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(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】2025-03-12
(45)【発行日】2025-03-21
(54)【発明の名称】電気化学セル
(51)【国際特許分類】
C25B 9/19 20210101AFI20250313BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20250313BHJP
C25B 9/63 20210101ALI20250313BHJP
H01M 8/1226 20160101ALI20250313BHJP
H01M 8/1213 20160101ALI20250313BHJP
C25B 1/042 20210101ALN20250313BHJP
C25B 1/23 20210101ALN20250313BHJP
C25B 11/052 20210101ALN20250313BHJP
C25B 9/00 20210101ALN20250313BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20250313BHJP
【ＦＩ】
C25B9/19
C25B9/23
C25B9/63
H01M8/1226
H01M8/1213
C25B1/042
C25B1/23
C25B11/052
C25B9/00 A
C25B9/00 Z
H01M8/12 101
【請求項の数】
1
(21)【出願番号】P 2024559499
(86)(22)【出願日】2023-12-25
(86)【国際出願番号】 JP2023046416
(87)【国際公開番号】W WO2024143271
(87)【国際公開日】2024-07-04
【審査請求日】2024-10-07
(31)【優先権主張番号】P 2022209929
(32)【優先日】2022-12-27
(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】大森 誠
(72)【発明者】
【氏名】藤崎 真司
【審査官】畔津 圭介
(56)【参考文献】
【文献】特表２００４－５１２６５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－２２０２９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１４／１５６１５２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－０４６５７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０９８１４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－０９９５６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０１２４１３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１１１９６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０２０／０９１３５８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１８－００２７９１８（ＫＲ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２５Ｂ ９／１９
Ｃ２５Ｂ ９／２３
Ｃ２５Ｂ ９／６３
Ｈ０１Ｍ ８／１２２６
Ｈ０１Ｍ ８／１２１３
Ｃ２５Ｂ １／０４２
Ｃ２５Ｂ １／２３
Ｃ２５Ｂ １１／０５２
Ｃ２５Ｂ ９／００
Ｈ０１Ｍ ８／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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、第１主面と、第２主面と、前記第１主面に形成された凹部と、前記第２主面と前記凹部の底面に連なる複数の供給孔とを有する金属支持体と、
を備え、
前記第１電極層の少なくとも一部は、前記凹部内に配置され、
前記セル本体部は、前記複数の供給孔のうち少なくとも１つの供給孔内に配置され、第１電極層に連なる触媒層を有する、
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】
従来、金属支持体によってセル本体部が支持された構造を有する電気化学セル（電解セル、燃料電池など）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。金属支持体は、例えばステンレス鋼などの金属材料によって構成される。
【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】
金属支持体の耐熱性が低いため、金属支持体の主面上に第１電極層を高温で成膜することは困難である。従って、第１電極層の多孔質微構造の強度を向上させるにも限界があるため、第１電極層に損傷（クラックや剥離）が生じやすい。
【0005】
