特許 7604715 電気化学セル

(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】2024-12-13

(45)【発行日】2024-12-23

(54)【発明の名称】電気化学セル

(51)【国際特許分類】

   C25B 13/02 20060101AFI20241216BHJP

   C25B 1/042 20210101ALI20241216BHJP

   C25B 1/23 20210101ALI20241216BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20241216BHJP

   C25B 9/63 20210101ALI20241216BHJP

   H01M 8/1213 20160101ALI20241216BHJP

   H01M 8/1226 20160101ALI20241216BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20241216BHJP

【ＦＩ】

C25B13/02 301

C25B1/042

C25B1/23

C25B9/00 A

C25B9/00 Z

C25B9/63

H01M8/1213

H01M8/1226

H01M8/12 101

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2024506001

(86)(22)【出願日】2023-02-16

(86)【国際出願番号】 JP2023005529

(87)【国際公開番号】W WO2023171299

(87)【国際公開日】2023-09-14

【審査請求日】2024-06-26

(31)【優先権主張番号】P 2022035316

(32)【優先日】2022-03-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2022150108

(32)【優先日】2022-09-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【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】千葉 春香

(72)【発明者】

【氏名】中村 俊之

(72)【発明者】

【氏名】寺澤 玄太

(72)【発明者】

【氏名】大森 誠

【審査官】黒木 花菜子

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－１５８２９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２０４５０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１５４０９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０７２２１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０９５９８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３２４１９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２５Ｂ １３／０２

Ｃ２５Ｂ １／２３

Ｃ２５Ｂ ９／００

Ｃ２５Ｂ １／０４２

Ｃ２５Ｂ ９／６３

Ｈ０１Ｍ ８／１２２６

Ｈ０１Ｍ ８／１２１３

Ｈ０１Ｍ ８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

主面に形成された複数の供給孔を有する金属支持体と、
前記主面上に形成され、前記複数の供給孔を覆う第１電極層と、第２電極層と、前記第１電極層及び前記第２電極層の間に配置される電解質層とを有するセル本体部と、
を備え、
前記電解質層は、前記主面に垂直な断面において、
前記第１電極層の表面を覆い、前記主面に平行な面方向において前記第１電極層の先端から所定距離以上離れた内側部と、
前記面方向において前記第１電極層の先端から前記所定距離以上離れた外側部と、
前記面方向において前記内側部と前記外側部の間に挟まれる中間部と、
を有し、
前記外側部は、前記金属支持体の前記主面のうち前記中間部から前記主面の先端まで全部を覆っており、
前記金属支持体は、Ｃｒを含有する合金材料によって構成され、
前記中間部の平均厚みは、前記内側部の平均厚みより大きく、かつ、前記外側部の平均厚みより大きく、
前記中間部の平均厚みは、前記面方向において前記中間部を４等分する３か所における厚みの平均値であり、
前記内側部の平均厚みは、前記面方向において前記内側部のうち第１基準線から前記所定距離までの部分を４等分する３か所における厚みの平均値であり、
前記第１基準線は、前記第１電極層の前記先端を通り前記金属支持体の前記主面に垂直な直線である第２基準線と平行であり、かつ、前記第２基準線から前記所定距離だけ内側に設定される直線であり、
前記外側部の平均厚みは、前記面方向において前記外側部を４等分する３か所における厚みの平均値である、
電気化学セル。

【請求項2】

前記所定距離は、前記金属支持体の厚みの２分の１である、
請求項１に記載の電気化学セル。

【請求項3】

前記第１電極層は、前記面方向に垂直な厚み方向に沿って形成される側面を有し、
前記側面には凹凸が形成されている、
請求項１又は２に記載の電気化学セル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気化学セルに関する。

【背景技術】

【0002】

電気化学セル（電解セル、燃料電池など）において、金属支持体によってセル本体部を支持する構造が知られている。例えば、特許文献１に記載された電気化学セルは、第１電極層、電解質層、及び第２電極層がこの順で金属支持体の主面上に積層されたセル本体部を備える。電解質層は、第１電極層を覆っており、その端部はセル本体部の主面に接続されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２０－１５５３３７号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載の電気化学セルでは、金属支持体の外周部が電解質層から露出しているため、電気化学セルの外周部の剛性は、金属支持体だけの剛性に委ねられている。

