特許7444683金属支持体、電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池、固体酸化物形電解セル、および金属支持体の製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-27
(45)【発行日】2024-03-06
(54)【発明の名称】金属支持体、電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池、固体酸化物形電解セル、および金属支持体の製造方法
(51)【国際特許分類】
H01M 8/1226 20160101AFI20240228BHJP
H01M 8/0612 20160101ALI20240228BHJP
H01M 8/0637 20160101ALI20240228BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20240228BHJP
C25B 1/042 20210101ALI20240228BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240228BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20240228BHJP
C25B 9/63 20210101ALI20240228BHJP
C25B 15/08 20060101ALI20240228BHJP
【ＦＩ】
H01M8/1226
H01M8/0612
H01M8/0637
H01M8/12 101
H01M8/12 102A
C25B1/042
C25B9/00 A
C25B9/23
C25B9/63
C25B15/08 302
【請求項の数】
16
(21)【出願番号】P 2020065257
(22)【出願日】2020-03-31
(65)【公開番号】P2021163655
(43)【公開日】2021-10-11
【審査請求日】2022-11-18
(73)【特許権者】
【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】100154726
【弁理士】
【氏名又は名称】宮地 正浩
(74)【代理人】
【識別番号】100128901
【弁理士】
【氏名又は名称】東 邦彦
(72)【発明者】
【氏名】越後 満秋
(72)【発明者】
【氏名】津田 裕司
(72)【発明者】
【氏名】大西 久男
【審査官】山本 雄一
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－０３３６１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０３３６１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－２３２００７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／１８９９１３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１９／１８９８４３（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／００ － ８／０２９７
Ｈ０１Ｍ ８／０８ － ８／２４９５
Ｃ２５Ｂ １／０４２
Ｃ２５Ｂ ９／６３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
全体として板状に形成されて電極層が設けられる表側面から裏側面に貫通する複数の貫通孔を有する金属支持体であって、
前記貫通孔として、厚み方向に対して中心軸が傾斜している傾斜貫通孔を有し、
前記電極層に対して供受されるガスが通流するガス流路が、前記金属支持体の裏側面に沿って設けられ、
前記ガス流路において、一方の端部に設けられた入口から他方の端部に設けられた出口に向かうガス通流方向に沿ってガスが通流し、
前記傾斜貫通孔として、前記金属支持体において表側の開口部が裏側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜している第１傾斜貫通孔を有する金属支持体。
【請求項2】
全体として板状に形成されて電極層が設けられる表側面から裏側面に貫通する複数の貫通孔を有する金属支持体であって、
前記貫通孔として、厚み方向に対して中心軸が傾斜している傾斜貫通孔を有し、
前記電極層に対して供受されるガスが通流するガス流路が、前記金属支持体の裏側面に沿って設けられ、
前記ガス流路において、一方の端部に設けられた入口から他方の端部に設けられた出口に向かうガス通流方向に沿ってガスが通流し、
前記傾斜貫通孔として、前記金属支持体において裏側の開口部が表側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜している第２傾斜貫通孔を有する金属支持体。
【請求項3】
全体として板状に形成されて電極層が設けられる表側面から裏側面に貫通する複数の貫通孔を有する金属支持体であって、
前記貫通孔として、厚み方向に対して中心軸が傾斜している傾斜貫通孔を有し、
前記電極層に対して供受されるガスが通流するガス流路が、前記金属支持体の裏側面に沿って設けられ、
前記ガス流路において、一方の端部に設けられた入口から他方の端部に設けられた出口に向かうガス通流方向に沿ってガスが通流し、
前記傾斜貫通孔として、第１傾斜貫通孔と第２傾斜貫通孔を有すると共に、
前記第１傾斜貫通孔が、前記金属支持体において表側の開口部が裏側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜しており、
前記第２傾斜貫通孔が、前記金属支持体において裏側の開口部が表側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜している金属支持体。
【請求項4】
前記ガス流路でのガス通流方向に沿って、前記第１傾斜貫通孔が上流側に位置し、その下流側に前記第２傾斜貫通孔が位置する請求項３に記載の金属支持体。
【請求項5】
前記傾斜貫通孔が、前記金属支持体において表側の開口面積が裏側の開口面積よりも小さく形成されている請求項１～４の何れか１項に記載の金属支持体。
【請求項6】
前記電極層が、前記傾斜貫通孔に挿入された挿入部を有する請求項１～５の何れか１項に記載の金属支持体。
【請求項7】
請求項１～６の何れか１項に記載の金属支持体を備え、その金属支持体の前記表側面に、電極層と電解質層と対極電極層とを設けて構成された電気化学素子。
【請求項8】
前記電極層に対して供受されるガスが通流するガス流路の少なくとも一部に、当該ガス流路内の流れを乱す乱流促進体を備えた請求項７に記載の電気化学素子。
【請求項9】
前記電極層に対して供受されるガスが通流するガス流路の少なくとも一部に、燃料ガスを改質する触媒反応部を備えた請求項７又は８に記載の電気化学素子。
【請求項10】
請求項７～９の何れか１項に記載の電気化学素子を複数集合した状態で配置して構成された電気化学モジュール。
【請求項11】
請求項７～９の何れか１項に記載の電気化学素子もしくは請求項１０に記載の電気化学モジュールと、前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールに還元成分を含有するガスを供給する燃料変換器、あるいは前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールで生成する還元成分を含有するガスを変換する燃料変換器、とを備えた電気化学装置。
【請求項12】
請求項７～９の何れか１項に記載の電気化学素子もしくは請求項１０に記載の電気化学モジュールと、前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールから電力を取り出すあるいは前記電気化学素子もしく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備えた電気化学装置。
【請求項13】
請求項１１又は１２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備えたエネルギーシステム。
【請求項14】
請求項７～９の何れか１項に記載の電気化学素子を備え、その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15】
請求項７～９の何れか１項に記載の電気化学素子を備え、その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16】
請求項１～６の何れか１項に記載の金属支持体を製造する製造方法であって、金属材料板に対して、レーザー加工またはパンチング加工またはエッチング加工のいずれか、または、それらの組合せによって、表側から裏側へ貫通する複数の貫通孔を形成する金属支持体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、全体として板状に形成されて電極層が設けられる表側面から裏側面に貫通する複数の貫通孔を有する金属支持体に関する。
【背景技術】
【0002】
従来の金属支持型ＳＯＦＣは、全体として板状に形成されて多数の貫通孔を有する金属支持体の表側面にアノード電極層と電解質層とカソード電極層とを設けて構成された電気化学素子を、複数集合した状態で配置して構成されている。このような金属支持型ＳＯＦＣでは、発電効率の向上や、量産時における品質向上やコストダウン等を図るべく、金属支持体に形成される夫々の貫通孔の形状の最適化が検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】国際公開第２０１９－１８９９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
このような従来の金属支持型ＳＯＦＣでは、金属支持体の裏側面に沿って通流するガスが、金属支持体に形成された複数の貫通孔を通じて当該金属支持体の表側面に設けられた電極層に対して供受される。よって、金属支持体の表側面及び裏側面において貫通孔に対するガスの流入若しくは流出がスムーズに行われない場合には、例えば燃料ガスの利用率が低下し、ひいてはＳＯＦＣシステムの発電効率を上げ難いという課題があった。
この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、主に金属支持型ＳＯＦＣに使用される金属支持体において、貫通孔に対してスムーズにガスが流入若しくは流出するようにして、発電効率を向上したＳＯＦＣシステムを実現する点にある。
この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、主に金属支持型ＳＯＦＣに使用される金属支持体において、貫通孔に対してスムーズにガスが流入若しくは流出するようにして、発電効率を向上したＳＯＦＣシステムを実現する点にある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明に係る金属支持体の第１特徴構成は、全体として板状に形成されて電極層が設けられる表側面から裏側面に貫通する複数の貫通孔を有する金属支持体であって、
前記貫通孔として、厚み方向に対して中心軸が傾斜している傾斜貫通孔を有する点にある。
前記貫通孔として、厚み方向に対して中心軸が傾斜している傾斜貫通孔を有する点にある。
【0006】
本構成によれば、金属支持体の裏側面に沿って通流するガスを当該金属支持体の表側面に設けられた電極層に対して供受するために金属支持体に形成された複数の貫通孔のうちの少なくとも一つが、金属支持体の厚み方向に対して中心軸が傾斜している傾斜貫通孔として形成されている。ここで「電極層に対して供受」とは、電極層に供給するもしくは電極層から受容する意味である。従って、このような傾斜貫通孔では、金属支持体の表側面又は裏側面において当該貫通孔へのガスの流入方向及び流出方向に沿わせて中心軸を傾斜させた状態とすることができる。このため、金属支持体の傾斜貫通孔に対するガスの流入若しくは流出をスムーズに行うことができる。このような構成により、電気化学素子の電極層へのガス（例えば、燃料ガス又は水蒸気など）をスムーズに供給したり、電気化学素子の電極層からのガス（例えば、前記燃料ガスが水素の場合は水蒸気、前記水蒸気の場合は電解された水素など）の排出をスムーズにしたりすることが可能となり、電気化学素子の性能を向上することができる。