本発明の課題は、第１電極層の損傷を抑制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、セル本体部と、金属支持体とを備える。セル本体部は、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。金属支持体は、第１主面と、第２主面と、第１主面に形成された凹部と、第２主面と凹部の底面に連なる複数の供給孔を有する。第１電極層の少なくとも一部は、凹部内に配置される。
【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、金属支持体の厚み方向に沿った断面において、凹部の側周面と底面の境界部は、Ｒ形状である。
【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、セル本体部は、複数の供給孔のうち少なくとも１つの供給孔内に配置され、第１電極層に連なる触媒層を有する。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、第１電極層の損傷を抑制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】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
（電解セル１００）
図１は、実施形態に係る電解セル１００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１００は、いわゆるメタルサポート型の電解セルである。電解セル１００は、本発明に係る「電気化学セル」の一例である。
図１は、実施形態に係る電解セル１００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１００は、いわゆるメタルサポート型の電解セルである。電解セル１００は、本発明に係る「電気化学セル」の一例である。
【0012】
電解セル１００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１００は、平面視においてＹ軸方向に延びる長方形に形成されているが、電解セル１００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。
【0013】
図２に示すように、電解セル１００は、金属支持体１０、セル本体部２０、及び流路部材３０を備える。
【0014】
（金属支持体１０）
金属支持体１０は、セル本体部２０を支持する。金属支持体１０は、板状に形成される。金属支持体１０は、平板状であってもよいし、曲板状であってもよい。金属支持体１０は電解セル１００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。
金属支持体１０は、セル本体部２０を支持する。金属支持体１０は、板状に形成される。金属支持体１０は、平板状であってもよいし、曲板状であってもよい。金属支持体１０は電解セル１００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。
【0015】
図２に示すように、金属支持体１０は、第１主面１１、第２主面１２、凹部１３、及び複数の供給孔１４を有する。
【0016】
第１主面１１は、セル本体部２０側の主面である。第１主面１１は、平面状に形成される。第１主面１１には、セル本体部２０が接合される。第１主面１１には、凹部１３が形成されている。そのため、第１主面１１は、平面視において環状に形成されている。
【0017】
第２主面１２は、セル本体部２０と反対側の主面であり、第１主面１１の反対側に設けられている。第２主面１２は、平面状に形成される。第２主面１２には、流路部材３０が接合される。
【0018】
凹部１３は、第１主面１１に形成される。凹部１３は、第１主面１１に開口する。凹部１３は、いわゆる有底凹部である。凹部１３内には、後述する水素極層１が配置される。凹部１３は、底面Ｓ１及び側周面Ｓ２を有する。
【0019】
底面Ｓ１は、水素極層１と接触する。底面Ｓ１は、水素極層１の金属支持体１０側を覆う。底面Ｓ１は、Ｚ軸方向において、第１主面１１と第２主面１２の間に配置される。Ｚ軸方向は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向それぞれに垂直な方向であり、本発明に係る「厚み方向」の一例である。本実施形態において、底面Ｓ１は、平面状に形成されている。
【0020】
側周面Ｓ２は、底面Ｓ１の外縁と第１主面１１の内縁とに連なる。側周面Ｓ２は、環状に形成される。側周面Ｓ２は、水素極層１と接触する。側周面Ｓ２は、水素極層１の側周を覆う。
【0021】
図２に示すように、金属支持体１０の厚み方向に沿った断面において、底面Ｓ１と側周面Ｓ２の境界部１３ａは、Ｒ形状である。従って、側周面Ｓ２は、底面Ｓ１と滑らかに連なっている。底面Ｓ１と側周面Ｓ２の間には、変曲点が存在しない。そのため、底面Ｓ１と側周面Ｓ２の境界は明確ではないが、第１主面１１と平行な領域を底面Ｓ１と見なし、底面Ｓ１以外の領域を側周面Ｓ２と見なしてよい。
【0022】
また、図２に示すように、側周面Ｓ２は、面方向外側に湾曲している。具体的には、側周面Ｓ２の輪郭は、面方向外側に向かって突状に形成されている。面方向とは、Ｚ軸方向（厚み方向）に垂直な方向である。面方向外側とは、面方向において、金属支持体１０の中央から離れる向きを意味する。
