特開2023-148146金属支持型電気化学素子の製造方法、金属支持型電気化学素子、固体酸化物形燃料電池、固体酸化物形電解セル、電気化学モジュール、電気化学装置及びエネルギーシステム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023148146
(43)【公開日】2023-10-13
(54)【発明の名称】金属支持型電気化学素子の製造方法、金属支持型電気化学素子、固体酸化物形燃料電池、固体酸化物形電解セル、電気化学モジュール、電気化学装置及びエネルギーシステム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/1213 20160101AFI20231005BHJP
H01M 8/1226 20160101ALI20231005BHJP
H01M 8/1253 20160101ALI20231005BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20231005BHJP
C25B 1/042 20210101ALI20231005BHJP
C25B 1/23 20210101ALI20231005BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20231005BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20231005BHJP
C25B 13/07 20210101ALI20231005BHJP
C25B 13/04 20210101ALI20231005BHJP
C25B 11/052 20210101ALI20231005BHJP
C25B 11/067 20210101ALI20231005BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20231005BHJP
【ＦＩ】
H01M8/1213
H01M8/1226
H01M8/1253
H01M8/04 Z
C25B1/042
C25B1/23
C25B9/00 A
C25B9/23
C25B13/07
C25B13/04 301
C25B11/052
C25B11/067
H01M8/12 101
H01M8/12 102C
H01M8/12 102A
【審査請求】未請求
【請求項の数】16
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022056022
(22)【出願日】2022-03-30
(71)【出願人】
【識別番号】000000284
【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001818
【氏名又は名称】弁理士法人Ｒ＆Ｃ
(72)【発明者】
【氏名】窪田 亮眞
(72)【発明者】
【氏名】越後 満秋
(72)【発明者】
【氏名】真鍋 享平
(72)【発明者】
【氏名】津田 裕司
(72)【発明者】
【氏名】大西 久男
【テーマコード（参考）】
4K011
4K021
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
4K011AA02
4K011AA24
4K011AA31
4K011BA07
4K011DA01
4K011DA11
4K021AA01
4K021AB25
4K021BA02
4K021DB16
4K021DB18
4K021DB40
4K021DB43
4K021DB53
5H126AA02
5H126BB06
5H126GG02
5H126GG12
5H126HH01
5H126HH04
5H126JJ08
5H127AA07
5H127AB23
5H127BA05
5H127BA13
5H127BA18
5H127BA34
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB19
5H127BB37
5H127EE03
5H127GG04
5H127GG09
(57)【要約】
【課題】強度（信頼性）や耐久性、性能に優れた金属支持型電気化学素子の製造方法を提供する。
【解決手段】少なくとも金属支持体１、電極層２、電解質層４及び対極電極層６を備えた金属支持型電気化学素子Ｅの製造方法であって、金属支持体１の上に電極層２を形成する電極層形成ステップと、電極層２の上に電解質層４を形成する電解質層形成ステップと、電解質層４の上に対極電極層６を形成する対極電極層形成ステップとを有し、電解質層形成ステップと対極電極層形成ステップとの間に、電解質層形成ステップで形成された電解質層４をアニール処理するアニール処理ステップを備える。
【選択図】図１
【解決手段】少なくとも金属支持体１、電極層２、電解質層４及び対極電極層６を備えた金属支持型電気化学素子Ｅの製造方法であって、金属支持体１の上に電極層２を形成する電極層形成ステップと、電極層２の上に電解質層４を形成する電解質層形成ステップと、電解質層４の上に対極電極層６を形成する対極電極層形成ステップとを有し、電解質層形成ステップと対極電極層形成ステップとの間に、電解質層形成ステップで形成された電解質層４をアニール処理するアニール処理ステップを備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも金属支持体、電極層、電解質層及び対極電極層を備えた金属支持型電気化学素子の製造方法であって、
前記金属支持体の上に前記電極層を形成する電極層形成ステップと、
前記電極層の上に前記電解質層を形成する電解質層形成ステップと、
前記電解質層の上に前記対極電極層を形成する対極電極層形成ステップとを有し、
前記電解質層形成ステップと前記対極電極層形成ステップとの間に、前記電解質層形成ステップで形成された前記電解質層をアニール処理するアニール処理ステップを備える、金属支持型電気化学素子の製造方法。
前記金属支持体の上に前記電極層を形成する電極層形成ステップと、
前記電極層の上に前記電解質層を形成する電解質層形成ステップと、
前記電解質層の上に前記対極電極層を形成する対極電極層形成ステップとを有し、
前記電解質層形成ステップと前記対極電極層形成ステップとの間に、前記電解質層形成ステップで形成された前記電解質層をアニール処理するアニール処理ステップを備える、金属支持型電気化学素子の製造方法。
【請求項2】
少なくとも金属支持体、電極層、電解質層、中間層及び対極電極層を備えた金属支持型電気化学素子の製造方法であって、
前記金属支持体の上に前記電極層を形成する電極層形成ステップと、
前記電極層の上に前記電解質層を形成する電解質層形成ステップと、
前記電解質層の上に前記中間層を形成する中間層形成ステップと、
前記中間層の上に前記対極電極層を形成する対極電極層形成ステップとを有し、
前記電解質層形成ステップと前記中間層形成ステップとの間に、前記電解質層形成ステップで形成された前記電解質層をアニール処理するアニール処理ステップを備える、金属支持型電気化学素子の製造方法。
前記金属支持体の上に前記電極層を形成する電極層形成ステップと、
前記電極層の上に前記電解質層を形成する電解質層形成ステップと、
前記電解質層の上に前記中間層を形成する中間層形成ステップと、
前記中間層の上に前記対極電極層を形成する対極電極層形成ステップとを有し、
前記電解質層形成ステップと前記中間層形成ステップとの間に、前記電解質層形成ステップで形成された前記電解質層をアニール処理するアニール処理ステップを備える、金属支持型電気化学素子の製造方法。
【請求項3】
前記中間層は、混合伝導体を含有する請求項２に記載の、金属支持型電気化学素子の製造方法。
【請求項4】
前記アニール処理の処理温度が１１００℃以下である請求項１～３のいずれか一項に記載の、金属支持型電気化学素子の製造方法。
【請求項5】
前記アニール処理の処理温度が２００℃以上である請求項１～４のいずれか一項に記載の、金属支持型電気化学素子の製造方法。
【請求項6】
前記電解質層形成ステップは、スプレーコーティング法によって前記電解質層を形成するステップである請求項１～５のいずれか一項に記載の、金属支持型電気化学素子の製造方法。
【請求項7】
前記電解質層形成ステップは、エアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジション法、パウダージェットデポジション法、パーティクルジェットデポジション法のいずれかによって前記電解質層を形成するステップである請求項１～５のいずれか一項に記載の、金属支持型電気化学素子の製造方法。
【請求項8】
前記電解質層は、安定化ジルコニアを含有する請求項１～７のいずれか一項に記載の、金属支持型電気化学素子の製造方法。
【請求項9】
前記金属支持体は、孔加工を施した金属板である請求項１～８のいずれか一項に記載の、金属支持型電気化学素子の製造方法。
【請求項10】
請求項１～９のいずれか一項に記載の、金属支持型電気化学素子の製造方法を用いて製造される金属支持型電気化学素子。
【請求項11】
請求項１０に記載の金属支持型電気化学素子を備え、前記金属支持型電気化学素子で発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池。
【請求項12】
請求項１０に記載の金属支持型電気化学素子を備え、前記金属支持型電気化学素子で電解反応を生じさせる固体酸化物形電解セル。
【請求項13】
請求項１０に記載の金属支持型電気化学素子が複数集合した状態で配置される電気化学モジュール。
【請求項14】
請求項１０に記載の金属支持型電気化学素子又は請求項１３に記載の電気化学モジュールと、前記金属支持型電気化学素子又は前記電気化学モジュールに供給する還元性成分を生成する、或いは、前記金属支持型電気化学素子又は前記電気化学モジュールで生成する還元性成分を含有するガスを変換する燃料変換器と、を少なくとも有する電気化学装置。
【請求項15】
請求項１０に記載の金属支持型電気化学素子又は請求項１３に記載の電気化学モジュールと、前記金属支持型電気化学素子又は前記電気化学モジュールから電力を取り出す、或いは、前記金属支持型電気化学素子又は前記電気化学モジュールに電力を流通する電力変換器と、を少なくとも有する電気化学装置。
【請求項16】
請求項１４又は１５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、を少なくとも有するエネルギーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、金属支持型電気化学素子の製造方法、この製造方法によって製造される金属支持型電気化学素子、並びに金属支持型電気化学素子を備えた固体酸化物形燃料電池、固体酸化物形電解セル、電気化学モジュール、電気化学装置及びエネルギーシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来の金属支持型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の製造方法としては、例えば、非特許文献１に開示された方法が知られている。
【0003】
