WO2024201893A1 - 電気化学セル - Google Patents

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WO2024201893A1
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WO
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main surface
electrode layer
gas diffusion
metal support
layer
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PCT/JP2023/013170
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French (fr)
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玄太 寺澤
俊之 中村
敬司 白鳥
誠 大森
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NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
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Priority to JP2024514726A priority patent/JP7752236B2/ja
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Priority to US18/599,747 priority patent/US20240332566A1/en
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H01M8/0256—Vias, i.e. connectors passing through the separator material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/0223—Composites
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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04149—Humidifying by diffusion, e.g. making use of membranes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical cell.
  • electrochemical cells electrolysis cells, fuel cells, etc.
  • the metal support has a plurality of communication holes formed on its main surface.
  • the cell body portion has a first electrode layer and a second electrode layer formed on the main surface of the metal support, and an electrolyte layer disposed between the first electrode layer and the second electrode layer.
  • Patent document 1 describes inserting a conductive gas diffusion layer between the cell body and the metal support.
  • the objective of the present invention is to provide an electrochemical cell that can suppress peeling of the gas diffusion layer.
  • the electrochemical cell according to the first aspect of the present invention comprises a metal support having a plurality of communicating holes formed in a main surface, and a cell body portion disposed on the main surface.
  • the cell body portion has a conductive gas diffusion layer disposed on the main surface, a first electrode layer disposed on the gas diffusion layer, a second electrode layer, and an electrolyte layer disposed between the first electrode layer and the second electrode layer.
  • at least a portion of the outer edge of the gas diffusion layer has a wave shape in which peaks and valleys are alternately arranged in succession.
  • the electrochemical cell according to the second aspect of the present invention is the same as the first aspect, and in a plan view of the main surface, the peaks protrude in a curved shape in a direction away from the plurality of communication holes, and in a plan view of the main surface, the valleys are recessed in a curved shape in a direction approaching the plurality of communication holes.
  • the electrochemical cell according to the third aspect of the present invention is the electrochemical cell according to the second aspect, and in a plan view of the main surface, the distance between the outermost communicating hole located at the outermost end in the surface direction among the plurality of communicating holes and the bottom point of the valley portion is shorter than the distance between the outermost communicating hole and the apex of the peak portion.
  • the electrochemical cell according to the fourth aspect of the present invention relates to the third aspect, and in a plan view of the main surface, the second perpendicular line intersects with an inner communication hole that is arranged one stage inward from the outermost communication hole among the plurality of communication holes.
  • the present invention provides an electrochemical cell that can suppress peeling of the gas diffusion 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. 3 is a plan view showing a state in which the hydrogen electrode layer, the electrolyte layer, the reaction prevention layer, and the oxygen electrode layer have been removed from the electrolysis cell according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG.
  • FIG. 1 is a plan view of an electrolysis cell 1 according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of Fig. 1.
  • Electrolytic cell 1 is an example of an "electrochemical cell” according to the present invention. Electrolytic cell 1 is a so-called metal-supported electrolytic cell.
  • 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 when viewed in a plan view from the Z-axis direction perpendicular to the X-axis and Y-axis directions.
  • 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 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 the shape of a flat plate or a curved plate.
  • the metal support 10 only needs to be able to support the cell body 20, and there are no particular limitations on its thickness, but it can 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 a gas diffusion layer 5 described later.
  • 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 is formed linearly along the Z-axis direction.
  • each communication hole 11 may be inclined with respect to the Z-axis direction, and may not be linear.
  • the communication holes 11 may be connected to each other.
  • the first main surface 12 is an example of a "main surface” according to the present invention.
  • the first main surface 12 is provided on the opposite side of the second main surface 13.
  • the cell main body 20 is disposed on the first main surface 12.
  • the flow path member 30 is bonded to the second main surface 13.
  • 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 that 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 is supported by the metal support 10.
  • the cell body 20 has a gas diffusion layer 5, a hydrogen electrode layer 6 (cathode), an electrolyte layer 7, a reaction prevention layer 8, and an oxygen electrode layer 9 (anode).