【0007】
本発明に係る金属支持体の第２特徴構成は、前記電極層に対して供受されるガスが通流するガス流路が、前記金属支持体の裏側面に沿って設けられ、
前記傾斜貫通孔として、前記金属支持体において表側の開口部が裏側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜している第１傾斜貫通孔を有する点にある。
前記傾斜貫通孔として、前記金属支持体において表側の開口部が裏側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜している第１傾斜貫通孔を有する点にある。
【0008】
本構成によれば、金属支持体の裏側面に沿って設けられたガス流路において、当該ガス流路から流れ方向を変更して上記第１傾斜貫通孔に流入するガスの流れ方向の変更角度が９０°未満と小さくなるので、ガス流路から第１傾斜貫通孔へのガスの流入をスムーズに行わせることができる。よって、ガス通路から第１傾斜貫通孔を通じて電極層へのガスの供給を一層スムーズに行うことができる。なお、貫通孔の中心線が金属支持体の裏側水平面に対して傾斜角度が９０°未満であれば好ましく、８５°以下であればより好ましく、８０°以下であれば更に好ましい。また、複数の貫通孔において隣接する貫通孔が干渉しないように、貫通孔の中心線が金属支持体の裏側水平面に対して傾斜角度が４５°以上であれば好ましく、５０°以上であればより好ましく、５５°以上であれば更に好ましい。また、上記の第１傾斜貫通孔は１つでも良いし、複数でも良い。
【0009】
本発明に係る金属支持体の第３特徴構成は、前記電極層に対して供受されるガスが通流するガス流路が、前記金属支持体の裏側面に沿って設けられ、
前記傾斜貫通孔として、前記金属支持体において裏側の開口部が表側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜している第２傾斜貫通孔を有する点にある。
前記傾斜貫通孔として、前記金属支持体において裏側の開口部が表側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜している第２傾斜貫通孔を有する点にある。
【0010】
本構成によれば、金属支持体の裏側面に沿って設けられたガス流路において、上記第２傾斜貫通孔から流れ方向を変更して当該ガス流路へ流出するガスの流れ方向の変更角度が９０°未満と小さくなるので、第２傾斜貫通孔からガス流路へのガスの流出をスムーズに行わせることができる。よって、電極層から第２傾斜貫通孔を通じてガス流路へのガスの排出を一層スムーズに行うことができる。なお、貫通孔の中心線が金属支持体の表側水平面に対して傾斜角度が９０°未満であれば好ましく、８５°以下であればより好ましく、８０°以下であれば更に好ましい。また、複数の貫通孔において隣接する貫通孔が干渉しないように、貫通孔の中心線が金属支持体の表側水平面に対して傾斜角度が４５°以上であれば好ましく、５０°以上であればより好ましく、５５°以上であれば更に好ましい。また、上記の第２傾斜貫通孔は１つでも良いし、複数でも良い。
【0011】
本発明に係る金属支持体の第４特徴構成は、前記電極層に対して供受されるガスが通流するガス流路が、前記金属支持体の裏側面に沿って設けられ、
前記傾斜貫通孔として、第１傾斜貫通孔と第２傾斜貫通孔を有すると共に、
前記第１傾斜貫通孔が、前記金属支持体において表側の開口部が裏側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜しており、
前記第２傾斜貫通孔が、前記金属支持体において裏側の開口部が表側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜している点にある。
前記傾斜貫通孔として、第１傾斜貫通孔と第２傾斜貫通孔を有すると共に、
前記第１傾斜貫通孔が、前記金属支持体において表側の開口部が裏側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜しており、
前記第２傾斜貫通孔が、前記金属支持体において裏側の開口部が表側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜している点にある。
【0012】
本構成によれば、金属支持体の裏側面に沿って設けられたガス流路において、当該ガス流路から流れ方向を変更して上記第１傾斜貫通孔に流入するガスの流れ方向の変更角度が９０°未満と小さくなるので、ガス流路から第１傾斜貫通孔へのガスの流入をスムーズに行わせることができる。よって、ガス通路から第１傾斜貫通孔を通じて電極層へのガスの供給を一層スムーズに行うことができる。
また、金属支持体の裏側面に沿って設けられたガス流路において、上記第２傾斜貫通孔から流れ方向を変更して当該ガス流路へ流出するガスの流れ方向の変更角度が９０°未満と小さくなるので、第２傾斜貫通孔からガス流路へのガスの流出をスムーズに行わせることができる。よって、電極層から第２傾斜貫通孔を通じてガス流路へのガスの排出を一層スムーズに行うことができる。
また、金属支持体の裏側面に沿って設けられたガス流路において、上記第２傾斜貫通孔から流れ方向を変更して当該ガス流路へ流出するガスの流れ方向の変更角度が９０°未満と小さくなるので、第２傾斜貫通孔からガス流路へのガスの流出をスムーズに行わせることができる。よって、電極層から第２傾斜貫通孔を通じてガス流路へのガスの排出を一層スムーズに行うことができる。
【0013】
本発明に係る金属支持体の第５特徴構成は、前記傾斜貫通孔が、前記金属支持体において表側の開口面積が裏側の開口面積より小さく形成されている点にある。
【0014】
本構成によれば、傾斜貫通孔の加工形成が更に容易になり、量産時の加工性とコストを改善でき好適である。
【0015】
本発明に係る金属支持体の第６特徴構成は、前記電極層が、前記傾斜貫通孔に挿入された挿入部を有する点にある。
【0016】
本構成によれば、金属支持体の表側面に電極材料のペーストを塗布して電極層を形成するにあたり、当該ペーストの一部が傾斜貫通孔に適度な深さまで進入することになり、その進入したペーストが上記挿入部として形成されることになる。そして、このような適度な深さの挿入部を設けることにより、金属支持体の上に電極層を形成しやすくなると共に電極層の強度を向上することができる。
【0017】
本発明に係る電気化学素子の特徴構成は、本発明に係る金属支持体を備え、その金属支持体の前記表側面に、電極層と電解質層と対極電極層とを設けて構成された点にある。
【0018】
本構成によれば、電極層にガスをスムーズに供給したり、電極層からガスをスムーズに排出できる上述の金属支持体の上に、電極層や電解質層や対極電極層などの電気化学素子の構成要素を形成するので、これら電極層などの電気化学素子の構成要素を薄層化や薄膜化することが可能となり、電気化学素子の材料コストを低減し、かつ高性能な電気化学素子を得ることが可能となる。
【0019】
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記電極層に対して供受されるガスが通流するガス流路の少なくとも一部に、当該ガス流路内の流れを乱す乱流促進体を備えた点にある。
【0020】
本構成によれば、ガス流路の少なくとも一部に乱流促進体を設けることにより、ガス流を乱し、ガス流路内に形成される主流に対して、主流方向とは異なった方向（例えば主流に対して直交する流れ）の流れを形成することができる。結果、貫通孔を通じた電極層へのガスの供給を効率的に行える。
【0021】
本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、前記電極層に対して供受されるガスが通流するガス流路の少なくとも一部に、燃料ガスを改質する触媒反応部を備えた点にある。
【0022】
本構成によれば、ガス流路の少なくとも一部に触媒反応部を設けることにより、当該ガス流路を流れるガス（電極層に供給されるガス或いは電極層において生成されたガス）に触媒反応を起こさせることができる。例えば、電極層にメタン、水素等の燃料ガスを供給して、電気化学素子を燃料電池として働かせる場合は、電極層で生成されて貫通孔を通じてガス流路に流出する水蒸気を有効に利用して燃料ガスに含まれるメタンの改質（主には水蒸気改質）の用に供することができる。
更に、上述した乱流促進体の少なくとも一部の表面を上記改質反応部とすれば、これまで説明してきた乱流促進体によるガス流路内のガス流の制御に加えて、この乱流促進体による改質反応（上記の例では水蒸気改質）を行うことができる。
更に、上述した乱流促進体の少なくとも一部の表面を上記改質反応部とすれば、これまで説明してきた乱流促進体によるガス流路内のガス流の制御に加えて、この乱流促進体による改質反応（上記の例では水蒸気改質）を行うことができる。
【0023】
本発明に係る電気化学モジュールの特徴構成は、本発明に係る電気化学素子を複数集合した状態で配置して構成された点にある。
【0024】
本構成によれば、電極層にガスをスムーズに供給したり、電極層からガスをスムーズに排出できる上述の金属支持体が、複数集合した状態で配置されるので、材料コストと加工コストを抑制しつつ、コンパクトで高性能な、強度と信頼性に優れた電気化学モジュールを得ることができる。
【0025】
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、本発明に係る電気化学素子もしくは本発明に係る電気化学モジュールと、前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールに還元成分を含有するガスを供給する燃料変換器、あるいは前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールで生成する還元成分を含有するガスを変換する燃料変換器、とを備えた点にある。
【0026】
本構成によれば、上述の電気化学素子もしくは上述の電気化学モジュールを有し、上述の電気化学素子もしくは上述の電気化学モジュールに還元成分を含有するガスを供給する燃料変換器、又は、上述の電気化学素子もしくは上述の電気化学モジュールで生成する還元成分を含有するガスを変換する燃料変換器を有する。
このことで、電気化学素子もしく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、改質器などの燃料変換器によって、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から水素を生成し、燃料電池に流通させる構成とすると、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学モジュールを備えた電気化学装置を実現することができる。また、電気化学モジュールから排出される未利用の燃料ガスをリサイクルするシステムを構築し易くなるため、高効率な電気化学装置を実現することができる。
電気化学素子もしく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、例えば、水の電解反応によって生成する水素を燃料変換器で一酸化炭素や二酸化炭素と反応させてメタンなどに変換する電気化学装置とすることができるが、このような構成にすると、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学モジュールを備えた電気化学装置を実現することができる。
このことで、電気化学素子もしく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、改質器などの燃料変換器によって、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から水素を生成し、燃料電池に流通させる構成とすると、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学モジュールを備えた電気化学装置を実現することができる。また、電気化学モジュールから排出される未利用の燃料ガスをリサイクルするシステムを構築し易くなるため、高効率な電気化学装置を実現することができる。