【0023】
Ｚ軸方向における凹部１３の深さは特に制限されないが、Ｚ軸方向における金属支持体１０の厚みの１％以上５０％以下とすることができる。
【0024】
複数の供給孔１４は、第２主面１２と凹部１３の底面Ｓ１に連なる。各供給孔１４は、第２主面１２から底面Ｓ１まで金属支持体１０を貫通する。各供給孔１４は、第２主面１２及び底面Ｓ１それぞれに開口する。底面Ｓ１側の供給孔１４の開口は、水素極層１によって覆われている。すなわち、各供給孔１４は、底面Ｓ１のうち水素極層１が接合される領域に形成されている。底面Ｓ１と反対側の供給孔１４の開口は、金属支持体１０と流路部材３０の間に形成された流路３０ａに繋がる。各供給孔１４には、後述する触媒層２が配置されている。
【0025】
各供給孔１４は、機械加工（例えば、パンチング加工）、レーザ加工、或いは、化学加工（例えば、エッチング加工）などによって形成することができる。本実施形態において、各供給孔１４は、Ｚ軸方向に沿って直線状に形成されているが、Ｚ軸方向に沿っていなくてもよいし、直線状でなくてもよい。例えば、金属支持体１０が多孔質金属によって構成される場合、各供給孔１４は、多孔質金属に形成された三次元網目状の開気孔であってもよい。
【0026】
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。
【0027】
金属支持体１０は、Ｔｉ（チタン）やＺｒ（ジルコニウム）を含有していてもよい。金属支持体１０におけるＴｉの含有率は特に制限されないが、０．０１ｍｏｌ％以上１．０ｍｏｌ％以下とすることができる。金属支持体１０におけるＡｌの含有率は特に制限されないが、０．０１ｍｏｌ％以上０．４ｍｏｌ％以下とすることができる。金属支持体１０は、ＴｉをＴｉＯ２（チタニア）として含有していてもよいし、ＺｒをＺｒＯ２（ジルコニア）として含有していてもよい。
【0028】
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。酸化皮膜としては、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。酸化クロム膜は、各供給孔１４の内周面の少なくとも一部を覆っていてもよい。
【0029】
（セル本体部２０）
セル本体部２０は、水素極層１（カソード）、複数の触媒層２、電解質層３、反応防止層４、及び酸素極層５（アノード）を有する。水素極層１、電解質層３、反応防止層４、及び酸素極層５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１０側から積層されている。
セル本体部２０は、水素極層１（カソード）、複数の触媒層２、電解質層３、反応防止層４、及び酸素極層５（アノード）を有する。水素極層１、電解質層３、反応防止層４、及び酸素極層５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１０側から積層されている。
【0030】
水素極層１は、本発明に係る「第１電極層」の一例である。酸素極層５は、本発明に係る「第２電極層」の一例である。水素極層１、電解質層３、及び酸素極層５は必須の構成要素であり、触媒層２及び反応防止層４は任意の構成要素である。
【0031】
［水素極層１］
水素極層１は、金属支持体１０の凹部１３内に配置されている。これによって、水素極層１は、金属支持体１０の凹部１３に保持される。本実施形態において、水素極層１は、凹部１３に充填されている。すなわち、水素極層１の全部が凹部１３内に配置されている。従って、図２に示すように、水素極層１は、凹部１３の輪郭に沿うように形成されている。
水素極層１は、金属支持体１０の凹部１３内に配置されている。これによって、水素極層１は、金属支持体１０の凹部１３に保持される。本実施形態において、水素極層１は、凹部１３に充填されている。すなわち、水素極層１の全部が凹部１３内に配置されている。従って、図２に示すように、水素極層１は、凹部１３の輪郭に沿うように形成されている。
【0032】
水素極層１は、凹部１３の底面Ｓ１及び側周面Ｓ２それぞれと接触する。従って、凹部１３の底面Ｓ１及び側周面Ｓ２それぞれは、水素極層１と金属支持体１０の界面である。本実施形態において、水素極層１の表面Ｓ３は、平面状に形成されているが、部分的又は全体的に湾曲或いは屈曲していてもよい。
【0033】
水素極層１は、凹部１３の底面Ｓ１に形成された各供給孔１４を覆う。水素極層１には、各供給孔１４を介して、流路３０ａから原料ガスが供給される。原料ガスは少なくともＨ２Ｏを含む。
【0034】
原料ガスがＨ２Ｏのみを含む場合、水素極層１は、下記（１）式に示す水電解の電気化学反応に従って、原料ガスからＨ２を生成する。
・水素極層１：Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→Ｈ２＋Ｏ２－・・・（１）
・水素極層１：Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→Ｈ２＋Ｏ２－・・・（１）
【0035】
原料ガスがＨ２Ｏに加えてＣＯ２を含む場合、水素極層１は、下記（２）、（３）、（４）式に示す共電解の電気化学反応に従って、原料ガスからＨ２、ＣＯ及びＯ２－を生成する。
