裏側開口部１ｅは、いずれも円形である。表側開口部１ｄと裏側開口部１ｅとは、同じ大きさであってもよい。裏側開口部１ｅが、表側開口部１ｄより大きくてもよい。表側開口部１ｄの直径を、直径Ｄとする。
図５に示されるように、金属支持体１において、複数の孔（貫通空間１ｃ）が、ピッチＰ（間隔）にて、直交格子の格子点の位置に形成されている。複数の孔（貫通空間１ｃ）の配置の態様としては、直交格子の他、斜方格子、正三角形状の格子も可能であるし、格子点に加えて対角線交点への配置も可能であり、貫通空間が形成できれば、金属支持体としての機能を保てる範囲で種々の配置とすることができる。
金属支持体１の表側面１ａにおいて、貫通空間１ｃが形成されている領域を孔領域１ｇと呼ぶ。孔領域１ｇは、金属支持体１の外周近傍を除いた全体に設けられる。１つの孔領域１ｇが金属支持体１に設けられてもよいし、複数の孔領域１ｇが金属支持体１に設けられてもよい。
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ることが求められる。金属支持体１の厚さＴは、０．１ｍｍ以上が好ましく、０．１５ｍｍ以上がより好ましく、０．２ｍｍ以上が更に好ましい。金属支持体１の厚さＴは、１．０ｍｍ以下が好ましく、０．７５ｍｍ以下がより好ましく、０．５ｍｍ以下が更に好ましい。
表側開口部１ｄの直径Ｄは、３μｍ以上が好ましく、５μｍ以上がより好ましく、１０μｍ以上が更に好ましい。表側開口部１ｄの直径Ｄは、５００μｍ以下が好ましく、１００μｍ以下がより好ましく、６０μｍ以下が更に好ましい。
貫通空間１ｃ（孔）の配置のピッチＰは、表側開口部１ｄの直径Ｄの２倍以上であると好ましく、３倍以上であるとより好ましく、４倍以上であると更に好ましい。
貫通空間１ｃの表側開口部１ｄの面積Ｓは、７．０×１０-６ｍｍ2以上であると好ましく、２．０×１０-５ｍｍ2以上であるとより好ましく、７．５×１０-５ｍｍ2以上であると更に好ましい。また、０．２ｍｍ2以下であると好ましく、８．０×１０-３ｍｍ2以下であるとより好ましく、３．０×１０-３ｍｍ2以下であると更に好ましい。
金属板の厚さを、貫通孔の内径で除した値を、アスペクト比と定義する。金属支持体１の全体の板厚を、貫通空間１ｃの内径の最小値で除した値を、金属板アスペクト比と定義する。金属支持体１の金属板アスペクト比は、２以上とすると好適である。これは、ガス等の流体の通流性能等を確保しながら、金属支持体１としての強度を高められ、また、例えば、金属支持体１の上に電気化学素子Ｅ等を形成し易くなるからである。なお、金属支持体１の金属板アスペクト比が３以上であるとより好ましく、５以上であると更に好ましい。このようにすることで、金属支持体１のガス等の流体の通流性能等を確保しながら、金属支持体１としての強度をより高められ、更には、金属支持体１の上に電気化学素子Ｅ等を形成する場合に、より形成し易くなるからである。また、金属支持体１の金属板アスペクト比が３０以下であると好ましく、２５以下であるとより好ましく、２０以下であると更に好ましい。このようにすることで、強度を保ちながら、金属支持体１のガス等の流体の通流性能等をより高められるからである。
（第２例）
以下の説明では、第１例と同様の部材・部位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。
本例に係る金属支持体１は、図６に示すように、３つの厚肉部位１１０と２つの薄肉部位１２０とを有している。この金属支持体１は、金属製の一枚板で形成されている。薄肉部位１２０の厚さＴ２は、厚肉部位１１０の厚さＴ１よりも小さい。なお本例では、金属支持体１の全体の厚さＴは、厚肉部位１１０の厚さＴ１に一致する。そして複数の貫通空間１ｃが、薄肉部位１２０に形成されている。
ここで図７を参照して、本例に係る金属支持体１の製造方法について説明する。金属支持体１の製造方法は、薄肉部位１２０を形成する第１加工工程と、貫通空間１ｃを形成する第２加工工程とを有する。
第１加工工程では、金属板１００に、厚肉部位１１０と薄肉部位１２０とが形成される。本例の第１加工工程はプレス加工により行われる。例えば、金属板１００を金型で挟んで押圧して、金属板１００に厚肉部位１１０と薄肉部位１２０とを形成する。
第２加工工程では、第１加工工程で形成された薄肉部位１２０に、貫通空間１ｃが形成される。本例の第２加工工程はプレス（パンチング）加工により行われる。例えば、金属板１００を金型で挟んで押圧して、金属板１００の薄肉部位１２０に貫通空間１ｃを形成する。以上の第１加工工程および第２加工工程によって、金属支持体１が製造される。
図７に示すように、製造された金属支持体１の表側面１ａに、後述する電極層２、中間層３、電解質層４、反応防止層５および対極電極層６などを形成して、電気化学素子Ｅを製造してもよい。
さらに、図７に示すように、金属支持体１の厚肉部位１１０に、セル間接続部材７１を接合してもよい。セル間接続部材７１は、金属製の波板状の部材である。電気化学素子Ｅを積層して形成される電気化学モジュールＭにおいて、セル間接続部材７１を介して、電気化学素子Ｅの金属支持体１と、他の電気化学素子Ｅの対極電極層６とが接続される。