  • the gas diffusion layer 5, hydrogen electrode layer 6, electrolyte layer 7, reaction prevention layer 8, and oxygen electrode layer 9 are stacked in this order in the Z-axis direction from the metal support 10 side.
  • the gas diffusion layer 5, hydrogen electrode layer 6, electrolyte layer 7, and oxygen electrode layer 9 are required components, while the reaction prevention layer 8 is optional.
  • the gas diffusion layer 5 is formed on the first main surface 12 of the metal support 10.
  • the gas diffusion layer 5 is interposed between the metal support 10 and the hydrogen electrode layer 6.
  • the gas diffusion layer 5 covers each of the communication holes 11 of the metal support 10. A portion of the gas diffusion layer 5 may extend into each of the communication holes 11 of the metal support 10.
  • the gas diffusion layer 5 is a porous body having gas diffusivity and electrical conductivity.
  • the gas diffusion layer 5 supplies the raw gas supplied from each communication hole 11 to the hydrogen electrode layer 6, and discharges the product gas generated in the hydrogen electrode layer 6 to each communication hole 11.
  • the gas diffusion layer 5 includes a conductive material.
  • the conductive material that can be used include metal materials such as Ni (nickel) and Fe (iron), and conductive ceramic materials.
  • the gas diffusion layer 5 may include a substrate supporting a conductive material.
  • the substrate may be insulating.
  • As the substrate YSZ, CSZ, ScSZ, GDC, SDC, (La, Sr) (Cr, Mn) O 3 , (La, Sr) TiO 3 , Sr 2 (Fe, Mo) 2 O 6 , (La, Sr) VO 3 , (La, Sr) FeO 3 , LDC (lanthanum doped ceria), LSGM (lanthanum gallate), and a mixed material of two or more of these may be used.
  • the gas diffusion layer 5 may contain metal elements contained in the metal support 10. This is preferable because it improves the adhesion between the gas diffusion layer 5 and the metal support 10. Note that the conductive material described above is different from the metal elements contained in the metal support 10. Therefore, the conductive material contained in the gas diffusion layer 5 does not need to be contained in the metal support 10.
  • the porosity of the gas diffusion layer 5 is not particularly limited, but can be, for example, 20% or more and 40% or less.
  • the porosity of the gas diffusion layer 5 is calculated by the following method. First, a cross section of the gas diffusion layer 5 along the Z-axis direction is exposed. Next, a backscattered electron image of the cross section of the gas diffusion layer 5 is obtained at 10,000 times magnification using an SEM device (FE-SEM JSM-7900F, manufactured by JEOL Ltd.). Next, the areas displayed in black in the backscattered electron image (corresponding to pores) are identified using image analysis software Image-Pro manufactured by MEDIACYBERNETICS. The porosity of the gas diffusion layer 5 is then calculated by dividing the total area of the pores by the total area of the backscattered electron images of the gas diffusion layer 5.
  • the thickness of the gas diffusion layer 5 is not particularly limited, but can be, for example, 1 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the thickness means the thickness in the thickness direction of the cell body 20.
  • 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 method for forming the gas diffusion layer 5 is not particularly limited, and may be a firing 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 hydrogen electrode layer 6 is an example of a "first electrode layer” according to the present invention.
  • the hydrogen electrode layer 6 is formed on the gas diffusion layer 5.
  • the hydrogen electrode layer 6 is disposed between the gas diffusion layer 5 and the electrolyte layer 7.
  • a source gas is supplied to the hydrogen electrode layer 6 from each of the communication holes 11 via the gas diffusion layer 5.
  • 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 gas diffusibility and electrical conductivity.
  • the raw material gas is supplied to the hydrogen electrode layer 6 from the gas diffusion layer 5.
  • the product gas generated in the hydrogen electrode layer 6 is discharged to the gas diffusion layer 5 side.
  • the hydrogen electrode layer 6 includes a conductive material.
  • a conductive material metal materials such as Ni (nickel) and Fe (iron), conductive ceramic materials, etc. can be used.
  • Ni nickel
  • Fe iron
  • conductive ceramic materials etc.
  • Ni also functions as a thermal catalyst that promotes the 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 conductive material exists in an oxide state (e.g., NiO) in an oxidizing atmosphere and in a metallic state (e.g., Ni) in a reducing atmosphere.
