WO2024201575A1 - 電気化学セル - Google Patents

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WO2024201575A1
WO2024201575A1 PCT/JP2023/011859 JP2023011859W WO2024201575A1 WO 2024201575 A1 WO2024201575 A1 WO 2024201575A1 JP 2023011859 W JP2023011859 W JP 2023011859W WO 2024201575 A1 WO2024201575 A1 WO 2024201575A1
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electrode layer
metal support
hydrogen electrode
gas
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直哉 秋山
俊之 中村
誠 大森
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NGK Insulators Ltd
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NGK Insulators Ltd
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Publication date
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical cell.
  • electrochemical cells electrolysis cells, fuel cells, etc.
  • a metal support and a cell body portion arranged on the metal support are known (see, for example, Patent Document 1).
  • the metal support has a gas permeable region in which multiple communication holes are formed, and a gas non-permeable region that surrounds the gas permeable region in a plan view.
  • the cell body has a first electrode layer formed on a metal support, a second electrode layer, and an electrolyte layer disposed between the first and second electrode layers.
  • the first electrode layer has a first region formed on the gas permeable region of the metal support, and a second region formed on the gas non-permeable region of the metal support.
  • the second region of the first electrode layer is located on the side of the stack, so the temperature is easily reduced by heat dissipation to the outside air, and gas is not easily supplied to the second region through the communication holes.
  • electrode reactions are less likely to occur in the second region than in the first region, and current distribution occurs between the first and second regions, making the first electrode layer more susceptible to deterioration.
  • the objective of the present invention is to provide an electrochemical cell that can suppress deterioration of the first electrode layer.
  • the electrochemical cell according to the first aspect of the present invention comprises a metal support and a cell body.
  • the metal support has a gas permeable region in which a plurality of communicating holes are formed, and a gas non-permeable region surrounding the gas permeable region in a plan view.
  • the cell body is disposed on the metal support.
  • the cell body has a first electrode layer containing Ni, a second electrode layer, and an electrolyte layer disposed between the first electrode layer and the second electrode layer.
  • the first electrode layer has a first region formed on the gas permeable region and a second region formed on the gas non-permeable region.
  • the average particle size of Ni contained in the second region is smaller than the average particle size of Ni contained in the first region.
  • the electrochemical cell according to the second aspect of the present invention is the electrochemical cell according to the first aspect, and the porosity of the second region is greater than the porosity of the first region.
  • the present invention provides an electrochemical cell that can suppress deterioration of the first electrode layer.
  • FIG. 1 is a plan view of an electrolysis cell according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
  • Fig. 1 is a plan view of an electrolytic cell 1 according to an embodiment.
  • Fig. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in Fig. 1.
  • the electrolytic cell 1 is an example of the "electrochemical cell" according to the present invention.
  • the electrolytic cell 1 is formed in a plate shape extending in the X-axis and Y-axis directions.
  • the electrolytic cell 1 is formed in a rectangular shape extending in the Y-axis direction in a plan view.
  • the planar shape of the electrolytic cell 1 is not particularly limited, and may be a polygon other than a rectangle, an ellipse, a circle, etc.
  • the X-axis and Y-axis directions are each an example of a surface direction.
  • the electrolysis cell 1 includes a metal support 10, a cell body 20, and a flow path member 30.
  • the metal support 10 supports the cell main body 20.
  • the metal support 10 is formed in a plate shape.
  • the metal support 10 may be in a flat plate shape or a curved plate shape.
  • the metal support 10 may have any thickness as long as it can support the electrolysis cell 1, and the thickness is not particularly limited, but may be, for example, 0.1 mm or more and 2.0 mm or less.
  • the metal support 10 has a plurality of communication holes 11, a first main surface 12, and a second main surface 13.
  • Each communication hole 11 penetrates the metal support 10 from the first main surface 12 to the second main surface 13. Each communication hole 11 opens to the first main surface 12 and the second main surface 13. The opening of each communication hole 11 on the first main surface 12 side is covered by the hydrogen electrode layer 6. The opening of each communication hole 11 on the second main surface 13 side is connected to a flow path 30a described later.
  • Each communication hole 11 can be formed by mechanical processing (e.g., punching), laser processing, or chemical processing (e.g., etching).
  • each communication hole 11 may be a communication hole in which open pores of the porous metal are connected.
  • Each communication hole 11 may be perpendicular to the first main surface 12, or may not be perpendicular to the first main surface 12, and may not be linear.
  • the cell body 20 is joined to the first main surface 12.
  • the flow path member 30 is joined to the second main surface 13.
  • the first main surface 12 is provided on the opposite side of the second main surface 13.
  • the metal support 10 has a gas permeable region 10a and a gas non-permeable region 10b.
  • the gas permeable region 10a is a region of the metal support 10 in which a plurality of communication holes 11 are formed.
  • the gas non-permeable region 10b is a region of the metal support 10 other than the gas permeable region 10a.
  • the gas non-permeable region 10b surrounds the gas permeable region 10a in a plan view from the Z-axis direction perpendicular to the X-axis and Y-axis directions. Therefore, as shown in FIG. 2, in a cross section of the metal support 10 along the Z-axis direction, the gas non-permeable region 10b appears on both sides of the gas permeable region 10a.
  • the boundary between the gas permeable region 10a and the gas non-permeable region 10b is defined by the openings of the first and second communication holes 11a and 11b located at the outermost positions in the X-axis direction.
  • the boundary between the gas permeable region 10a and the gas non-permeable region 10b is defined by a first reference line 11S and a second reference line 11T.
  • the first reference line 11S is a straight line that passes through the outermost position P1 in the X-axis direction of the opening on the first main surface 12 side of the first communication hole 11a located at the outermost position in the X-axis direction and is parallel to the Z-axis direction (perpendicular to the first main surface 12 in FIG. 2).
  • the second reference line 11T is a straight line that passes through the outermost position P2 in the X-axis direction of the opening on the first main surface 12 side of the second supply hole 11b located at the farthest position from the first supply hole 11a in the X-axis direction and is parallel to the Z-axis direction (perpendicular to the first main surface 12 in FIG. 2).
  • the area of the metal support 10 between the first reference line 11S and the second reference line 11T is the gas permeable area 10a, and the areas of the metal support 10 excluding the gas permeable area 10a, i.e., the areas on both sides of the gas permeable area 10a, are the gas non-permeable areas 10b.
  • the metal support 10 is made of a metal material.
  • the metal support 10 is made of an alloy material containing Cr (chromium).
