特開 2025-7030 電解セル

(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】P2025007030

(43)【公開日】2025-01-17

(54)【発明の名称】電解セル

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/63 20210101AFI20250109BHJP

   C25B 1/042 20210101ALI20250109BHJP

   C25B 1/23 20210101ALI20250109BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20250109BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20250109BHJP

   C25B 11/032 20210101ALI20250109BHJP

【ＦＩ】

C25B9/63

C25B1/042

C25B1/23

C25B9/00 A

C25B9/23

C25B11/032

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023108159

(22)【出願日】2023-06-30

(71)【出願人】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000202

【氏名又は名称】弁理士法人新樹グローバル・アイピー

(72)【発明者】

【氏名】松野 雄多

(72)【発明者】

【氏名】岩崎 至貢

(72)【発明者】

【氏名】藤崎 真司

(72)【発明者】

【氏名】大森 誠

【テーマコード（参考）】

4K011

4K021

【Ｆターム（参考）】

4K011AA11

4K011AA49

4K011AA69

4K011BA08

4K011DA01

4K021AA01

4K021AB25

4K021BA02

4K021CA02

4K021DB18

4K021DB31

4K021DB43

4K021DB53

(57)【要約】

【課題】ガス拡散層のガス拡散性向上と電解質層及び水素極層の損傷抑制とを両立可能な電解セルを提供する。
【解決手段】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、第１主面１２に形成された複数の連通孔１１を有する。セル本体部２０は、複数の連通孔１１を覆うガス拡散層５と、ガス拡散層５上に配置される水素極層６と、酸素極層９と、水素極層６と酸素極層９の間に配置される電解質層７とを有する。ガス拡散層５は、ＮｉＯとセラミック材料によって構成される。ガス拡散層５の厚さは、１００μｍ以上である。ガス拡散層５に対して７５０℃の還元雰囲気で熱処理が施された還元体の状態にあるガス拡散層５の常温での寸法をＬ２とし、非還元体の状態にあるガス拡散層５の常温での寸法をＬ１とし、その変化量をΔＬ＝Ｌ２－Ｌ１としたとき、（ΔＬ／Ｌ１）×１００は±０．０５％以内である。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項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、
前記主面上に形成され、前記複数の連通孔を覆うガス拡散層と、前記ガス拡散層上に配置される水素極層と、酸素極層と、前記水素極層と前記酸素極層の間に配置される電解質層とを有するセル本体部と、
を備え、
前記ガス拡散層は、ＮｉＯとセラミック材料によって構成され、
前記ガス拡散層の厚さは、１００μｍ以上であり、
前記ガス拡散層に対して７５０℃の還元雰囲気で熱処理が施されることによって得られる還元体の状態にある前記ガス拡散層の常温での寸法をＬ２とし、前記熱処理が施されていない非還元体の状態にある前記ガス拡散層の常温での寸法をＬ１とし、その変化量をΔＬ＝Ｌ２－Ｌ１としたとき、（ΔＬ／Ｌ１）×１００は±０．０５％以内である、
電解セル。

【請求項2】

前記ガス拡散層の厚さは、４５０μｍ以下である、
請求項１に記載の電解セル。

【請求項3】

前記ガス拡散層は、前記セラミック材料としてイットリアを含有する、
請求項１又は２に記載の電解セル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電解セルに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、金属支持体上に配置されたセル本体部を備えるメタルサポート形の電解セルが知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１のセル本体部は、接合層と、水素極層と、電解質層と、酸素極層とを有している。接合層は、金属支持体の主面に形成された複数の連通孔を覆う。接合層は、酸化ニッケル（ＮｉＯ）とセラミック材料によって構成される。水素極層は、接合層と電解質層の間に配置される。電解質層は、水素極層と酸素極層の間に配置される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２０２１／２２１０５２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１では、接合層内のガス拡散性について検討されておらず、接合層の厚さについても言及されていないが、接合層内のガス拡散性を高めるには接合層を厚くすることが好ましい。

【0006】

ここで、接合層（以下、「ガス拡散層」という。）に電子伝導性を付与するために、高温下にて還元ガスを供給する熱処理（以下、「還元処理」と呼ぶ。）を施してガス拡散層に含まれるＮｉＯをＮｉへと還元すると、電解セルに反りが生じて電解質層や水素極層に損傷（剥離や割れ）が生じる場合がある。