非特許文献１に開示された方法は、まず、Ｆｅ－Ｃｒ系合金粉末を焼結して得た多孔質金属支持体の上にアノード電極層を焼成して形成する。ついで、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）を用いて加熱することなく、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなる電解質層をアノード電極層の上に形成する。その後、当該電解質層の上にカソード電極層を焼成して形成する方法である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Jong-Jin Choi and Dong-Soo Park, “Preparation of Metal-supported SOFC using Low Temperature Ceramic Coating Process”, Proceedings of 11th European SOFC & SOE Forum, A1502, Chapter 09 - Session B15 - 14/117- 20/117 (1-4 July 2014)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記非特許文献１記載の方法では、電解質層の上に形成される層の電解質層に対する密着強度が不足し、電気化学素子の強度（信頼性）や耐久性を確保することが難しかった。
【0006】
本発明は上記実情に鑑みなされたものであり、強度（信頼性）や耐久性、性能に優れた金属支持型電気化学素子の製造方法、当該方法により製造された金属支持型電気化学素子、この金属支持型電気化学素子を備えた固体酸化物形燃料電池、固体酸化物形電解セル、電気化学モジュール、電気化学装置及びエネルギーシステムの提供を、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するための本発明に係る金属支持型電気化学素子の製造方法の特徴構成は、
少なくとも金属支持体、電極層、電解質層及び対極電極層を備えた金属支持型電気化学素子の製造方法であって、
前記金属支持体の上に前記電極層を形成する電極層形成ステップと、
前記電極層の上に前記電解質層を形成する電解質層形成ステップと、
前記電解質層の上に前記対極電極層を形成する対極電極層形成ステップとを有し、
前記電解質層形成ステップと前記対極電極層形成ステップとの間に、前記電解質層形成ステップで形成された前記電解質層をアニール処理するアニール処理ステップを備える点にある。
少なくとも金属支持体、電極層、電解質層及び対極電極層を備えた金属支持型電気化学素子の製造方法であって、
前記金属支持体の上に前記電極層を形成する電極層形成ステップと、
前記電極層の上に前記電解質層を形成する電解質層形成ステップと、
前記電解質層の上に前記対極電極層を形成する対極電極層形成ステップとを有し、
前記電解質層形成ステップと前記対極電極層形成ステップとの間に、前記電解質層形成ステップで形成された前記電解質層をアニール処理するアニール処理ステップを備える点にある。
【0008】
上記特徴構成によれば、電解質層を形成した後、この形成した電解質層に対してアニール処理を施し、このアニール処理済みの電解質層の上に対極電極層を形成できる。形成した電解質層にアニール処理を施すことにより、電解質層の表面状態（例えば、撥水性など）が改良され、電解質層の表面と対極電極層の成分とが馴染みやすくなる。したがって、電解質層とこの上に形成する対極電極層との密着強度が向上し、強度（信頼性）や耐久性、性能に優れた金属支持型電気化学素子を製造できる。
【0009】
また、上記目的を達成するための本発明の別の金属支持型電気化学素子の製造方法の特徴構成は、
少なくとも金属支持体、電極層、電解質層、中間層及び対極電極層を備えた金属支持型電気化学素子の製造方法であって、
前記金属支持体の上に前記電極層を形成する電極層形成ステップと、
前記電極層の上に前記電解質層を形成する電解質層形成ステップと、
前記電解質層の上に前記中間層を形成する中間層形成ステップと、
前記中間層の上に前記対極電極層を形成する対極電極層形成ステップとを有し、
前記電解質層形成ステップと前記中間層形成ステップとの間に、前記電解質層形成ステップで形成された前記電解質層をアニール処理するアニール処理ステップを備える点にある。
少なくとも金属支持体、電極層、電解質層、中間層及び対極電極層を備えた金属支持型電気化学素子の製造方法であって、
前記金属支持体の上に前記電極層を形成する電極層形成ステップと、
前記電極層の上に前記電解質層を形成する電解質層形成ステップと、
前記電解質層の上に前記中間層を形成する中間層形成ステップと、
前記中間層の上に前記対極電極層を形成する対極電極層形成ステップとを有し、
前記電解質層形成ステップと前記中間層形成ステップとの間に、前記電解質層形成ステップで形成された前記電解質層をアニール処理するアニール処理ステップを備える点にある。
【0010】
上記特徴構成によれば、電解質層を形成した後、この形成した電解質層に対してアニール処理を施し、このアニール処理済みの電解質層の上に中間層を形成できる。形成した電解質層にアニール処理を施すことにより、電解質層の表面状態（例えば、撥水性など）が改良され、電解質層の表面と中間層の成分とが馴染みやすくなる。したがって、電解質層とこの上に形成する中間層との密着強度が向上し、強度（信頼性）や耐久性、性能に優れた金属支持型電気化学素子を製造できる。
【0011】
本発明に係る金属支持型電気化学素子の製造方法の更なる特徴構成は、
前記中間層は、混合伝導体を含有する点にある。
前記中間層は、混合伝導体を含有する点にある。
【0012】
上記特徴構成によれば、中間層が混合伝導体を含むため、高い電気化学性能を発揮可能な金属支持型電気化学素子を実現できる。
【0013】
本発明に係る金属支持型電気化学素子の製造方法の更なる特徴構成は、
前記アニール処理の処理温度が１１００℃以下である点にある。
前記アニール処理の処理温度が１１００℃以下である点にある。
【0014】
アニール処理の処理温度が高すぎると金属支持体が損傷する可能性がある。しかしながら、上記特徴構成によれば、アニール処理による金属支持体の損傷を抑制できる。
【0015】
本発明に係る金属支持型電気化学素子の製造方法の更なる特徴構成は、
前記アニール処理の処理温度が２００℃以上である点にある。
前記アニール処理の処理温度が２００℃以上である点にある。
【0016】
アニール処理の処理温度が低すぎると、電解質層の表面状態の改良が十分に進まず、電解質層の表面とこの上に形成する層の成分との馴染み易さが十分に得られない虞がある。しかしながら、上記特徴構成によれば、形成した電解質層の表面状態を十分に改良できるため、電解質層とこの上に形成する層との密着強度を十分に向上でき、強度（信頼性）や耐久性、性能に優れた金属支持型電気化学素子を製造できる。
【0017】
本発明に係る金属支持型電気化学素子の製造方法の更なる特徴構成は、
前記電解質層形成ステップは、スプレーコーティング法によって前記電解質層を形成するステップである点にある。
前記電解質層形成ステップは、スプレーコーティング法によって前記電解質層を形成するステップである点にある。
【0018】
上記特徴構成によれば、金属支持体が損傷し得るような高温域（例えば、１１００℃より高い温度域）での処理を要しないスプレーコーティング法によって電解質層を形成でき、電解質層形成時における金属支持体の損傷を抑制できる。また、スプレーコーティング法によって形成された電解質層では、前記アニール処理による表面状態の改良の効果が大きく得られる。
【0019】
本発明に係る金属支持型電気化学素子の製造方法の更なる特徴構成は、
前記電解質層形成ステップは、エアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジション法、パウダージェットデポジション法、パーティクルジェットデポジション法のいずれかによって前記電解質層を形成するステップである点にある。
前記電解質層形成ステップは、エアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジション法、パウダージェットデポジション法、パーティクルジェットデポジション法のいずれかによって前記電解質層を形成するステップである点にある。
【0020】
上記特徴構成によれば、金属支持体が損傷し得るような高温域（例えば、１１００℃より高い温度域）での処理を要しないエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジション法、パウダージェットデポジション法、パーティクルジェットデポジション法のいずれかによって電解質層を形成でき、電解質層形成時における金属支持体の損傷を抑制できる。また、上記のいずれかの方法によって形成された電解質層では、前記アニール処理による表面状態の改良の効果が大きく得られる。とりわけ、上記のいずれかの方法によって室温で形成された電解質層では、前記アニール処理による表面状態の改良の効果が大きく得られる。
【0021】
本発明に係る金属支持型電気化学素子の製造方法の更なる特徴構成は、
前記電解質層は、安定化ジルコニアを含有する点にある。
前記電解質層は、安定化ジルコニアを含有する点にある。
【0022】
上記特徴構成によれば、電解質層が安定化ジルコニアを含むため、例えば、６００℃以上、好ましくは６５０℃以上の比較的高い温度域でも高い電気化学性能を発揮可能な金属支持型電気化学素子を実現できる。
【0023】
本発明に係る金属支持型電気化学素子の製造方法の更なる特徴構成は、
前記金属支持体は、孔加工を施した金属板である点にある。
前記金属支持体は、孔加工を施した金属板である点にある。
【0024】
上記特徴構成によれば、金属支持体が孔加工を施した金属板であるため、金属粉末を焼結して得た多孔質金属支持体などと比較して強度面で有利である。
【0025】
上記目的を達成するための本発明に係る金属支持型電気化学素子の特徴構成は、
上記の金属支持型電気化学素子の製造方法を用いて製造される点にある。
上記の金属支持型電気化学素子の製造方法を用いて製造される点にある。
【0026】
上記特徴構成によれば、金属支持型電気化学素子が、電解質層とこの上に形成する層（対極電極層や中間層）との密着強度が向上し、強度（信頼性）や耐久性、性能に優れたものとなる。
【0027】
上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、
上記金属支持型電気化学素子を備え、前記金属支持型電気化学素子で発電反応を生じさせる点にある。
上記金属支持型電気化学素子を備え、前記金属支持型電気化学素子で発電反応を生じさせる点にある。
【0028】
上記特徴構成によれば、強度（信頼性）や耐久性、性能に優れた金属支持型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、高信頼性・高耐久性・高性能な固体酸化物形燃料電池を得ることができる。
【0029】
上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物形電解セルの特徴構成は、