  • Examples of such metal materials include Fe-Cr alloy steel (stainless steel, etc.) and Ni-Cr alloy steel.
  • Cr content in the metal support 10 can be 4% by mass or more and 30% by mass or less.
  • the metal support 10 may contain Ti (titanium) and Zr (zirconium).
  • the Ti content in the metal support 10 is not particularly limited, but may be 0.01 mol% or more and 1.0 mol% or less.
  • the Al content in the metal support 10 is not particularly limited, but may be 0.01 mol% or more and 0.4 mol% or less.
  • the metal support 10 may contain Ti as TiO2 (titania) and Zr as ZrO2 (zirconia).
  • the metal support 10 may have an oxide film on its surface, which is formed by oxidation of the constituent elements of the metal support 10.
  • a typical example of the oxide film is a chromium oxide film.
  • the chromium oxide film covers at least a portion of the surface of the metal support 10.
  • the chromium oxide film may also cover at least a portion of the inner wall surface of each communication hole 11.
  • the cell body 20 is disposed on the metal support 10.
  • the cell body 20 has a hydrogen electrode layer 6 (cathode), an electrolyte layer 7, a reaction prevention layer 8, and an oxygen electrode layer 9 (anode).
  • the hydrogen electrode layer 6, electrolyte layer 7, reaction prevention layer 8, and oxygen electrode layer 9 are stacked in this order from the metal support 10 side in the Z-axis direction perpendicular to the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the hydrogen electrode layer 6, electrolyte layer 7, and oxygen electrode layer 9 are required components, while the reaction prevention layer 8 is optional.
  • the hydrogen electrode layer 6 is formed on the metal support 10.
  • the hydrogen electrode layer 6 is disposed between the metal support 10 and the electrolyte layer 7.
  • the hydrogen electrode layer 6 is supported by the metal support 10.
  • the hydrogen electrode layer 6 is disposed on a first main surface 12 of the metal support 10.
  • the hydrogen electrode layer 6 is an example of a "first electrode layer" according to the present invention.
  • a source gas is supplied to the hydrogen electrode layer 6 through each of the communication holes 11.
  • the source gas contains at least H2O .
  • the hydrogen electrode layer 6 produces H 2 from the source gas in accordance with the electrochemical reaction of water electrolysis shown in the following formula (1).
  • Hydrogen electrode layer 6 H 2 O+2e ⁇ ⁇ H 2 +O 2 ⁇ (1)
  • the hydrogen electrode layer 6 produces H 2 , CO, and O 2 ⁇ from the source gas in accordance with the co-electrochemical reactions shown in the following formulas (2), (3), and (4).
  • Hydrogen electrode layer 6 CO 2 + H 2 O + 4e ⁇ ⁇ CO + H 2 + 2O 2 ⁇ (2) Electrochemical reaction of H 2 O: H 2 O + 2e ⁇ ⁇ H 2 + O 2 ⁇ (3) Electrochemical reaction of CO2 : CO2 + 2e- ⁇ CO + O2 -... (4)
  • the hydrogen electrode layer 6 is a porous body having electronic conductivity.
  • the hydrogen electrode layer 6 contains nickel (Ni).
  • Ni functions as an electronic conductor and also functions as a thermal catalyst that promotes a thermal reaction between the generated H 2 and CO 2 contained in the raw material gas to maintain an appropriate gas composition for methanation, reverse water gas shift reaction, etc.
  • the Ni contained in the hydrogen electrode layer 6 is basically present in the form of metallic Ni during operation of the electrolysis cell 1, but may also be partially present in the form of nickel oxide (NiO).
  • the hydrogen electrode layer 6 may contain an ion-conductive material such as YSZ, CSZ, ScSZ, GDC, SDC , (La, Sr)(Cr, Mn) O3 , (La, Sr) TiO3 , Sr2 (Fe, Mo) 2O6 , (La, Sr) VO3 , (La, Sr) FeO3 , LDC (lanthanum-doped ceria), LSGM (lanthanum gallate), or a mixture of two or more of these materials.
  • an ion-conductive material such as YSZ, CSZ, ScSZ, GDC, SDC , (La, Sr)(Cr, Mn) O3 , (La, Sr) TiO3 , Sr2 (Fe, Mo) 2O6 , (La, Sr) VO3 , (La, Sr) FeO3 , LDC (lanthanum-doped ceria), LSGM (lanthanum gallate
  • the Ni content in the hydrogen electrode layer 6 is not particularly limited, but can be 20 vol% or more and 50 vol% or less.
  • the Ni content is calculated by the following method. First, a cross section of the hydrogen electrode layer 6 along the Z-axis direction is exposed. Next, a Ni composition mapping image of the cross section of the hydrogen electrode layer 6 is obtained at 5,000 to 10,000 times magnification using an SEM device (FE-SEM JSM-7900F manufactured by JEOL Ltd.) and an EDS device (JED-2300) attached to the SEM device. Next, Ni particles are identified in the Ni composition mapping image by binarizing the image using image analysis software Image-Pro manufactured by MEDIACYBERNETICS. The Ni content in the hydrogen electrode layer 6 is calculated by dividing the total area of the Ni particles by the total area (including pores) of the hydrogen electrode layer 6 in the backscattered electron image.
  • the content of the ion conductive material in the hydrogen electrode layer 6 is not particularly limited, but can be 20 vol% or more and 50 vol% or less.
  • the content of the ion conductive material is calculated by the following method. First, using the above-mentioned SEM device and EDS device, a composition mapping image of the element with the largest content (hereinafter referred to as the "most abundant element") among the constituent elements of the ion conductive material in the cross section of the hydrogen electrode layer 6 is obtained at 5,000 to 10,000 times magnification. Next, using the above-mentioned image analysis software Image-Pro, the particle portion of the most abundant element is identified in the composition mapping image of the most abundant element by binarizing the image using image analysis. Then, the content of the ion conductive material in the hydrogen electrode layer 6 is calculated by dividing the total area of the particle portions of the most abundant element by the total area (including pores) of the hydrogen electrode layer 6 in the backscattered electron image.
  • the thickness of the hydrogen electrode layer 6 is not particularly limited, but can be, for example, 1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the hydrogen electrode layer 6 has a first region 6a and a second region 6b.
  • the first region 6a is a region of the hydrogen electrode layer 6 that is formed on the gas permeable region 10a of the metal support 10.
  • the second region 6b is a region of the hydrogen electrode layer 6 that is formed on the gas non-permeable region 10b of the metal support 10.