【0007】

本発明者らは、鋭意検討の結果、ガス拡散層の厚さと還元処理に伴うガス拡散層の寸法変化率とが電解セルの反りに大きな影響を及ぼしているという知見を得た。

【0008】

本発明の課題は、ガス拡散層のガス拡散性向上と電解質層及び水素極層の損傷抑制とを両立可能な電解セルを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の第１の側面に係る電解セルは、金属支持体とセル本体部とを備える。金属支持体は、主面に形成された複数の連通孔を有する。セル本体部は、前記主面上に形成され、前記複数の連通孔を覆うガス拡散層と、前記ガス拡散層上に配置される水素極層と、酸素極層と、前記水素極層と前記酸素極層の間に配置される電解質層とを有する。前記ガス拡散層は、ＮｉＯとセラミック材料によって構成される。前記ガス拡散層の厚さは、１００μｍ以上である。前記ガス拡散層に対して７５０℃の還元雰囲気で熱処理が施されることによって得られる還元体の状態にある前記ガス拡散層の常温での寸法をＬ２とし、前記熱処理が施されていない非還元体の状態にある前記ガス拡散層の常温での寸法をＬ１とし、その変化量をΔＬ＝Ｌ２－Ｌ１としたとき、（ΔＬ／Ｌ１）×１００は±０．０５％以内である。

【0010】

本発明の第２の側面に係る電解セルは、上記第１の側面に係り、前記ガス拡散層の厚さは、４５０μｍ以下である。

【0011】

本発明の第３の側面に係る電解セルは、上記第１又は第２の側面に係り、前記ガス拡散層は、前記セラミック材料としてイットリアを含有する。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、ガス拡散層のガス拡散性向上と電解質層及び水素極層の損傷抑制とを両立可能な電解セルを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、実施形態に係る電解セルの断面図である。

【図2】図２は、還元処理に伴うガス拡散層の寸法変化率がマイナスである場合における、ガス拡散層の厚さと電解セルの曲率との関係を示すグラフである。

【図3】図３は、還元処理に伴うガス拡散層の寸法変化率がプラスである場合における、ガス拡散層の厚さと電解セルの曲率との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

（電解セル１）
図１は、実施形態に係る電解セル１の断面図である。電解セル１は、いわゆるメタルサポート形の電解セルである。

【0015】

図１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。

【0016】

［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。

【0017】

金属支持体１０は電解セル１を支持できればよく、その厚さ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。

【0018】

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。

【0019】

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、後述するガス拡散層５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。

【0020】

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。

【0021】

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。なお、Ｚ軸方向とは、第１主面１２に垂直な方向を意味する。

【0022】

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。

【0023】

第１主面１２における複数の連通孔１１の開口率は５％以上であることが好ましい。これによって、各連通孔１１及びガス拡散層５を介して、後述する水素極層６に原料ガスを均一に供給することができるため、水素極層６内における電極反応場を均一にすることができる。その結果、水素極層６内の電流密度を高めることができる。

【0024】

なお、開口率は、第１主面１２の平面視において、複数の連通孔１１それぞれの開口面積の合計値を、第１主面１２のうち水素極層６によって被覆された領域の面積で割ることによって算出される。

【0025】

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。

【0026】

金属支持体１０は、Ｔｉ（チタン）やＡｌ（アルミニウム）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ＴｉＯ_２（チタニア）として含有していてもよいし、ＡｌをＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）として含有していてもよい。

【0027】

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。

【0028】

［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。

【0029】

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。

【0030】

［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の間に配置される。ガス拡散層５は、第１主面１２に形成された複数の連通孔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。

【0031】

ガス拡散層５は、酸化ニッケル（ＮｉＯ）とセラミック材料によって構成される。

【0032】

ガス拡散層５に含まれるＮｉは、酸化雰囲気ではＮｉＯの形態で存在し、還元雰囲気では金属ニッケル（Ｎｉ）の形態で存在する。還元雰囲気において、Ｎｉは、電子伝導性材料として機能する。還元雰囲気において、ガス拡散層５は、水素極層６より高い電子伝導性を有していることが好ましい。

【0033】

ガス拡散層５に含まれるセラミック材料は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。セラミック材料としては、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、カルシア安定化ジルコニア（ＣＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、ガドリニウムドープセリア（ＧＤＣ）、サマリウムドープセリア（ＳＤＣ）、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｒ，Ｍｎ）Ｏ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３、Ｓｒ_２（Ｆｅ,Ｍｏ）_２Ｏ_６、（Ｌａ，Ｓｒ）ＶＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３、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。