【0005】

本発明の課題は、剛性を向上可能な電気化学セルを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の第１の側面に係る電気化学セルは、主面に形成された複数の供給孔を有する金属支持体と、主面上に形成され複数の供給孔を覆う第１電極層と、第２電極層と、第１電極層及び第２電極層の間に配置される電解質層とを有するセル本体部とを備える。電解質層は、主面に垂直な断面において、第１電極層の表面を覆い、主面に平行な面方向において第１電極層の先端から所定距離以上離れた内側部と、金属支持体の主面のうち第１電極層から露出する領域の略全部を覆い、面方向において第１電極層の先端から所定距離以上離れた外側部と、面方向において内側部と外側部の間に挟まれる中間部とを有する。中間部の平均厚みは、内側部の平均厚みより大きい。

【0007】

本発明の第２の側面に係る電気化学セルは、第１の側面に係り、中間部の平均厚みは、外側部の平均厚みより大きい。

【0008】

本発明の第３の側面に係る電気化学セルは、第１又は第２の側面に係り、所定距離は、金属支持体の厚みの２分の１である。

【0009】

本発明の第４の側面に係る電気化学セルは、第１乃至第３いずれかの側面に係り、中間部の平均厚みは、面方向において中間部を４等分する３か所における厚みの平均値であり、内側部の平均厚みは、内側部のうち面方向において中間部から所定距離までの部分を４等分する３か所における厚みの平均値である。

【0010】

本発明の第５の側面に係る電気化学セルは、第２乃至第４いずれかの側面に係り、中間部の平均厚みは、面方向において中間部を４等分する３か所における厚みの平均値であり、外側部の平均厚みは、面方向において外側部を４等分する３か所における厚みの平均値である。

【0011】

本発明の第６の側面に係る電気化学セルは、第１乃至第５いずれかの側面に係り、第１電極層は、面方向に垂直な厚み方向に沿って形成される側面を有し、側面には凹凸が形成されている。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、剛性を向上可能な電気化学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平面図である。

【図2】図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。

【図3】図３は、図２の部分拡大図である。

【図4】図４は、変形例１に係る電解セルの断面図である。

【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の平面図である。図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。電解セル１は、本発明に係る「電気化学セル」の一例である。

【0015】

電解セル１は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に広がる板状に形成される。本実施形態において、電解セル１は、平面視においてＹ軸方向に延びる長方形に形成される。ただし、電解セル１の平面形状は特に限られず、長方形以外の多角形、楕円形、円形などであってもよい。

【0016】

図２に示すように、電解セル１は、セル本体部１０、金属支持体２０、及び流路部材３０を備える。

【0017】

［セル本体部１０］
セル本体部１０は、水素極層６（カソード）、電解質層７、反応防止層８、及び酸素極層９（アノード）を有する。水素極層６、電解質層７、反応防止層８、及び酸素極層９は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に垂直なＺ軸方向において、この順で金属支持体２０側から積層されている。水素極層６、電解質層７、及び酸素極層９は必須の構成であり、反応防止層８は任意の構成である。

【0018】

［水素極層６］
水素極層６は、金属支持体２０及び電解質層７の間に配置される。水素極層６は、金属支持体２０によって支持される。詳細には、水素極層６は、金属支持体２０の第１主面２０Ｓ上に配置される。水素極層６は、金属支持体２０の第１主面２０Ｓに形成された複数の供給孔２１を覆う。水素極層６の一部は、各供給孔２１内に入り込んでいてよい。水素極層６は、本発明に係る「第１電極層」の一例である。

【0019】

水素極６には、各供給孔２１を介して原料ガスが供給される。原料ガスは、少なくともＨ_２Ｏを含む。

【0020】

原料ガスがＨ_２Ｏのみを含む場合、水素極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。
・水素極６：Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－→Ｈ_２＋Ｏ^２－・・・（１）

【0021】

原料ガスがＨ_２Ｏに加えてＣＯ_２を含む場合、水素極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。
・水素極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）

【0022】

水素極層６は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。水素極層６は、酸化物イオン伝導性を有していてよい。水素極層６は、例えば、８ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア（８ＹＳＺ）、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、及びこれらのうち２つ以上を組み合わせた混合材料、或いは、これらのうち１つ以上とＮｉＯとの複合物によって構成することができる。

【0023】

水素極層６の熱膨張係数の値は特に限られないが、例えば１２×１０^―６／℃以上２０×１０^－６／℃以下とすることができる。

【0024】

水素極層６の気孔率は特に制限されないが、例えば５％以上７０％以下とすることができる。水素極層６の厚みは特に制限されないが、例えば１μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。