  • the second region 6b surrounds the first region 6a when viewed in a plan view from the Z-axis direction. Therefore, as shown in FIG. 2, in a cross section of the hydrogen electrode layer 6 along the Z-axis direction, the second region 6b appears on both sides of the first region 6a.
  • the boundary between the first region 6a and the second region 6b is defined by the first reference line 11S and the second reference line 11T described above.
  • the region of the hydrogen electrode layer 6 between the first reference line 11S and the second reference line 11T is the first region 6a, and the region of the hydrogen electrode layer 6 excluding the first region 6a, i.e., the regions on both sides of the first region 6a, is the second region 6b.
  • the activity of Ni contained in the second region 6b is higher than that of Ni contained in the first region 6a.
  • the second region 6b has a low electrode activity due to a temperature drop caused by heat dissipation, so the H2 generation rate is low and the H2O concentration is likely to be high.
  • the H2O concentration is high, the growth rate of the oxide film on the surface of the metal support 10 increases, making it difficult for current to flow through the second region 6b and increasing the current distribution.
  • the electrode activity can be improved by reducing the average particle size of Ni in the second region 6b. As a result, the H2 generation rate is maintained, and the increase in the current distribution can be suppressed.
  • the temperature of the second region 6b is likely to decrease.
  • the function of Ni as a thermal catalyst can be improved by reducing the average particle size of Ni. Therefore, the above-mentioned effects are particularly effective in the electrolytic cell 1.
  • the average particle size of Ni contained in the first region 6a is not particularly limited, but can be 3 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the average particle size of Ni contained in the second region 6b is not particularly limited, but can be 1 ⁇ m or more and 7 ⁇ m or less.
  • the average particle size of Ni contained in the first region 6a is calculated by the following method. First, a cross section of the hydrogen electrode layer 6 along the Z-axis direction is exposed. Next, using an SEM device (FE-SEM JSM-7900F manufactured by JEOL Ltd.) and an EDS device (JED-2300) attached to the SEM device, Ni mapping images are obtained at 5,000 to 10,000 times magnification at three locations: an arbitrary position on the first communication hole 11a, an arbitrary position on the second communication hole 11b, and the center of the first region 6a in the surface direction, and at five locations that divide the first region 6a into six equal parts in the thickness direction. This results in 15 Ni mapping images.
  • SEM device FE-SEM JSM-7900F manufactured by JEOL Ltd.
  • JED-2300 EDS device
  • Ni particle portions are identified in each Ni mapping image by performing binarization processing through image analysis. This results in 15 analysis images.
  • the diameter of a circle having the same area as the area of each Ni is obtained as the particle size of each Ni.
  • the Ni particle sizes obtained from the 15 analysis images are then arithmetically averaged to calculate the average particle size of Ni contained in the first region 6a.
  • the thickness direction is the direction perpendicular to the surface direction parallel to the first main surface 12 of the metal support 10.
  • an approximation straight line of the first main surface 12 obtained by the least squares method in the cross section of the metal support 10 along the Z-axis direction is used.
  • the average grain size of Ni contained in the second region 6b is calculated by the same method as the average grain size of Ni contained in the first region 6a.
  • Ni mapping images are obtained at two locations that divide each of the second regions 6b located on both sides of the first region 6a into thirds in the surface direction, and at five locations that divide the second region 6b into six in the thickness direction. Therefore, 20 Ni mapping images are used to calculate the average grain size of Ni contained in the second region 6b.
  • the 20 Ni mapping images are obtained on the cross section of the hydrogen electrode layer 6 used to calculate the average grain size of Ni contained in the first region 6a.
  • the porosity of the second region 6b is preferably greater than that of the first region 6a. This improves gas diffusion in the second region 6b, where raw material gas is less likely to be supplied from the communication holes 11, and further improves the electrode reaction in the second region 6b. This further reduces current distribution between the first region 6a and the second region 6b, thereby further suppressing deterioration of the first electrode layer 6.
  • the porosity of the first region 6a is not particularly limited, but can be 20% or more and 40% or less.
  • the porosity of the second region 6b is not particularly limited, but can be 25% or more and 50% or less.
  • the porosity of the first region 6a is calculated by the following method. First, a cross section of the hydrogen electrode layer 6 along the Z-axis direction is exposed. Next, using the SEM device, a backscattered electron image of the cross section of the first region 6a is obtained at 10,000x magnification. Next, using image analysis software Image-Pro made by MEDIACYBERNETICS, the areas displayed in black in the backscattered electron image (corresponding to pores) are identified. The porosity of the first region 6a is then calculated by dividing the total area of the pores by the total area of the backscattered electron images of the first region 6a.
  • the porosity of the second region 6b is calculated by dividing the total area of the pores by the total area of the backscattered electron image of the second region 6b, similar to the porosity of the first region 6a.
  • the hydrogen electrode layer 6 is produced by forming a first region 6a on the metal support 10 using a constituent material for the first region, and then forming a second region 6b surrounding the first region 6a using a constituent material for the second region.
  • the method for forming the first and second regions 6a, 6b may be a sintering method, a spray coating method (thermal spraying, aerosol deposition, aerosol gas deposition, powder jet deposition, particle jet deposition, cold spray, etc.), a PVD method (sputtering, pulsed laser deposition, etc.), a CVD method, etc.
  • the electrolyte layer 7 is disposed between the hydrogen electrode layer 6 and the oxygen electrode layer 9.
  • the reaction prevention layer 8 is disposed between the electrolyte layer 7 and the oxygen electrode layer 9, and therefore the electrolyte layer 7 is disposed between the hydrogen electrode layer 6 and the reaction prevention layer 8 and is connected to both the hydrogen electrode layer 6 and the reaction prevention layer 8.
  • the electrolyte layer 7 covers the hydrogen electrode layer 6 and also covers the area of the first main surface 12 of the metal support 10 that is exposed from the hydrogen electrode layer 6.
  • the electrolyte layer 7 transfers O 2- generated in the hydrogen electrode layer 6 to the oxygen electrode layer 9.
  • the electrolyte layer 7 is made of a dense material having oxide ion conductivity.
  • the electrolyte layer 7 can be made of, for example, YSZ (yttria-stabilized zirconia, e.g., 8YSZ), GDC (gadolinium-doped ceria), ScSZ (scandia-stabilized zirconia), SDC (samarium-doped ceria), LSGM (lanthanum gallate), or the like.
