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JP2018174117A - Electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, and manufacturing method of electrochemical element - Google Patents

Electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, and manufacturing method of electrochemical element Download PDF

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JP2018174117A
JP2018174117A JP2017073205A JP2017073205A JP2018174117A JP 2018174117 A JP2018174117 A JP 2018174117A JP 2017073205 A JP2017073205 A JP 2017073205A JP 2017073205 A JP2017073205 A JP 2017073205A JP 2018174117 A JP2018174117 A JP 2018174117A
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満秋 越後
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久男 大西
享平 真鍋
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享平 真鍋
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和徹 南
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Osamu Yamazaki
修 山▲崎▼
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high performance electrochemical element and the like excellent in reliability and durability, which improves mass production cost while improving interlayer interface strength.SOLUTION: A reaction preventing layer 5 is formed to have a concavo-convex shape formed from a concave portion F and a convex portion G at an interface with an electrolyte layer 4. In the reaction preventing layer 5, a region on the side of the electrolyte layer 4 with respect to a line segment J connecting the bottom portions of two adjacent concave portions F via the convex portion G is defined as a protruding region K. In the reaction preventing layer 5, there is a sparse projecting region N which is the protruding region K in which the height at the top of the protruding region K from the line segment J is 0.5 μm or more and the porosity is larger than the porosity of an adjacent region L as a region on the side of the second electrode layer with respect to the line segment J defined as the adjacent region L.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、電気化学素子と、その電気化学素子を備えた固体酸化物形燃料電池に関する。   The present invention relates to an electrochemical element and a solid oxide fuel cell including the electrochemical element.

固体酸化物型燃料電池は高温で作動するため、ヒートサイクル時に層間の熱膨張係数の差に起因して生じる応力によって層間の剥離が生じるという問題が知られている。そこで従来技術では剥離に対する強度を向上させるため、反応防止層に密着層を挿入した2層構造とすることで剥離に対する強度が向上することが開示されている(特許文献1)。   Since solid oxide fuel cells operate at high temperatures, there is a known problem that delamination occurs due to stress generated due to the difference in thermal expansion coefficient between layers during a heat cycle. Therefore, in order to improve the strength against peeling in the prior art, it is disclosed that the strength against peeling is improved by adopting a two-layer structure in which an adhesion layer is inserted into the reaction preventing layer (Patent Document 1).

特開2010−3478号公報JP 2010-3478 A

しかし従来技術は600℃程度の比較的低温での作動に適したSOFCを実現するための技術を開示しており、より高温で作動させる場合には更に層間界面強度の改善が望まれていた。   However, the prior art discloses a technique for realizing an SOFC suitable for operation at a relatively low temperature of about 600 ° C., and further improvement of the interlayer interface strength has been desired when operating at a higher temperature.

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、層間界面強度を改善しつつ、量産時のコストを改善した、信頼性・耐久性に優れた高性能な電気化学素子等を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to improve the interfacial strength while improving the cost at the time of mass production, a high-performance electrochemical device excellent in reliability and durability, etc. Is to provide.

〔構成1〕
電解質層と、電極層と、前記電解質層と前記電極層との間に配置された反応防止層とを有する電気化学素子であって、
前記反応防止層は、前記電解質層との界面に凹部および凸部から形成される凹凸形状を有し、
前記反応防止層において、前記凸部を介して隣り合う2つの凹部の底部間を結ぶ線分に対して前記電解質層の側の領域を突出領域とし、前記線分に対して前記電極層側の領域を隣接領域として、
前記突出領域の頂部の前記線分からの高さが0.5μm以上であり、かつ、気孔率が前記隣接領域の気孔率よりも大きい突出領域である疎突出領域が存在する点にある。
[Configuration 1]
An electrochemical element having an electrolyte layer, an electrode layer, and a reaction preventing layer disposed between the electrolyte layer and the electrode layer,
The reaction preventing layer has a concavo-convex shape formed from a concave portion and a convex portion at the interface with the electrolyte layer,
In the reaction preventing layer, a region on the electrolyte layer side is defined as a protruding region with respect to a line segment connecting the bottoms of two adjacent concave portions via the convex portion, and the electrode layer side with respect to the line segment. Region as an adjacent region,
There is a sparse projecting region in which the height of the top of the projecting region from the line segment is 0.5 μm or more and the porosity is larger than the porosity of the adjacent region.