上記金属支持型電気化学素子を備え、前記金属支持型電気化学素子で電解反応を生じさせる点にある。
上記金属支持型電気化学素子を備え、前記金属支持型電気化学素子で電解反応を生じさせる点にある。
【0030】
上記特徴構成によれば、強度（信頼性）や耐久性、性能に優れた金属支持型電気化学素子を備えた固体酸化物形電解セルとして電解反応によるガスの生成を行うことができるので、高信頼性・高耐久性・高性能な固体酸化物形電解セルを得ることができる。
【0031】
上記目的を達成するための本発明に係る電気化学モジュールの特徴構成は、
上記金属支持型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。
上記金属支持型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。
【0032】
上記特徴構成によれば、金属支持型電気化学素子が複数集合した状態で配置されることで、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が実現できる。そして、例えば、電気化学モジュールを燃料電池として動作させる場合には、大きな発電出力を得ることも可能となる。
【0033】
上記目的を達成するための本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、
上記金属支持型電気化学素子又は上記電気化学モジュールと、前記金属支持型電気化学素子又は前記電気化学モジュールに供給する還元性成分を生成する、或いは、前記金属支持型電気化学素子又は前記電気化学モジュールで生成する還元性成分を含有するガスを変換する燃料変換器と、を少なくとも有する点にある。
上記金属支持型電気化学素子又は上記電気化学モジュールと、前記金属支持型電気化学素子又は前記電気化学モジュールに供給する還元性成分を生成する、或いは、前記金属支持型電気化学素子又は前記電気化学モジュールで生成する還元性成分を含有するガスを変換する燃料変換器と、を少なくとも有する点にある。
【0034】
上記特徴構成によれば、金属支持型電気化学素子又は電気化学モジュールを燃料電池として動作させる場合、都市ガス等の既存の原燃料供給インフラを用いて供給される天然ガス等を基に、改質器などの燃料変換器により水素を生成するように構成でき、耐久性・信頼性及び性能に優れた金属支持型電気化学素子又は電気化学モジュールを備えた電気化学装置を実現できる。また、電気化学モジュールから流通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できる。
一方、金属支持型電気化学素子又は電気化学モジュールを電解セルとして動作させる場合は、電極層に水蒸気や二酸化炭素を含有するガスが流通され、電極層と対極電極層との間に電圧が印加される。そうすると、電極層において電子ｅ－と水Ｈ２Ｏや二酸化炭素分子ＣＯ２が反応して、水素Ｈ２や一酸化炭素ＣＯと酸素イオンＯ２－となる。発生した酸素イオンＯ２－は、電解質層を通って対極電極層へ移動する。そして、対極電極層において、酸素イオンＯ２－が電子を放出して酸素Ｏ２となる。以上の反応により、水蒸気を含有するガスが流通する場合には、水Ｈ２Ｏが水素Ｈ２と酸素Ｏ２とに分解され、二酸化炭素分子ＣＯ２を含有するガスが流通する場合には、一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ２とに電気分解される。
したがって、水蒸気と二酸化炭素分子ＣＯ２とを含有するガスが流通される場合は、上記電気分解により金属支持型電気化学素子又は電気化学モジュールで生成した水素及び一酸化炭素等から炭化水素などの種々の化合物を合成する燃料変換器を設けることができる。これにより、燃料変換器が生成した炭化水素等を金属支持型電気化学素子又は電気化学モジュールに流通する、或いは本システム・装置外に取り出して別途燃料や化学原料として利用することが可能となる。
一方、金属支持型電気化学素子又は電気化学モジュールを電解セルとして動作させる場合は、電極層に水蒸気や二酸化炭素を含有するガスが流通され、電極層と対極電極層との間に電圧が印加される。そうすると、電極層において電子ｅ－と水Ｈ２Ｏや二酸化炭素分子ＣＯ２が反応して、水素Ｈ２や一酸化炭素ＣＯと酸素イオンＯ２－となる。発生した酸素イオンＯ２－は、電解質層を通って対極電極層へ移動する。そして、対極電極層において、酸素イオンＯ２－が電子を放出して酸素Ｏ２となる。以上の反応により、水蒸気を含有するガスが流通する場合には、水Ｈ２Ｏが水素Ｈ２と酸素Ｏ２とに分解され、二酸化炭素分子ＣＯ２を含有するガスが流通する場合には、一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ２とに電気分解される。
したがって、水蒸気と二酸化炭素分子ＣＯ２とを含有するガスが流通される場合は、上記電気分解により金属支持型電気化学素子又は電気化学モジュールで生成した水素及び一酸化炭素等から炭化水素などの種々の化合物を合成する燃料変換器を設けることができる。これにより、燃料変換器が生成した炭化水素等を金属支持型電気化学素子又は電気化学モジュールに流通する、或いは本システム・装置外に取り出して別途燃料や化学原料として利用することが可能となる。
【0035】
上記目的を達成するための本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、
上記金属支持型電気化学素子又は上記電気化学モジュールと、前記金属支持型電気化学素子又は前記電気化学モジュールから電力を取り出す、或いは、前記金属支持型電気化学素子又は前記電気化学モジュールに電力を流通する電力変換器と、を少なくとも有する点にある。
上記金属支持型電気化学素子又は上記電気化学モジュールと、前記金属支持型電気化学素子又は前記電気化学モジュールから電力を取り出す、或いは、前記金属支持型電気化学素子又は前記電気化学モジュールに電力を流通する電力変換器と、を少なくとも有する点にある。
【0036】
上記特徴構成によれば、電力変換器は、金属支持型電気化学素子又は電気化学モジュールが発電した電力を取り出し、或いは、金属支持型電気化学素子又は電気化学モジュールに電力を流通することができる。これにより、上記のように金属支持型電気化学素子又は電気化学モジュールは、燃料電池として作用し、或いは、電解セルとして作用する。したがって、上記特徴構成によれば、燃料等の化学的エネルギーを電気エネルギーに変換する、或いは、電気エネルギーを燃料等の化学的エネルギーに変換する効率が向上した電気化学装置を実現できる。尚、例えば、電力変換器としてインバータを用いる場合、燃料電池として動作させる際は、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、金属支持型電気化学素子又は電気化学モジュールで得られる電気出力を利用しやすくなるので好ましい。また、電解セルとして動作させる際は、交流電源から直流を得て、金属支持型電気化学素子又は電気化学モジュールへ直流の電力供給できる電気化学装置を構築できるので好ましい。
【0037】
上記目的を達成するための本発明に係るエネルギーシステムの特徴構成は、
上記電気化学装置と、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、を少なくとも有する点にある。
上記電気化学装置と、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、を少なくとも有する点にある。
【0038】
上記特徴構成によれば、耐久性・信頼性及び性能に優れ、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できる。また、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ドシステムを実現することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】一実施形態に係る金属支持型電気化学素子の概略構成を示す図である。
【図2】一実施形態に係る電気化学モジュールの概略構成を示す図である。
【図3】一実施形態に係る電気化学装置及びエネルギーシステムの概略構成を示す図である。
【図4】引張強度試験の結果を示すグラフである。
【図5】別実施形態に係る金属支持型電気化学素子の概略構成を示す図である。
【図6】別実施形態に係る電気化学装置及びエネルギーシステムの概略構成を示す図である。
【図7】別実施形態に係る電気化学モジュールの概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0040】
以下、実施形態に係る金属支持型電気化学素子Ｅ、金属支持型電気化学素子Ｅの製造方法、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）、電気化学モジュールＭ、電気化学装置Ｙ及びエネルギーシステムＺについて説明する。本実施形態において、金属支持型電気化学素子Ｅは、水素を含む燃料ガスと空気（酸化剤ガス）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る。尚、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」又は「上側」、電極層２の側を「下」又は「下側」という場合がある。また、金属支持体１における電極層２が形成されている側の面を「表側の面」、反対側の面を「裏側の面」という場合がある。
【0041】
（金属支持型電気化学素子）
図１に示すように、金属支持型電気化学素子Ｅは、金属支持体１と、電極層２と、電極層２の上に形成された緩衝層３と、緩衝層３の上に形成された電解質層４と、電解質層４の上に形成された中間層５と、中間層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、中間層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。
図１に示すように、金属支持型電気化学素子Ｅは、金属支持体１と、電極層２と、電極層２の上に形成された緩衝層３と、緩衝層３の上に形成された電解質層４と、電解質層４の上に形成された中間層５と、中間層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、中間層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。
【0042】
（金属支持体）
金属支持体１は、電極層２、緩衝層３、電解質層４、中間層５及び対極電極層６を支持して金属支持型電気化学素子Ｅの強度を保つ。つまり、金属支持体１は、電気化学素子の構成要素を支持する支持体としての役割を担う。
金属支持体１は、電極層２、緩衝層３、電解質層４、中間層５及び対極電極層６を支持して金属支持型電気化学素子Ｅの強度を保つ。つまり、金属支持体１は、電気化学素子の構成要素を支持する支持体としての役割を担う。
【0043】
金属支持体１の材料としては、電子伝導性、耐熱性、耐酸化性及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及び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。