  • the porosity of the electrolyte layer 7 is not particularly limited, but can be, for example, 0.1% to 7%.
  • the thickness of the electrolyte layer 7 is not particularly limited, but can be, for example, 1 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the method for forming the electrolyte layer 7 is not particularly limited, and methods such as baking, spray coating, PVD, and CVD can be used.
  • reaction prevention layer 8 The reaction prevention layer 8 is disposed between the electrolyte layer 7 and the oxygen electrode layer 9. The reaction prevention layer 8 is disposed on the opposite side of the electrolyte layer 7 to the hydrogen electrode layer 6. The reaction prevention layer 8 prevents the constituent elements of the electrolyte layer 7 from reacting with the constituent elements of the oxygen electrode layer 9 to form a layer with high electrical resistance.
  • the reaction prevention layer 8 is made of an oxide ion conductive material.
  • the reaction prevention layer 8 can be made of GDC, SDC, etc.
  • the porosity of the reaction prevention layer 8 is not particularly limited, but can be, for example, 0.1% to 50%.
  • the thickness of the reaction prevention layer 8 is not particularly limited, but can be, for example, 1 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the method for forming the reaction prevention layer 8 is not particularly limited, and a baking method, a spray coating method, a PVD method, a CVD method, etc. can be used.
  • the oxygen electrode layer 9 is disposed on the opposite side of the hydrogen electrode layer 6 with respect to the electrolyte layer 7.
  • the reaction prevention layer 8 is disposed between the electrolyte layer 7 and the oxygen electrode layer 9, and therefore the oxygen electrode layer 9 is connected to the reaction prevention layer 8. If the reaction prevention layer 8 is not disposed between the electrolyte layer 7 and the oxygen electrode layer 9, the oxygen electrode layer 9 is connected to the electrolyte layer 7.
  • the oxygen electrode layer 9 is an example of a "second electrode layer" according to the present invention.
  • the oxygen electrode layer 9 produces O 2 from O 2 ⁇ transferred from the hydrogen electrode layer 6 via the electrolyte layer 7 in accordance with the chemical reaction of the following formula (2).
  • Oxygen electrode layer 9 2O 2 ⁇ ⁇ O 2 +4e ⁇ (2)
  • the oxygen electrode layer 9 is made of a porous material having oxide ion conductivity and electron conductivity, and may be made of a composite material of one or more of (La,Sr)(Co,Fe) O3 , (La,Sr) FeO3 , La(Ni,Fe) O3 , (La,Sr) CoO3 , and (Sm,Sr) CoO3 and an oxide ion conductive material (such as GDC).
  • the porosity of the oxygen electrode layer 9 is not particularly limited, but can be, for example, 20% or more and 60% or less.
  • the thickness of the oxygen electrode layer 9 is not particularly limited, but can be, for example, 1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the method for forming the oxygen electrode layer 9 is not particularly limited, and a firing method, a spray coating method, a PVD method, a CVD method, etc. can be used.
  • the flow path member 30 is joined to the second main surface 13 of the metal support 10.
  • the flow path member 30 forms a flow path 30a between itself and the metal support 10.
  • a source gas is supplied to the flow path 30a.
  • the source gas supplied to the flow path 30a is supplied to the hydrogen electrode layer 6 of the cell main body 20 through each communication hole 11 of the metal support 10.
  • the flow path member 30 can be made of, for example, an alloy material.
  • the flow path member 30 may be made of the same material as the metal support 10. In this case, the flow path member 30 may be substantially integral with the metal support 10.
  • the flow path member 30 has a frame body 31 and an interconnector 32.
  • the frame body 31 is an annular member that surrounds the side of the flow path 30a.
  • the frame body 31 is joined to the second main surface 13 of the metal support body 10.
  • the interconnector 32 is a plate-shaped member for electrically connecting an external power source or another electrolysis cell in series with the electrolysis cell 1.
  • the interconnector 32 is joined to the frame body 31.
  • the frame body 31 and the interconnector 32 are separate members, but the frame body 31 and the interconnector 32 may be an integrated member.
  • a part of the hydrogen electrode layer 6 may extend into each of the communicating holes 11 of the metal support 10.
  • the first region 6a of the hydrogen electrode layer 6 described in the above embodiment is a region of the hydrogen electrode layer 6 formed on the gas permeable region 10a of the metal support 10. Therefore, the region of the hydrogen electrode layer 6 extending into the communicating holes 11 is not included in the second region 6b of the hydrogen electrode layer 6.
  • the average grain size of Ni contained in the second region 6b is smaller than the average grain size of Ni contained in the first region 6a in one cross section of the hydrogen electrode layer 6.
  • Such a configuration is preferably observed in all cross sections of the hydrogen electrode layer 6, it is sufficient if it is observed in at least one cross section of the hydrogen electrode layer 6. This is because, if it is observed in even one cross section, deterioration of the hydrogen electrode layer 6 can be suppressed at least in that location.
  • the electrolysis cell 1 has been described as an example of an electrochemical cell, but the electrochemical cell is not limited to the electrolysis cell.
  • An electrochemical cell is a general term for an element in which a pair of electrodes are arranged so that an electromotive force is generated from an overall oxidation-reduction reaction in order to convert electrical energy into chemical energy, and an element for converting chemical energy into electrical energy. Therefore, the electrochemical cell includes, for example, a fuel cell that uses oxide ions or protons as a carrier.