・水素極層１：ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋４ｅ－→ＣＯ＋Ｈ２＋２Ｏ２－・・・（２）
・Ｈ２Ｏの電気化学反応：Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→Ｈ２＋Ｏ２－・・・（３）
・ＣＯ２の電気化学反応：ＣＯ２＋２ｅ－→ＣＯ＋Ｏ２－・・・（４）
・水素極層１：ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋４ｅ－→ＣＯ＋Ｈ２＋２Ｏ２－・・・（２）
・Ｈ２Ｏの電気化学反応：Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→Ｈ２＋Ｏ２－・・・（３）
・ＣＯ２の電気化学反応：ＣＯ２＋２ｅ－→ＣＯ＋Ｏ２－・・・（４）
【0036】
水素極層１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１は、酸化物イオン伝導性を有していてよい。水素極層１は、例えば、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）Ｏ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３、Ｓｒ２（Ｆｅ,Ｍｏ）２Ｏ６、（Ｌａ，Ｓｒ）ＶＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３、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。
【0037】
水素極層１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１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。
【0038】
水素極層１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。
【0039】
［触媒層２］
複数の触媒層２それぞれは、各供給孔１４内に配置され、水素極層１に連なる。各触媒層２は、面方向において、各供給孔１４の底面Ｓ１側の開口に係止されている。
複数の触媒層２それぞれは、各供給孔１４内に配置され、水素極層１に連なる。各触媒層２は、面方向において、各供給孔１４の底面Ｓ１側の開口に係止されている。
【0040】
各触媒層２は、触媒を含有する多孔体である。触媒としては、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、貴金属などを用いることができる。触媒としてＮｉを用いる場合、Ｎｉは、電子伝導物質として機能するとともに、水素極層１において生成されるＨ２と原料ガスに含まれるＣＯ２との熱的反応を促進して適切なガス組成を維持する熱触媒としても機能するため好ましい。Ｎｉは、電解セル１００の作動中、基本的には金属Ｎｉの状態で存在しているが、一部はＮｉＯの状態で存在していてもよい。
【0041】
各触媒層２は、酸化物イオン伝導性材料を含有していてもよい。酸化物イオン伝導性材料としては、水素極層１用の酸化物イオン伝導性材料として挙げたものを用いることができる。
【0042】
各触媒層２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。Ｚ軸方向における各触媒層２の深さは特に制限されないが、Ｚ軸方向における各供給孔１４の長さの１０％以上１００％以下とすることができる。
【0043】
各触媒層２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。
【0044】
［電解質層３］
電解質層３は、水素極層１及び酸素極層５の間に配置される。本実施形態では、電解質層３と酸素極層５の間に反応防止層４が配置されているので、電解質層３は、水素極層１と反応防止層４の間に配置され、水素極層１及び反応防止層４それぞれに接続される。
電解質層３は、水素極層１及び酸素極層５の間に配置される。本実施形態では、電解質層３と酸素極層５の間に反応防止層４が配置されているので、電解質層３は、水素極層１と反応防止層４の間に配置され、水素極層１及び反応防止層４それぞれに接続される。
【0045】
電解質層３は、水素極層１の表面Ｓ３を覆っている。本実施形態において、水素極層１は、金属支持体１０の凹部１３に充填されているため、電解質層３は、凹部１３の外に配置される。
【0046】
電解質層３の外縁は、金属支持体１０の第１主面１１に接続される。本実施形態において、第１主面１１の一部は電解質層３から露出しているが、第１主面１１の全部が電解質層３に覆われていてもよい。
【0047】
電解質層３は、水素極層１において生成されたＯ２－を酸素極層５側に伝達させる。電解質層３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３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。
【0048】
電解質層３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３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。