【0025】

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。

【0026】

［電解質層７］
電解質層７は、水素極層６及び酸素極層９の間に配置される。本実施形態では、電解質層７及び酸素極層９の間に反応防止層８が配置されているので、電解質層７は、水素極層６及び反応防止層８の間に配置され、水素極層６及び反応防止層８それぞれに接続される。

【0027】

電解質層７は、水素極層６を覆うとともに、金属支持体２０の第１主面２０Ｓのうち水素極層６から露出する領域を覆う。図１に示すように、電解質層７は、平面視において、水素極層６の表面の全体を覆っている。図１に示すように、電解質層７は、平面視において、第１主面２０Ｓのうち水素極層６から露出する領域の全体を覆っていることが好ましいが、第１主面２０Ｓの一部が電解質層７から露出していてもよい。電解質層７の詳細な構成については後述する。

【0028】

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。

【0029】

電解質層７の熱膨張係数の値は特に限られないが、例えば１０×１０^―６／℃以上１２×１０^―６／℃以下とすることができる。

【0030】

電解質層７の気孔率は特に制限されないが、例えば０．１％以上７％以下とすることができる。電解質層７の厚みは特に制限されないが、例えば１μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。

【0031】

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。

【0032】

［反応防止層８］
反応防止層８は、電解質層７及び酸素極層９の間に配置される。反応防止層８は、電解質層７を基準として水素極層６の反対側に配置される。反応防止層８は、電解質層７の構成元素が酸素極層９の構成元素と反応して電気抵抗の大きい層が形成されることを抑制する。

【0033】

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。

【0034】

反応防止層８の気孔率は特に制限されないが、例えば０．１％以上５０％以下とすることができる。反応防止層８の厚みは特に制限されないが、例えば１μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。

【0035】

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。

【0036】

［酸素極層９］
酸素極層９は、電解質層７を基準として水素極層６の反対側に配置される。本実施形態では、電解質層７及び酸素極層９の間に反応防止層８が配置されているので、酸素極層９は反応防止層８に接続される。電解質層７及び酸素極層９の間に反応防止層８が配置されない場合、酸素極層９は電解質層７に接続される。酸素極層９は、本発明に係る「第２電極層」の一例である。

【0037】

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。
・酸素極層９：２Ｏ^２－→Ｏ_２＋４ｅ^－・・・（２）

【0038】

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。

【0039】

酸素極層９の気孔率は特に制限されないが、例えば２０％以上６０％以下とすることができる。酸素極層９の厚みは特に制限されないが、例えば１μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。

【0040】

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。

【0041】

［金属支持体２０］
金属支持体２０は、セル本体部１０を支持する。金属支持体２０は、板状に形成される。金属支持体２０は、平板状であってもよいし、曲板状であってもよい。金属支持体２０は電解セル１の強度を保つことができればよく、その厚みは特に制限されないが、例えば０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることができる。

【0042】

図２に示すように、金属支持体２０は、複数の供給孔２１、第１主面２０Ｓ及び第２主面２０Ｔを有する。第１主面２０Ｓは、本発明に係る「主面」の一例である。

【0043】

各供給孔２１は、第１主面２０Ｓに形成される。各供給孔２１は、第１主面２０Ｓから第２主面２０Ｔまで金属支持体２０を貫通する。各供給孔２１は、第１主面２０Ｓ及び第２主面２０Ｔそれぞれに開口する。各供給孔２１の第１主面２０Ｓの開口は、水素極層６によって覆われる。すなわち、各供給孔２１は、第１主面２０Ｓのうち水素極層６に接合される領域に形成される。各供給孔２１は、金属支持体２０及び流路部材３０の間の流路３０ａに繋がる。

【0044】

各供給孔２１は、機械加工（例えば、パンチング加工）、レーザ加工、或いは、化学加工（例えば、エッチング加工）などによって形成することができる。また、金属支持体２０が多孔質金属によって構成される場合、各供給孔２１は多孔質金属の開気孔であってよい。各供給孔２１は、第１主面２０Ｓに対して垂直であってもよいし、第１主面２０Ｓに対して垂直でなくてもよいし、直線状でなくてもよい。