電気化学素子もしく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、例えば、水の電解反応によって生成する水素を燃料変換器で一酸化炭素や二酸化炭素と反応させてメタンなどに変換する電気化学装置とすることができるが、このような構成にすると、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学モジュールを備えた電気化学装置を実現することができる。
【0027】
本発明に係る電気化学装置の別の特徴構成は、本発明に係る電気化学素子もしくは本発明に係る電気化学モジュールと、前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールから電力を取り出すあるいは前記電気化学素子もしく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備えた点にある。
【0028】
本構成によれば、電力変換器は、上述の電気化学素子もしくは上述の電気化学モジュールが発電した電力を取り出し、あるいは、上述の電気化学素子もしくは上述の電気化学モジュールに電力を流通する。これにより、上記のように電気化学素子もしくは電気化学モジュールは、燃料電池として作用し、あるいは、電解セルとして作用する。よって、上記構成によれば、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、ある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を向上できる電気化学素子等を提供することができる。
例えば、電力変換器としてインバータを用いる場合、高性能な電気化学素子もしくは電気化学モジュールから得られる電気出力を、インバータによって昇圧したり、直流を交流に変換したりすることができるため、電気化学素子もしく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。
例えば、電力変換器としてインバータを用いる場合、高性能な電気化学素子もしくは電気化学モジュールから得られる電気出力を、インバータによって昇圧したり、直流を交流に変換したりすることができるため、電気化学素子もしく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。
【0029】
本発明に係るエネルギーシステムの特徴構成は、本発明に係る電気化学装置と、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備えた点にある。
【0030】
本構成によれば、上述の電気化学装置と、その電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部を有するので、エネルギー効率にも優れたエネルギーシステムを実現することができる。なお、電気化学装置から排出される未利用の燃料ガスの燃焼熱を利用して発電する発電システムと組み合わせてエネルギー効率に優れたハイブリットシステムを実現することもできる。
【0031】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池又は固体酸化物形電解セルの特徴構成は、本発明に係る電気化学素子を備え、その電気化学素子で発電反応または電解反応を生じさせる点にある。
【0032】
本構成によれば、高性能な電気化学素子を固体酸化物形燃料電池として用いて発電反応を行ったり、高性能な電気化学素子を固体酸化物形電解セルとして用いて電解反応を行うことができるので、発電効率に優れた固体酸化物形燃料電池又は電解効率に優れた固体酸化物形電解セルを得る事ができる。なお、例えば、定格運転時に６５０℃以上の温度域で運転可能な固体酸化物形燃料電池であると、都市ガス等の炭化水素系ガスを原燃料とする燃料電池システムにおいて、原燃料を水素に変換する際に必要となる熱を燃料電池の排熱で賄うことが可能なシステムを構築できるため、燃料電池システムの発電効率を高めることができるので、より好ましい。また、定格運転時に９００℃以下の温度域で運転される固体酸化物形燃料電池であると、金属支持型電気化学素子からのＣｒ揮発の抑制効果が高められるのでより好ましく、定格運転時に８５０℃以下の温度域で運転される固体酸化物形燃料電池であると、Ｃｒ揮発の抑制効果を更に高められるので更に好ましい。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】電気化学素子の構成を示す断面図
【図2】金属支持体における貫通孔の形状及び配置例を示す拡大断面図
【図3】金属支持体における貫通孔の形状及び配置例を示す拡大断面図
【図4】金属支持体における貫通孔の形状及び配置例を示す拡大断面図
【図5】金属支持体における貫通孔の形状及び配置例を示す拡大断面図
【図6】金属支持体における貫通孔の形状及び配置例を示す拡大断面図
【図7】金属支持体における貫通孔の形状及び配置例を示す拡大断面図
【図8】金属支持体における貫通孔の形状及び配置例を示す拡大断面図
【図9】金属支持体における貫通孔の形状及び配置例を示す拡大断面図
【図10】金属支持体における貫通孔の形状及び配置例を示す拡大断面図
【図11】金属支持体における貫通孔の形状及び配置例を示す拡大断面図
【図12】電気化学素子における貫通孔部分の拡大断面図
【図13】電気化学素子および電気化学モジュールの構成を示す概略図
【図14】電気化学装置およびエネルギーシステムの構成を示す概略図
【図15】別の形態の電気化学モジュールの構成を示す概略図
【図16】別の形態の電気化学装置およびエネルギーシステムの構成を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【0034】
本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１に示す電気化学素子Ｅは、例えば、水素を含む燃料ガスと空気の供給を受けて発電する固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、以下「ＳＯＦＣ」と呼ぶ場合がある。）の構成要素である燃料電池単セルとして用いられる。なお以下、層の位置関係などを表す際、例えば電解質層Ｂから見てカソード電極層Ｃの側を「上」または「上側」、アノード電極層Ａの側を「下」または「下側」という場合がある。また、金属支持体１におけるアノード電極層Ａが形成されている側の面を表側面１ａ、反対側の面を裏側面１ｂという。
また、アノード電極層Ａは単に「電極層」と呼ばれる場合もあり、カソード電極層Ｃは「対極電極層」と呼ばれる場合もある。
図１に示す電気化学素子Ｅは、例えば、水素を含む燃料ガスと空気の供給を受けて発電する固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、以下「ＳＯＦＣ」と呼ぶ場合がある。）の構成要素である燃料電池単セルとして用いられる。なお以下、層の位置関係などを表す際、例えば電解質層Ｂから見てカソード電極層Ｃの側を「上」または「上側」、アノード電極層Ａの側を「下」または「下側」という場合がある。また、金属支持体１におけるアノード電極層Ａが形成されている側の面を表側面１ａ、反対側の面を裏側面１ｂという。
また、アノード電極層Ａは単に「電極層」と呼ばれる場合もあり、カソード電極層Ｃは「対極電極層」と呼ばれる場合もある。
【0035】
（電気化学素子Ｅ）
電気化学素子Ｅは、図１に示すとおり、金属支持体１と、金属支持体１の上に形成されたアノード電極層Ａと、アノード電極層Ａの上に形成された中間層ｙと、中間層ｙの上に形成された電解質層Ｂとを有する。そして電気化学素子Ｅは、更に、電解質層Ｂの上に形成された反応防止層ｚと、反応防止層ｚの上に形成されたカソード電極層Ｃとを有する。つまりカソード電極層Ｃは電解質層Ｂの上に形成され、反応防止層ｚは電解質層Ｂとカソード電極層Ｃとの間に形成されている。アノード電極層Ａは多孔質であり、電解質層Ｂは緻密である。
電気化学素子Ｅは、図１に示すとおり、金属支持体１と、金属支持体１の上に形成されたアノード電極層Ａと、アノード電極層Ａの上に形成された中間層ｙと、中間層ｙの上に形成された電解質層Ｂとを有する。そして電気化学素子Ｅは、更に、電解質層Ｂの上に形成された反応防止層ｚと、反応防止層ｚの上に形成されたカソード電極層Ｃとを有する。つまりカソード電極層Ｃは電解質層Ｂの上に形成され、反応防止層ｚは電解質層Ｂとカソード電極層Ｃとの間に形成されている。アノード電極層Ａは多孔質であり、電解質層Ｂは緻密である。
【0036】
電気化学素子Ｅは、金属支持体１の裏側面１ｂにＵ字部材７が取り付けられており、金属支持体１とＵ字部材７とで筒状支持体を形成している。そして、金属支持体１とＵ字部材７で囲われた空間が、ガスマニホールド１７から改質ガスが供給されるガス流路Ｌとされる。
このガス流路Ｌの一方の端部（図１４における上端側）が蓋部７４で塞がれている。蓋部７４には、ガス流路Ｌを流れた反応排ガスを外部（図１４における燃焼部３６）排出する排ガス排出口７７が設けられる。蓋部７４が設けられる端部とは逆側（図１４における下端側）はガスマニホールド１７に開口しており、ガス流路Ｌに対する改質ガスの入口とされる。
このガス流路Ｌの一方の端部（図１４における上端側）が蓋部７４で塞がれている。蓋部７４には、ガス流路Ｌを流れた反応排ガスを外部（図１４における燃焼部３６）排出する排ガス排出口７７が設けられる。蓋部７４が設けられる端部とは逆側（図１４における下端側）はガスマニホールド１７に開口しており、ガス流路Ｌに対する改質ガスの入口とされる。
【0037】
そして、集電部材２６を間に挟んで電気化学素子Ｅが複数積層（複数集合）されて、電気化学モジュールＭ（図１３を参照）が構成されている。集電部材２６は、電気化学素子Ｅのカソード電極層Ｃと、Ｕ字部材７とに接合され、両者を電気的に接続している。なお、集電部材２６を省略して、電気化学素子Ｅのカソード電極層ＣとＵ字部材７とを直接電気的に接続する構成としても良い。
【0038】
（金属支持体１）
金属支持体１は、アノード電極層Ａ、中間層ｙおよび電解質層Ｂ等を支持して電気化学素子Ｅの強度を保つ。つまり金属支持体１は、電気化学素子Ｅを支持する支持体としての役割を担う。
金属支持体１は、アノード電極層Ａ、中間層ｙおよび電解質層Ｂ等を支持して電気化学素子Ｅの強度を保つ。つまり金属支持体１は、電気化学素子Ｅを支持する支持体としての役割を担う。
【0039】
金属支持体１の材料としては、電子伝導性、耐熱性、耐酸化性および耐腐食性に優れた材料が用いられる。例えば、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、ニッケル基合金などが用いられる。特に、クロムを含む合金が好適に用いられる。本実施形態では、金属支持体１は、Ｃｒを１８質量％以上２５質量％以下含有するＦｅ－Ｃｒ系合金を用いているが、Ｍｎを０．０５質量％以上含有するＦｅ－Ｃｒ系合金、Ｔｉを０．１５質量％以上１．０質量％以下含有するＦｅ－Ｃｒ系合金、Ｚｒを０．１５質量％以上１．０質量％以下含有するＦｅ－Ｃｒ系合金、ＴｉおよびＺｒを含有しＴｉとＺｒとの合計の含有量が０．１５質量％以上１．０質量％以下であるＦｅ－Ｃｒ系合金、Ｃｕを０．１０質量％以上１．０質量％以下含有するＦｅ－Ｃｒ系合金であると特に好適である。
【0040】
金属支持体１は全体として板状である。そして金属支持体１は、アノード電極層Ａが設けられる面を表側面１ａとして、表側面１ａから裏側面１ｂへ貫通する複数の貫通孔２を有する。これら貫通孔２は、金属支持体１の裏側面１ｂから表側面１ａへ気体を透過させる機能を有する。なお、板状の金属支持体１を曲げたりして、例えば箱状、円筒状などの形状に変形させて使用することも可能である。
【0041】
金属支持体１の表面に、金属酸化物からなる拡散抑制層ｘが設けられる。すなわち、金属支持体１と後述するアノード電極層Ａとの間に、拡散抑制層ｘが形成されている。拡散抑制層ｘは、金属支持体１の外部に露出した面だけでなく、アノード電極層Ａとの接触面（界面）にも設けられる。また、貫通孔２の内面に設けることもできる。この拡散抑制層ｘにより、金属支持体１とアノード電極層Ａとの間の元素相互拡散を抑制することができる。例えば、金属支持体１としてクロムを含有するフェライト系ステンレスを用いた場合は、拡散抑制層ｘが主にクロム酸化物となる。そして、金属支持体１のクロム原子等がアノード電極層Ａや電解質層Ｂへ拡散することを、クロム酸化物を主成分とする拡散抑制層ｘが抑制する。拡散抑制層ｘ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。