  • Electrolysis cell 10
  • Metal support 11 Through hole 12
  • First main surface 12
  • Second main surface 20
  • Cell body 6
  • Hydrogen electrode layer 7
  • Electrolyte layer 8
  • Reaction prevention layer 9
  • Oxygen electrode layer 30
  • Flow path member 30a Flow path

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Abstract

電解セル（１）は、金属支持体（１０）と、セル本体部（２０）とを備える。金属支持体（１０）は、複数の連通孔（１１）が形成されたガス透過領域（１０ａ）と、ガス透過領域（１０ａ）を取り囲むガス非透過領域（１０ｂ）とを有する。セル本体部（２０）の水素極層（６）は、ガス透過領域（１０ａ）上に形成される第１領域（６ａ）と、ガス非透過領域（１０ｂ）上に形成される第２領域（６ｂ）とを有する。第２領域（６ｂ）が含有するＮｉの平均粒径は、第１領域（６ａ）が含有するＮｉの平均粒径より小さい。

Description

電気化学セル
　本発明は、電気化学セルに関する。
　従来、金属支持体と、金属支持体上に配置されたセル本体部とを備える電気化学セル（電解セル、燃料電池など）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
　金属支持体は、複数の連通孔が形成されたガス透過領域と、平面視においてガス透過領域を取り囲むガス非透過領域とを有する。
　セル本体部は、金属支持体上に形成される第１電極層と、第２電極層と、第１電極層及び第２電極層の間に配置される電解質層とを有する。第１電極層は、金属支持体のガス透過領域上に形成される第１領域と、金属支持体のガス非透過領域上に形成される第２領域とを有する。
特開２０２０－１５５３３７号
　電気化学セルは複数枚が積層されたスタックとして使用されるところ、第１電極層の第２領域はスタックの側面側に位置することになるため、外気への放熱によって温度低下しやすく、かつ、第２領域には連通孔からガスが供給されにくい。そのため、第１領域に比べて第２領域では電極反応が起こりづらいため、第１領域と第２領域の間に電流分布が生じて第１電極層が劣化しやすい。
　本発明の課題は、第１電極層の劣化を抑制可能な電気化学セルを提供することにある。
　本発明の第１の側面に係る電気化学セルは、金属支持体と、セル本体部とを備える。金属支持体は、複数の連通孔が形成されたガス透過領域と、平面視においてガス透過領域を取り囲むガス非透過領域とを有する。セル本体部は、金属支持体上に配置される。セル本体部は、Ｎｉを含有する第１電極層と、第２電極層と、第１電極層及び第２電極層の間に配置される電解質層とを有する。第１電極層は、ガス透過領域上に形成される第１領域と、ガス非透過領域上に形成される第２領域とを有する。第２領域が含有するＮｉの平均粒径は、第１領域が含有するＮｉの平均粒径より小さい。
　本発明の第２の側面に係る電気化学セルは、上記第１の側面に係り、第２領域の気孔率は、第１領域の気孔率より大きい。
　本発明によれば、第１電極層の劣化を抑制可能な電気化学セルを提供することができる。
図１は、実施形態に係る電解セルの平面図である。 図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。
　（電解セル１）
　図１は、実施形態に係る電解セル１の平面図である。図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。電解セル１は、本発明に係る「電気化学セル」の一例である。
　電解セル１は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に広がる板状に形成される。本実施形態において、電解セル１は、平面視においてＹ軸方向に延びる長方形に形成される。ただし、電解セル１の平面形状は特に限られず、長方形以外の多角形、楕円形、円形などであってもよい。なお、Ｘ軸方向及びＹ軸方向それぞれは、面方向の一例である。
　図２に示すように、電解セル１は、金属支持体１０、セル本体部２０、及び流路部材３０を備える。
　［金属支持体１０］
　金属支持体１０は、セル本体部２０を支持する。金属支持体１０は、板状に形成される。金属支持体１０は、平板状であってもよいし、曲板状であってもよい。金属支持体１０は電解セル１を支持できればよく、その厚みは特に制限されないが、例えば０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることができる。
　図２に示すように、金属支持体１０は、複数の連通孔１１、第１主面１２及び第２主面１３を有する。
　各連通孔１１は、第１主面１２から第２主面１３まで金属支持体１０を貫通する。各連通孔１１は、第１主面１２及び第２主面１３それぞれに開口する。各連通孔１１の第１主面１２側の開口は、水素極層６によって覆われる。各連通孔１１の第２主面１３側の開口は、後述する流路３０ａに繋がる。
　各連通孔１１は、機械加工（例えば、パンチング加工）、レーザ加工、或いは、化学加工（例えば、エッチング加工）などによって形成することができる。また、金属支持体１０が多孔質金属によって構成される場合、各連通孔１１は多孔質金属の開気孔が連通した連通孔であってよい。各連通孔１１は、第１主面１２に対して垂直であってもよいし、第１主面１２に対して垂直でなくてもよいし、直線状でなくてもよい。
　第１主面１２には、セル本体部２０が接合される。第２主面１３には、流路部材３０が接合される。第１主面１２は、第２主面１３の反対側に設けられる。
　図２に示すように、金属支持体１０は、ガス透過領域１０ａと、ガス非透過領域１０ｂとを有する。ガス透過領域１０ａは、金属支持体１０のうち複数の連通孔１１が形成された領域である。ガス非透過領域１０ｂは、金属支持体１０のうちガス透過領域１０ａ以外の領域である。ガス非透過領域１０ｂは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に垂直なＺ軸方向からの平面視においてガス透過領域１０ａを取り囲む。よって、図２に示すように、Ｚ軸方向に沿った金属支持体１０の断面において、ガス非透過領域１０ｂは、ガス透過領域１０ａの両側に表れる。
　図２に示すように、ガス透過領域１０ａとガス非透過領域１０ｂの境界は、Ｘ軸方向において最も外側に位置する第１及び第２連通孔１１ａ，１１ｂそれぞれの開口によって規定される。詳細には、ガス透過領域１０ａとガス非透過領域１０ｂの境界は、第１基準線１１Ｓと第２基準線１１Ｔとによって規定される。第１基準線１１Ｓは、Ｘ軸方向において最も外側に位置する第１連通孔１１ａが有する第１主面１２側の開口のうちＸ軸方向における最外位置Ｐ１を通り、Ｚ軸方向に平行（図２では、第１主面１２に垂直）な直線である。第２基準線１１Ｔは、Ｘ軸方向において第１供給孔１１ａから最も離れた第２供給孔１１ｂが有する第１主面１２側の開口のうちＸ軸方向における最外位置Ｐ２を通り、Ｚ軸方向に平行（図２では、第１主面１２に垂直）な直線である。金属支持体１０のうち第１基準線１１Ｓと第２基準線１１Ｔの間の領域がガス透過領域１０ａであり、金属支持体１０のうちガス透過領域１０ａを除いた領域、すなわち、ガス透過領域１０ａの両側の領域がガス非透過領域１０ｂである。