上記の特徴構成のように、反応防止層と電解質層との界面に気孔率の大きい疎突出領域が存在すると、この疎突出領域がヒートサイクルにより生じる応力を緩和させるため、層間の界面強度が向上し、剥離しづらい電気化学素子を提供できる。   As in the above feature configuration, if there is a sparse protruding region with a high porosity at the interface between the reaction preventing layer and the electrolyte layer, this sparse protruding region relieves stress caused by heat cycle, so the interface strength between layers improves. In addition, it is possible to provide an electrochemical element that is difficult to peel off.

〔構成2〕
前記疎突出領域において、前記凸部を介して隣り合う2つの凹部の底部間の距離が15μm以下であると、十分に応力を吸収緩和でき好ましい。
[Configuration 2]
In the sparse protruding region, it is preferable that the distance between the bottoms of two concave portions adjacent to each other through the convex portion is 15 μm or less because stress can be sufficiently absorbed and relaxed.

〔構成3〕
前記疎突出領域の気孔率が10%以上30%以下であると、十分に応力を吸収緩和でき好ましい。なお、前記疎突出領域の気孔率が13%以上であるとより応力を吸収緩和でき好ましい。また、前記疎突出領域の気孔率が26%以下であると反応防止層の強度も向上できるのでより好ましい。
[Configuration 3]
It is preferable that the porosity of the sparsely protruding region is 10% or more and 30% or less because stress can be sufficiently absorbed and relaxed. In addition, it is preferable that the porosity of the sparse protruding region is 13% or more because stress can be absorbed and relaxed. Moreover, since the intensity | strength of a reaction prevention layer can also be improved as the porosity of the said loose protrusion area | region is 26% or less, it is more preferable.

〔構成4〕
前記隣接領域の気孔率が1%以上20%以下であると、反応防止層の強度を確保できかつ、電極層の成分が電解質層に拡散するのを防止する効果が高められるので好ましい。なお、前記隣接領域の気孔率が15%以下であると上述の効果を更に向上できるので好ましい。また、前記隣接領域の気孔率が2%以上であると応力の緩和効果も高められるのでより好ましい。
[Configuration 4]
When the porosity of the adjacent region is 1% or more and 20% or less, the strength of the reaction preventing layer can be secured, and the effect of preventing the components of the electrode layer from diffusing into the electrolyte layer is preferably increased. In addition, since the above-mentioned effect can be further improved when the porosity of the adjacent region is 15% or less, it is preferable. Further, it is more preferable that the porosity of the adjacent region is 2% or more because the stress relaxation effect is enhanced.

〔構成5〕
前記隣接領域の気孔率に対する前記疎突出領域の気孔率の比が1.5以上15以下であると、疎突出領域での応力緩和と反応防止層の強度確保とが両立でき好ましい。また、前記隣接領域の気孔率に対する前記疎突出領域の気孔率の比が2以上10以下であると疎突出領域での応力緩和と反応防止層の強度確保の効果をより高められるので好ましい。
[Configuration 5]
It is preferable that the ratio of the porosity of the sparsely protruding region to the porosity of the adjacent region is 1.5 or more and 15 or less because both stress relaxation in the sparsely protruding region and securing of the strength of the reaction preventing layer can be achieved. Moreover, it is preferable that the ratio of the porosity of the sparsely protruding region to the porosity of the adjacent region is 2 or more and 10 or less because the effects of stress relaxation in the sparsely protruding region and ensuring the strength of the reaction preventing layer can be further enhanced.