  • an oxide state e.g., NiO
  • a metallic state e.g., Ni
  • the hydrogen electrode layer 6 includes an oxide ion conductive material such as YSZ, CSZ, ScSZ, GDC, SDC, (La, Sr) (Cr, Mn) O 3 , (La, Sr) TiO 3 , Sr 2 (Fe, Mo) 2 O 6 , (La, Sr) VO 3 , (La, Sr) FeO 3 , LDC, LSGM, or a mixture of two or more of these materials.
  • oxide ion conductive material such as YSZ, CSZ, ScSZ, GDC, SDC, (La, Sr) (Cr, Mn) O 3 , (La, Sr) TiO 3 , Sr 2 (Fe, Mo) 2 O 6 , (La, Sr) VO 3 , (La, Sr) FeO 3 , LDC, LSGM, or a mixture of two or more of these materials.
  • the hydrogen electrode layer 6 has a single-layer structure made of a single composition, but it may have a multi-layer structure made of different compositions.
  • the porosity of the hydrogen electrode layer 6 is not particularly limited, but can be, for example, 20% or more and 40% or less.
  • the porosity of the hydrogen electrode layer 6 is calculated by dividing the total area of the pores by the total area of the backscattered electron image of the hydrogen electrode layer 6, similar to the porosity of the gas diffusion layer 5 described above.
  • the thickness of the hydrogen electrode layer 6 is not particularly limited, but can be, for example, 1 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less.
  • the method for forming the hydrogen electrode layer 6 is not particularly limited, and methods such as firing, spray coating, PVD, and CVD can be used.
  • 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, so that the electrolyte layer 7 is sandwiched between 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 gas diffusion layer 5.
  • 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 an example of a "second electrode layer” according to the present invention.
  • 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 would be connected to the electrolyte layer 7.
  • 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 (5).
  • Oxygen electrode layer 9 2O 2 ⁇ ⁇ O 2 +4e ⁇ (5)
  • the oxygen electrode layer 9 is a porous body having oxide ion conductivity and electrical 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.
  • FIG. 3 is a plan view of the electrolysis cell 1 with the hydrogen electrode layer 6, electrolyte layer 7, reaction prevention layer 8, and oxygen electrode layer 9 removed from the cell body 20.
  • Fig. 4 is a partially enlarged view of Fig. 3.
  • the gas diffusion layer 5 covers the multiple communication holes 11 of the metal support 10.
  • the planar shape of the gas diffusion layer 5 is rectangular overall, but is not limited to this.
  • the planar shape of the gas diffusion layer 5 can be changed as appropriate taking into account the planar shape of the cell body 20 and the planar shape of the area in which the multiple communication holes 11 are formed.
  • the multiple communication holes 11 in the metal support 10 are arranged in a staggered pattern. This makes it possible to easily increase the density of the communication holes 11. However, the arrangement of the communication holes 11 can be changed as appropriate.
  • the outer edge 5a of the gas diffusion layer 5 has a wave shape in which peaks 51 and valleys 52 are alternately arranged.
  • the stress applied to the outer edge 5a can be dispersed in the surface direction.
  • the total length of the outer edge 5a can be made longer than when the outer edge 5a has a straight shape. As a result, the stress applied to the outer edge 5a can be alleviated, and peeling of the gas diffusion layer 5 from the metal support 10 can be suppressed.
  • the entire outer edge 5a is wavy, but it is sufficient that at least a portion of the outer edge 5a of the gas diffusion layer 5 is wavy. Even in this case, the wavy area of the outer edge 5a can prevent the gas diffusion layer 5 from peeling off from the metal support 10, as described above. Therefore, a portion of the outer edge 5a may be straight.
  • the peaks 51 of the outer edge 5a protrude in a curved shape away from the communication holes 11, and the valleys 52 of the outer edge 5a are recessed in a curved shape toward the communication holes 11.