　金属支持体１０は、金属材料によって構成される。例えば、金属支持体１０は、Ｃｒ（クロム）を含有する合金材料によって構成される。このような金属材料としては、Ｆｅ－Ｃｒ系合金鋼（ステンレス鋼など）やＮｉ－Ｃｒ系合金鋼などが挙げられる。金属支持体１０におけるＣｒの含有率は特に制限されないが、４質量％以上３０質量％以下とすることができる。
　金属支持体１０は、Ｔｉ（チタン）やＺｒ（ジルコニウム）を含有していてもよい。金属支持体１０におけるＴｉの含有率は特に制限されないが、０．０１ｍｏｌ％以上１．０ｍｏｌ％以下とすることができる。金属支持体１０におけるＡｌの含有率は特に制限されないが、０．０１ｍｏｌ％以上０．４ｍｏｌ％以下とすることができる。金属支持体１０は、ＴｉをＴｉＯ２（チタニア）として含有していてもよいし、ＺｒをＺｒＯ２（ジルコニア）として含有していてもよい。
　金属支持体１０は、金属支持体１０の構成元素が酸化することによって形成される酸化皮膜を表面に有していてよい。酸化膜としては、例えば酸化クロム膜が代表的である。酸化クロム膜は、金属支持体１０の表面の少なくとも一部を覆う。また、酸化クロム膜は、各連通孔１１の内壁面の少なくとも一部を覆っていてもよい。
　［セル本体部２０］
　セル本体部２０は、金属支持体１０上に配置される。セル本体部２０は、水素極層６（カソード）、電解質層７、反応防止層８、及び酸素極層９（アノード）を有する。
　水素極層６、電解質層７、反応防止層８、及び酸素極層９は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に垂直なＺ軸方向において、この順で金属支持体１０側から積層されている。水素極層６、電解質層７、及び酸素極層９は必須の構成であり、反応防止層８は任意の構成である。
　［水素極層６］
　水素極層６は、金属支持体１０上に形成される。水素極層６は、金属支持体１０及び電解質層７の間に配置される。水素極層６は、金属支持体１０によって支持される。詳細には、水素極層６は、金属支持体１０の第１主面１２上に配置される。水素極層６は、本発明に係る「第１電極層」の一例である。
　水素極層６には、各連通孔１１を介して原料ガスが供給される。原料ガスは、原料ガスは少なくともＨ２Ｏを含む。
　原料ガスがＨ２Ｏのみを含む場合、水素極層６は、下記（１）式に示す水電解の電気化学反応に従って、原料ガスからＨ２を生成する。
　・水素極層６：Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→Ｈ２＋Ｏ２－・・・（１）
　原料ガスがＨ２Ｏに加えてＣＯ２を含む場合、水素極層６は、下記（２）、（３）、（４）式に示す共電解の電気化学反応に従って、原料ガスからＨ２、ＣＯ及びＯ２－を生成する。
　・水素極層６：ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋４ｅ－→ＣＯ＋Ｈ２＋２Ｏ２－・・・（２）
　・Ｈ２Ｏの電気化学反応：Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→Ｈ２＋Ｏ２－・・・（３）
　・ＣＯ２の電気化学反応：ＣＯ２＋２ｅ－→ＣＯ＋Ｏ２－・・・（４）
　水素極層６は、電子伝導性を有する多孔体である。水素極層６は、ニッケル（Ｎｉ）を含有する。共電解の場合、Ｎｉは、電子伝導物質として機能するとともに、生成されるＨ２と原料ガスに含まれるＣＯ２との熱的反応を促進してメタネーションや逆水性ガスシフト反応などに適切なガス組成を維持する熱触媒としても機能する。水素極層６が含有するＮｉは、電解セル１の作動中、基本的には金属Ｎｉの状態で存在しているが、一部は酸化ニッケル（ＮｉＯ）の状態で存在していてもよい。
　水素極層６は、イオン伝導性材料を含有していてもよい。イオン伝導性材料としては、ＹＳＺ、ＣＳＺ、ＳｃＳＺ、ＧＤＣ、ＳＤＣ、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｒ，Ｍｎ）Ｏ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３、Ｓｒ２（Ｆｅ,Ｍｏ）２Ｏ６、（Ｌａ，Ｓｒ）ＶＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３、ＬＤＣ（ランタンドープセリア）、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）及びこれらのうち２つ以上を組み合わせた混合材料などを用いることができる。
　水素極層６におけるＮｉの含有量は特に制限されないが、２０ｖｏｌ％以上５０ｖｏｌ％以下とすることができる。Ｎｉの含有量は、次の手法により算出される。まず、Ｚ軸方向に沿った水素極層６の断面を露出させる。次に、ＳＥＭ装置（日本電子株式会社製、ＦＥ－ＳＥＭ　ＪＳＭ－７９００Ｆ）及びＳＥＭ装置に付属するＥＤＳ装置（ＪＥＤ－２３００）を用いて、水素極層６の断面におけるＮｉの組成マッピング像を５０００倍～１００００倍で取得する。次に、ＭＥＤＩＡＣＹＢＥＲＮＥＴＩＣＳ社製の画像解析ソフトＩｍａｇｅ－Ｐｒｏを用いて、画像解析で二値化処理することによりＮｉの組成マッピング像においてＮｉ粒子を特定する。そして、反射電子像における水素極層６の全面積（気孔を含む。）でＮｉ粒子の合計面積を割ることによって、水素極層６におけるＮｉの含有量が算出される。
　水素極層６におけるイオン伝導性材料の含有量は特に制限されないが、２０ｖｏｌ％以上５０ｖｏｌ％以下とすることができる。イオン伝導性材料の含有量は、次の手法により算出される。まず、上述したＳＥＭ装置及びＥＤＳ装置を用いて、水素極層６の断面におけるイオン伝導性材料の構成元素で最も含有量の大きい元素（以下、「最大含有元素」という。）の組成マッピング像を５０００～１００００倍で取得する。次に、上述した画像解析ソフトＩｍａｇｅ－Ｐｒｏを用いて、画像解析で二値化処理することにより最大含有元素の組成マッピング像において最大含有元素の粒子部分を特定する。そして、反射電子像における水素極層６の全面積（気孔を含む。）で最大含有元素の粒子部分の合計面積を割ることによって、水素極層６におけるイオン伝導性材料の含有量が算出される。
　水素極層６の厚みは特に制限されないが、例えば１μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。
　図２に示すように、水素極層６は、第１領域６ａと、第２領域６ｂとを有する。第１領域６ａは、水素極層６のうち金属支持体１０のガス透過領域１０ａ上に形成される領域である。第２領域６ｂは、水素極層６のうち金属支持体１０のガス非透過領域１０ｂ上に形成される領域である。第２領域６ｂは、Ｚ軸方向からの平面視において第１領域６ａを取り囲む。よって、図２に示すように、Ｚ軸方向に沿った水素極層６の断面において、第２領域６ｂは、第１領域６ａの両側に表れる。