（第３例）
金属支持体１を、図８に示すように、５つの厚肉部位１１０と４つの薄肉部位１２０とを有するように形成することもできる。この金属支持体１は、金属製の一枚板で形成されている。そして複数の貫通空間１ｃが、薄肉部位１２０に形成されている。
本第３例では、第２例と同様に、第１加工工程では、金属板１００に、厚肉部位１１０と薄肉部位１２０とをプレス加工により形成する。また、第２加工工程では、第１加工工程で形成された薄肉部位１２０に貫通空間１ｃをプレス（パンチング）加工により形成する。これにより、金属支持体１が製造される。
なお、図８に示すように、製造された金属支持体１の表側面１ａに、後述する電極層２、中間層３、電解質層４、反応防止層５および対極電極層６などを形成して、電気化学素子Ｅを製造してもよい。
（第４例）
金属支持体１をエッチング加工により製造することも可能である。図９は、第１加工工程および第２加工工程をエッチング加工により行う例を示している。
第１加工工程では、金属板１００に、厚肉部位１１０と薄肉部位１２０とが形成される。本例の第１加工工程はエッチング加工により行われる。例えば、金属板１００の一方の面からエッチング加工を行い、薄肉部位１２０を形成する。エッチング加工が行われなかった部位は、厚肉部位１１０となる。
第２加工工程では、第１加工工程で形成された薄肉部位１２０に、貫通空間１ｃが形成される。本例の第２加工工程はエッチング加工により行われる。例えば、第１加工工程を行った面とは反対側の面から、金属板１００に対してエッチング加工を行い、貫通空間１ｃを形成する。以上の第１加工工程および第２加工工程によって、金属支持体１が製造される。
図９に示すように、製造された金属支持体１の表側面１ａに、後述する電極層２、中間層３、電解質層４、反応防止層５および対極電極層６などを形成して、電気化学素子Ｅを製造してもよい。
（第５例）
金属支持体１の形状として、図１０に示すように、断面を曲線状に形成した形状とすることも可能である。図１０に示す形状の金属支持体１は、両端と中央とが湾曲した、全体として緩やかな波形の形状である。両端および中央は、湾曲により、金属支持体１の延びる平面に対して厚さＴ１を有し、剛性が大きくなっている。そして厚さＴ１は、貫通空間１ｃが形成された平面状の部位の厚さＴ２よりも大きい。すなわち図１０の金属支持体１では、両端と中央とに厚さＴ１の厚肉部位１１０が形成され、厚さＴ２の薄肉部位１２０に貫通空間１ｃが形成されているといえる。このような形状の金属支持体１は、プレス加工により製造することが可能である。そして本例でも、金属支持体１の表側面１ａに、後述する電極層２、中間層３、電解質層４、反応防止層５および対極電極層６などを形成して、電気化学素子Ｅを製造することが可能である。
以上、本実施形態に係る金属支持体１の製造方法について説明した。第１加工工程は、プレス加工、エッチング加工、またはレーザー加工のいずれかにより行うことが可能である。第２加工工程は、プレス加工、エッチング加工、またはレーザー加工のいずれかにより行うことが可能である。第１加工工程と第２加工工程とは、同じ種類の加工方法により行ってもよいし、異なる種類の加工方法により行ってもよい。例えば、第１加工工程をプレス加工により行い、第２加工工程をレーザー加工により行うことも可能である。例えば、第１加工工程をプレス加工により行い、第２加工工程をエッチング加工により行うことも可能である。
（電極層）
電極層２は、図１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、薄層の状態で設けることができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ～５０μｍとすることができる。このような厚さにすると、高価な電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。貫通空間１ｃが設けられた領域の全体が、電極層２に覆われている。つまり、貫通空間１ｃは金属支持体１における電極層２が形成された領域の内側に形成されている。換言すれば、全ての貫通空間１ｃが電極層２に面して設けられている。
電極層２の材料としては、例えばＮｉＯ－ＧＤＣ、Ｎｉ－ＧＤＣ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、Ｎｉ－ＹＳＺ、ＣｕＯ－ＣｅＯ2、Ｃｕ－ＣｅＯ2などの複合材を用いることができる。これらの例では、ＧＤＣ、ＹＳＺ、ＣｅＯ2を複合材の骨材と呼ぶことができる。なお、電極層２は、低温焼成法（例えば１１００℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法やパルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能なプロセスにより、例えば１１００℃より高い高温域での焼成を用いずに、良好な電極層２が得られる。そのため、金属支持体１を傷めることなく、また、金属支持体１と電極層２との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子を実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