尚、金属支持体１がフェライト系ステンレス材から構成されると、安価で強度が高い金属支持型電気化学素子を実現できるので好ましい。
尚、金属支持体１がフェライト系ステンレス材から構成されると、安価で強度が高い金属支持型電気化学素子を実現できるので好ましい。
【0044】
金属支持体１は全体として板状である。金属支持体１は、支持体として金属支持型電気化学素子Ｅを形成するのに充分な強度を有すれば良く、その厚さは、強度を確保するという観点で、例えば、０．１ｍｍ以上であると好ましく、０．１５ｍｍ以上であるとより好ましく、０．２ｍｍ以上であると更に好ましい。また、その厚さは、コストを抑制するという観点で、例えば、２ｍｍ以下であると好ましく、１ｍｍ以下であるとより好ましく、０．５ｍｍ以下であると更に好ましい。そして、金属支持体１は、電極層２が設けられる面（表側の面）から裏側の面へ貫通する複数の貫通孔１ａを有する。本実施形態において、金属支持体１は、金属板の表側の面と裏側の面とを貫通するように、パンチング加工やエッチング加工、レーザー加工などの、機械的、化学的あるいは光学的穿孔加工（孔加工）などにより、複数の貫通孔１ａを設けた金属板である。これにより、金属支持体１の裏側の面から電極層２側への燃料ガス及び空気の供給をスムーズにできるので高性能な金属支持型電気化学素子を実現できる。
尚、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。
尚、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。
【0045】
金属支持体１の表面には、拡散抑制層としての金属酸化物層１ｂが設けられる。即ち、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１ｂ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）及び貫通孔１ａの内側の面にも設けられる。この金属酸化物層１ｂ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１ｂ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１ｂが抑制する。金属酸化物層１ｂ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。例えば、サブミクロンオーダーであることが好ましく、具体的には、平均的な厚さが０．３μｍ以上０．７μｍ以下程度であることがより好ましい。また、最小厚さは約０．１μｍ以上であることがより好ましい。また、最大厚さが約１．１μｍ以下であることが好ましい。
【0046】
尚、金属酸化物層１ｂは、種々の手法により形成され得るが、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１ｂをスパッタリング法やＰＬＤ法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スプレーコーティング法（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ション法、パウダージェットデポジション法、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）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１ｂは導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。
【0047】
（電極層）
電極層２は、図１に示すように、金属支持体１の貫通孔１ａが形成された領域を覆うように金属支持体１の表面に薄層の状態で設けることができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ～５０μｍとすることができる。このような厚さにすると、高価な電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。また、金属支持体１における貫通孔１ａが設けられた領域は、その全体が電極層２に覆われている。つまり、貫通孔１ａ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、全ての貫通孔１ａは、電極層２に面して設けられている。
電極層２は、図１に示すように、金属支持体１の貫通孔１ａが形成された領域を覆うように金属支持体１の表面に薄層の状態で設けることができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ～５０μｍとすることができる。このような厚さにすると、高価な電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。また、金属支持体１における貫通孔１ａが設けられた領域は、その全体が電極層２に覆われている。つまり、貫通孔１ａ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、全ての貫通孔１ａは、電極層２に面して設けられている。
【0048】
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。
【0049】
尚、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ション法、パウダージェットデポジション法、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との元素拡散を抑制することができ、耐久性に優れた金属支持型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。
【0050】
電極層２は、気体透過性を持たせるため、その内部及び表面に複数の細孔を有する。即ち、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。尚、緻密度とは、層を構成する材料の空間に占める割合であって、（１－気孔率）と表すことができ、また、相対密度と同等である。
【0051】
（緩衝層）
緩衝層３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。緩衝層３は、多孔質である電極層２の上に緻密な電解質層４を形成するために、両者を連続的に接続させ、金属支持型電気化学素子Ｅの製造時や運転時にかかる各種の応力を緩和する緩衝効果を有する層として、両者の間に配置される。そのため、緩衝層３は、あえて緻密度が電解質層４に比べて小さくなるように形成される。また、緩衝層３は、あえて緻密度が電極層２に比べて大きくなるように形成される。これによって緩衝層３は、金属支持体１上に多孔質な電極層２と緻密な電解質層４が形成された場合であっても、各層間で、各種の応力を吸収・緩和して、金属支持型電気化学素子Ｅの性能・信頼性・安定性を高める効果をも有する。尚、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、高価な緩衝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。
緩衝層３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。緩衝層３は、多孔質である電極層２の上に緻密な電解質層４を形成するために、両者を連続的に接続させ、金属支持型電気化学素子Ｅの製造時や運転時にかかる各種の応力を緩和する緩衝効果を有する層として、両者の間に配置される。そのため、緩衝層３は、あえて緻密度が電解質層４に比べて小さくなるように形成される。また、緩衝層３は、あえて緻密度が電極層２に比べて大きくなるように形成される。これによって緩衝層３は、金属支持体１上に多孔質な電極層２と緻密な電解質層４が形成された場合であっても、各層間で、各種の応力を吸収・緩和して、金属支持型電気化学素子Ｅの性能・信頼性・安定性を高める効果をも有する。尚、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、高価な緩衝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。
【0052】
緩衝層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（ガドリニウム・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。
【0053】
緩衝層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ション法、パウダージェットデポジション法、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緩衝層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、耐久性に優れた金属支持型電気化学素子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。
【0054】
尚、本実施形態において、緩衝層３は、酸素イオン（酸化物イオン）伝導体であると好ましく、酸素イオン（酸化物イオン）及び電子の双方の伝導性を有する混合伝導体であると更に好ましい。このような性質を有する緩衝層３は、金属支持型電気化学素子Ｅへの適用に適している。
【0055】
（電解質層）
電解質層４は、図１に示すように、緩衝層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。本実施形態において、電解質層４は、緩衝層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、金属支持型電気化学素子Ｅを全体として堅牢性に優れたものとすることができる。
電解質層４は、図１に示すように、緩衝層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。本実施形態において、電解質層４は、緩衝層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、金属支持型電気化学素子Ｅを全体として堅牢性に優れたものとすることができる。
【0056】
また、電解質層４は、金属支持体１の表側の面であって貫通孔１ａが設けられた領域よりも大きな領域に設けられる。つまり、貫通孔１ａ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。これにより、電解質層４の周囲において、電極層２及び緩衝層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、金属支持型電気化学素子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の裏側から貫通孔１ａ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。尚、本実施形態では、電解質層４によって電極層２の周囲を全て覆っているが、電極層２及び緩衝層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。