【0045】

第１主面２０Ｓには、セル本体部１０が接合される。第２主面２０Ｔには、流路部材３０が接合される。第１主面２０Ｓは、第２主面２０Ｔの反対側に設けられる。

【0046】

金属支持体２０は、金属材料によって構成される。例えば、金属支持体２０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２０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。

【0047】

金属支持体２０は、Ｔｉ（チタン）やＺｒ（ジルコニウム）を含有していてもよい。金属支持体２０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２０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２０は、ＴｉをＴｉＯ_２（チタニア）として含有していてもよいし、ＺｒをＺｒＯ_２（ジルコニア）として含有していてもよい。

【0048】

金属支持体２０の熱膨張係数の値は特に限られないが、例えば１０×１０^―６／℃以上２０×１０^―６／℃以下とすることができる。

【0049】

金属支持体２０は、金属支持体２０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２０の表面の少なくとも一部を覆う。また、酸化クロム膜は、各供給孔２１の内壁面の少なくとも一部を覆っていてもよい。

【0050】

［流路部材３０］
流路部材３０は、金属支持体２０の第２主面２０Ｔに接合される。流路部材３０は、金属支持体２０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２０の各供給孔２１を介して、セル本体部１０の水素極層６に供給される。

【0051】

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２０と同様の材料によって形成されていてよい。この場合、流路部材３０は、金属支持体２０と実質的に一体であってよい。

【0052】

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２０の第２主面２０Ｔ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。

【0053】

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よい。

【0054】

［電解質層７の構成］
図３は、図２の部分拡大図である。図３は、金属支持体２０の第１主面２０Ｓに垂直な断面である。図３では、電解セル１の外周部の断面が図示されている。

【0055】

図３に示すように、電解質層７は、内側部７１、外側部７２及び中間部７３を有する。金属支持体２０の第１主面２０Ｓに平行な面方向（図３に示すＸ軸方向）において、内側部７１は中間部７３によって取り囲まれ、中間部７３は外側部７２によって取り囲まれている。

【0056】

内側部７１は、水素極層６の表面を覆い、かつ、面方向において水素極層６の先端Ｐ６から所定距離Ｄ１以上離れている。内側部７１は、電解質層７のうち、第１基準線Ｌ１上及び第１基準線Ｌ１より内側の部分である。本明細書において、内側とは、面方向において第１主面２０Ｓの先端Ｐ２０から水素極層６の先端Ｐ６に向かう側を意味する。

【0057】

第１基準線Ｌ１は、第２基準線Ｌ２と平行であり、かつ、第２基準線Ｌ２から所定距離Ｄ１だけ内側に設定される直線である。第２基準線Ｌ２は、水素極層６の先端Ｐ６を通り、かつ、第１主面２０Ｓに垂直な直線である。所定距離Ｄ１は、第２基準線Ｌ２上における金属支持体２０の厚みＴａの２分の１である。金属支持体２０の厚みＴａを基準として所定距離Ｄ１を規定するのは、水素極層６の先端Ｐ６に近接する部分を中間部７３として特定するためである。

【0058】

なお、第２基準線Ｌ２を規定する場合、断面画像（例えば、ＳＥＭ画像）上において、第１主面２０Ｓを最小二乗法により直線化して得られる直線を第１主面２０Ｓとして用いる。また、図３では、水素極層６の先端Ｐ６が第１主面２０Ｓ上に位置しているが、水素極層６の先端Ｐ６は第１主面２０Ｓから離れていてもよい。

【0059】

外側部７２は、第１主面２０Ｓのうち水素極層６から露出する領域の略全部を覆い、かつ、面方向において水素極層６の先端Ｐ６から所定距離Ｄ１以上離れている。第１主面２０Ｓのうち水素極層６から露出する領域の略全部を覆うとは、外側部７２が第１主面２０Ｓの先端Ｐ２０まで覆っていることを意味する。外側部７２は、電解質層７のうち、第３基準線Ｌ３上及び第３基準線Ｌ３より外側の部分である。本明細書において、外側とは、面方向において水素極層６の先端Ｐ６から第１主面２０Ｓの先端Ｐ２０に向かう側を意味する。第３基準線Ｌ３は、第２基準線Ｌ２と平行であり、かつ、第２基準線Ｌ２から所定距離Ｄ１だけ外側に設定される直線である。