【0034】

ガス拡散層５全体の体積（気孔が占める空間の体積を除く）に対するＮｉＯの体積比率は、Ｎｉ換算で３５体積％以上５５体積％以下とすることができる。ガス拡散層５全体の体積（気孔が占める空間の体積を除く）に対するセラミック材料の体積比率は、４５体積％以上６５体積％以下とすることができる。ＮｉＯ及びセラミック材料それぞれの体積比率は、後述する還元処理が施されていない非還元体の状態での測定値である。

【0035】

ガス拡散層５の厚さは、１００μｍ以上である。これにより、ガス拡散層５のガス拡散性を向上させることができるため、水素極層６に原料ガスを均一に供給することができる。その結果、水素極層６内の電極反応場が均一になるため、水素極層６内の電流密度を高めることができる。

【0036】

ガス拡散層５の厚さの上限値は特に限られないが、６００μｍ以下とすることができる。ガス拡散層５の厚さは、４５０μｍ以下であることが好ましい。これによって、ガス拡散層５に含まれるＮｉ量を抑えることができるため、電解セル１の製造コストを削減することができる。

【0037】

なお、ガス拡散層５の厚さは、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及び水素極層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）を用いて、断面の反射電子像を３０００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。次に、反射電子像上において気孔率が大きく変化するラインをガス拡散層５と水素極層６の境界に設定する。次に、反射電子像上において、金属支持体１０の第１主面１２に垂直な３本のライン上でガス拡散層５の厚さを測定する。次に、３本のライン上で測定した厚さを算術平均することによってガス拡散層５の厚さを求める。

【0038】

ガス拡散層５は、ガス拡散性を有する多孔体である。ガス拡散層５は、原料ガスを水素極層６側に透過させる。ガス拡散層５は、水素極層６の内部で生成された生成ガスを連通孔１１側に透過させる。

【0039】

ガス拡散層５の気孔率は特に制限されないが、後述する非還元体の状態において、例えば１０％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、非還元体の状態において、１６％以上であることが好ましい。これによって、ガス拡散層５のガス拡散性をより向上させることができるため、水素極層６に原料ガスをより均一に供給することができる。その結果、水素極層６内の電極反応場がより均一になるため、水素極層６内の電流密度をより高めることができる。

【0040】

なお、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３０００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。

【0041】

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。

【0042】

ガス拡散層５の還元処理に関する詳細構成については後述する。

【0043】

［水素極層６］
水素極層６は、ガス拡散層５上に配置される。水素極層６は、ガス拡散層５と電解質層７の間に配置される。

【0044】

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、原料ガスは少なくともＨ_２Ｏを含む。

【0045】

原料ガスがＨ_２Ｏ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Ｈ_２を生成する。

【0046】

・水素極層６：Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－→Ｈ_２＋Ｏ^２－・・・（１）

【0047】

原料ガスがＨ_２Ｏに加えてＣＯ_２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Ｈ_２、ＣＯ及びＯ^２－を生成する。

【0048】

・水素極層６：ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－→ＣＯ＋Ｈ_２＋２Ｏ^２－・・・（２）
・Ｈ_２Ｏの電気化学反応：Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－→Ｈ_２＋Ｏ^２－・・・（３）
・ＣＯ_２の電気化学反応：ＣＯ_２＋２ｅ^－→ＣＯ＋Ｏ^２－・・・（４）

【0049】

水素極層６は、ＮｉＯと酸素イオン伝導性材料とを含有する。Ｎｉは、電子伝導性材料として機能するとともに、水電解又は共電解の電気化学反応を促進させる触媒として機能する。酸素イオン伝導性材料としては、ＹＳＺ、ＣＳＺ、ＳｃＳＺ、ＧＤＣ、ＳＤＣ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は、ガス拡散層５より高い酸素イオン伝導性を有することが好ましい。

【0050】

水素極層６全体の体積（気孔が占める空間の体積を除く）に対するＮｉＯの体積比率は、Ｎｉ換算で３５体積％以上５５体積％以下とすることができる。水素極層６全体の体積（気孔が占める空間の体積を除く）に対するセラミック材料の体積比率は、４５体積％以上６５体積％以下とすることができる。ＮｉＯ及びセラミック材料それぞれの体積比率は、後述する還元処理が施されていない非還元体の状態での測定値である。