拡散抑制層ｘは種々の手法により形成されうるが、金属支持体１の表面を酸化させて金属酸化物とする手法が好適に利用される。また、金属支持体１の表面に、拡散抑制層ｘをスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、スパッタリング法やＰＬＤ法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法などにより形成しても良いし、メッキと酸化処理によって形成しても良い。更に、拡散抑制層ｘは導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。
拡散抑制層ｘは種々の手法により形成されうるが、金属支持体１の表面を酸化させて金属酸化物とする手法が好適に利用される。また、金属支持体１の表面に、拡散抑制層ｘをスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、スパッタリング法やＰＬＤ法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法などにより形成しても良いし、メッキと酸化処理によって形成しても良い。更に、拡散抑制層ｘは導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。
【0042】
金属支持体１としてフェライト系ステンレス材を用いた場合、アノード電極層Ａや電解質層Ｂの材料として用いられるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア、ＣＧＯとも呼ぶ）等と熱膨張係数が近い。従って、低温と高温の温度サイクルが繰り返された場合も電気化学素子Ｅがダメージを受けにくい。よって、長期耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。
【0043】
（金属支持体１および貫通孔２の構造）
図１に示すように、金属支持体１は１枚の金属の板により構成されており、その金属支持体１において、アノード電極層Ａが設けられる表側面１ａから裏側面１ｂに貫通する複数の貫通孔２が形成されている。
貫通孔２は、断面が円形の孔である。なお貫通孔２の断面形状は、円形や略円形の他、矩形や三角形、多角形なども可能であり、貫通孔２が形成できれば、金属支持体１としての機能を保てる範囲で種々の形状とすることができる。この貫通孔２は、レーザー加工、パンチング加工またはエッチング加工のいずれか、もしくは、それらの組合せによって、金属支持体１に形成されている。この孔の中心軸は、金属支持体１に対して直交している。
図１に示すように、金属支持体１は１枚の金属の板により構成されており、その金属支持体１において、アノード電極層Ａが設けられる表側面１ａから裏側面１ｂに貫通する複数の貫通孔２が形成されている。
貫通孔２は、断面が円形の孔である。なお貫通孔２の断面形状は、円形や略円形の他、矩形や三角形、多角形なども可能であり、貫通孔２が形成できれば、金属支持体１としての機能を保てる範囲で種々の形状とすることができる。この貫通孔２は、レーザー加工、パンチング加工またはエッチング加工のいずれか、もしくは、それらの組合せによって、金属支持体１に形成されている。この孔の中心軸は、金属支持体１に対して直交している。
【0044】
図２～図１１に、貫通孔２を通じたアノード電極層Ａに対するガスの供給及び排出をスムーズに行って電気化学素子Ｅの性能を向上するための貫通孔２の形状及び配置に関する実施例を示す。
これら実施例に示すように、金属支持体１には、貫通孔２として、厚み方向に対して中心軸が傾斜している第１傾斜貫通孔２Ａ，２Ａｔ及び第２傾斜貫通孔２Ｂ，２Ｂｔと、厚み方向に対して中心軸が平行な平行貫通孔２Ｃなどが設けられている。
尚、図２～図１１において、ガスマニホールド１７側の下端部を左側とし、燃焼部３６側の上端部を右側として、ガス流路Ｌにおけるガス通流方向Ｆを左側から右側へ向かう方向として、金属支持体１及びガス流路Ｌの断面状態を示している。
これら実施例に示すように、金属支持体１には、貫通孔２として、厚み方向に対して中心軸が傾斜している第１傾斜貫通孔２Ａ，２Ａｔ及び第２傾斜貫通孔２Ｂ，２Ｂｔと、厚み方向に対して中心軸が平行な平行貫通孔２Ｃなどが設けられている。
尚、図２～図１１において、ガスマニホールド１７側の下端部を左側とし、燃焼部３６側の上端部を右側として、ガス流路Ｌにおけるガス通流方向Ｆを左側から右側へ向かう方向として、金属支持体１及びガス流路Ｌの断面状態を示している。
【0045】
第１傾斜貫通孔２Ａ，２Ａｔ（図２，５－１１を参照。）は、金属支持体１において表側の開口部が裏側の開口部よりもガス通流方向Ｆの下流側に位置する状態で傾斜している貫通孔２である。一方、第２傾斜貫通孔２Ｂ，２Ｂｔ（図３，４，６－１１を参照。）は、金属支持体１において表側の開口部が裏側の開口部よりもガス通流方向Ｆの上流側に位置する状態で傾斜している貫通孔２である。
【0046】
即ち、金属支持体１において上記第１傾斜貫通孔２Ａ，２Ａｔが設けられていることにより、ガス流路Ｌから流れ方向を変更して第１傾斜貫通孔２Ａ，２Ａｔに流入する改質ガス（Ｈ２）の流れ方向の変更角度が９０°未満と小さくなる。よって、ガス流路Ｌから第１傾斜貫通孔２Ａ，２Ａｔへの改質ガスの流入がスムーズに行われる。
一方、金属支持体１において上記第２傾斜貫通孔２Ｂ，２Ｂｔが設けられていることにより、ガス流路Ｌにおいて、第２傾斜貫通孔２Ｂ，２Ｂｔから流れ方向を変更して当該ガス流路Ｌへ流出する水蒸気（Ｈ２Ｏ）の流れ方向の変更角度が９０°未満と小さくなるので、第２傾斜貫通孔２Ｂ，２Ｂｔからガス流路Ｌへの水蒸気の流出がスムーズに行われる。
一方、金属支持体１において上記第２傾斜貫通孔２Ｂ，２Ｂｔが設けられていることにより、ガス流路Ｌにおいて、第２傾斜貫通孔２Ｂ，２Ｂｔから流れ方向を変更して当該ガス流路Ｌへ流出する水蒸気（Ｈ２Ｏ）の流れ方向の変更角度が９０°未満と小さくなるので、第２傾斜貫通孔２Ｂ，２Ｂｔからガス流路Ｌへの水蒸気の流出がスムーズに行われる。
【0047】
さらに、図６－８，１０，１１に示す配置例では、ガス流路Ｌでのガス通流方向Ｆに沿って、第１傾斜貫通孔２Ａ，２Ａｔが上流側に位置し、その下流側に第２傾斜貫通孔２Ｂ，２Ｂｔが位置する。この構成により、ガス流路Ｌから第１傾斜貫通孔２Ａ，２Ａｔを通じてアノード電極層Ａへの改質ガス（Ｈ２）の供給と、アノード電極層Ａから第２傾斜貫通孔２Ｂ，２Ｂｔを通じてガス流路Ｌへの水蒸気（Ｈ２Ｏ）の排出とが、ガス流路Ｌでのガス通流方向Ｆに沿ってスムーズに行われる。また、第１傾斜貫通孔２Ａ，２Ａｔの中心軸と第２傾斜貫通孔２Ｂ，２Ｂｔの中心軸とが、金属支持体１の表側（図における上側）において交差又は近接した状態となるので、その交差又は近接する箇所を基準にして貫通孔２を加工するためのレーザー光等の光源を配置することができる。
【0048】
図６，８，１０，１１に示す配置例では、金属支持体１をガス通流方向Ｆに沿って上流側の領域と下流側の領域に分けて、その上流側の領域に複数の上記第１傾斜貫通孔２Ａ，２Ａｔが配置され、その下流側の領域に複数の上記第２傾斜貫通孔２Ｂ，２Ｂｔが配置されている。また、図８，１０，１１に示す配置例では、これら上記第１傾斜貫通孔２Ａと上記第２傾斜貫通孔２Ｂとの間の領域に平行貫通孔２Ｃが適宜配置されている。
一方、図７に示す配置例では、一の第１傾斜貫通孔２Ａｔとそれの直下流側に位置する一の第２傾斜貫通孔２Ｂｔからなる一対の傾斜貫通孔２Ａｔ，２Ｂｔが、ガス通流方向Ｆに沿って複数配置されている。
一方、図７に示す配置例では、一の第１傾斜貫通孔２Ａｔとそれの直下流側に位置する一の第２傾斜貫通孔２Ｂｔからなる一対の傾斜貫通孔２Ａｔ，２Ｂｔが、ガス通流方向Ｆに沿って複数配置されている。
【0049】
図２－５，８－１１の配置例で示す第１傾斜貫通孔２Ａ及び第２傾斜貫通孔２Ｂは、中心軸に沿って直径が変化しない形状とされているが、図６，７の配置例で示す第１傾斜貫通孔２Ａｔ及び第２傾斜貫通孔２Ｂｔは、金属支持体１において表側面１ａの開口面積が裏側面１ｂの開口面積より小さく形成されており、具体的には金属支持体１において表側面１ａから裏側面１ｂに向けて漸次拡径するテーパー状に形成されている。この構成により、金属支持体１の表側の光源から照射するレーザー光による傾斜貫通孔２Ａ，２Ｂの加工形成が更に容易になる。
【0050】
また、図１２に示すように、アノード電極層Ａが、上述の傾斜貫通孔２に挿入された挿入部Ａａを有する。即ち、詳細については後述するが、金属支持体１の表側面１ａにアノード電極材料のペーストを塗布してアノード電極層Ａを形成するにあたり、当該ペーストの一部が傾斜貫通孔２に適度な深さまで進入する。そして、この進入したペーストが上記挿入部Ａａとして形成される。このような適度な深さの挿入部Ａａが設けられていることで、金属支持体１の上にアノード電極層Ａを形成しやすくなると共にアノード電極層Ａの強度が向上する。
【0051】
（ガス流路Ｌ内の構造）
図８－１１に示す例では、ガス流路Ｌに、当該ガス流路１内の流れを乱す乱流促進体８０が設けられている。この構成により、ガス流路１内の改質ガス流が乱されて、ガス流路１内に形成される主流に対して、主流方向とは異なった方向（例えば主流に対して直交する流れ）の流れが形成される。結果、貫通孔２を通じた電極層Ａへの改質ガスの供給が効率的に行われる。尚、図示では、ガス流路Ｌに球体を複数充填して乱流促進体８０とする例を示しているが、ガス流路Ｌに網状体を配置して乱流促進体するなど、乱流促進体の形状等については適宜改変することができる。
また、図８，９の例に示すようにガス流路Ｌ全体に乱流促進体８０を配置したり、図１０．１１の例に示すようにガス流路Ｌの一部（例えば下流側の領域）に乱流促進体８０を配置したりなど、ガス流路Ｌにおける乱流促進体８０の配置範囲については適宜設定することができる。
図８－１１に示す例では、ガス流路Ｌに、当該ガス流路１内の流れを乱す乱流促進体８０が設けられている。この構成により、ガス流路１内の改質ガス流が乱されて、ガス流路１内に形成される主流に対して、主流方向とは異なった方向（例えば主流に対して直交する流れ）の流れが形成される。結果、貫通孔２を通じた電極層Ａへの改質ガスの供給が効率的に行われる。尚、図示では、ガス流路Ｌに球体を複数充填して乱流促進体８０とする例を示しているが、ガス流路Ｌに網状体を配置して乱流促進体するなど、乱流促進体の形状等については適宜改変することができる。
また、図８，９の例に示すようにガス流路Ｌ全体に乱流促進体８０を配置したり、図１０．１１の例に示すようにガス流路Ｌの一部（例えば下流側の領域）に乱流促進体８０を配置したりなど、ガス流路Ｌにおける乱流促進体８０の配置範囲については適宜設定することができる。
【0052】
更に、図９，１０に示す例では、ガス流路Ｌに、当該ガス流路１を通流する燃料ガスガスを水素に改質する触媒反応部８１が設けられており、具体的には、乱流促進体８０の表面の少なくとも一部に触媒反応部８１が設けられている。例えば、乱流促進体８０の表面に金属酸化物担体に活性金属としてのルテニウムを担持した触媒層を触媒反応部８１として設けておく。このようにすると、電気化学素子Ｅを燃料電池として働かせる場合、ガス流路Ｌには、外部改質により得られる水素の他、改質対象となる燃料ガス（改質前ガス：具体的にはメタンを主成分とする還元性ガス）が流れることがある。そして、アノード電極層Ａにおいて生成する水蒸気をガス流路Ｌに戻すことにより、上記触媒反応部８１においてガス流路Ｌに流入した燃料ガスを水蒸気改質することができる。当然、生成される水素や一酸化炭素は、下流側において貫通孔２を介してアノード電極層Ａに供給して、発電の用に供することができる。
【0053】
（アノード電極層Ａ）
アノード電極層Ａは、図１に示すように、金属支持体１の表側面１ａであって複数の貫通孔２が設けられた領域より大きな領域に、薄層の状態で設けることができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ～５０μｍとすることができる。このような厚さにすると、高価なアノード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。複数の貫通孔２が設けられた領域の全体が、アノード電極層Ａに覆われている。つまり、複数の貫通孔２は金属支持体１におけるアノード電極層Ａ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２がアノード電極層Ａに面して設けられている。