  • the outer edge 5a has a curved wave shape. This allows the stress applied to the outer edge 5a to be dispersed in the surface direction and the overall length of the outer edge 5a to be longer than when the outer edge 5a has a linear wave shape (sawtooth shape). As a result, the stress applied to the outer edge 5a can be further alleviated, and peeling of the gas diffusion layer 5 from the metal support 10 can be further suppressed.
  • the metal support 10 is provided with a plurality of communication holes 11, and the heat conduction in the plane of the metal support 10 is interrupted by each communication hole 11, so that a temperature distribution is likely to occur in the metal support 10.
  • heat is absorbed and generated from the cell main body 20 during operation of the electrolysis cell 1, heat is exchanged by heating or dissipating heat to the cell main body 20, so that a temperature distribution is likely to occur in the outer periphery of the cell main body 20.
  • the communication holes 11 arranged on the outermost periphery are the communication holes 11 that are located at the outermost ends in the planar direction (X-axis direction or Y-axis direction) among the multiple communication holes 11.
  • the positions of the communication holes 11 arranged on the outermost periphery coincide with the positions of the valleys 52.
  • a first perpendicular line M1 that is perpendicular to a first tangent line L1 that touches the valley bottom point 52b of the valleys 52 and passes through the valley bottom point 52b intersects with the outermost peripheral communication hole 11a.
  • a second perpendicular line M2 that is perpendicular to a second tangent line L2 that touches the apex 51a of the peak portion 51 and passes through the apex 51a does not intersect with the outermost peripheral communication hole 11a.
  • the position of the communication hole 11 (hereinafter referred to as the "inner communication hole 11b") arranged one step inward from the outermost peripheral communication hole 11a coincides with the position of the peak 51.
  • the second perpendicular line M2 passing through the apex 51a of the peak 51 intersects with the inner communication hole 11b.
  • the first perpendicular line M1 passing through the bottom point 52b of the valley 52 does not intersect with the inner communication hole 11b.
  • the "inside” of the inner communication hole 11b means the opposite side of the outer edge 5a with respect to the position of the outermost communication hole 11a in the direction parallel to the second perpendicular line M2.
  • the distance D1 between the outermost peripheral communicating hole 11a and the bottom point 52b of the valley portion 52 is shorter than the distance D2 between the outermost peripheral communicating hole 11a and the apex 51a of the peak portion 51.
  • the distance D1 is the shortest distance between the outermost peripheral communicating hole 11a and the bottom point 52b in a direction parallel to the first perpendicular line M1.
  • the distance D2 is the shortest distance between the outermost peripheral communicating hole 11a and the apex 51a in a direction parallel to the first perpendicular line M1.
  • the distance D3 between the inner communication hole 11b and the apex 51a of the peak 51 is longer than the distance D2 between the outermost communication hole 11a and the apex 51a of the peak 51.
  • Distance D3 is the shortest distance between the inner communication hole 11b and the apex 51a in a direction parallel to the first perpendicular line M1.
  • the value of the distance D1 is not particularly limited, but can be, for example, 0.20 mm or more and 1.0 mm or less.
  • the value of the distance D2 is not particularly limited, but can be, for example, 0.25 mm or more and 2.0 mm or less.
  • the value of the distance D3 is not particularly limited, but can be, for example, 0.50 mm or more and 3.0 mm or less.
  • the value of the distance D4 between the vertices 51a in the direction parallel to the first tangent L1 is not particularly limited, but can be, for example, 0.20 mm or more and 5.0 mm or less.
  • the value of the distance D5 between the valley points 52b in the direction parallel to the first tangent line L1 is not particularly limited, but can be, for example, 0.20 mm or more and 5.0 mm or less.
  • the openings of each communication hole 11 on the first main surface 12 side of the metal support 10 are covered by the gas diffusion layer 5, but this is not limited thereto.
  • the gas diffusion layer 5 does not have to cover the openings of each communication hole 11 on the first main surface 12 side.
  • the gas diffusion layer 5 has through holes communicating with each communication hole 11, so that gas can be supplied and exhausted more efficiently through the through holes.
  • the hydrogen electrode layer 6 functions as a cathode and the oxygen electrode layer 9 functions as an anode, but the arrangement of the hydrogen electrode layer 6 and the oxygen electrode layer 9 may be reversed.