【0049】
電解質層３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。
【0050】
［反応防止層４］
反応防止層４は、電解質層３と酸素極層５の間に配置される。反応防止層４は、電解質層３を基準として水素極層１の反対側に配置される。反応防止層４は、電解質層３の構成元素が酸素極層５の構成元素と反応して電気抵抗の大きい層が形成されることを抑制する。
反応防止層４は、電解質層３と酸素極層５の間に配置される。反応防止層４は、電解質層３を基準として水素極層１の反対側に配置される。反応防止層４は、電解質層３の構成元素が酸素極層５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。
【0051】
反応防止層４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４は、例えば、ＧＤＣ、ＳＤＣなどによって構成することができる。
【0052】
反応防止層４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４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。
【0053】
反応防止層４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。
【0054】
［酸素極層５］
酸素極層５は、電解質層３を基準として水素極層１の反対側に配置される。本実施形態では、電解質層３と酸素極層５の間に反応防止層４が配置されているので、酸素極層５は反応防止層４に接続される。電解質層３と酸素極層５の間に反応防止層４が配置されない場合、酸素極層５は電解質層３に接続される。
酸素極層５は、電解質層３を基準として水素極層１の反対側に配置される。本実施形態では、電解質層３と酸素極層５の間に反応防止層４が配置されているので、酸素極層５は反応防止層４に接続される。電解質層３と酸素極層５の間に反応防止層４が配置されない場合、酸素極層５は電解質層３に接続される。
【0055】
酸素極層５は、下記（５）式の化学反応に従って、水素極層１から電解質層３を介して伝達されるＯ２－からＯ２を生成する。
・酸素極層５：２Ｏ２－→Ｏ２＋４ｅ－・・・（５）
・酸素極層５：２Ｏ２－→Ｏ２＋４ｅ－・・・（５）
【0056】
酸素極層５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５は、例えば（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３、Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３、及び（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ３のうち１つ以上と酸化物イオン伝導材料（ＧＤＣなど）との複合材料によって構成することができる。
【0057】
酸素極層５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５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。
【0058】
酸素極層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、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法などを用いることができる。
【0059】
［流路部材３０］
流路部材３０は、金属支持体１０の第２主面１２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の各供給孔１４を介して、セル本体部２０の触媒層２及び水素極層１に順次供給される。
流路部材３０は、金属支持体１０の第２主面１２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の各供給孔１４を介して、セル本体部２０の触媒層２及び水素極層１に順次供給される。
【0060】
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よい。
【0061】
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の側周を取り囲む環状の板部材である。枠体３１は、金属支持体１０の第２主面１２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１００と電気的に直列に接続するための板部材である。インターコネクタ３２は、枠体３１に接合される。
【0062】
本実施形態では、枠体３１とインターコネクタ３２が別々の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。
【0063】
（特徴）
【0064】
（１）金属材料によって構成される金属支持体１０の耐熱性が低く、水素極層１を高温で成膜することは困難であるため、水素極層１の多孔質微構造の強度を向上させるにも限界がある。
【0065】