　第１領域６ａと第２領域６ｂの境界は、上述した第１基準線１１Ｓと第２基準線１１Ｔとによって規定される。水素極層６のうち第１基準線１１Ｓと第２基準線１１Ｔの間の領域が第１領域６ａであり、水素極層６のうち第１領域６ａを除いた領域、すなわち、第１領域６ａの両側の領域が第２領域６ｂである。
　ここで、第２領域６ｂが含有するＮｉの平均粒径は、第１領域６ａが含有するＮｉの平均粒径より小さいため、第１領域６ａが含有するＮｉに比べて、第２領域６ｂが含有するＮｉの活性の方が高い。これによって、第１領域６ａに比べて、放熱による温度低下が生じやすく、かつ、連通孔１１から原料ガスが供給されにくい第２領域６ｂにおける電極活性を向上させることができる。従って、第１領域６ａと第２領域６ｂの間の電極活性差を小さくし、両者間に電流分布が生じることを抑えることができるため、水素極層６の劣化を抑制させることができる。
　また、従来、第２領域６ｂは、放熱による温度低下により電極活性が低くなるため、Ｈ２の生成速度が小さく、Ｈ２Ｏ濃度が高くなりやすい。Ｈ２Ｏ濃度が高くなると、金属支持体１０の表面における酸化皮膜の成長速度が増大するため、第２領域６ｂに電流が流れづらくなり、電流分布が増大する。本実施形態では、第２領域６ｂのＮｉの平均粒径を小さくすることで電極活性を向上させることできる。その結果、Ｈ２の生成速度が維持されるため、電流分布の増大を抑制することができる。
　なお、発熱反応が生じる燃料電池とは異なり、吸熱反応が生じる電解セル１では、第２領域６ｂが温度低下しやすい。また、電解セル１では、Ｎｉの平均粒径を小さくすることによって、Ｎｉの熱触媒としての機能を向上させることができる。よって、上述した効果は、電解セル１において特に有効である。
　第１領域６ａが含有するＮｉの平均粒径は特に制限されないが、３μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。第２領域６ｂが含有するＮｉの平均粒径は特に制限されないが、１μｍ以上７μｍ以下とすることができる。
　第１領域６ａが含有するＮｉの平均粒径は、次の手法により算出される。まず、Ｚ軸方向に沿った水素極層６の断面を露出させる。次に、ＳＥＭ装置（日本電子株式会社製、ＦＥ－ＳＥＭ　ＪＳＭ－７９００Ｆ）及びＳＥＭ装置に付属するＥＤＳ装置（ＪＥＤ－２３００）を用いて、第１連通孔１１ａ上の任意の位置と、第２連通孔１１ｂ上の任意の位置と、面方向における第１領域６ａの中央との３ヵ所において、第１領域６ａを厚み方向に６等分する５ヵ所におけるＮｉマッピング像を５０００～１００００倍で取得する。これにより、１５枚のＮｉマッピング像が取得される。次に、ＭＥＤＩＡＣＹＢＥＲＮＥＴＩＣＳ社製の画像解析ソフトＩｍａｇｅ－Ｐｒｏを用いて、画像解析で二値化処理することにより各Ｎｉマッピング像においてＮｉ粒子部分を特定する。これにより、１５枚の解析画像が取得される。次に、二値化処理された各解析画像において、各Ｎｉの面積と同じ面積を有する円の直径を各Ｎｉの粒径として取得する。そして、１５枚の解析画像から取得されたＮｉの粒径を算術平均することによって、第１領域６ａが含有するＮｉの平均粒径が算出される。
　なお、本明細書において、厚み方向とは、金属支持体１０の第１主面１２に平行な面方向に対して垂直な方向である。厚み方向を特定する場合、Ｚ軸方向に沿った金属支持体１０の断面において、最小二乗法により求められる第１主面１２の近似直線を用いることとする。
　第２領域６ｂが含有するＮｉの平均粒径は、第１領域６ａが含有するＮｉの平均粒径と同様の手法により算出される。ただし、第１領域６ａの両側に位置する各第２領域６ｂを面方向に３等分する２カ所において、第２領域６ｂを厚み方向に６等分する５カ所におけるＮｉマッピング像を取得する。従って、第２領域６ｂが含有するＮｉの平均粒径を算出には、２０枚のＮｉマッピング像が用いられる。また、２０枚のＮｉマッピング像は、第１領域６ａが含有するＮｉの平均粒径を算出する際に用いられた水素極層６の断面上で取得するものとする。
　第２領域６ｂの気孔率は、第１領域６ａの気孔率より大きいことが好ましい。これによって、各連通孔１１から原料ガスが供給されにくい第２領域６ｂにおけるガス拡散性を向上できるため、第２領域６ｂにおける電極反応をより向上させることができる。よって、第１領域６ａと第２領域６ｂの間に電流分布が生じることをより抑えることができるため、第１電極層６の劣化をより抑制できる。
　第１領域６ａの気孔率は特に制限されないが、２０％以上４０％以下とすることができる。第２領域６ｂの気孔率は特に制限されないが、２５％以上５０％以下とすることができる。
　第１領域６ａの気孔率は、次の手法により算出される。まず、Ｚ軸方向に沿った水素極層６の断面を露出させる。次に、上記ＳＥＭ装置を用いて、第１領域６ａの断面の反射電子像を１００００倍で取得する。次に、ＭＥＤＩＡＣＹＢＥＲＮＥＴＩＣＳ社製の画像解析ソフトＩｍａｇｅ－Ｐｒｏを用いて、反射電子像において黒色で表示された部分（気孔に相当）を特定する。そして、第１領域６ａの反射電子像の全面積で気孔の合計面積を割ることによって、第１領域６ａの気孔率が算出される。
　第２領域６ｂの気孔率は、第１領域６ａの気孔率と同様、第２領域６ｂの反射電子像の全面積で気孔の合計面積を割ることによって算出される。
　水素極層６は、第１領域用の構成材料を用いて金属支持体１０上に第１領域６ａを形成した後、第２領域用の構成材料を用いて第１領域６ａを取り囲むように第２領域６ｂを形成することによって作製される。第１及び第２領域６ａ，６ｂの形成方法は特に制限されず、焼成法、スプレーコーティング法（溶射法、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）、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法などを用いることができる。
　［電解質層７］
　電解質層７は、水素極層６及び酸素極層９の間に配置される。本実施形態では、電解質層７及び酸素極層９の間に反応防止層８が配置されているので、電解質層７は、水素極層６及び反応防止層８の間に配置され、水素極層６及び反応防止層８それぞれに接続される。
　電解質層７は、水素極層６を覆うとともに、金属支持体１０の第１主面１２のうち水素極層６から露出する領域を覆う。
　電解質層７は、水素極層６において生成されたＯ２－を酸素極層９側に伝達させる。電解質層７は、酸化物イオン伝導性を有する緻密質材料によって構成される。電解質層７は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア、例えば８ＹＳＺ）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウム固溶セリア）、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）などによって構成することができる。