  • 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 13 Second main surface 20 Cell body 5 Gas diffusion layer 5a Outer edge 51 Peak 51a Peak 52 Valley 52b Valley bottom point 6 Hydrogen electrode layer 7 Electrolyte layer 8 Reaction prevention layer 9 Oxygen electrode layer 30 Flow path member 30a Flow path La First tangent Ma First perpendicular Lb Second tangent Mb Second perpendicular

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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。セル本体部（２０）は、金属支持体（１０）の第１主面（１２）上に配置されるガス拡散層（５）を有する。金属支持体（１０）の第１主面（１２）の平面視において、ガス拡散層（５）の外縁（５ａ）の少なくとも一部は、山部（５１）と谷部（５２）とが交互に連続する波形状である。

Description

電気化学セル
　本発明は、電気化学セルに関する。
　従来、金属支持体上に配置されたセル本体部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。金属支持体は、主面に形成された複数の連通孔を有する。セル本体部は、金属支持体の主面上に形成される第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。
　ここで、特許文献１には、セル本体部と金属支持体の間に、導電性のガス拡散層を介挿させることが記載されている。
国際公開第２０２１／２２１０５２号
　しかしながら、特許文献１に記載の電気化学セルでは、金属支持体とセル本体部の熱膨張係数差に起因して金属支持体とガス拡散層の間に発生する応力によってガス拡散層に剥離が生じるおそれがある。
　本発明の課題は、ガス拡散層の剥離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、主面に形成された複数の連通孔を有する金属支持体と、前記主面上に配置されるセル本体部とを備える。前記セル本体部は、前記主面上に配置される導電性のガス拡散層と、前記ガス拡散層上に配置される第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する。前記主面の平面視において、前記ガス拡散層の外縁の少なくとも一部は、山部と谷部とが交互に連続する波形状である。
　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、前記主面の平面視において、前記山部は、前記複数の連通孔から離れる向きに湾曲状に突出しており、前記主面の平面視において、前記谷部は、前記複数の連通孔に近づく向きに湾曲状に窪んでいる。
　本発明の第３の側面に係る電気化学セルは、上記第２の側面に係り、前記主面の平面視において、前記複数の連通孔のうち面方向において最外端に位置する最外周連通孔と前記谷部の谷底点との間隔は、前記最外周連通孔と前記山部の頂点との間隔より短い。
　本発明の第４の側面に係る電気化学セルは、上記第３の側面に係り、前記主面の平面視において、前記第２垂線は、前記複数の連通孔のうち前記最外周連通孔より一段内側に配列された内側連通孔と交差する。
　本発明によれば、ガス拡散層の剥離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。 図３は、実施形態に係る電解セルから水素極層、電解質層、反応防止層及び酸素極層を取り除いた状態を示す平面図である。 図４は、図３の部分拡大図である。
　（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、いわゆるメタルサポート型の電解セルである。
　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、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に垂直なＺ軸方向から平面視した場合、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。
　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はセル本体部２０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。本実施形態において、各連通孔１１の第１主面１２側の開口は、後述するガス拡散層５によって覆われている。各連通孔１１の第２主面１３側の開口は、後述する流路３０ａに繋がっている。
　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。