そこで、本実施形態では、水素極層１が、金属支持体１０の第１主面１１に形成された凹部１３内に配置されている。これによって、水素極層１を凹部１３内に保持できるため、面方向における外力が水素極層１にかかったとしても、水素極層１の変形を低減させることができる。また、水素極層１が第１主面１１上に配置される場合に比べて、水素極層１と金属支持体１０の接触面積を大きくすることができる。その結果、水素極層１に損傷（クラックや剥離）が生じることを抑制できる。
【0066】
さらに、水素極層１の変形を低減させられる分、水素極層１の厚みを厚くすることもできるため、水素極層１内における面方向のガス拡散性を向上させることができる。その結果、水素極層１の電極抵抗を低下させることができる。
【0067】
（２）金属支持体１０の厚み方向に沿った断面において、側周面Ｓ２と底面Ｓ１の境界部１３ａは、Ｒ形状である。従って、水素極層１に角部が形成されないため、水素極層１に欠けが生じることを抑制できる。
【0068】
（３）セル本体部２０は、各供給孔１４に配置され、水素極層１に連なる触媒層２を有する。これによって、金属支持体１０に対する触媒層２のアンカー効果によって、面方向における水素極層１の変形を更に低減させることができる。
【0069】
（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。
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。
【0070】
［変形例１］
上記実施形態において、水素極層１は、その全部が金属支持体１０の凹部１３内に配置されることとしたが、図３に示すように、水素極層１の少なくとも一部が凹部１３内に配置されていればよい。
上記実施形態において、水素極層１は、その全部が金属支持体１０の凹部１３内に配置されることとしたが、図３に示すように、水素極層１の少なくとも一部が凹部１３内に配置されていればよい。
【0071】
［変形例２］
上記実施形態において、電解質層３は、凹部１３の外に配置されることとしたが、図４に示すように、水素極層１の厚みが凹部１３の深さより小さい場合には、電解質層３は、凹部１３内に配置されていてもよい。
上記実施形態において、電解質層３は、凹部１３の外に配置されることとしたが、図４に示すように、水素極層１の厚みが凹部１３の深さより小さい場合には、電解質層３は、凹部１３内に配置されていてもよい。
【0072】
［変形例３］
上記実施形態において、側周面Ｓ２と底面Ｓ１の境界部１３ａは、Ｒ形状であることとしたが、これに限られない。側周面Ｓ２は、底面Ｓ１に対して屈曲するように配置されていてもよい。
上記実施形態において、側周面Ｓ２と底面Ｓ１の境界部１３ａは、Ｒ形状であることとしたが、これに限られない。側周面Ｓ２は、底面Ｓ１に対して屈曲するように配置されていてもよい。
【0073】
［変形例４］
上記実施形態において、セル本体部２０は、触媒層２を有することとしたが、触媒層２を有していなくてもよい。
上記実施形態において、セル本体部２０は、触媒層２を有することとしたが、触媒層２を有していなくてもよい。
【0074】
［変形例５］
上記実施形態において、複数の供給孔１４それぞれに触媒層２が配置されることとしたが、これに限られない。触媒層２は、複数の供給孔１４のうち少なくとも１つの供給孔１４に配置されていればよい。
上記実施形態において、複数の供給孔１４それぞれに触媒層２が配置されることとしたが、これに限られない。触媒層２は、複数の供給孔１４のうち少なくとも１つの供給孔１４に配置されていればよい。
【0075】
［変形例６］
上記実施形態において、水素極層１はカソードとして機能し、酸素極層５はアノードとして機能することとしたが、水素極層１がアノードとして機能し、酸素極層５がカソードとして機能してもよい。この場合、水素極層１と酸素極層５の構成材料を入れ替えるとともに、水素極層１の外表面に原料ガスを流すことになる。
上記実施形態において、水素極層１はカソードとして機能し、酸素極層５はアノードとして機能することとしたが、水素極層１がアノードとして機能し、酸素極層５がカソードとして機能してもよい。この場合、水素極層１と酸素極層５の構成材料を入れ替えるとともに、水素極層１の外表面に原料ガスを流すことになる。
【0076】
［変形例７］
上記実施形態では、電気化学セルの一例として電解セル１００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。
上記実施形態では、電気化学セルの一例として電解セル１００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】
【0077】
１００ 電解セル
１０ 金属支持体
１１ 第１主面
１２ 第２主面
１３ 凹部
Ｓ１ 底面
Ｓ２ 側周面
１３ａ 境界部
１４ 供給孔
２０ セル本体部
１ 水素極層
２ 触媒層
３ 電解質層
４ 反応防止層
５ 酸素極層
３０ 流路部材
３０ａ 流路
１０ 金属支持体
１１ 第１主面
１２ 第２主面
１３ 凹部
Ｓ１ 底面
Ｓ２ 側周面
１３ａ 境界部
１４ 供給孔
２０ セル本体部
１ 水素極層
２ 触媒層
３ 電解質層
４ 反応防止層
５ 酸素極層
３０ 流路部材
３０ａ 流路
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】