【0057】
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（ガドリニウム・ドープ・セリア）、ＹＤＣ（イットリウム・ドープ・セリア）、ＳＤＣ（サマリウム・ドープ・セリア）、ＬＳＧＭ（ストロンチウム・マグネシウム添加ランタンガレート）等の酸素イオンを伝導する電解質材料や、ペロブスカイト型酸化物等の水素イオンを伝導する電解質材料を用いることができる。特に、ジルコニア系のセラミックスが好適に用いられる。電解質層４をジルコニア系セラミックスとすると、金属支持型電気化学素子Ｅを用いたＳＯＦＣの稼働温度をセリア系セラミックスや種々の水素イオン伝導性材料に比べて高くすることができる。例えば、本実施形態のように、金属支持型電気化学素子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。尚、本実施形態において、電解質層４は安定化ジルコニアを含有している。
【0058】
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ション法、パウダージェットデポジション法、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、緻密で気密性及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との元素拡散を抑制することができ、性能・耐久性に優れた金属支持型電気化学素子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、緻密で気密性及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。
【0059】
本実施形態において、電解質層４は、エアロゾルデポジション法によって形成された後、アニール処理が施され、表面状態が改良された状態で、後述する中間層５が形成されている。したがって、電解質層４と中間層５との密着強度がアニール処理を施していないものと比較して格段に向上している。
【0060】
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、且つ、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、緻密で気密性及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。
【0061】
（中間層）
中間層５は、アニール処理が施された電解質層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５は、アニール処理が施された電解質層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。
【0062】
本実施形態において、中間層５は反応防止層として機能する。このため、中間層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、中間層５の材料として、Ｓｍ、Ｇｄ及び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。尚、Ｓｍ、Ｇｄ及び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。中間層５を反応防止層として電解質層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、金属支持型電気化学素子Ｅの性能の長期安定性を向上できる。
【0063】
中間層５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）及び電子の双方の伝導性を有する混合伝導体であると更に好ましい。このような性質を有する中間層５は、金属支持型電気化学素子Ｅへの適用に適している。
【0064】
中間層５の形成は、１１００℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、金属支持体１の損傷を抑制し、また、金属支持体１と電極層２との元素拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた金属支持型電気化学素子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ション法、パウダージェットデポジション法、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上に、アニール処理によって表面状態が改良された電解質層４の上に高い密着強度で中間層５を形成できるので更に好ましい。
【0065】
（対極電極層）
対極電極層６は、中間層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は、中間層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。
【0066】
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、セリア系酸化物及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及び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。
【0067】
尚、対極電極層６の形成は、１１００℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、金属支持体１の損傷を抑制し、また、金属支持体１と電極層２との元素拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた金属支持型電気化学素子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ション法、パウダージェットデポジション法、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上に、高い密着強度で対極電極層６を形成できるので更に好ましい。
【0068】
（金属支持型電気化学素子の製造方法）
次に、金属支持型電気化学素子Ｅの製造方法について説明する。本実施形態に係る金属支持型電気化学素子Ｅの製造方法は、電極層形成ステップ、電解質層形成ステップ、アニール処理ステップ、中間層形成ステップ及び対極電極層形成ステップを含み、更に、電極層形成ステップと電解質層形成ステップとの間に緩衝層形成ステップを含む。
次に、金属支持型電気化学素子Ｅの製造方法について説明する。本実施形態に係る金属支持型電気化学素子Ｅの製造方法は、電極層形成ステップ、電解質層形成ステップ、アニール処理ステップ、中間層形成ステップ及び対極電極層形成ステップを含み、更に、電極層形成ステップと電解質層形成ステップとの間に緩衝層形成ステップを含む。
【0069】
（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上に電極層２が薄膜の状態で形成される。電極層２の形成は、上述した成膜方法を用いることができるが、金属支持体１の劣化を抑制すべく、１１００℃以下の低温域で使用可能な成膜方法を用いることが好ましい。
電極層形成ステップでは、金属支持体１上に電極層２が薄膜の状態で形成される。電極層２の形成は、上述した成膜方法を用いることができるが、金属支持体１の劣化を抑制すべく、１１００℃以下の低温域で使用可能な成膜方法を用いることが好ましい。
【0070】
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；ゴム型等方圧加圧）成形などにより行うことができる。また、電極層２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。
尚、本実施形態では、電極層２を形成した後、緩衝層３を形成するため、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緩衝層平滑化工程や緩衝層焼成工程に含めてもよい。また、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。
尚、本実施形態では、電極層２を形成した後、緩衝層３を形成するため、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緩衝層平滑化工程や緩衝層焼成工程に含めてもよい。また、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。
【0071】
また、本実施形態において、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１ｂ（拡散抑制層）が形成される。つまり、本実施形態では、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を含んでいる。これにより、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１ｂが形成される。尚、電解質層形成ステップを焼成を行わない方法で行う場合を含め、別途、拡散抑制層を形成する工程を行うようにしてもよい。
【0072】
（緩衝層形成ステップ）
緩衝層形成ステップでは、電極層２を覆う形態で、電極層２の上に緩衝層３が薄層の状態で形成される。緩衝層３の形成は、上述した成膜方法を用いることができるが、金属支持体１の劣化を抑制すべく、１１００℃以下の低温域で使用可能な成膜方法を用いることが好ましい。
緩衝層形成ステップでは、電極層２を覆う形態で、電極層２の上に緩衝層３が薄層の状態で形成される。緩衝層３の形成は、上述した成膜方法を用いることができるが、金属支持体１の劣化を抑制すべく、１１００℃以下の低温域で使用可能な成膜方法を用いることが好ましい。
【0073】
緩衝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、緩衝層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製し、電極層２の表側の面に塗布する。そして緩衝層３を圧縮成形し（緩衝層平滑化工程）、１１００℃以下で焼成する（緩衝層焼成工程）。緩衝層３の圧縮成形は、例えば、ＣＩＰ成形、ロール加圧成形、ＲＩＰ成形などにより行うことができる。また、緩衝層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、強度の高い緩衝層３を形成できるためである。また、緩衝層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、緩衝層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、金属支持型電気化学素子Ｅを形成できるからである。尚、緩衝層平滑化工程と緩衝層焼成工程の順序を入れ替えることもできる。また、緩衝層平滑化工程は、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。