　本実施形態において、各連通孔１１は、Ｚ軸方向に沿って直線状に形成される。ただし、各連通孔１１は、Ｚ軸方向に対して傾斜していてもよいし、直線状でなくてもよい。また、連通孔１１どうしが互いに連なっていてもよい。
　第１主面１２は、本発明に係る「主面」の一例である。第１主面１２は、第２主面１３の反対側に設けられる。第１主面１２には、セル本体部２０が配置される。第２主面１３には、流路部材３０が接合される。
　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、金属支持体１０によって支持される。セル本体部２０は、ガス拡散層５、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。
　ガス拡散層５、水素極層６、電解質層７、反応防止層８、及び酸素極層９は、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。ガス拡散層５、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。
　［ガス拡散層５］
　ガス拡散層５は、金属支持体１０の第１主面１２上に形成される。ガス拡散層５は、金属支持体１０と水素極層６の間に介挿されている。本実施形態において、ガス拡散層５は、金属支持体１０の各連通孔１１を覆っている。ガス拡散層５の一部は、金属支持体１０の各連通孔１１の内側に入り込んでいてもよい。
　ガス拡散層５は、ガス拡散性及び導電性を有する多孔体である。ガス拡散層５は、各連通孔１１から供給される原料ガスを水素極層６に供給するとともに、水素極層６において生成される生成ガスを各連通孔１１に排出する。
　ガス拡散層５は、導電性材料を含む。導電性材料としては、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）などの金属材料や、導電性セラミック材料を用いることができる。
　ガス拡散層５は、導電性材料を支持する基材を含んでいてもよい。基材は、絶縁性であってもよい。基材としては、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。
　ガス拡散層５は、金属支持体１０に含まれている金属元素を含んでいてもよい。これによって、ガス拡散層５と金属支持体１０の密着性が向上するため好ましい。なお、上述した導電性材料は、金属支持体１０に含まれる金属元素とは異なる。よって、ガス拡散層５に含まれる導電性材料は、金属支持体１０には含まれていなくてよい。
　ガス拡散層５の気孔率は特に制限されないが、例えば２０％以上４０％以下とすることができる。
　ガス拡散層５の気孔率は、次の手法により算出される。まず、Ｚ軸方向に沿ったガス拡散層５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）を用いて、ガス拡散層５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、ガス拡散層５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、ガス拡散層５の気孔率が算出される。
　ガス拡散層５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。本明細書において、厚みとは、セル本体部２０の厚み方向における厚みを意味する。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。
　ガス拡散層５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。
　［水素極層６］
　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は、ガス拡散層５上に形成される。水素極層６は、ガス拡散層５及び電解質層７の間に配置される。
　水素極層６には、ガス拡散層５を介して各連通孔１１から原料ガスが供給される。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、ガス拡散性及び導電性を有する多孔体である。水素極層６には、ガス拡散層５から原料ガスが供給される。水素極層６において生成された生成ガスは、ガス拡散層５側に排出される。
　水素極層６は、導電性材料を含む。導電性材料としては、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）などの金属材料や、導電性セラミックス材料などを用いることができる。共電解の場合、Ｎｉは、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。
　導電性材料は、酸化雰囲気において酸化物の状態（例えば、ＮｉＯ）で存在し、還元雰囲気において金属の状態（例えば、Ｎｉ）で存在する。本実施形態では、電解セル１が還元雰囲気に曝されている場合が想定されている。
　水素極層６は、酸化物イオン伝導性材料を含む。酸化物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、ＬＳＧＭ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。
　本実施形態において、水素極層６は、単一組成によって構成される単層構造であるが、異種組成によって構成される多層構造であってもよい。