アノード電極層Ａは、図１に示すように、金属支持体１の表側面１ａであって複数の貫通孔２が設けられた領域より大きな領域に、薄層の状態で設けることができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ～５０μｍとすることができる。このような厚さにすると、高価なアノード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。複数の貫通孔２が設けられた領域の全体が、アノード電極層Ａに覆われている。つまり、複数の貫通孔２は金属支持体１におけるアノード電極層Ａ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２がアノード電極層Ａに面して設けられている。
【0054】
アノード電極層Ａの材料としては、例えばＮｉＯ－ＧＤＣ、Ｎｉ－ＧＤＣ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、Ｎｉ－ＹＳＺ、ＣｕＯ－ＣｅＯ２、Ｃｕ－ＣｅＯ２などの複合材を用いることができる。これらの例では、ＧＤＣ、ＹＳＺ、ＣｅＯ２を複合材の骨材と呼ぶことができる。なお、アノード電極層Ａは、低温焼成法（例えば１１００℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法やパルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能なプロセスにより、例えば１１００℃より高い高温域での焼成を用いずに、良好なアノード電極層Ａ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とアノード電極層Ａとの元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。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。
【0055】
アノード電極層Ａは、気体透過性を持たせるため、その内部および表面に複数の細孔を有する。
すなわちアノード電極層Ａは、多孔質な層として形成される。アノード電極層Ａは、例えば、その緻密度が３０％以上８０％未満となるように形成される。細孔のサイズは、電気化学反応を行う際に円滑な反応が進行するのに適したサイズを適宜選ぶことができる。なお緻密度とは、層を構成する材料の空間に占める割合であって、（１－空孔率）と表すことができ、また、相対密度と同等である。
すなわちアノード電極層Ａは、多孔質な層として形成される。アノード電極層Ａは、例えば、その緻密度が３０％以上８０％未満となるように形成される。細孔のサイズは、電気化学反応を行う際に円滑な反応が進行するのに適したサイズを適宜選ぶことができる。なお緻密度とは、層を構成する材料の空間に占める割合であって、（１－空孔率）と表すことができ、また、相対密度と同等である。
【0056】
（中間層ｙ）
中間層ｙ（挿入層）は、図１に示すように、アノード電極層Ａを覆った状態で、アノード電極層Ａの上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは２μｍ～５０μｍ程度、より好ましくは４μｍ～２５μｍ程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な中間層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。中間層ｙの材料としては、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア）、ＹＤＣ（イットリウム・ドープ・セリア）、ＳＤＣ（サマリウム・ドープ・セリア）等を用いることができる。特にセリア系のセラミックスが好適に用いられる。
中間層ｙ（挿入層）は、図１に示すように、アノード電極層Ａを覆った状態で、アノード電極層Ａの上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは２μｍ～５０μｍ程度、より好ましくは４μｍ～２５μｍ程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な中間層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。中間層ｙの材料としては、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア）、ＹＤＣ（イットリウム・ドープ・セリア）、ＳＤＣ（サマリウム・ドープ・セリア）等を用いることができる。特にセリア系のセラミックスが好適に用いられる。
【0057】
中間層ｙは、低温焼成法（例えば１１００℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば１１００℃より高い高温域での焼成を用いずに中間層ｙ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とアノード電極層Ａとの元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できる。また、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
【0058】
中間層ｙとしては、酸素イオン（酸化物イオン）伝導性を有することが好ましい。また、酸素イオン（酸化物イオン）と電子との混合伝導性を有すると更に好ましい。これらの性質を有する中間層ｙは、電気化学素子Ｅへの適用に適している。
【0059】
（電解質層Ｂ）
電解質層Ｂは、図１に示すように、アノード電極層Ａおよび中間層ｙを覆った状態で、中間層ｙの上に薄層の状態で形成される。また、厚さが１０μｍ以下の薄膜の状態で形成することもできる。詳しくは電解質層Ｂは、図１に示すように、中間層ｙ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Ｂを金属支持体１に接合することで、電気化学素子全体として堅牢性に優れたものとすることができる。
電解質層Ｂは、図１に示すように、アノード電極層Ａおよび中間層ｙを覆った状態で、中間層ｙの上に薄層の状態で形成される。また、厚さが１０μｍ以下の薄膜の状態で形成することもできる。詳しくは電解質層Ｂは、図１に示すように、中間層ｙ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Ｂを金属支持体１に接合することで、電気化学素子全体として堅牢性に優れたものとすることができる。
【0060】
電解質層Ｂは、図１に示すように、金属支持体１の表側面１ａであって複数の貫通孔２が設けられた領域より大きな領域に設けられる。つまり、複数の貫通孔２は金属支持体１における電解質層Ｂが形成された領域の内側に形成されている。
【0061】
電解質層Ｂの周囲においては、アノード電極層Ａおよび中間層ｙからのガスのリークを抑制することができる。説明すると、電気化学素子ＥをＳＯＦＣの燃料電池単セルとして用いる場合、ＳＯＦＣの作動時には、金属支持体１の裏側から貫通孔２を通じてアノード電極層Ａへガスが供給される。電解質層Ｂが金属支持体１に接している部位においては、ガスケット等の別部材を設けることなく、ガスのリークを抑制することができる。なお、本実施形態では電解質層Ｂによってアノード電極層Ａの周囲をすべて覆っているが、アノード電極層Ａおよび中間層ｙの上部に電解質層Ｂを設け、周囲にガスケット等を設ける構成としてもよい。
【0062】
電解質層Ｂの材料としては、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア）、ＹＤＣ（イットリウム・ドープ・セリア）、ＳＤＣ（サマリウム・ドープ・セリア）、ＬＳＧＭ（ストロンチウム・マグネシウム添加ランタンガレート）等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Ｂをジルコニア系セラミックスとすると、電気化学素子Ｅを用いたＳＯＦＣの稼働温度をセリア系セラミックス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。例えば電気化学素子ＥをＳＯＦＣに用いる場合、電解質層Ｂ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。
【0063】
電解質層Ｂは、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば１１００℃を越える高温域での焼成を用いずに、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層Ｂ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とアノード電極層Ａとの元素相互拡散を抑制することができ、性能・耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、スプレーコーティング法を用いると、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層Ｂが低温域で容易に得られやすいので更に好ましい。
【0064】
電解質層Ｂは、アノードガスやカソードガスのガスリークを遮蔽し、かつ、高いイオン伝導性を発現するために、緻密に構成される。電解質層Ｂ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Ｂ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Ｂが、複数の層状に構成されているような場合は、そのうちの少なくとも一部が、緻密度が９８％以上である層（緻密電解質層）を含んでいると好ましく、９９％以上である層（緻密電解質層）を含んでいるとより好ましい。このような緻密電解質層が電解質層の一部に含まれていると、電解質層が複数の層状に構成されている場合であっても、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層を形成しやすくできるからである。
【0065】
（反応防止層ｚ）
反応防止層ｚは、電解質層Ｂの上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは２μｍ～５０μｍ程度、より好ましくは３μｍ～１５μｍ程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な反応防止層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。反応防止層ｚの材料としては、電解質層Ｂの成分とカソード電極層Ｃの成分との間の反応を防止できる材料であれば良いが、例えばセリア系材料等が用いられる。また反応防止層ｚの材料として、Ｓｍ、ＧｄおよびＹからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも１つを含有する材料が好適に用いられる。なお、Ｓｍ、ＧｄおよびＹからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも１つを含有し、これら元素の含有率の合計が１．０質量％以上１０質量％以下であるとよい。反応防止層ｚを電解質層Ｂとカソード電極層Ｃとの間に導入することにより、カソード電極層Ｃの構成材料と電解質層Ｂの構成材料との反応が効果的に抑制され、電気化学素子Ｅの性能の長期安定性を向上できる。反応防止層ｚ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とアノード電極層Ａとの元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