電極層２は、気体透過性を持たせるため、その内部および表面に複数の細孔を有する。
すなわち電極層２は、多孔質な層として形成される。電極層２は、例えば、その緻密度が３０％以上８０％未満となるように形成される。細孔のサイズは、電気化学反応を行う際に円滑な反応が進行するのに適したサイズを適宜選ぶことができる。なお緻密度とは、層を構成する材料の空間に占める割合であって、（１－空孔率）と表すことができ、また、相対密度と同等である。
（中間層）
中間層３（挿入層）は、図１に示すように、電極層２を覆った状態で、電極層２の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは２μｍ～５０μｍ程度、より好ましくは４μｍ～２５μｍ程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な中間層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。中間層３の材料としては、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア）、ＹＤＣ（イットリウム・ドープ・セリア）、ＳＤＣ（サマリウム・ドープ・セリア）等を用いることができる。特にセリア系のセラミックスが好適に用いられる。
中間層３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、金属支持体１と電極層２との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できる。また、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
中間層３としては、酸素イオン（酸化物イオン）伝導性を有することが好ましい。また、酸素イオン（酸化物イオン）と電子との混合伝導性を有すると更に好ましい。これらの性質を有する中間層３は、電気化学素子Ｅへの適用に適している。
（電解質層）
電解質層４は、図１に示すように、電極層２および中間層３を覆った状態で、中間層３の上に薄層の状態で形成される。また、厚さが１０μｍ以下の薄膜の状態で形成することもできる。詳しくは電解質層４は、図１に示すように、中間層３の上と金属支持体１の上とにわたって（跨って）設けられる。このように構成し、電解質層４を金属支持体１に接合することで、電気化学素子全体として堅牢性に優れたものとすることができる。
また電解質層４は、図１に示すように、金属支持体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。
また電解質層４の周囲においては、電極層２および中間層３からのガスのリークを抑制することができる。説明すると、電気化学素子ＥをＳＯＦＣの構成要素として用いる場合、ＳＯＦＣの作動時には、金属支持体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、本実施形態では電解質層４によって電極層２の周囲をすべて覆っているが、電極層２および中間層３の上部に電解質層４を設け、周囲にガスケット等を設ける構成としてもよい。
電解質層４の材料としては、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア）、ＹＤＣ（イットリウム・ドープ・セリア）、ＳＤＣ（サマリウム・ドープ・セリア）、ＬＳＧＭ（ストロンチウム・マグネシウム添加ランタンガレート）等を用いることができる。特にジルコニア系のセラミックスが好適に用いられる。電解質層４をジルコニア系セラミックスとすると、電気化学素子Ｅを用いたＳＯＦＣの稼働温度をセリア系セラミックスに比べて高くすることができる。例えば電気化学素子ＥをＳＯＦＣに用いる場合、電解質層４の材料としてＹＳＺのような６５０℃程度以上の高温域でも高い電解質性能を発揮できる材料を用い、システムの原燃料に都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系の原燃料を用い、原燃料を水蒸気改質等によってＳＯＦＣのアノードガスとするシステム構成とすると、ＳＯＦＣのセルスタックで生じる熱を原燃料ガスの改質に用いる高効率なＳＯＦＣシステムを構築することができる。
電解質層４は、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば１１００℃を越える高温域での焼成を用いずに、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層４が得られる。そのため、金属支持体１の損傷を抑制し、また、金属支持体１と電極層２との元素相互拡散を抑制することができ、性能・耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、スプレーコーティング法を用いると、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層が低温域で容易に得られやすいので更に好ましい。