〔構成6〕
前記反応防止層がCeを含有する材料を含んでいると、イオン導電率が高く、反応防止層の抵抗値増加を抑制できるため、高性能な電気化学素子を実現することができ好ましい。
[Configuration 6]
When the reaction preventing layer contains a material containing Ce, the ionic conductivity is high, and an increase in the resistance value of the reaction preventing layer can be suppressed, so that a high-performance electrochemical device can be realized.

〔構成7〕
前記反応防止層が、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つを含有すると、反応防止層を構成する材料内に酸素欠陥が導入され、反応防止層が高いイオン導電率を有するものとすることができ、高性能な電気化学素子を実現することができるので好ましい。
[Configuration 7]
When the reaction preventing layer contains at least one element selected from the group consisting of Sm, Gd and Y, oxygen defects are introduced into the material constituting the reaction preventing layer, and the reaction preventing layer has a high ionic conductivity. This is preferable because a high-performance electrochemical device can be realized.

〔構成8〕
前記反応防止層が、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5mol%以上25mol%以下であると、高いイオン導電率が得られる。また、前記反応防止層に含有されるSm、GdおよびYからなる群から選ばれる元素の含有率の合計が10mol%以上20mol%以下であるとさらに高いイオン伝導率が得られるため、より好ましい。
[Configuration 8]
When the reaction preventing layer contains at least one element selected from the group consisting of Sm, Gd and Y, and the total content of these elements is 5 mol% or more and 25 mol% or less, high ionic conductivity is obtained. can get. Moreover, since the higher ionic conductivity is obtained when the total content of elements selected from the group consisting of Sm, Gd and Y contained in the reaction prevention layer is 10 mol% or more and 20 mol% or less, it is more preferable.

〔構成9〕
前記反応防止層の厚さが1μmより大きく100μm以下であると、反応防止層が十分に応力を吸収緩和でき好ましい。また、前記反応防止層の厚さが2μmより大きいと反応防止層がより応力を吸収緩和できるため好ましく、厚さが3μmより大きいと、さらに応力を吸収緩和できるため好ましい。また、前記反応防止層の厚さが50μm以下であると、高価な反応防止層の材料コストを抑制できるため好ましく、25μm以下であるとさらにその材料コストを抑制できるため好ましい。
[Configuration 9]
When the thickness of the reaction preventing layer is larger than 1 μm and not larger than 100 μm, it is preferable that the reaction preventing layer can sufficiently absorb and relax stress. Further, it is preferable that the thickness of the reaction preventing layer is larger than 2 μm because the reaction preventing layer can absorb and relax stress more. A thickness larger than 3 μm is preferable because the stress can be absorbed and relaxed further. Moreover, since the material cost of an expensive reaction prevention layer can be suppressed as the thickness of the said reaction prevention layer is 50 micrometers or less, it is preferable because the material cost can be further suppressed as 25 micrometers or less.

〔構成10〕
本発明に係る電気化学素子の特徴構成は、前記電極層が、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である点にある。
[Configuration 10]
The electrochemical element according to the present invention is characterized in that the electrode layer is a perovskite oxide containing two or more elements selected from the group consisting of La, Sr, Sm, Mn, Co and Fe. is there.

上記の特徴構成によれば、高性能な電極層を有する電気化学素子とすることができるため好ましい。   According to said characteristic structure, since it can be set as the electrochemical element which has a high performance electrode layer, it is preferable.

〔構成11〕
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記固体電解質層がジルコニア系セラミックスを含有する点にある。
[Configuration 11]
Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is that the solid electrolyte layer contains zirconia ceramics.

上記の特徴構成によれば、イオン伝導率が高く、高温、酸化・還元雰囲気において熱力学的に安定である固体電解質層とすることができるため、信頼性・耐久性に優れた高性能な電気化学素子を得ることができる。   According to the above characteristic configuration, a solid electrolyte layer having high ionic conductivity and being thermodynamically stable at high temperature in an oxidizing / reducing atmosphere can be obtained. A chemical element can be obtained.