反応防止層ｚは、電解質層Ｂの上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは２μｍ～５０μｍ程度、より好ましくは３μｍ～１５μｍ程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な反応防止層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。反応防止層ｚの材料としては、電解質層Ｂの成分とカソード電極層Ｃの成分との間の反応を防止できる材料であれば良いが、例えばセリア系材料等が用いられる。また反応防止層ｚの材料として、Ｓｍ、ＧｄおよびＹからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも１つを含有する材料が好適に用いられる。なお、Ｓｍ、ＧｄおよびＹからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも１つを含有し、これら元素の含有率の合計が１．０質量％以上１０質量％以下であるとよい。反応防止層ｚを電解質層Ｂとカソード電極層Ｃとの間に導入することにより、カソード電極層Ｃの構成材料と電解質層Ｂの構成材料との反応が効果的に抑制され、電気化学素子Ｅの性能の長期安定性を向上できる。反応防止層ｚ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とアノード電極層Ａとの元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
【0066】
（カソード電極層Ｃ）
カソード電極層Ｃは、電解質層Ｂもしくは反応防止層ｚ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、高価なカソード電極層Ｃ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。カソード電極層Ｃの材料としては、例えば、ＬＳＣＦ、ＬＳＭ等の複合酸化物、セリア系酸化物およびこれらの混合物を用いることができる。特にカソード電極層Ｃが、Ｌａ、Ｓｒ、Ｓｍ、Ｍｎ、ＣｏおよびＦｅからなる群から選ばれる２種類以上の元素を含有するペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。以上の材料を用いて構成されるカソード電極層Ｃは、カソードとして機能する。
カソード電極層Ｃは、電解質層Ｂもしくは反応防止層ｚ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、高価なカソード電極層Ｃ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。カソード電極層Ｃの材料としては、例えば、ＬＳＣＦ、ＬＳＭ等の複合酸化物、セリア系酸化物およびこれらの混合物を用いることができる。特にカソード電極層Ｃが、Ｌａ、Ｓｒ、Ｓｍ、Ｍｎ、ＣｏおよびＦｅからなる群から選ばれる２種類以上の元素を含有するペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。以上の材料を用いて構成されるカソード電極層Ｃは、カソードとして機能する。
【0067】
なお、カソード電極層Ｃ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とアノード電極層Ａとの元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＤＶ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
【0068】
（ＳＯＦＣ）
以上のように電気化学素子Ｅを構成することで、この電気化学素子Ｅを燃料電池単セルとして機能させる場合には、電気化学素子ＥをＳＯＦＣの単セルとして用いることができる。例えば、金属支持体１の裏側面１ｂから複数の貫通孔２を通じて水素を含む燃料ガスをアノード電極層Ａへ流通し、アノード電極層Ａの対極となるカソード電極層Ｃへ空気を流通し、例えば、５００℃以上９００℃以下の温度で作動させる。そうすると、カソード電極層Ｃ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Ｂを通ってアノード電極層Ａへ移動する。アノード電極層Ａにおいては、供給された燃料ガスに含まれる水素Ｈ２が酸素イオンＯ２－と反応し、水Ｈ２Ｏ（水蒸気）と電子ｅ－が生成される。
電解質層Ｂに水素イオンを伝導する電解質材料を用いた場合には、アノード電極層Ａ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Ｂを通ってカソード電極層Ｃへ移動する。カソード電極層Ｃ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。
以上の反応により、アノード電極層Ａとカソード電極層Ｃとの間に起電力が発生する。この場合、アノード電極層ＡはＳＯＦＣの燃料極（アノード）として機能し、カソード電極層Ｃは空気極（カソード）として機能する。
以上のように電気化学素子Ｅを構成することで、この電気化学素子Ｅを燃料電池単セルとして機能させる場合には、電気化学素子ＥをＳＯＦＣの単セルとして用いることができる。例えば、金属支持体１の裏側面１ｂから複数の貫通孔２を通じて水素を含む燃料ガスをアノード電極層Ａへ流通し、アノード電極層Ａの対極となるカソード電極層Ｃへ空気を流通し、例えば、５００℃以上９００℃以下の温度で作動させる。そうすると、カソード電極層Ｃ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Ｂを通ってアノード電極層Ａへ移動する。アノード電極層Ａにおいては、供給された燃料ガスに含まれる水素Ｈ２が酸素イオンＯ２－と反応し、水Ｈ２Ｏ（水蒸気）と電子ｅ－が生成される。
電解質層Ｂに水素イオンを伝導する電解質材料を用いた場合には、アノード電極層Ａ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Ｂを通ってカソード電極層Ｃへ移動する。カソード電極層Ｃ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。
以上の反応により、アノード電極層Ａとカソード電極層Ｃとの間に起電力が発生する。この場合、アノード電極層ＡはＳＯＦＣの燃料極（アノード）として機能し、カソード電極層Ｃは空気極（カソード）として機能する。
【0069】
（電気化学素子Ｅの製造方法）
次に、電気化学素子Ｅの製造方法について説明する。
次に、電気化学素子Ｅの製造方法について説明する。
【0070】
（アノード電極層形成ステップ）
アノード電極層形成ステップでは、金属支持体１の表側面１ａの複数の貫通孔２が設けられた領域より広い領域にアノード電極層Ａが薄膜の状態で形成される。金属支持体１に対して複数の貫通孔２はレーザー加工等によって設けることができる。アノード電極層Ａの形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
アノード電極層形成ステップでは、金属支持体１の表側面１ａの複数の貫通孔２が設けられた領域より広い領域にアノード電極層Ａが薄膜の状態で形成される。金属支持体１に対して複数の貫通孔２はレーザー加工等によって設けることができる。アノード電極層Ａの形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
【0071】
アノード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。まずアノード電極層Ａ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の表側面１ａに塗布する。そしてアノード電極層Ａを圧縮成形し（アノード電極層平滑化工程）、１１００℃以下で焼成する（アノード電極層焼成工程）。アノード電極層Ａの圧縮成形は、例えば、ＣＩＰ（Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ、冷間静水圧加圧）成形、ロール加圧成形、ＲＩＰ（Ｒｕｂｂｅｒ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）成形などにより行うことができる。また、アノード電極層Ａの焼成は、８００℃以上１１００℃以下の温度で行うと好適である。また、アノード電極層平滑化工程とアノード電極層焼成工程の順序を入れ替えることもできる。
なお、中間層ｙを有する電気化学素子Ｅを形成する場合では、アノード電極層平滑化工程やアノード電極層焼成工程を省いたり、アノード電極層平滑化工程やアノード電極層焼成工程を後述する中間層平滑化工程や中間層焼成工程に含めることもできる。
なお、アノード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。
なお、中間層ｙを有する電気化学素子Ｅを形成する場合では、アノード電極層平滑化工程やアノード電極層焼成工程を省いたり、アノード電極層平滑化工程やアノード電極層焼成工程を後述する中間層平滑化工程や中間層焼成工程に含めることもできる。
なお、アノード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。
【0072】
また、上述のアノード電極層Ａの圧縮成形において、金属支持体１の表側面１ａに塗布された材料ペーストの一部は、金属支持体１に形成された貫通孔２に適度な深さまで進入し、その進入した部分が、上述した挿入部Ａａ（図１２参照）となる。
【0073】
（拡散抑制層形成ステップ）
上述したアノード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の表面に拡散抑制層ｘが形成される。なお、上記焼成工程に、焼成雰囲気を酸素分圧が低い雰囲気条件とする焼成工程が含まれていると元素の相互拡散抑制効果が高く、抵抗値の低い良質な拡散抑制層ｘが形成されるので好ましい。アノード電極層形成ステップを、焼成を行わないコーティング方法とする場合を含め、別途の拡散抑制層形成ステップを含めても良い。いずれにおいても、金属支持体１の損傷を抑制可能な１１００℃以下の処理温度で実施することが望ましい。また、後述する中間層形成ステップにおける焼成工程時に、金属支持体１の表面に拡散抑制層ｘが形成されても良い。
上述したアノード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の表面に拡散抑制層ｘが形成される。なお、上記焼成工程に、焼成雰囲気を酸素分圧が低い雰囲気条件とする焼成工程が含まれていると元素の相互拡散抑制効果が高く、抵抗値の低い良質な拡散抑制層ｘが形成されるので好ましい。アノード電極層形成ステップを、焼成を行わないコーティング方法とする場合を含め、別途の拡散抑制層形成ステップを含めても良い。いずれにおいても、金属支持体１の損傷を抑制可能な１１００℃以下の処理温度で実施することが望ましい。また、後述する中間層形成ステップにおける焼成工程時に、金属支持体１の表面に拡散抑制層ｘが形成されても良い。
【0074】
（中間層形成ステップ）
中間層形成ステップでは、アノード電極層Ａを覆う形態で、アノード電極層Ａの上に中間層ｙが薄層の状態で形成される。中間層ｙの形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
中間層形成ステップでは、アノード電極層Ａを覆う形態で、アノード電極層Ａの上に中間層ｙが薄層の状態で形成される。中間層ｙの形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
【0075】
中間層形成ステップを低温焼成法で行う場合には、具体的には以下の例のように行う。
まず、中間層ｙ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の表側面１ａに塗布する。そして中間層ｙを圧縮成形し（中間層平滑化工程）、１１００℃以下で焼成する（中間層焼成工程）。中間層ｙの圧延は、例えば、ＣＩＰ（Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ 、冷間静水圧加圧）成形、ロール加圧成形、ＲＩＰ（Ｒｕｂｂｅｒ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）成形などにより行うことができる。また、中間層ｙの焼成は、８００℃以上１１００℃以下の温度で行うと好適である。このような温度であると、金属支持体１の損傷・劣化を抑制しつつ、強度の高い中間層ｙを形成できるためである。また、中間層ｙの焼成を１０５０℃以下で行うとより好ましく、１０００℃以下で行うと更に好ましい。これは、中間層ｙの焼成温度を低下させる程に、金属支持体１の損傷・劣化をより抑制しつつ、電気化学素子Ｅを形成できるからである。また、中間層平滑化工程と中間層焼成工程の順序を入れ替えることもできる。
なお、中間層平滑化工程は、ラップ成形やレベリング処理、表面の切削・研磨処理などを施すことによって行うことでもできる。