電解質層４は、アノードガスやカソードガスのガスリークを遮蔽し、かつ、高いイオン伝導性を発現するために、緻密に構成される。電解質層４の緻密度は９０％以上が好ましく、９５％以上であるとより好ましく、９８％以上であると更に好ましい。電解質層４は、均一な層である場合は、その緻密度が９５％以上であると好ましく、９８％以上であるとより好ましい。また、電解質層４が、複数の層状に構成されているような場合は、そのうちの少なくとも一部が、緻密度が９８％以上である層（緻密電解質層）を含んでいると好ましく、９９％以上である層（緻密電解質層）を含んでいるとより好ましい。このような緻密電解質層が電解質層の一部に含まれていると、電解質層が複数の層状に構成されている場合であっても、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層を形成しやすくできるからである。
（反応防止層）
反応防止層５は、電解質層４の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは２μｍ～５０μｍ程度、より好ましくは３μｍ～１５μｍ程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な反応防止層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。反応防止層５の材料としては、電解質層４の成分と対極電極層６の成分との間の反応を防止できる材料であれば良いが、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との元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
（対極電極層）
対極電極層６は、電解質層４もしくは反応防止層５の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ～５０μｍとすることができる。このような厚さにすると、高価な対極電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。対極電極層６の材料としては、例えば、ＬＳＣＦ、ＬＳＭ等の複合酸化物、セリア系酸化物およびこれらの混合物を用いることができる。特に対極電極層６が、Ｌａ、Ｓｒ、Ｓｍ、Ｍｎ、ＣｏおよびＦｅからなる群から選ばれる２種類以上の元素を含有するペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。以上の材料を用いて構成される対極電極層６は、カソードとして機能する。
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との元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＤＶ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
（固体酸化物形燃料電池）
以上のように電気化学素子Ｅを構成することで、電気化学素子Ｅを固体酸化物形燃料電池の発電セルとして用いることができる。例えば、金属支持体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へ供給し、電極層２の対極となる対極電極層６へ空気を供給し、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。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。
（電極層形成ステップ）
電極層形成ステップでは、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電極層２が薄膜の状態で形成される。金属支持体１の貫通孔はレーザー加工等によって設けることができる。電極層２の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体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。
（拡散抑制層形成ステップ）
上述した電極層形成ステップにおける焼成工程時に、金属支持体１の表面に金属酸化物層１ｆ（拡散抑制層）が形成される。なお、上記焼成工程に、焼成雰囲気を酸素分圧が低い雰囲気条件とする焼成工程が含まれていると元素の相互拡散抑制効果が高く、抵抗値の低い良質な金属酸化物層１ｆ（拡散抑制層）が形成されるので好ましい。電極層形成ステップを、焼成を行わないコーティング方法とする場合を含め、別途の拡散抑制層形成ステップを含めても良い。いずれにおいても、金属支持体１の損傷を抑制可能な１１００℃以下の処理温度で実施することが望ましい。また、後述する中間層形成ステップにおける焼成工程時に、金属支持体１の表面に金属酸化物層１ｆ（拡散抑制層）が形成されても良い。
（中間層形成ステップ）