【0060】

中間部７３は、面方向において内側部７１と外側部７２の間に挟まれている。中間部７３は、電解質層７のうち、第１基準線Ｌ１と第３基準線Ｌ３の間の部分である。中間部７３は、内側部７１の外側かつ外側部７２の内側に配置される。中間部７３は、内側部７１と外側部７２の両方に連なる。中間部７３と内側部７１の境界は、第１基準線Ｌ１によって規定される。中間部７３と外側部７２の境界は、第３基準線Ｌ３によって規定される。面方向における中間部７３の中央は、第２基準線Ｌ２によって規定される。

【0061】

ここで、中間部７３の平均厚みは、内側部７１の平均厚みより大きい。

【0062】

中間部７３の平均厚みは、面方向において中間部７３を４等分する３か所における厚みＴ１，Ｔ２，Ｔ３の平均値である。中間部７３の厚みＴ１，Ｔ２，Ｔ３は、第１基準線Ｌ１及び第３基準線Ｌ３の間を面方向に４等分する３か所において測定される厚みである。本明細書において、厚みとは、Ｚ軸方向（厚み方向）における厚みを意味する。

【0063】

内側部７１の平均厚みは、内側部７１のうち面方向において第１基準線Ｌ１から所定距離Ｄ１までの部分を４等分する３か所における厚みＴ４、Ｔ５，Ｔ６の平均値である。内側部７１の厚みＴ４、Ｔ５，Ｔ６は、第１基準線Ｌ１及び第４基準線Ｌ４の間を面方向に４等分する３か所において測定される厚みである。第４基準線Ｌ４は、第１基準線Ｌ１を基準として、第２基準線Ｌ２と線対称な線である。第４基準線Ｌ４は、第１基準線Ｌ１と平行であり、かつ、第２基準線Ｌ２から所定距離Ｄ１の２倍だけ内側に設定される直線である。上述の通り、所定距離Ｄ１は、第１基準線Ｌ１上における金属支持体２０の厚みＴａの２分の１である。

【0064】

中間部７３の平均厚みは特に限られないが、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。内側部７１の平均厚みは特に限られないが、例えば３μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。また、中間部７３の平均厚みは、外側部７２の平均厚みより大きい。中間部７３の平均厚みは、上述した通りに測定される。

【0065】

外側部７２の平均厚みは、外側部７２を４等分する３か所における厚みＴ７、Ｔ８，Ｔ９の平均値である。外側部７２の厚みＴ７、Ｔ８，Ｔ９は、第３基準線Ｌ３から電解質層７の先端Ｐ７までを面方向に４等分する３か所において測定される厚みである。本実施形態では、面方向において、電解質層７の先端Ｐ７は、第１主面２０Ｓの先端Ｐ２０より外側に位置しているが、第１主面２０Ｓの先端Ｐ２０上、又は、第１主面２０Ｓの先端Ｐ２０より内側に位置していてもよい。

【0066】

外側部７２の平均厚みは特に限られないが、例えば３μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。外側部７２の平均厚みは、内側部７１の平均厚みより大きくても小さくてもよく、また、内側部７１の平均厚みと同じであってもよい。

【0067】

図３に示すように、外側部７２は、突出部７２ａを有していてもよい。突出部７２ａは、外側部７２のうち金属支持体２０の第１主面２０Ｓの外側にはみ出た部分である。すなわち、突出部７２ａは、外側部７２のうち第１主面２０Ｓの先端Ｐ２０より外側に位置する部分である。

【0068】

図示しないが、外側部７２の突出部７２ａは、金属支持体２０の側面２０Ｕの少なくとも一部を覆っていることが好ましい。これによって、側面２０Ｕを突出部７２ａで被覆できるため、金属支持体２０からの放熱をさらに抑制することができる。

【0069】

（特徴）

【0070】

（１）電解質層７は、図３に示すように、内側部７１、外側部７２及び中間部７３を有する。内側部７１は、水素極層６の表面を覆い、かつ、面方向において水素極層６の先端Ｐ６から所定距離Ｄ１以上離れている。外側部７２は、第１主面２０Ｓのうち水素極層６から露出する領域の略全部を覆い、かつ、面方向において水素極層６の先端Ｐ６から所定距離Ｄ１以上離れている。中間部７３は、面方向において内側部７１と外側部７２の間に挟まれている。中間部７３の平均厚みは、内側部７１の平均厚みより大きい。

【0071】

このように、外側部７２が第１主面２０Ｓのうち水素極層６から露出する領域の略全部を覆っていることによって、金属支持体２０の剛性だけでなく緻密質な電解質層７の剛性をも電解セル１の外周部に付与することができる。従って、電解セル１全体の剛性を向上させることができる。