まず、中間層ｙ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の表側面１ａに塗布する。そして中間層ｙを圧縮成形し（中間層平滑化工程）、１１００℃以下で焼成する（中間層焼成工程）。中間層ｙの圧延は、例えば、ＣＩＰ（Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ 、冷間静水圧加圧）成形、ロール加圧成形、ＲＩＰ（Ｒｕｂｂｅｒ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）成形などにより行うことができる。また、中間層ｙの焼成は、８００℃以上１１００℃以下の温度で行うと好適である。このような温度であると、金属支持体１の損傷・劣化を抑制しつつ、強度の高い中間層ｙを形成できるためである。また、中間層ｙの焼成を１０５０℃以下で行うとより好ましく、１０００℃以下で行うと更に好ましい。これは、中間層ｙの焼成温度を低下させる程に、金属支持体１の損傷・劣化をより抑制しつつ、電気化学素子Ｅを形成できるからである。また、中間層平滑化工程と中間層焼成工程の順序を入れ替えることもできる。
なお、中間層平滑化工程は、ラップ成形やレベリング処理、表面の切削・研磨処理などを施すことによって行うことでもできる。
【0076】
（電解質層形成ステップ）
電解質層形成ステップでは、アノード電極層Ａおよび中間層ｙを覆った状態で、電解質層Ｂが中間層ｙの上に薄層の状態で形成される。また、厚さが１０μｍ以下の薄膜の状態で形成されても良い。電解質層Ｂの形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
電解質層形成ステップでは、アノード電極層Ａおよび中間層ｙを覆った状態で、電解質層Ｂが中間層ｙの上に薄層の状態で形成される。また、厚さが１０μｍ以下の薄膜の状態で形成されても良い。電解質層Ｂの形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
【0077】
緻密で気密性およびガスバリア性能の高い、良質な電解質層Ｂを１１００℃以下の温度域で形成するためには、電解質層形成ステップをスプレーコーティング法で行うことが望ましい。その場合、電解質層Ｂの材料を金属支持体１上の中間層ｙに向けて噴射し、電解質層Ｂを形成する。
【0078】
（反応防止層形成ステップ）
反応防止層形成ステップでは、反応防止層ｚが電解質層Ｂの上に薄層の状態で形成される。反応防止層ｚの形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。なお反応防止層ｚの上側の面を平坦にするために、例えば反応防止層ｚの形成後にレベリング処理や表面を切削・研磨処理を施したり、湿式形成後焼成前に、プレス加工を施してもよい。
反応防止層形成ステップでは、反応防止層ｚが電解質層Ｂの上に薄層の状態で形成される。反応防止層ｚの形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。なお反応防止層ｚの上側の面を平坦にするために、例えば反応防止層ｚの形成後にレベリング処理や表面を切削・研磨処理を施したり、湿式形成後焼成前に、プレス加工を施してもよい。
【0079】
（カソード電極層形成ステップ）
カソード電極層形成ステップでは、カソード電極層Ｃが反応防止層ｚの上に薄層の状態で形成される。カソード電極層Ｃの形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
カソード電極層形成ステップでは、カソード電極層Ｃが反応防止層ｚの上に薄層の状態で形成される。カソード電極層Ｃの形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
【0080】
以上の様にして、電気化学素子Ｅを製造することができる。
なお、電気化学素子Ｅにおいて、中間層ｙ（挿入層）と反応防止層ｚとは、何れか一方、あるいは両方を備えない形態とすることも可能である。すなわち、アノード電極層Ａと電解質層Ｂとが接触して形成される形態、あるいは電解質層Ｂとカソード電極層Ｃとが接触して形成される形態も可能である。この場合に上述の製造方法では、中間層形成ステップ、反応防止層形成ステップが省略される。なお、他の層を形成するステップを追加したり、同種の層を複数積層したりすることも可能であるが、いずれの場合であっても、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
なお、電気化学素子Ｅにおいて、中間層ｙ（挿入層）と反応防止層ｚとは、何れか一方、あるいは両方を備えない形態とすることも可能である。すなわち、アノード電極層Ａと電解質層Ｂとが接触して形成される形態、あるいは電解質層Ｂとカソード電極層Ｃとが接触して形成される形態も可能である。この場合に上述の製造方法では、中間層形成ステップ、反応防止層形成ステップが省略される。なお、他の層を形成するステップを追加したり、同種の層を複数積層したりすることも可能であるが、いずれの場合であっても、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
【0081】
（電気化学モジュールＭ）
電気化学モジュールＭは、図１４に示すように、ガスマニホールド１７、集電部材２６、終端部材および電流引出し部を有する。複数積層された電気化学素子Ｅは、筒状支持体の一方の開口端部がガスマニホールド１７に接続されて、ガスマニホールド１７から気体の供給を受ける。供給された気体は、筒状支持体の内部を通流し、金属支持体１の貫通孔２を通ってアノード電極層Ａに供給される。
電気化学モジュールＭは、図１４に示すように、ガスマニホールド１７、集電部材２６、終端部材および電流引出し部を有する。複数積層された電気化学素子Ｅは、筒状支持体の一方の開口端部がガスマニホールド１７に接続されて、ガスマニホールド１７から気体の供給を受ける。供給された気体は、筒状支持体の内部を通流し、金属支持体１の貫通孔２を通ってアノード電極層Ａに供給される。
【0082】
（エネルギーシステムＺおよび電気化学装置Ｙ）
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から排出される熱を再利用する排熱利用部としての熱交換器５３とを有する。
電気化学装置Ｙは、電気化学モジュールＭと、脱硫器３１と外部改質器３４とからなる燃料変換器を有し電気化学モジュールＭに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部と、電気化学モジュールＭから電力を取り出すインバータ３８（電力変換器の一例）とを有する。
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から排出される熱を再利用する排熱利用部としての熱交換器５３とを有する。
電気化学装置Ｙは、電気化学モジュールＭと、脱硫器３１と外部改質器３４とからなる燃料変換器を有し電気化学モジュールＭに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部と、電気化学モジュールＭから電力を取り出すインバータ３８（電力変換器の一例）とを有する。
【0083】
電気化学装置Ｙは、脱硫器３１、改質水タンク３２、気化器３３、外部改質器３４、ブロア３５、燃焼部３６、インバータ３８、制御部３９、収納容器４０および電気化学モジュールＭを有する。
【0084】
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、硫黄化合物による外部改質器３４あるいは電気化学素子Ｅに対する影響を抑制することができる。気化器３３は、改質水タンク３２から供給される改質水から水蒸気を生成する。外部改質器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。
【0085】
電気化学モジュールＭは、外部改質器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。
【0086】
電気化学モジュールＭは、複数の電気化学素子Ｅとガスマニホールド１７とを有する。複数の電気化学素子Ｅは互いに電気的に接続された状態で並列して配置され、電気化学素子Ｅの一方の端部（下端部）がガスマニホールド１７に固定されている。電気化学素子Ｅは、ガスマニホールド１７を通じて供給される改質ガスと、ブロア３５から供給された空気とを電気化学反応させて発電する。
【0087】
インバータ３８は、電気化学モジュールＭの出力電力を調整して、商用系統（図示省略）から受電する電力と同じ電圧および同じ周波数にする。制御部３９は電気化学装置ＹおよびエネルギーシステムＺの運転を制御する。
【0088】
気化器３３、外部改質器３４、電気化学モジュールＭおよび燃焼部３６は、収納容器４０内に収納される。そして外部改質器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。
【0089】
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。
【0090】
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を通して外部改質器３４に供給される。外部改質器３４にて原燃料が水蒸気改質され、水素ガスを主成分とする改質ガス（還元性成分を有する第１気体）が生成される。外部改質器３４にて生成された改質ガスは、改質ガス供給路４６を通して電気化学モジュールＭのガスマニホールド１７に供給される。
【0091】
ガスマニホールド１７に供給された改質ガスは、複数の電気化学素子Ｅに対して分配され、電気化学素子Ｅとガスマニホールド１７との接続部である下端から電気化学素子Ｅに供給される。改質ガス中の主に水素（還元性成分）が、電気化学素子Ｅにて電気化学反応に使用される。反応に用いられなかった残余の水素ガスを含む反応排ガスが、電気化学素子Ｅの上端から燃焼部３６に排出される。
【0092】
反応排ガスは燃焼部３６で燃焼され、燃焼排ガスとなって燃焼排ガス排出口５０から収納容器４０の外部に排出される。燃焼排ガス排出口５０には燃焼触媒部５１（例えば、白金系触媒）が配置され、燃焼排ガスに含有される一酸化炭素や水素等の還元性成分を燃焼除去する。燃焼排ガス排出口５０から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス排出路５２により熱交換器５３に送られる。
【0093】
熱交換器５３は、燃焼部３６における燃焼で生じた燃焼排ガスと、供給される冷水とを熱交換させ、温水を生成する。すなわち熱交換器５３は、電気化学装置Ｙから排出される熱を再利用する排熱利用部として動作する。
【0094】
なお、排熱利用部の代わりに、電気化学モジュールＭから（燃焼されずに）排出される反応排ガスを利用する反応排ガス利用部を設けてもよい。反応排ガスには、電気化学素子Ｅにて反応に用いられなかった残余の水素ガスが含まれる。反応排ガス利用部では、残余の水素ガスを利用して、燃焼による熱利用や、燃料電池等による発電が行われ、エネルギーの有効利用がなされる。
【0095】
〔別実施形態〕
本発明の他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用することに限らず、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
本発明の他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用することに限らず、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
【0096】
（１）電気化学モジュールＭの他の実施形態を図１５に示す。この電気化学モジュールＭは、上述の電気化学素子Ｅを、セル間接続部材７１を間に挟んで積層することで、電気化学モジュールＭを構成する。
セル間接続部材７１は、導電性を有し、かつ気体透過性を有さない板状の部材であり、表面と裏面に、互いに直交する溝７２が形成されている。セル間接続部材７１はステンレス等の金属や、金属酸化物を用いることができる。