　水素極層６の気孔率は特に制限されないが、例えば２０％以上４０％以下とすることができる。水素極層６の気孔率は、上述したガス拡散層５の気孔率と同様、水素極層６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の厚みは特に制限されないが、例えば１μｍ以上５００μｍ以下とすることができる。
　水素極層６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。
　［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の間に挟まれている。
　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のうちガス拡散層５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、本発明に係る「第２電極層」の一例である。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、下記（５）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－・・・（５）
　酸素極層９は、酸化物イオン伝導性及び導電性を有する多孔体である。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性材料（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。
　（ガス拡散層５の平面形状）
　図３は、セル本体部２０のうち水素極層６、電解質層７、反応防止層８、及び酸素極層９を取り除いた状態を示す電解セル１の平面図である。図４は、図３の部分拡大図である。
　図３に示すように、セル本体部２０の第１主面１２の平面視において、ガス拡散層５は、金属支持体１０の複数の連通孔１１を覆っている。本実施形態において、ガス拡散層５の平面形状は全体として矩形であるが、これに限られない。ガス拡散層５の平面形状は、セル本体部２０の平面形状や、複数の連通孔１１が形成された領域の平面形状を考慮して適宜変更可能である。
　図４に示すように、金属支持体１０の複数の連通孔１１は、千鳥格子状に配置されている。これによって、連通孔１１の密度を簡便に向上させることができる。ただし、連通孔１１の配置は適宜変更可能である。
　図４に示すように、第１主面１２の平面視において、ガス拡散層５の外縁５ａは、山部５１と谷部５２とが交互に連続する波形状である。これによって、金属支持体１０とセル本体部２０の熱膨張係数差に起因して金属支持体１０とガス拡散層５の間に応力が発生した場合、外縁５ａにかかる応力を面方向において分散させることができる。また、外縁５ａが直線形状である場合に比べて、外縁５ａの全長を長くすることができる。その結果、外縁５ａにかかる応力を緩和させられるため、ガス拡散層５が金属支持体１０から剥離することを抑制できる。
　なお、本実施形態では、図３に示すように、外縁５ａの全体が波形状であるが、ガス拡散層５の外縁５ａの少なくとも一部が波形状であればよい。この場合であっても、外縁５ａのうち波形状である領域では、上述のとおりガス拡散層５が金属支持体１０から剥離することを抑制できる。従って、外縁５ａの一部は直線状であってもよい。
　本実施形態では、図４に示すように、外縁５ａの山部５１は、連通孔１１から離れる向きに湾曲状に突出しており、外縁５ａの谷部５２は、連通孔１１に近づく向きに湾曲状に窪んでいる。すなわち、外縁５ａは、曲線波形状である。これによって、外縁５ａが直線波形状（のこぎり刃状）である場合に比べて、外縁５ａにかかる応力を面方向により分散できるとともに、外縁５ａの全長をより長くすることができる。その結果、外縁５ａにかかる応力をより緩和させることができるため、ガス拡散層５が金属支持体１０から剥離することをより抑制できる。
　ここで、金属支持体１０には複数の連通孔１１が設けられており、金属支持体１０の面内における熱伝導は各連通孔１１によって断たれるため、金属支持体１０に温度分布が生じやすくなる。また、電解セル１の運転時にはセル本体部２０からの吸発熱が生じる一方で、セル本体部２０への加熱または放熱により熱の授受が発生するため、セル本体部２０の外周部には温度分布が発生しやすい。すなわち、第１主面１２の平面視において、金属支持体１０の複数の連通孔１１のうち最外周に配列された連通孔１１の内側と外側とではより大きな温度分布がつきやすく、結果として熱膨張による伸縮量差が大きく異なりやすい。そのため、最外周に配列された連通孔１１付近では金属支持体１０は等方的に変形しない。従って、ガス拡散層５の外縁５ａのうち最外周に配列された連通孔１１に近い領域には金属支持体１０との間に応力が発生しやすい。なお、最外周に配列された連通孔１１とは、複数の連通孔１１のうち面方向（Ｘ軸方向又はＹ軸方向）において最外端に位置する連通孔１１である。
　そこで、本実施形態では、図４に示すように、第１主面１２の平面視において、最外周に配列された連通孔１１（以下、「最外周連通孔１１ａ」という。）の位置が、谷部５２の位置と一致している。具体的には、谷部５２の谷底点５２ｂに接する第１接線Ｌ１に垂直であって谷底点５２ｂを通る第１垂線Ｍ１は、最外周連通孔１１ａと交差している。そして、山部５１の頂点５１ａに接する第２接線Ｌ２に垂直であって頂点５１ａを通る第２垂線Ｍ２は、最外周連通孔１１ａと交差していない。