【0072】

また、中間部７３の平均厚みが内側部７１の平均厚みより大きいため、水素極層６の先端Ｐ６付近を起点とするクラックが電解質層７に発生することを抑制できる。具体的には、次の通りである。

【0073】

電解セル１の起動時、金属材料によって構成される金属支持体２０は、セラミックスによって構成されるセル本体部１０よりも昇温しやすい。このとき、金属支持体２０と接触する水素極層６の温度は上昇しやすいが、電解質層７のうち水素極層６上に配置される部分の温度は上昇しにくい。そのため、電解質層７のうち水素極層６上に配置される部分と水素極層６との間に熱応力が生じる。また、電解質層７のうち金属支持体２０と接触する部分の温度は上昇しやすいが、電解質層７のうち水素極層６上に配置される部分の温度は上昇しにくい。そのため、水素極層６の先端Ｐ６付近に熱応力が集中しやすいが、上述の通り、中間部７３の平均厚みを内側部７１の平均厚みより大きくすることによって中間部７３の強度が増大されている。従って、水素極層６の先端Ｐ６付近を起点とするクラックが中間部７３に発生することを抑制できる。中間部７３にクラックが生じれば電解質層７の機能の一部が失われてしまうため、中間部７３のクラックを抑制することは重要である。

【0074】

（２）中間部７３の平均厚みは、外側部７２の平均厚みより大きい。従って、中間部７３の厚みをより厚くしやすいため、中間部７３の強度を十分増大できる。そのため、水素極層６の先端Ｐ６付近を起点とするクラックが中間部７３に発生することをより抑制できる。

【0075】

（実施形態の変形例）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

【0076】

［変形例１］
上記実施形態において、水素極層６の厚みは、図３に示したように、先端Ｐ６に近づくほど徐々に薄くなることとしたが、これに限られない。例えば、図４に示すように、水素極層６の厚みは全体的に略一定であってもよい。この場合であっても、水素極層６の先端Ｐ６を基準として第１乃至第４基準線Ｌ１～Ｌ４を設定することによって、内側部７１、外側部７２及び中間部７３を規定するとともに、これらの平均厚みを求めることができる。

【0077】

図４に示すように、水素極層６がＺ軸方向に沿って形成される側面６Ｓを有する場合、側面６Ｓには凹凸が形成されていることが好ましい。これによって、水素極層６と電解質層７の界面強度を高めることができるため、昇降温時の熱応力による破損を低減することができる。

【0078】

［変形例２］
上記実施形態では、図３に示した一断面において、中間部７３の平均厚みが内側部７１の平均厚みより大きいことを説明した。図３に示した構成は、電解セル１の外周部の全ての断面において観察されることが好ましいが、電解セル１の外周部の少なくとも一断面において観察できればよい。図３に示した構成が一断面でも観察されるのであれば、少なくとも当該箇所では中間部７３にクラックが発生することを抑制できるからである。

【0079】

［変形例３］
上記実施形態において、水素極層６はカソードとして機能し、酸素極層９はアノードとして機能することとしたが、水素極層６がアノードとして機能し、酸素極層９がカソードとして機能してもよい。この場合、水素極層６と酸素極層９の構成材料を入れ替えるとともに、水素極層６の外表面に原料ガスを流す。

【0080】

［変形例４］
上記実施形態では、電気化学セルの一例として電解セル１について説明したが、電気化学セルは電解セルに限られない。電気化学セルとは、電気エネルギーを化学エネルギーに変えるため、全体的な酸化還元反応から起電力が生じるように一対の電極が配置された素子と、化学エネルギーを電気エネルギーに変えるための素子との総称である。従って、電気化学セルには、例えば、酸化物イオン或いはプロトンをキャリアとする燃料電池が含まれる。

【符号の説明】

【0081】

１ セル
６ 水素極層
７ 電解質層
７１ 内側部
７２ 外側部
７３ 中間部
８ 反応防止層
９ 酸素極層
１０ セル本体部
２０ 金属支持体
２０Ｓ 第１主面
２１ 供給孔
３０ 流路部材
３０ａ 流路
Ｌ１～Ｌ４ 第１乃至第４基準線
Ｐ２０ 第１主面の先端
Ｐ６ 水素極層の先端
Ｄ１ 所定距離

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】