〔構成12〕
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記固体電解質層の前記反応防止層と前記電極層が配置されている側と反応の側に、前記電極層の対極となる対極電極層を有している点にある。
[Configuration 12]
Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is that a counter electrode layer serving as a counter electrode of the electrode layer is provided on the reaction side and the side where the reaction preventing layer and the electrode layer of the solid electrolyte layer are disposed. It is in having.

上記の特徴構成によれば、電極層と対極電極層を有する電気化学素子を形成できるから、燃料電池などに適用しやすくなるので好ましい。   According to said characteristic structure, since the electrochemical element which has an electrode layer and a counter electrode layer can be formed, since it becomes easy to apply to a fuel cell etc., it is preferable.

〔構成13〕
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、金属支持体に支持される点にある。
[Configuration 13]
Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is that it is supported by a metal support.

上記の特徴構成によれば、安価で堅牢な金属支持体により電気化学素子を支持することができるため、高価なセラミック材料の使用量を低減できると共に、強度が高く信頼性・耐久性に優れた電気化学素子を得ることができる。さらに加工性にも優れるため、製造コストの低減も可能となる。   According to the above characteristic configuration, the electrochemical element can be supported by an inexpensive and robust metal support, so that the amount of expensive ceramic material used can be reduced, and the strength is high and the reliability and durability are excellent. An electrochemical element can be obtained. Furthermore, since the processability is also excellent, the manufacturing cost can be reduced.

〔構成14〕
本発明に係る電気化学モジュールの特徴構成は、上述の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。
[Configuration 14]
The characteristic configuration of the electrochemical module according to the present invention is that it is arranged in a state where a plurality of the aforementioned electrochemical elements are assembled.

上記の特徴構成によれば、上述の電気化学素子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。   According to the above characteristic configuration, a plurality of the above-described electrochemical elements are arranged in a collective state, so that the electrochemical module is excellent in strength and reliability while suppressing material cost and processing cost and being compact and high-performance. Can be obtained.

〔構成15〕
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、上述の電気化学モジュールと改質器とを少なくとも有し、前記電気化学モジュール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を有する点にある。
[Configuration 15]
A characteristic configuration of an electrochemical device according to the present invention includes at least the above-described electrochemical module and a reformer, and a fuel supply unit that supplies a fuel gas containing a reducing component to the electrochemical module. In the point.

上記の特徴構成によれば、電気化学モジュールと改質器を有し電気化学モジュール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を有するので、都市ガス等の既存の原燃料供給インフラを用い、耐久性・信頼性に優れた高性能な電気化学モジュールを運転させることができる。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。   According to said characteristic structure, since it has a fuel supply part which has an electrochemical module and a reformer and supplies the fuel gas containing a reducing component with respect to an electrochemical module, existing raw fuels, such as city gas Using the supply infrastructure, it is possible to operate high-performance electrochemical modules with excellent durability and reliability. Moreover, since it becomes easy to construct a system for recycling unused fuel gas discharged from the electrochemical module, a highly efficient electrochemical device can be realized.

〔構成16〕
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、前記電気化学モジュールから電力を取り出すインバータとを有する点にある。
[Configuration 16]
The characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is that it includes an inverter that extracts electric power from the electrochemical module.

上記の特徴構成によれば、電気化学モジュールから電力を取り出すことができ、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学装置を実現することができる。   According to said characteristic structure, electric power can be taken out from an electrochemical module, and the electrochemical apparatus excellent in durability, reliability, and performance can be implement | achieved.

〔構成17〕
本発明に係るエネルギーシステムの特徴構成は、上述の電気化学装置と、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を有する点にある。
[Configuration 17]
The characteristic configuration of the energy system according to the present invention is that it includes the above-described electrochemical device and an exhaust heat utilization unit that reuses the heat exhausted from the electrochemical device.

上記の特徴構成によれば、電気化学装置と、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、耐久性・信頼性および性能に優れ、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。   According to the above characteristic configuration, because it has an electrochemical device and a waste heat utilization part that reuses the heat exhausted from the electrochemical device, it is excellent in durability, reliability, and performance, and also in energy efficiency. An energy system can be realized. It is also possible to realize a hybrid system with excellent energy efficiency in combination with a power generation system that generates power using the combustion heat of unused fuel gas discharged from an electrochemical device.