中間層形成ステップでは、電極層２を覆う形態で、電極層２の上に中間層３が薄層の状態で形成される。中間層３の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体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。
（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。
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。
（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。
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。
＜第２実施形態＞
図２・図３を用いて、第２実施形態に係る電気化学素子Ｅ、電気化学モジュールＭ、電気化学装置ＹおよびエネルギーシステムＺについて説明する。
第２実施形態に係る電気化学素子Ｅは、図２に示すように、金属支持体１の裏面にＵ字部材７が取り付けられており、金属支持体１とＵ字部材７とで筒状支持体を形成している。
そして集電部材２６を間に挟んで電気化学素子Ｅが複数積層（複数集合）されて、電気化学モジュールＭが構成されている。集電部材２６は、電気化学素子Ｅの対極電極層６と、Ｕ字部材７とに接合され、両者を電気的に接続している。
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３には、エネルギーシステムＺおよび電気化学装置Ｙの概要が示されている。
エネルギーシステムＺは、電気化学装置Ｙと、電気化学装置Ｙから排出される熱を再利用する排熱利用部としての熱交換器５３とを有する。
電気化学装置Ｙは、電気化学モジュールＭと、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。
インバータ３８は、電気化学モジュールＭの出力電力を調整して、商用系統（図示省略）から受電する電力と同じ電圧および同じ周波数にする。制御部３９は電気化学装置ＹおよびエネルギーシステムＺの運転を制御する。
気化器３３、改質器３４、電気化学モジュールＭおよび燃焼部３６は、収納容器４０内に収納される。そして改質器３４は、燃焼部３６での反応排ガスの燃焼により発生する燃焼熱を用いて原燃料の改質処理を行う。
原燃料は、昇圧ポンプ４１の作動により原燃料供給路４２を通して脱硫器３１に供給される。改質水タンク３２の改質水は、改質水ポンプ４３の作動により改質水供給路４４を通して気化器３３に供給される。そして、原燃料供給路４２は脱硫器３１よりも下流側の部位で、改質水供給路４４に合流されており、収納容器４０外にて合流された改質水と原燃料とが収納容器４０内に備えられた気化器３３に供給される。
改質水は気化器３３にて気化され水蒸気となる。気化器３３にて生成された水蒸気を含む原燃料は、水蒸気含有原燃料供給路４５を通して改質器３４に供給される。改質器３４にて原燃料が水蒸気改質され、水素ガスを主成分とする改質ガス（還元性成分を有する第１気体）が生成される。改質器３４にて生成された改質ガスは、改質ガス供給路４６を通して電気化学モジュールＭのガスマニホールド１７に供給される。
ガスマニホールド１７に供給された改質ガスは、複数の電気化学素子Ｅに対して分配され、電気化学素子Ｅとガスマニホールド１７との接続部である下端から電気化学素子Ｅに供給される。改質ガス中の主に水素（還元性成分）が、電気化学素子Ｅにて電気化学反応に使用される。反応に用いられなかった残余の水素ガスを含む反応排ガスが、電気化学素子Ｅの上端から燃焼部３６に排出される。
反応排ガスは燃焼部３６で燃焼され、燃焼排ガスとなって燃焼排ガス排出口５０から収納容器４０の外部に排出される。燃焼排ガス排出口５０には燃焼触媒部５１（例えば、白金系触媒）が配置され、燃焼排ガスに含有される一酸化炭素や水素等の還元性成分を燃焼除去する。燃焼排ガス排出口５０から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス排出路５２により熱交換器５３に送られる。
熱交換器５３は、燃焼部３６における燃焼で生じた燃焼排ガスと、供給される冷水とを熱交換させ、温水を生成する。すなわち熱交換器５３は、電気化学装置Ｙから排出される熱を再利用する排熱利用部として動作する。
なお、排熱利用部の代わりに、電気化学モジュールＭから（燃焼されずに）排出される反応排ガスを利用する反応排ガス利用部を設けてもよい。反応排ガスには、電気化学素子Ｅにて反応に用いられなかった残余の水素ガスが含まれる。反応排ガス利用部では、残余の水素ガスを利用して、燃焼による熱利用や、燃料電池等による発電が行われ、エネルギーの有効利用がなされる。
＜第３実施形態＞
図４に、電気化学モジュールＭの他の実施形態を示す。第３実施形態に係る電気化学モジュールＭは、上述の電気化学素子Ｅを、セル間接続部材７１を間に挟んで積層することで、電気化学モジュールＭを構成する。