【0074】
（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及び緩衝層３を覆った状態で、電解質層４が緩衝層３の上に薄層の状態で形成される。電解質層４の形成は、上述した低温域で使用可能な成膜方法を用いることができるが、スプレーコーティング法を用いることが好ましい。特に、緻密で気密性及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上では、エアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジション法、パウダージェットデポジション法、パーティクルジェットデポジション法のいずれかを用いることがより好ましい。本実施形態では、エアロゾルデポジション法を用いて電解質層４を形成する。具体的には、エアロゾル化した電解質層４の材料粉末（本実施形態ではＹＳＺやＳＳＺなどの安定化ジルコニアの微粉末）を金属支持体１上の緩衝層３に向けて噴射し、室温で電解質層４を形成する。
電解質層形成ステップでは、電極層２及び緩衝層３を覆った状態で、電解質層４が緩衝層３の上に薄層の状態で形成される。電解質層４の形成は、上述した低温域で使用可能な成膜方法を用いることができるが、スプレーコーティング法を用いることが好ましい。特に、緻密で気密性及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上では、エアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジション法、パウダージェットデポジション法、パーティクルジェットデポジション法のいずれかを用いることがより好ましい。本実施形態では、エアロゾルデポジション法を用いて電解質層４を形成する。具体的には、エアロゾル化した電解質層４の材料粉末（本実施形態ではＹＳＺやＳＳＺなどの安定化ジルコニアの微粉末）を金属支持体１上の緩衝層３に向けて噴射し、室温で電解質層４を形成する。
【0075】
（アニール処理ステップ）
アニール処理ステップでは、電解質層形成ステップで形成され、焼成等の処理が施される前の電解質層４に対して、所定の処理温度でアニール処理が施される。これにより、エアロゾルデポジション法などのスプレーコーティング法によって形成された電解質層４の表面状態が改良されるため、後述する中間層形成ステップにおいて、アニール処理を施した電解質層４上に中間層５を形成することで、電解質層４と中間層５との密着強度が向上する。
アニール処理ステップでは、電解質層形成ステップで形成され、焼成等の処理が施される前の電解質層４に対して、所定の処理温度でアニール処理が施される。これにより、エアロゾルデポジション法などのスプレーコーティング法によって形成された電解質層４の表面状態が改良されるため、後述する中間層形成ステップにおいて、アニール処理を施した電解質層４上に中間層５を形成することで、電解質層４と中間層５との密着強度が向上する。
【0076】
また、電解質層４と中間層５との密着強度は、アニール処理の処理温度が高いほど向上するが、２００℃未満では電解質層４の表面状態の改良効果が不十分となって、電解質層４と中間層５との密着強度が不十分になり易く、ある程度大きな密着強度を得るためには、アニール処理の処理温度が少なくとも２００℃以上であることが好ましく、５００℃以上であることがより好ましい。一方、アニール処理の処理温度が高すぎると、金属支持体１が損傷する可能性があるため、処理温度は１１００℃以下であることが好ましい。尚、本実施形態では、アニール処理の処理温度を２００℃、６００℃、１０００℃とした。
【0077】
（中間層形成ステップ）
中間層形成ステップでは、アニール処理が施された電解質層４の上に中間層５が薄層の状態で形成される。中間層５の形成は、上述した成膜方法を用いることができるが、金属支持体１の劣化を抑制すべく、１１００℃以下の低温域で使用可能な成膜方法を用いることが好ましい。
中間層形成ステップでは、アニール処理が施された電解質層４の上に中間層５が薄層の状態で形成される。中間層５の形成は、上述した成膜方法を用いることができるが、金属支持体１の劣化を抑制すべく、１１００℃以下の低温域で使用可能な成膜方法を用いることが好ましい。
【0078】
（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が中間層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、上述した成膜方法を用いることができるが、金属支持体１の劣化を抑制すべく、１１００℃以下の低温域で使用可能な成膜方法を用いることが好ましい。
対極電極層形成ステップでは、対極電極層６が中間層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、上述した成膜方法を用いることができるが、金属支持体１の劣化を抑制すべく、１１００℃以下の低温域で使用可能な成膜方法を用いることが好ましい。
【0079】
以上のようにして、電解質層４とこの上に形成する中間層５との密着強度が向上し、強度（信頼性）や耐久性、性能に優れた金属支持型電気化学素子を製造できる。
【0080】
（固体酸化物形燃料電池）
金属支持型電気化学素子Ｅを上記のような構成とすることで、当該金属支持型電気化学素子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。つまり、金属支持型電気化学素子Ｅで発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池を実現できる。
金属支持型電気化学素子Ｅを上記のような構成とすることで、当該金属支持型電気化学素子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。つまり、金属支持型電気化学素子Ｅで発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池を実現できる。
【0081】
例えば、金属支持体１の裏側の面から貫通孔１ａを通じて第一ガスとしての水素を含む燃料ガスを電極層２へ流通し、対極電極層６へ第二ガスとしての空気を流通し、所定の作動温度（例えば、５００℃以上９００℃以下）に維持する。そうすると、電解質層４に酸素イオンを伝導する電解質材料を用いた場合には、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、流通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。
【0082】
電解質層４に水素イオンを伝導する電解質材料を用いた場合には、電極層２において流通された燃料ガスに含まれる水素Ｈ２が電子ｅ－を放出して水素イオンＨ＋が生成される。その水素イオンＨ＋が電解質層４を通って対極電極層６へ移動する。対極電極層６において空気に含まれる酸素Ｏ２と水素イオンＨ＋、電子ｅ－が反応し水Ｈ２Ｏが生成される。
【0083】
以上の反応により、電極層２と対極電極層６との間に電気化学出力として起電力が発生する。この場合、電極層２は燃料電池の燃料極（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。
【0084】
尚、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、金属支持型の電気化学素子Ｅ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。
【0085】
（電気化学モジュール）
次に、図２を参照して電気化学モジュールＭについて説明する。電気化学モジュールＭは、金属支持体１と金属支持体１の裏面に取り付けられたＵ字部材９とで筒状支持体が形成された状態の金属支持型電気化学素子Ｅを備えている。そして、この金属支持型電気化学素子Ｅが集電部材２６を挟んで複数積層（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。尚、本実施形態では、集電部材２６が、金属支持型電気化学素子Ｅの対極電極層６とＵ字部材９とに接合され、両者を電気的に接続しているが、金属支持型電気化学素子Ｅの対極電極層６とＵ字部材９とを直接電気的に接続する構成としてもよい。
次に、図２を参照して電気化学モジュールＭについて説明する。電気化学モジュールＭは、金属支持体１と金属支持体１の裏面に取り付けられたＵ字部材９とで筒状支持体が形成された状態の金属支持型電気化学素子Ｅを備えている。そして、この金属支持型電気化学素子Ｅが集電部材２６を挟んで複数積層（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。尚、本実施形態では、集電部材２６が、金属支持型電気化学素子Ｅの対極電極層６とＵ字部材９とに接合され、両者を電気的に接続しているが、金属支持型電気化学素子Ｅの対極電極層６とＵ字部材９とを直接電気的に接続する構成としてもよい。
【0086】
また、電気化学モジュールＭは、ガスマニホールド１７、終端部材及び電流引出し部を有する。複数積層された金属支持型電気化学素子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の貫通孔１ａを通って電極層２に供給される。
【0087】
（電気化学装置及びエネルギーシステム）
次に、図３を参照して、上記電気化学モジュールＭを用いて構築した電気化学装置Ｙ及びエネルギーシステムＺについて説明する。
次に、図３を参照して、上記電気化学モジュールＭを用いて構築した電気化学装置Ｙ及びエネルギーシステムＺについて説明する。
【0088】
図３に示すように、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から流通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。
【0089】
本実施形態において、電気化学装置Ｙは、電気化学モジュールＭと、脱硫器３１及び改質器３４からなる燃料変換器と、電気化学モジュールＭに対して燃料変換器で生成された還元成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部４６と、電気化学モジュールＭから電力を取り出す出力部としての電力変換器の一種であるインバータ３８とを有する。
【0090】
より具体的に言えば、電気化学装置Ｙは、脱硫器３１や改質水タンク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、電気化学モジュールＭ、収納容器４０等を有する。
【0091】
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あるいは金属支持型電気化学素子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。