　これによって、最外周連通孔１１ａの位置が山部５１の位置と一致している場合に比べて、ガス拡散層５の外縁５ａを最外周連通孔１１ａに近づけることができる。従って、最外周連通孔１１ａ付近における金属支持体１０の変形に起因して外縁５ａにかかる応力を更に緩和させることができる。よって、ガス拡散層５が金属支持体１０から剥離することを更に抑制できる。
　本実施形態では、図４に示すように、第１主面１２の平面視において、最外周連通孔１１ａより一段内側に配列された連通孔１１（以下、「内側連通孔１１ｂ」という。）の位置が、山部５１の位置と一致している。具体的には、山部５１の頂点５１ａを通る第２垂線Ｍ２は、内側連通孔１１ｂと交差している。そして、谷部５２の谷底点５２ｂを通る第１垂線Ｍ１は、内側連通孔１１ｂと交差していない。
　なお、内側連通孔１１ｂの「内側」とは、第２垂線Ｍ２に平行な方向において、最外周連通孔１１ａの位置を基準として外縁５ａの反対側を意味する。
　第１垂線Ｍ１に平行な方向において、最外周連通孔１１ａと谷部５２の谷底点５２ｂとの間隔Ｄ１は、最外周連通孔１１ａと山部５１の頂点５１ａとの間隔Ｄ２より短い。間隔Ｄ１は、第１垂線Ｍ１に平行な方向における最外周連通孔１１ａと谷底点５２ｂとの最短距離である。間隔Ｄ２は、第１垂線Ｍ１に平行な方向における最外周連通孔１１ａと頂点５１ａとの最短距離である。
　第１垂線Ｍ１に平行な方向において、内側連通孔１１ｂと山部５１の頂点５１ａとの間隔Ｄ３は、最外周連通孔１１ａと山部５１の頂点５１ａとの間隔Ｄ２より長い。間隔Ｄ３は、第１垂線Ｍ１に平行な方向における内側連通孔１１ｂと頂点５１ａとの最短距離である。
　間隔Ｄ１の値は特に限られないが、例えば０．２０ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とすることができる。間隔Ｄ２の値は特に限られないが、例えば０．２５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることができる。間隔Ｄ３の値は特に限られないが、例えば０．５０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とすることができる。
　第１接線Ｌ１に平行な方向における頂点５１ａどうしの間隔Ｄ４の値は特に限られないが、例えば０．２０ｍｍ以上５.０ｍｍ以下とすることができる。
　第１接線Ｌ１に平行な方向における谷底点５２ｂどうしの間隔Ｄ５の値は特に限られないが、例えば０．２０ｍｍ以上５.０ｍｍ以下とすることができる。
　（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］
　上記実施形態において、金属支持体１０の各連通孔１１の第１主面１２側の開口は、ガス拡散層５によって覆われることとしたが、これに限られない。ガス拡散層５は、各連通孔１１の第１主面１２側の開口を覆っていなくてもよい。この場合、ガス拡散層５には、各連通孔１１に連なる貫通孔が形成されるので、当該貫通孔を介してより効率的なガスの給排を行うことができる。
　［変形例２］
　上記実施形態において、水素極層６はカソードとして機能し、酸素極層９はアノードとして機能することとしたが、水素極層６と酸素極層９の配置は逆であってもよい。
　［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
５　　　ガス拡散層
５ａ　　外縁
５１　　山部
５１ａ　頂点
５２　　谷部
５２ｂ　谷底点
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
Ｌａ　　第１接線
Ｍａ　　第１垂線
Ｌｂ　　第２接線
Ｍｂ　　第２垂線

Claims (4)

  1. 　主面に形成された複数の連通孔を有する金属支持体と、
    　前記主面上に配置されるセル本体部と、
    を備え、
    　前記セル本体部は、
    　前記主面上に配置される導電性のガス拡散層と、
    　前記ガス拡散層上に配置される第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、
    　前記主面の平面視において、前記ガス拡散層の外縁の少なくとも一部は、山部と谷部とが交互に連続する波形状である、
    電気化学セル。
  2. 　前記主面の平面視において、前記山部は、前記複数の連通孔から離れる向きに湾曲状に突出しており、
    　前記主面の平面視において、前記谷部は、前記複数の連通孔に近づく向きに湾曲状に窪んでいる、
    請求項１に記載の電気化学セル。
  3. 　前記主面の平面視において、前記谷部の谷底点に接する第１接線に垂直であって前記谷底点を通る第１垂線は、前記複数の連通孔のうち面方向において最外端に位置する最外周連通孔と交差し、
    　前記主面の平面視において、前記山部の頂点に接する第２接線に垂直であって前記頂点を通る第２垂線は、前記最外周連通孔と交差しない、
    請求項２に記載の電気化学セル。
  4. 　前記主面の平面視において、前記第２垂線は、前記複数の連通孔のうち前記最外周連通孔より一段内側に配列された内側連通孔と交差する、
    請求項３に記載の電気化学セル。
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