図１５に示すように、このセル間接続部材７１を間に挟んで電気化学素子Ｅを積層すると、溝７２を通じて気体を電気化学素子Ｅに供給することができる。詳しくは一方の溝７２が第１気体流路７２ａとなり、電気化学素子Ｅの表側、すなわちカソード電極層Ｃに気体を供給する。他方の溝７２が第２気体流路７２ｂとなり、電気化学素子Ｅの裏側、すなわち金属支持体１の裏側の面から貫通孔２（図１参照）を通じてアノード電極層Ａへ気体を供給する。
この電気化学モジュールＭを燃料電池として動作させる場合は、第１気体流路７２ａに酸素を供給し、第２気体流路７２ｂに水素を供給する。そうすると電気化学素子Ｅにて燃料電池としての反応が進行し、起電力・電流が発生する。発生した電力は、積層された電気化学素子Ｅの両端のセル間接続部材７１から、電気化学モジュールＭの外部に取り出される。
なお、図１５に示す形態では、セル間接続部材７１の表面と裏面に、互いに直交する溝７２を形成したが、セル間接続部材７１の表面と裏面に、互いに並行する溝７２を形成することもできる。
セル間接続部材７１は、導電性を有し、かつ気体透過性を有さない板状の部材であり、表面と裏面に、互いに直交する溝７２が形成されている。セル間接続部材７１はステンレス等の金属や、金属酸化物を用いることができる。
図１５に示すように、このセル間接続部材７１を間に挟んで電気化学素子Ｅを積層すると、溝７２を通じて気体を電気化学素子Ｅに供給することができる。詳しくは一方の溝７２が第１気体流路７２ａとなり、電気化学素子Ｅの表側、すなわちカソード電極層Ｃに気体を供給する。他方の溝７２が第２気体流路７２ｂとなり、電気化学素子Ｅの裏側、すなわち金属支持体１の裏側の面から貫通孔２（図１参照）を通じてアノード電極層Ａへ気体を供給する。
この電気化学モジュールＭを燃料電池として動作させる場合は、第１気体流路７２ａに酸素を供給し、第２気体流路７２ｂに水素を供給する。そうすると電気化学素子Ｅにて燃料電池としての反応が進行し、起電力・電流が発生する。発生した電力は、積層された電気化学素子Ｅの両端のセル間接続部材７１から、電気化学モジュールＭの外部に取り出される。
なお、図１５に示す形態では、セル間接続部材７１の表面と裏面に、互いに直交する溝７２を形成したが、セル間接続部材７１の表面と裏面に、互いに並行する溝７２を形成することもできる。
【0097】
（２）上記の実施形態では、電気化学素子ＥをＳＯＦＣの単セルに用いたが、電気化学素子Ｅは、固体酸化物形電解セルや、固体酸化物を利用した酸素センサ等に利用することもできる。
すなわち、上記の実施形態では、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効率を向上できる構成について説明した。
つまり、上記の実施形態では、電気化学素子Ｅ及び電気化学モジュールＭを燃料電池として動作させ、アノード電極層Ａに水素ガスが流通され、カソード電極層Ｃに酸素ガスが流通される。そうすると、カソード電極層Ｃにおいて酸素分子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Ｂを通ってアノード電極層Ａへ移動する。アノード電極層Ａにおいては、水素分子Ｈ２が酸素イオンＯ２－と反応し、水Ｈ２Ｏと電子ｅ－が生成される。以上の反応により、アノード電極層Ａとカソード電極層Ｃとの間に起電力が発生し、発電が行われる。
一方、電気化学素子Ｅ及び電気化学モジュールＭを電解セルとして動作させる場合は、アノード電極層Ａに水蒸気や二酸化炭素を含有するガスが流通され、アノード電極層Ａとカソード電極層Ｃとの間に電圧が印加される。そうすると、アノード電極層Ａにおいて電子ｅ－と水分子Ｈ２Ｏ、二酸化炭素分子ＣＯ２が反応し水素分子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Ｂを通ってカソード電極層Ｃへ移動する。カソード電極層Ｃにおいて酸素イオンＯ２－が電子を放出して酸素分子Ｏ２となる。以上の反応により、水分子Ｈ２Ｏが水素Ｈ２と酸素Ｏ２とに、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。
すなわち、上記の実施形態では、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効率を向上できる構成について説明した。
つまり、上記の実施形態では、電気化学素子Ｅ及び電気化学モジュールＭを燃料電池として動作させ、アノード電極層Ａに水素ガスが流通され、カソード電極層Ｃに酸素ガスが流通される。そうすると、カソード電極層Ｃにおいて酸素分子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Ｂを通ってアノード電極層Ａへ移動する。アノード電極層Ａにおいては、水素分子Ｈ２が酸素イオンＯ２－と反応し、水Ｈ２Ｏと電子ｅ－が生成される。以上の反応により、アノード電極層Ａとカソード電極層Ｃとの間に起電力が発生し、発電が行われる。
一方、電気化学素子Ｅ及び電気化学モジュールＭを電解セルとして動作させる場合は、アノード電極層Ａに水蒸気や二酸化炭素を含有するガスが流通され、アノード電極層Ａとカソード電極層Ｃとの間に電圧が印加される。そうすると、アノード電極層Ａにおいて電子ｅ－と水分子Ｈ２Ｏ、二酸化炭素分子ＣＯ２が反応し水素分子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Ｂを通ってカソード電極層Ｃへ移動する。カソード電極層Ｃにおいて酸素イオンＯ２－が電子を放出して酸素分子Ｏ２となる。以上の反応により、水分子Ｈ２Ｏが水素Ｈ２と酸素Ｏ２とに、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。
【0098】
水蒸気と二酸化炭素分子ＣＯ２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電気化学素子Ｅ及び電気化学モジュールＭ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などを合成する燃料変換器９１を設けることができる。燃料供給部（図示せず）により、この燃料変換器９１が生成した炭化水素等を本システム・装置外に取り出して別途燃料として利用することができる。また、燃料変換器９１で水素や一酸化炭素を化学原料に変換して利用することもできる。
図１６に示すエネルギーシステムでは、電気化学モジュールＭは、複数の電気化学素子Ｅとガスマニホールド１７及びガスマニホールド１７１とを有する。複数の電気化学素子Ｅは互いに電気的に接続された状態で並列して配置され、電気化学素子Ｅの一方の端部（下端部）がガスマニホールド１７に固定されており、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。電気化学素子Ｅの一方の端部（下端部）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、電気化学素子Ｅの電気化学素子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、電気化学素子Ｅの他方の端部（上端部）と連通するマニホールド１７１によって収集される。
図１６中の熱交換器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、図１６中の熱交換器９２を、電気化学素子Ｅによって生ずる排熱と水蒸気およ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により、エネルギー効率を高めることができる。
また、電力変換器９３は、電気化学素子Ｅに電力を流通する。これにより、上記のように電気化学素子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素子Ｅ等を提供することができる。
図１６に示すエネルギーシステムでは、電気化学モジュールＭは、複数の電気化学素子Ｅとガスマニホールド１７及びガスマニホールド１７１とを有する。複数の電気化学素子Ｅは互いに電気的に接続された状態で並列して配置され、電気化学素子Ｅの一方の端部（下端部）がガスマニホールド１７に固定されており、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。電気化学素子Ｅの一方の端部（下端部）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、電気化学素子Ｅの電気化学素子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、電気化学素子Ｅの他方の端部（上端部）と連通するマニホールド１７１によって収集される。
図１６中の熱交換器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、図１６中の熱交換器９２を、電気化学素子Ｅによって生ずる排熱と水蒸気およ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により、エネルギー効率を高めることができる。
また、電力変換器９３は、電気化学素子Ｅに電力を流通する。これにより、上記のように電気化学素子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素子Ｅ等を提供することができる。
【0099】
（３）上記の実施形態では、アノード電極層Ａ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、カソード電極層Ｃの材料として例えばＬＳＣＦ、ＬＳＭ等の複合酸化物を用いた。このように構成された電気化学素子Ｅは、アノード電極層Ａに水素ガスを供給して燃料極（アノード）とし、カソード電極層Ｃに空気を供給して空気極（カソード）とし、ＳＯＦＣの単セルとして用いることが可能である。この構成を変更して、アノード電極層Ａを空気極とし、カソード電極層Ｃを燃料極とすることが可能なように、電気化学素子Ｅを構成することも可能である。すなわち、アノード電極層Ａの材料として例えばＬＳＣＦ、ＬＳＭ等の複合酸化物を用い、カソード電極層Ｃの材料として例えばＮｉＯ－ＧＤＣ、Ｎｉ－ＧＤＣ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、Ｎｉ－ＹＳＺ、ＣｕＯ－ＣｅＯ２、Ｃｕ－ＣｅＯ２などの複合材を用いる。このように構成した電気化学素子Ｅであれば、アノード電極層Ａに空気を供給して空気極とし、カソード電極層Ｃに水素ガスを供給して燃料極とし、電気化学素子ＥをＳＯＦＣの単セルとして用いることができる。
【0100】
（４）上記の実施形態では、電気化学素子Ｅとして主に平板型や円筒平板型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いたが、円筒型の固体酸化物形燃料電池などの電気化学素子に利用することもできる。
【0101】
（５）上記の実施形態において、電気化学装置Ｙは、複数の電気化学素子Ｅを備える電気化学モジュールＭを備えている。しかし、上記の実施形態の電気化学装置Ｙは１つの電気化学素子Ｅを備える構成にも適用可能である。
【0102】
（６）上記の実施形態では、電気化学素子Ｅは、金属支持体１の裏面にＵ字部材７が取り付けられており、金属支持体１とＵ字部材７との２部材で筒状支持体を形成する構成としたが、一部材を用いて金属支持体１とＵ字部材７とを一体的に形成して筒状支持体とする構成としても良く、また、３部材以上の部材を用いて筒状支持体を形成しても良い。
また、Ｕ字部材７を省略して金属支持体１によりアノード電極層Ａ等を支持する構成としても良い。
また、Ｕ字部材７を省略して金属支持体１によりアノード電極層Ａ等を支持する構成としても良い。
【符号の説明】
【0103】
１ 金属支持体
１ａ 表側面
１ｂ 裏側面
２ 貫通孔
２Ａ，２Ａｔ 第１傾斜貫通孔
２Ｂ、２Ｂｔ 第２傾斜貫通孔
９１ 燃料変換器
９３ 電力変換器
Ａ アノード電極層（電極層）
Ａａ 挿入部
Ｂ 電解質層
Ｃ カソード電極層
Ｅ 電気化学素子
Ｆ ガス通流方向
Ｌ ガス流路
Ｍ 電気化学モジュール
Ｙ 電気化学装置
Ｚ エネルギーシステム
１ａ 表側面
１ｂ 裏側面
２ 貫通孔
２Ａ，２Ａｔ 第１傾斜貫通孔
２Ｂ、２Ｂｔ 第２傾斜貫通孔
９１ 燃料変換器
９３ 電力変換器
Ａ アノード電極層（電極層）
Ａａ 挿入部
Ｂ 電解質層
Ｃ カソード電極層
Ｅ 電気化学素子
Ｆ ガス通流方向
Ｌ ガス流路
Ｍ 電気化学モジュール
Ｙ 電気化学装置
Ｚ エネルギーシステム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】