【0092】
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。
【0093】
電気化学モジュールＭは、複数の金属支持型電気化学素子Ｅとガスマニホールド１７とを有する。複数の金属支持型電気化学素子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、金属支持型電気化学素子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。金属支持型電気化学素子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。
【0094】
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及び同じ周波数にする。制御部３９は電気化学装置Ｙ及びエネルギーシステムＺの運転を制御する。
【0095】
気化器３３、改質器３４、電気化学モジュールＭ及び燃焼部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。
【0096】
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。
【0097】
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一ガス）が生成される。改質器３４にて生成された改質ガスは、燃料供給部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。
【0098】
ガスマニホールド１７に供給された改質ガスは、複数の金属支持型電気化学素子Ｅに対して分配され、金属支持型電気化学素子Ｅとガスマニホールド１７との接続部である下端から金属支持型電気化学素子Ｅに供給される。改質ガス中の主に水素（還元性成分）が、金属支持型電気化学素子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、金属支持型電気化学素子Ｅの上端から燃焼部３６に排出される。
【0099】
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される。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。
【0100】
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。即ち、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。
【0101】
尚、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、金属支持型電気化学素子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。
【0102】
〔実験例〕
以下、実験例について説明する。まず、厚さ０．３ｍｍ、直径２５ｍｍの円形のｃｒｏｆｅｒ２２ＡＰＵの金属板に対して、中心から半径２．５ｍｍの領域にレーザー加工により貫通孔１ａを複数設けて、金属支持体１を作製した。
以下、実験例について説明する。まず、厚さ０．３ｍｍ、直径２５ｍｍの円形のｃｒｏｆｅｒ２２ＡＰＵの金属板に対して、中心から半径２．５ｍｍの領域にレーザー加工により貫通孔１ａを複数設けて、金属支持体１を作製した。
【0103】
次に、６０質量％のＮｉＯ粉末と４０質量％のＧＤＣ粉末とを混合し、有機バインダーと有機溶媒（分散媒）とを加えてペーストを作製した。そのペーストを用いて、金属支持体１の中心から半径３ｍｍの領域に電極層２を積層した。尚、電極層２の形成にはスクリーン印刷を用いた。そして、電極層２を積層した金属支持体１に対して、９５０℃で焼成処理を行った（電極層形成ステップ）。
【0104】
ついで、ＧＤＣの微粉末に有機バインダーと有機溶媒（分散媒）を加えてペーストを作製した。そのペーストを用いて、スクリーン印刷により、電極層２を積層した金属支持体１の中心から半径５ｍｍの領域に緩衝層３を積層した。その後、緩衝層３を積層した金属支持体１に対して、３００ＭＰａの圧力でＣＩＰ成形した後、１０００℃で焼成処理を行うことで、表面が平坦な緩衝層３を形成した（緩衝層形成ステップ）。
【0105】
以上のステップで得られた電極層２の厚さは約２０μｍであり、緩衝層３の厚さは約１０μｍであった。また、このように電極層２と緩衝層３とを積層した状態での金属支持体のＨｅリーク量は、０．２ＭＰａの圧力下で約３ｍＬ／ｍｉｎ・ｃｍ２であった。
【0106】
次に、エアロゾルデポジション法によって電解質層４を形成した。具体的には、モード形が約０．７μｍの８ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）粉末を１３Ｌ／ｍｉｎの流量でドライエアでエアロゾル化した。エアロゾルを圧力２５０Ｐａとしたチャンバー内に導入して、電極層２と緩衝層３とを積層させた金属支持体１に対して、緩衝層３を覆うように１５ｍｍ×１５ｍｍの範囲で噴射し、電解質層４を室温で形成した（電解質層形成ステップ）。尚、その際、金属支持体１は加熱しなかった。
【0107】
以上のステップで得られた電解質層４の厚さは３～４μｍ程度であった。電極層２と緩衝層３と電解質層４を積層した状態での金属支持体１のＨｅリーク量を０．２ＭＰａの圧力下で測定したところ、Ｈｅリーク量は検出下限（１．０ｍＬ／ｍｉｎ・ｃｍ２）未満であった。つまり、緩衝層３までを積層した状態でのＨｅリーク量に比べ、電解質層４を積層した状態でのＨｅリーク量は大幅に小さくなり、検出限界を下回るものとなった。したがって、形成された電解質層４は、緻密でガスバリア性能の高い、良質なものであることが確認された。
【0108】
続いて、上記のようにして形成した電解質層４に対してアニール処理を施した。具体的には、電解質層４を形成した金属支持体１を、大気雰囲気下において、昇温速度５℃／ｍｉｎとし、６００℃又は１０００℃で６０分間加熱した（アニール処理ステップ）。
【0109】
次に、ＧＤＣの微粉末に有機バインダーと有機溶媒（分散媒）を加えてペーストを作製した。そのペーストを用いて、スクリーン印刷により、上記のようにアニール処理を施した電解質層４上に中間層５を形成した。その後、形成した金属支持型電気化学素子Ｅに対して、１０００℃で焼成処理を行うことで、中間層５を形成した（中間層形成ステップ）。
【0110】
以上のステップで得られた電極層２、緩衝層３、電解質層４及び中間層５を積層した状態の金属支持型電気化学素子Ｅについて、電解質層４と中間層５との密着強度を測定するために、引張強度試験機を用いて引張強度を測定した。具体的な引張強度試験方法として、Ｉｎｓｔｒｏｎ社製の万能材料試験機を用い、可動先端部に物体を挟み込むことができるアタッチメントを取り付けた。上述の金属支持型電気化学素子Ｅの中間層５の上側に接着剤を用いてねじを取り付けたのち、その金属支持型電気化学素子Ｅを万能材料試験機の土台に固定した。その後、金属支持型電気化学素子Ｅの中間層５の上側に取り付けたねじ部分を、上述の可動先端部のアタッチメントで挟み込んだ。可動先端部を一定速度で垂直方向上側に移動させ、電解質層４と中間層５の間で剥離するまでにかかった荷重を測定した。光学顕微鏡を用いて接着剤が中間層５と接していた面積を計測し、それを測定面積とした。剥離するまでにかかった荷重を測定面積で除して、引張強度Ｎ／ｃｍ２を算出した。その結果、図４に示すように、電解質層４と中間層５との密着強度は、アニール処理を６００℃で行った場合でおよそ４０Ｎ／ｃｍ２であったのに対し、１０００℃で行った場合で約２倍の８０Ｎ／ｃｍ２程度であった。このことから、アニール処理の処理温度が増加することによって、電解質層４と中間層５との密着強度が増加することが確認された。尚、図示はしていないが、アニール処理を２００℃で行った場合、アニール処理を施していないと場合と比較して密着強度の向上は確認されたが、６００℃で行った場合と比較すると向上の程度は小さかった。
【0111】
〔別実施形態〕
〔１〕上記実施形態では、金属支持型電気化学素子Ｅが中間層５を備える態様としたが、これに限られるものではなく、図５に示すように、中間層５を備えていない金属支持型電気化学素子Ｅ１であってもよい。この場合、例えば、金属支持型電気化学素子Ｅは、電解質層４の上に対極電極層６が形成された状態となる。
この場合、金属支持型電気化学素子Ｅ１は、少なくとも電極層形成ステップ、電解質層形成ステップ、アニール処理ステップ及び対極電極層形成ステップを含み、電解質層形成ステップと対極電極層形成ステップとの間に、電解質層形成ステップで形成された電解質層４をアニール処理するアニール処理ステップを行う方法によって製造できる。
このように製造される金属支持型電気化学素子Ｅ１についても、電解質層４にアニール処理が施され、表面状態が改良された状態で対極電極層６が形成されており、電解質層４と対極電極層６との密着強度がアニール処理を施していないものと比較して格段に向上している。
〔１〕上記実施形態では、金属支持型電気化学素子Ｅが中間層５を備える態様としたが、これに限られるものではなく、図５に示すように、中間層５を備えていない金属支持型電気化学素子Ｅ１であってもよい。この場合、例えば、金属支持型電気化学素子Ｅは、電解質層４の上に対極電極層６が形成された状態となる。
この場合、金属支持型電気化学素子Ｅ１は、少なくとも電極層形成ステップ、電解質層形成ステップ、アニール処理ステップ及び対極電極層形成ステップを含み、電解質層形成ステップと対極電極層形成ステップとの間に、電解質層形成ステップで形成された電解質層４をアニール処理するアニール処理ステップを行う方法によって製造できる。
このように製造される金属支持型電気化学素子Ｅ１についても、電解質層４にアニール処理が施され、表面状態が改良された状態で対極電極層６が形成されており、電解質層４と対極電極層６との密着強度がアニール処理を施していないものと比較して格段に向上している。
【0112】
〔２〕上記実施形態では、金属支持型電気化学素子Ｅが緩衝層３を備える態様としたが、これに限られるものではなく、緩衝層３を備えていない態様であってもよい。この場合、金属支持型電気化学素子Ｅは、電極層２の上に電解質層４が形成された状態となる。
【0113】
〔３〕上記実施形態では、金属支持体１が孔加工を施した金属板である態様としたが、これに限られるものではなく、金属粉末を焼結して得た多孔質体であってもよい。
【0114】
〔４〕上記実施形態では、金属支持型電気化学素子Ｅを固体酸化物形燃料電池に用いたが、この金属支持型電気化学素子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。
金属支持型電気化学素子Ｅを電解セルとして動作させる場合、電極層２に水蒸気や二酸化炭素を含有するガスを流通し、電極層２と対極電極層６との間に電圧を印加する。そうすると、電極層２において電子ｅ－と水Ｈ２Ｏや二酸化炭素分子ＣＯ２とが反応し、水素Ｈ２や一酸化炭素ＣＯと酸素イオンＯ２－となる。酸素イオンＯ２－は、電解質層４を通って対極電極層６へ移動する。そして、対極電極層６において酸素イオンＯ２－が電子を放出して酸素Ｏ２となる。以上の反応により、水Ｈ２Ｏが水素Ｈ２と酸素Ｏ２とに電気分解される。二酸化炭素分子ＣＯ２を含有するガスが流通される場合は一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ２とに電気分解される。