〔構成18〕
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、前記対極電極層が燃料極もしくは空気極となり、前記電極層が空気極もしくは燃料極となる点にある。
[Configuration 18]
The characteristic configuration of the solid oxide fuel cell according to the present invention is that the counter electrode layer is a fuel electrode or an air electrode, and the electrode layer is an air electrode or a fuel electrode.

上記の特徴構成によれば、ヒートサイクルや発電時に起こるセルの膨張収縮に起因する応力を吸収緩和できる反応防止層と固体電解質層と燃料極及び空気極を備えた固体酸化物形燃料電池を実現できるので好ましい。なお、固体酸化物形燃料電池が定格運転時に650℃以上の温度域で運転可なものであると、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、固体酸化物形燃料電池が定格運転時に900℃以下の温度域で運転されるものであると、金属支持体を用いる場合は、支持体の損傷を抑制できるため好ましい。また、定格運転時に850℃以下の温度域で運転されると支持体の損傷を更に抑制できるためより好ましい。   According to the above characteristic configuration, a solid oxide fuel cell having a reaction prevention layer, a solid electrolyte layer, a fuel electrode, and an air electrode capable of absorbing and mitigating stress caused by expansion and contraction of a cell that occurs during heat cycle or power generation is realized. It is preferable because it is possible. If the solid oxide fuel cell can be operated in a temperature range of 650 ° C. or higher during rated operation, in the fuel cell system using hydrocarbon gas such as city gas as raw fuel, the raw fuel is converted to hydrogen. Since it is possible to construct a system that can cover the heat required for conversion with the exhaust heat of the fuel cell, the power generation efficiency of the fuel cell system can be increased, which is more preferable. Further, when the solid oxide fuel cell is operated at a temperature range of 900 ° C. or lower during rated operation, it is preferable to use a metal support because damage to the support can be suppressed. Further, it is more preferable to operate in a temperature range of 850 ° C. or lower during rated operation because damage to the support can be further suppressed.

〔構成19〕
本発明に係る電気化学素子の製造方法の特徴構成は、金属支持体と、電解質層と、電極層と、前記電解質層と前記電極層との間に配置された反応防止層とを有する電気化学素子の製造方法であって、前記反応防止層の焼成を1100℃以下で行う点にある。
[Configuration 19]
The electrochemical element manufacturing method according to the present invention includes a metal support, an electrolyte layer, an electrode layer, and an electrochemical reaction layer disposed between the electrolyte layer and the electrode layer. In the method for manufacturing an element, the reaction preventing layer is fired at 1100 ° C. or lower.

上記の特徴構成によれば、反応防止層の焼成を1100℃以下で行うことにより、多孔質かつ微細な構造を有し、例えば燃料電池セルで用いる場合、ヒートサイクルや発電時に起こるセルの膨張収縮に起因する応力を吸収緩和することができ、さらには隣接する層との剥離が抑制できる反応防止層を得ることができるので好ましい。また1050℃以下の温度で反応防止層の焼成を行うと上述の効果が得やすくなるので更に好ましい。さらに金属基板1の劣化を抑制するため、反応防止層の焼成を1100℃以下の温度で行うことが好ましく、1050℃以下の温度で行うと更に好ましい。   According to the above characteristic configuration, the reaction prevention layer is baked at 1100 ° C. or lower, thereby having a porous and fine structure. For example, when used in a fuel cell, the cell expands and contracts during heat cycle or power generation. It is preferable because a reaction preventing layer that can absorb and relieve stress due to, and further can suppress separation from adjacent layers can be obtained. Further, it is more preferable that the reaction preventing layer is baked at a temperature of 1050 ° C. or lower because the above-described effect can be easily obtained. Furthermore, in order to suppress deterioration of the metal substrate 1, the reaction preventing layer is preferably baked at a temperature of 1100 ° C. or lower, more preferably 1050 ° C. or lower.