　電解質層７の気孔率は特に制限されないが、例えば０．１％以上７％以下とすることができる。電解質層７の厚みは特に制限されないが、例えば１μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。
　電解質層７の形成方法は特に制限されず、焼成法、スプレーコーティング法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法などを用いることができる。
　［反応防止層８］
　反応防止層８は、電解質層７及び酸素極層９の間に配置される。反応防止層８は、電解質層７を基準として水素極層６の反対側に配置される。反応防止層８は、電解質層７の構成元素が酸素極層９の構成元素と反応して電気抵抗の大きい層が形成されることを抑制する。
　反応防止層８は、酸化物イオン伝導性材料によって構成される。反応防止層８は、ＧＤＣ、ＳＤＣなどによって構成することができる。
　反応防止層８の気孔率は特に制限されないが、例えば０．１％以上５０％以下とすることができる。反応防止層８の厚みは特に制限されないが、例えば１μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。
　反応防止層８の形成方法は特に制限されず、焼成法、スプレーコーティング法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法などを用いることができる。
　［酸素極層９］
　酸素極層９は、電解質層７を基準として水素極層６の反対側に配置される。本実施形態では、電解質層７及び酸素極層９の間に反応防止層８が配置されているので、酸素極層９は反応防止層８に接続される。電解質層７及び酸素極層９の間に反応防止層８が配置されない場合、酸素極層９は電解質層７に接続される。酸素極層９は、本発明に係る「第２電極層」の一例である。
　酸素極層９は、下記（２）式の化学反応に従って、水素極層６から電解質層７を介して伝達されるＯ２－からＯ２を生成する。
　・酸素極層９：２Ｏ２－→Ｏ２＋４ｅ－・・・（２）
　酸素極層９は、酸化物イオン伝導性及び電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。酸素極層９は、例えば（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３、Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３、及び（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ３のうち１つ以上と酸化物イオン伝導材料（ＧＤＣなど）との複合材料によって構成することができる。
　酸素極層９の気孔率は特に制限されないが、例えば２０％以上６０％以下とすることができる。酸素極層９の厚みは特に制限されないが、例えば１μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。
　酸素極層９の形成方法は特に制限されず、焼成法、スプレーコーティング法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法などを用いることができる。
　［流路部材３０］
　流路部材３０は、金属支持体１０の第２主面１３に接合される。流路部材３０は、金属支持体１０との間に流路３０ａを形成する。流路３０ａには、原料ガスが供給される。流路３０ａに供給された原料ガスは、金属支持体１０の各連通孔１１を介して、セル本体部２０の水素極層６に供給される。
　流路部材３０は、例えば、合金材料によって構成することができる。流路部材３０は、金属支持体１０と同様の材料によって形成されていてもよい。この場合、流路部材３０は、金属支持体１０と実質的に一体であってもよい。
　流路部材３０は、枠体３１及びインターコネクタ３２を有する。枠体３１は、流路３０ａの側方を取り囲む環状部材である。枠体３１は、金属支持体１０の第２主面１３に接合される。インターコネクタ３２は、外部電源又は他の電解セルを電解セル１と電気的に直列に接続するための板状部材である。インターコネクタ３２は、枠体３１に接合される。
　本実施形態では、枠体３１とインターコネクタ３２が別部材となっているが、枠体３１とインターコネクタ３２は一体の部材であってもよい。
　（実施形態の変形例）
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
　［変形例１］
　水素極層６の一部は、金属支持体１０の各連通孔１１に入り込んでいてもよい。ただし、上記実施形態にて説明した水素極層６の第１領域６ａは、水素極層６のうち金属支持体１０のガス透過領域１０ａ上に形成された領域である。従って、水素極層６のうち連通孔１１に入り込んだ領域は、水素極層６の第２領域６ｂには含まれない。
　［変形例２］
　上記実施形態では、水素極層６の一断面において、第２領域６ｂが含有するＮｉの平均粒径は、第１領域６ａが含有するＮｉの平均粒径より小さいことを説明した。このような構成は、水素極層６の全ての断面において観察されることが好ましいが、水素極層６の少なくとも一断面において観察できればよい。一断面であっても観察されるのであれば、少なくとも当該箇所では水素極層６の劣化を抑制できるからである。
　［変形例３］
　上記実施形態では、電気化学セルの一例として電解セル１について説明したが、電気化学セルは電解セルに限られない。電気化学セルとは、電気エネルギーを化学エネルギーに変えるため、全体的な酸化還元反応から起電力が生じるように一対の電極が配置された素子と、化学エネルギーを電気エネルギーに変えるための素子との総称である。従って、電気化学セルには、例えば、酸化物イオン或いはプロトンをキャリアとする燃料電池が含まれる。
１　　　電解セル
１０　　金属支持体
１１　　連通孔
１２　　第１主面
１３　　第２主面
２０　　セル本体部
６　　　水素極層
７　　　電解質層
８　　　反応防止層
９　　　酸素極層
３０　　流路部材
３０ａ　流路

Claims (3)

  1. 　複数の連通孔が形成されたガス透過領域と、平面視において前記ガス透過領域を取り囲むガス非透過領域とを有する金属支持体と、
    　前記金属支持体上に配置されたセル本体部と、
    を備え、
    　前記セル本体部は、
    　Ｎｉを含有する第１電極層と、
    　第２電極層と、
    　前記第１電極層及び前記第２電極層の間に配置される電解質層と、
    を有し、
    　前記第１電極層は、前記ガス透過領域上に形成される第１領域と、前記ガス非透過領域上に形成される第２領域とを有し、
    　前記第２領域が含有するＮｉの平均粒径は、前記第１領域が含有するＮｉの平均粒径より小さい、
    電気化学セル。
  2. 　前記第２領域の気孔率は、前記第１領域の気孔率より大きい、
    請求項１に記載の電気化学セル。
  3. 　前記第１電極層は、Ｈ２Ｏを含む原料ガスからＨ２を生成する水素極である、
    請求項１又は２に記載の電気化学セル。
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