【0051】

水素極層６の厚さは特に限られないが、例えば５μｍ以上３０μｍ以下とすることができる。水素極層６は、ガス拡散層５より薄い。

【0052】

水素極層６の気孔率は特に制限されないが、後述する非還元体の状態において、例えば１０％以上３０％以下とすることができる。

【0053】

なお、水素極層６の気孔率は、上述したガス拡散層５の気孔率と同様の手法により算出される。

【0054】

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（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。

【0055】

［電解質層７］
電解質層７は、水素極層６と酸素極層９の間に配置される。本実施形態では、電解質層７と酸素極層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と反応防止層８の間に挟まれている。

【0056】

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。

【0057】

電解質層７は、水素極層６において生成されたＯ^２－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。

【0058】

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の厚さ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。

【0059】

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。

【0060】

［反応防止層８］
反応防止層８は、電解質層７と酸素極層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。

【0061】

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。

【0062】

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の厚さ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。

【0063】

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。

【0064】

［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と酸素極層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と酸素極層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。

【0065】

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Ｏ^２－からＯ_２を生成する。

【0066】

・酸素極層９：２Ｏ^２－→Ｏ_２＋４ｅ^－・・・（２）

【0067】

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）Ｏ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３、Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３、及び（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３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。

【0068】

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の厚さ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。

【0069】

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。

【0070】

［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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

（ガス拡散層５の還元処理に関する詳細構成）
ガス拡散層５に電子伝導性を付与するには、ガス拡散層５に対して高温下にて還元ガスを供給する熱処理（すなわち、還元処理）を行うことによって、ガス拡散層５に含まれるＮｉＯをＮｉへと還元する必要がある。

【0075】

ＮｉＯからＮｉへの還元によってガス拡散層５には寸法変化が生じる。これに伴い、電解セル１が金属支持体１０側に向かって突状に反ったり、或いは、電解セル１が金属支持体１０と反対側に向かって突状に反ったりする。電解セル１が金属支持体１０側に反ると、Ｚ軸方向に垂直なＸ軸方向における水素極層６及び電解質層７の中央付近に割れが生じやすい。また、電解セル１が金属支持体１０と反対側に反ると、電解質層７と水素極層６の間、或いは、電解質層７と反応防止層８の間に剥離が生じやすい。

【0076】

ここで、図２及び図３は、７５０℃で還元ガスを３時間供給する還元処理を行った場合における、ガス拡散層５の厚さと電解セル１の曲率との関係を示すシミュレーション結果である。

【0077】

ガス拡散層５の厚さの単位は、μｍである。曲率は、Ｚ軸方向における電解セル１の反りの度合いを示す指標である。曲率の単位は、１／ｍである。曲率がプラスの値であることは、電解セル１が金属支持体１０側に反っていることを意味し、曲率がマイナスの値であることは、電解セル１が金属支持体１０と反対側に反っていることを意味する。

【0078】

なお、図２及び図３のシミュレーション条件は、次のとおりである。

【0079】

・金属支持体１０：厚さ３００μｍ、ステンレス
・ガス拡散層５：厚さ５０～６００μｍ、ＮｉＯ+Ｙ_２Ｏ_３
・水素極層６：厚さ１５μｍ、ＮｉＯ+８ＹＳＺ
・電解質層７：厚さ８μｍ、８ＹＳＺ
・反応防止層８：厚さ８μｍ、ＧＤＣ
・酸素極層９：厚さ１５μｍ、ＬＳＣＦ

【0080】

図２には、ガス拡散層５の寸法変化率を－０．０１％，－０．０３％，－０．０５％，－０．０７％，－０．０９％と変化させたときの厚さ-曲率の関係を示す５本の曲線が図示されている。図２では、曲率がプラスの値であるので、電解セル１は金属支持体１０側に反った状態である。

【0081】

図３には、ガス拡散層５の寸法変化率を＋０．０１％，＋０．０３％，＋０．０５％，＋０．０７％，＋０．０９％と変化させたときの厚さ-曲率の関係を示す５本の曲線が図示されている。図３では、曲率が主にマイナスの値であるので、電解セル１は金属支持体１０と反対側に反った状態である。

【0082】

図２及び図３から分かるように、ガス拡散層５の厚さと寸法変化率の両方が電解セル１の曲率（すなわち、反り）に大きな影響を及ぼしている。

【0083】

具体的には、ガス拡散層５の寸法変化率の絶対値が大きくなるほど電解セル１の曲率は増大する傾向がある。また、ガス拡散層５の厚さが５０μｍ～２００μｍの区間では、厚さが大きくなるほど電解セル１の曲率は増大する傾向があり、ガス拡散層５の厚さが２００μｍ超の区間では、厚さが大きくなるほど電解セル１の曲率は減少する傾向がある。