図６には、金属支持型電気化学素子Ｅを上述した電解反応によるガスの生成を行う電解セルとして動作させる場合の電気化学装置Ｙ１及びエネルギーシステムＺ１の一例を示した。同図に示すように、エネルギーシステムＺ１は、電気化学装置Ｙ１と、電気化学装置Ｙ１から流通される熱を再利用する排熱利用部としての２つの熱交換器９０，９２とを有する。
この実施形態において、電気化学装置Ｙ１は、電気化学モジュールＭと、電気化学モジュールＭで生成された水素などを基に炭化水素を合成する燃料変換器９１と、電気化学モジュールＭに電力を流通する電力変換器９３とを有する。
この電気化学装置Ｙ１において、電気化学モジュールＭは、複数の金属支持型電気化学素子Ｅと２つのガスマニホールド１７，１７１とを有する。複数の金属支持型電気化学素子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る。金属支持型電気化学素子Ｅは、一方の端部（下端部）がガスマニホールド１７に固定されており、他方の端部（上端部）がガスマニホールド１７１に固定されている。金属支持型電気化学素子Ｅの一方の端部におけるガスマニホールド１７は、水蒸気及び二酸化炭素の供給を受ける。そして、金属支持型電気化学素子Ｅで上述の反応により生成した水素及び一酸化炭素等が、他方の端部と連通するガスマニホールド１７１によって収集される。
また、この実施形態においては、熱交換器９０を、燃料変換器９１で起きる反応によって生ずる反応熱と水とを熱交換させ気化する排熱利用部として動作させるとともに、熱交換器９２を、金属支持型電気化学素子Ｅによって生ずる排熱と水蒸気及び二酸化炭素とを熱交換させ予熱する排熱利用部として動作させる構成とすることで、エネルギー効率を高められるようになっている。
また、電力変換器９３は、電気化学モジュールＭの金属支持型電気化学素子Ｅに電力を流通する。これにより、金属支持型電気化学素子Ｅは、電解セルとして作用する。
よって、上記構成によれば、電気エネルギーを燃料等の化学的エネルギーに変換する効率を向上できる電気化学装置Ｙ１及びエネルギーシステムＺ１を実現できる。
金属支持型電気化学素子Ｅを電解セルとして動作させる場合、電極層２に水蒸気や二酸化炭素を含有するガスを流通し、電極層２と対極電極層６との間に電圧を印加する。そうすると、電極層２において電子ｅ－と水Ｈ２Ｏや二酸化炭素分子ＣＯ２とが反応し、水素Ｈ２や一酸化炭素ＣＯと酸素イオンＯ２－となる。酸素イオンＯ２－は、電解質層４を通って対極電極層６へ移動する。そして、対極電極層６において酸素イオンＯ２－が電子を放出して酸素Ｏ２となる。以上の反応により、水Ｈ２Ｏが水素Ｈ２と酸素Ｏ２とに電気分解される。二酸化炭素分子ＣＯ２を含有するガスが流通される場合は一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ２とに電気分解される。
図６には、金属支持型電気化学素子Ｅを上述した電解反応によるガスの生成を行う電解セルとして動作させる場合の電気化学装置Ｙ１及びエネルギーシステムＺ１の一例を示した。同図に示すように、エネルギーシステムＺ１は、電気化学装置Ｙ１と、電気化学装置Ｙ１から流通される熱を再利用する排熱利用部としての２つの熱交換器９０，９２とを有する。
この実施形態において、電気化学装置Ｙ１は、電気化学モジュールＭと、電気化学モジュールＭで生成された水素などを基に炭化水素を合成する燃料変換器９１と、電気化学モジュールＭに電力を流通する電力変換器９３とを有する。
この電気化学装置Ｙ１において、電気化学モジュールＭは、複数の金属支持型電気化学素子Ｅと２つのガスマニホールド１７，１７１とを有する。複数の金属支持型電気化学素子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る。金属支持型電気化学素子Ｅは、一方の端部（下端部）がガスマニホールド１７に固定されており、他方の端部（上端部）がガスマニホールド１７１に固定されている。金属支持型電気化学素子Ｅの一方の端部におけるガスマニホールド１７は、水蒸気及び二酸化炭素の供給を受ける。そして、金属支持型電気化学素子Ｅで上述の反応により生成した水素及び一酸化炭素等が、他方の端部と連通するガスマニホールド１７１によって収集される。
また、この実施形態においては、熱交換器９０を、燃料変換器９１で起きる反応によって生ずる反応熱と水とを熱交換させ気化する排熱利用部として動作させるとともに、熱交換器９２を、金属支持型電気化学素子Ｅによって生ずる排熱と水蒸気及び二酸化炭素とを熱交換させ予熱する排熱利用部として動作させる構成とすることで、エネルギー効率を高められるようになっている。
また、電力変換器９３は、電気化学モジュールＭの金属支持型電気化学素子Ｅに電力を流通する。これにより、金属支持型電気化学素子Ｅは、電解セルとして作用する。
よって、上記構成によれば、電気エネルギーを燃料等の化学的エネルギーに変換する効率を向上できる電気化学装置Ｙ１及びエネルギーシステムＺ１を実現できる。
【0115】
〔５〕上記実施形態では、金属支持型電気化学素子Ｅを電気化学モジュールＭとして複数組み合わせて用いる態様としたが、これに限られるものではなく、単独で用いることも可能である。
【0116】
〔６〕上記実施形態では、エネルギーシステムＺ，Ｚ１が、電気化学装置Ｙ，Ｙ１から排出される熱を再利用する排熱利用部を備える態様としたが、これに限られるものではなく、排熱利用部を備えていない態様であってもよい。
【0117】
〔７〕上記実施形態では、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、電極層２に水素ガスを流通して燃料極（アノード）とし、対極電極層６に空気を流通して空気極（カソード）とし、固体酸化物形燃料電池の発電セルとして用いる態様としたが、これに限られるものではない。このような構成を変更して、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、金属支持型電気化学素子Ｅを構成する態様であってもよい。即ち、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金属支持型電気化学素子Ｅであれば、電極層２に空気を流通して空気極とし、対極電極層６に水素ガスを流通して燃料極とし、金属支持型電気化学素子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。
【0118】
〔８〕上記実施形態では、電気化学モジュールＭが、金属支持体１と金属支持体１の裏面に取り付けられたＵ字部材９とで筒状支持体が形成された状態の金属支持型電気化学素子Ｅを備える態様としたが、これに限られるものではない。例えば、図７に示すように、金属支持型電気化学素子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を構成する態様であってもよい。
この場合、セル間接続部材７１は、導電性を有し、且つ気体透過性を有さない板状の部材であり、表面と裏面とに互いに直交する溝７２が形成されている。尚、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。
そして、このセル間接続部材７１を間に挟んで金属支持型電気化学素子Ｅを積層すると、溝７２を通じて気体を金属支持型電気化学素子Ｅに供給できる。詳しくは、一方の面に形成された溝７２が第一気体流路７２ａとなり、金属支持型電気化学素子Ｅの表側、即ち、対極電極層６に気体を供給する。また、他方の面に形成された溝７２が第二気体流路７２ｂとなり、金属支持型電気化学素子Ｅの裏側、即ち、金属支持体１の裏側の面から貫通孔１ａを通じて電極層２へ気体を供給する。
このように構成した電気化学モジュールＭを固体酸化物形燃料電池の発電セルとして動作させる場合は、第一気体流路７２ａに空気を供給し、第二気体流路７２ｂに水素を供給する。そうすると金属支持型電気化学素子Ｅにて発電反応が進行し、起電力・電流が発生する。発生した電力は、積層された金属支持型電気化学素子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。
尚、溝７２は、セル間接続部材７１の表面に形成されるものと裏面に形成されるものとが互いに並行であってもよい。
この場合、セル間接続部材７１は、導電性を有し、且つ気体透過性を有さない板状の部材であり、表面と裏面とに互いに直交する溝７２が形成されている。尚、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。
そして、このセル間接続部材７１を間に挟んで金属支持型電気化学素子Ｅを積層すると、溝７２を通じて気体を金属支持型電気化学素子Ｅに供給できる。詳しくは、一方の面に形成された溝７２が第一気体流路７２ａとなり、金属支持型電気化学素子Ｅの表側、即ち、対極電極層６に気体を供給する。また、他方の面に形成された溝７２が第二気体流路７２ｂとなり、金属支持型電気化学素子Ｅの裏側、即ち、金属支持体１の裏側の面から貫通孔１ａを通じて電極層２へ気体を供給する。
このように構成した電気化学モジュールＭを固体酸化物形燃料電池の発電セルとして動作させる場合は、第一気体流路７２ａに空気を供給し、第二気体流路７２ｂに水素を供給する。そうすると金属支持型電気化学素子Ｅにて発電反応が進行し、起電力・電流が発生する。発生した電力は、積層された金属支持型電気化学素子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。
尚、溝７２は、セル間接続部材７１の表面に形成されるものと裏面に形成されるものとが互いに並行であってもよい。
【0119】
〔９〕上記実施形態では、金属支持型電気化学素子Ｅを主に平板型や円筒平板型の固体酸化物形燃料電池に用いる態様としたが、これに限られるものではなく、円筒型の固体酸化物形燃料電池などの素子に利用することもできる。
【0120】
〔１０〕上記実施形態では、電気化学装置Ｙが、複数の金属支持型電気化学素子Ｅを有する電気化学モジュールＭを備える態様としたが、これに限られるものではない。例えば、電気化学装置が一つの金属支持型電気化学素子Ｅを備える態様であってもよい。
【0121】
尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【符号の説明】
【0122】
１ ：金属支持体
２ ：電極層
３ ：緩衝層
４ ：電解質層
５ ：中間層
６ ：対極電極層
Ｅ，Ｅ１：金属支持型電気化学素子
Ｍ ：電気化学モジュール
Ｙ，Ｙ１：電気化学装置
Ｚ，Ｚ１：エネルギーシステム
２ ：電極層
３ ：緩衝層
４ ：電解質層
５ ：中間層
６ ：対極電極層
Ｅ，Ｅ１：金属支持型電気化学素子
Ｍ ：電気化学モジュール
Ｙ，Ｙ１：電気化学装置
Ｚ，Ｚ１：エネルギーシステム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】