セル間接続部材７１は、導電性を有し、かつ気体透過性を有さない板状の部材であり、表面と裏面に、互いに直交する溝７２が形成されている。セル間接続部材７１はステンレス等の金属や、金属酸化物を用いることができる。
図４に示すように、このセル間接続部材７１を間に挟んで電気化学素子Ｅを積層すると、溝７２を通じて気体を電気化学素子Ｅに供給することができる。詳しくは一方の溝７２が第１気体流路７２ａとなり、電気化学素子Ｅの表側、すなわち対極電極層６に気体を供給する。他方の溝７２が第２気体流路７２ｂとなり、電気化学素子Ｅの裏側、すなわち金属支持体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を固体酸化物形燃料電池に用いたが、電気化学素子Ｅ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。
（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）上記の実施形態では、金属支持体１（金属板）を電気化学素子Ｅの支持体として用いたが、セラミックス層等の各種材料（支持対象物の一例）の支持体として用いたり、電気化学素子以外の種々の装置に本実施形態の金属板を用いることもできる。
なお、上記の実施形態で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能である。また本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
金属板と、その金属板を備えた金属支持型の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（金属板）
１ａ ：表側面
１ｂ ：裏側面
１ｃ ：貫通空間
１ｄ ：表側開口部
１ｅ ：裏側開口部
１ｆ ：金属酸化物層
１ｇ ：孔領域
１ｈ ：単位領域
２ ：電極層
３ ：中間層
４ ：電解質層
５ ：反応防止層
６ ：対極電極層
１００ ：金属板
１１０ ：厚肉部位
１２０ ：薄肉部位
Ｅ ：電気化学素子
Ｍ ：電気化学モジュール
Ｙ ：電気化学装置
Ｚ ：エネルギーシステム

Claims (15)

  1. 金属板であって、
    前記金属板は、厚肉部位と、前記厚肉部位よりも厚さが小さい薄肉部位とを有し、
    厚さ方向に貫通する貫通空間が前記薄肉部位に形成され、
    前記金属板の全体の厚さを、前記貫通空間の内径の最小値で除した値である金属板アスペクト比が２以上である金属板。
  2. 複数の前記厚肉部位と複数の前記薄肉部位を有する請求項１に記載の金属板。
  3. 複数の前記貫通空間が前記薄肉部位に形成されている請求項１又は２に記載の金属板。
  4. 前記金属板の全体の厚さが０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である請求項１から３のいずれか１項に記載の金属板。
  5. 金属製の一枚板で形成されている請求項１から４のいずれか１項に記載の金属板。
  6. 前記金属板の材料がＦｅ－Ｃｒ系合金である請求項１から５のいずれか１項に記載の金属板。
  7. 前記金属板の表面の少なくとも一部が金属酸化物膜で覆われている請求項１から６のいずれか１項に記載の金属板。
  8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の金属板の上に、少なくとも電極層と電解質層と対極電極層とが設けられた電気化学素子。
  9. 請求項８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。
  10. 請求項９に記載の電気化学モジュールと改質器とを少なくとも有し、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。
  11. 請求項９に記載の電気化学モジュールと、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少なくとも有する電気化学装置。
  12. 請求項１０又は１１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。
  13. 請求項８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。
  14. 金属板の製造方法であって、
    前記金属板に厚肉部位と、前記厚肉部位よりも厚さが小さい薄肉部位とを形成する第１加工工程と、
    前記第１加工工程で形成された前記薄肉部位に、厚さ方向に貫通する貫通空間を形成する第２加工工程とを有し、
    前記金属板の全体の厚さを、前記貫通空間の内径の最小値で除した値である金属板アスペクト比が２以上である金属板の製造方法。
  15. 前記第１加工工程が、プレス加工、エッチング加工、またはレーザー加工のいずれかにより行われ、
    前記第２加工工程が、プレス加工、エッチング加工、またはレーザー加工のいずれかにより行われる、請求項１４に記載の金属板の製造方法。
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