【0084】

図２では、電解セル１が金属支持体１０側に反った状態であるので、その曲率が大きければ水素極層６及び電解質層７に割れが生じやすいところ、水素極層６及び電解質層７の割れを抑制可能な曲率の閾値は０．５５（１／ｍ）に設定される。また、上述の通り、本実施形態では、ガス拡散層５の厚さは１００μｍ以上が必要とされている。

【0085】

そうすると、曲率を０．５５（１／ｍ）以下に抑えるには、寸法変化率が－０．０９％であればガス拡散層５の厚さを５５０μｍ以上とする必要があり、また、寸法変化率が－０．０７％であればガス拡散層５の厚さを３８０μｍ以上とする必要がある。一方で、寸法変化率が－０．０５％以上であればガス拡散層５の厚さが１００μｍ以上の全範囲において曲率を０．５５（１／ｍ）以下に抑えることができる。

【0086】

図３では、電解セル１が金属支持体１０と反対側に反った状態であるので、その曲率が大きければ水素極層６及び電解質層７に剥離が生じやすいところ、水素極層６及び電解質層７の剥離を抑制可能な曲率の閾値は０．４０（１／ｍ）に設定される。また、ガス拡散層５に１００μｍ以上の厚さが必要であることは上述の通りである。

【0087】

そうすると、曲率を０．４０（１／ｍ）以下に抑えるには、寸法変化率が＋０．０９％であればガス拡散層５の厚さを６００μｍ超とする必要があり、また、寸法変化率が＋０．０７％であればガス拡散層５の厚さを５００μｍ以上とする必要がある。一方で、寸法変化率が＋０．０５％以下であればガス拡散層５の厚さが１００μｍ以上の全範囲において曲率を０．４０（１／ｍ）以下に抑えることができる。

【0088】

以上の通り、ガス拡散層５の厚さを１００μｍ以上とし、ガス拡散層５の寸法変化率を±０．０５％以内（すなわち、－０．０５％以上かつ＋０．０５％以下）とすることによって、ガス拡散層５のガス拡散性向上と水素極層６及び電解質層７の損傷抑制とを両立させることができる。

【0089】

なお、ガス拡散層５の寸法変化率は、非還元体の状態にあるガス拡散層５の常温での寸法をＬ１とし、還元体の状態にあるガス拡散層５の常温での寸法をＬ２とし、その変化量をΔＬ＝Ｌ２－Ｌ１としたとき、（ΔＬ／Ｌ１）×１００によって表される。

【0090】

「寸法」とは、ガス拡散層５の厚さ、平面視におけるガス拡散層５の形状の代表長さ（円の場合には直径、正方形の場合には１辺の長さ、矩形の場合には長辺の長さ）等である。

【0091】

ΔＬは、ＮｉＯとセラミック材料との平均粒径比率、ＮｉＯの体積比率、セラミック材料の体積比率のうち少なくとも１つを調整することによって制御することができる。ＮｉＯの平均粒径をＲ１とし、セラミック材料の平均粒径をＲ２としたとき、平均粒径比率Ｒ２／Ｒ１の値は特に限られないが、例えば０．１以上１．５以下とすることができる。平均粒径比率Ｒ２／Ｒ１は、還元処理が施されていない非還元体の状態での測定値である。

【0092】

ＮｉＯとセラミック材料との平均粒径比率Ｒ２／Ｒ１は、以下の手法により求めることができる。まず、ガス拡散層５の表面をポリッシングした後に、ガス拡散層５の表面をサーマルエッチングすることによって、ＮｉＯ粒子とセラミックス粒子の粒界を明確にする。次に、ＮｉＯ粒子とセラミックス粒子が合計１５０個程度入る倍率で、ガス拡散層５の表面のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）画像を取得する。次に、ＳＥＭ画像を画像解析することによって、全ＮｉＯ粒子の合計面積及び粒子数と、全セラミックス粒子の合計面積及び粒子数とを求める。そして、全ＮｉＯ粒子の合計面積を粒子数で割ることによってＮｉＯの平均粒径Ｒ１を算出し、全セラミックス粒子の合計面積を粒子数で割ることによってセラミックス材料の平均粒径Ｒ２を算出する。そして、平均粒径Ｒ２を平均粒径Ｒ１で割ることによって平均粒径比率Ｒ２／Ｒ１を算出する。

【符号の説明】

【0093】

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
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

【図1】

【図2】

【図3】