電気化学素子の構成を示す概略図Schematic diagram showing the structure of the electrochemical device 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Schematic showing the configuration of the electrochemical element and electrochemical module 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Schematic showing the configuration of the electrochemical device and energy system 電気化学モジュールの構成を示す概略図Schematic diagram showing the structure of the electrochemical module 電気化学素子の断面の電子顕微鏡写真Electron micrograph of cross section of electrochemical device

<第1実施形態>
以下、図1を参照しながら、本実施形態に係る電気化学素子Eおよび固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)について説明する。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の構成要素として用いられる。なお以下、層の位置関係などを表す際、例えば電解質層4から見て第2電極層6の側を「上」または「上側」、第1電極層2の側を「下」または「下側」という場合がある。また、金属基板1における第1電極層2が形成されている側の面を「表側」、反対側の面を「裏側」という場合がある。
<First Embodiment>
Hereinafter, the electrochemical device E and the solid oxide fuel cell (Solid Oxide Fuel Cell: SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The electrochemical element E is used, for example, as a component of a solid oxide fuel cell that generates electric power by receiving supply of a fuel gas containing hydrogen and air. Hereinafter, when expressing the positional relationship of the layers, for example, the second electrode layer 6 side is “upper” or “upper side” and the first electrode layer 2 side is “lower” or “lower side” as viewed from the electrolyte layer 4. " Further, the surface of the metal substrate 1 on which the first electrode layer 2 is formed may be referred to as “front side”, and the opposite surface may be referred to as “back side”.

(電気化学素子)
電気化学素子Eは、図1に示される通り、金属基板1(金属支持体)と、金属基板1の上に形成された第1電極層2(対極電極層)と、第1電極層2の上に形成された中間層3と、中間層3の上に形成された電解質層4とを有する。そして電気化学素子Eは、更に、電解質層4の上に形成された反応防止層5と、反応防止層5の上に形成された第2電極層6(電極層)とを有する。つまり第2電極層6は電解質層4の上に形成され、反応防止層5は電解質層4と第2電極層6との間に形成されている。本実施形態に係る電気化学素子Eは、電解質層4と、電解質層4と第2電極層との間に配置された反応防止層5とを有する。第1電極層2は多孔質であり、電解質層4は緻密である。
(Electrochemical element)
As shown in FIG. 1, the electrochemical element E includes a metal substrate 1 (metal support), a first electrode layer 2 (counter electrode layer) formed on the metal substrate 1, and a first electrode layer 2. It has an intermediate layer 3 formed thereon and an electrolyte layer 4 formed on the intermediate layer 3. The electrochemical element E further includes a reaction preventing layer 5 formed on the electrolyte layer 4 and a second electrode layer 6 (electrode layer) formed on the reaction preventing layer 5. That is, the second electrode layer 6 is formed on the electrolyte layer 4, and the reaction preventing layer 5 is formed between the electrolyte layer 4 and the second electrode layer 6. The electrochemical element E according to the present embodiment includes an electrolyte layer 4 and a reaction preventing layer 5 disposed between the electrolyte layer 4 and the second electrode layer. The first electrode layer 2 is porous, and the electrolyte layer 4 is dense.

(金属基板)
金属基板1は、第1電極層2、中間層3および電解質層4等を支持して電気化学素子Eの強度を保つ、支持体としての役割を担う。金属基板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。なお本実施形態では、金属支持体として板状の金属基板1が用いられるが、金属支持体としては他の形状、例えば箱状、円筒状などの形状も可能である。
なお、金属基板1は、支持体として電気化学素子を形成するのに充分な強度を有すれば良く、例えば、0.1mm〜2mm程度、好ましくは0.1mm〜1mm程度、より好ましくは0.1mm〜0.5mm程度の厚みのものを用いることができる。
(Metal substrate)
The metal substrate 1 serves as a support that supports the first electrode layer 2, the intermediate layer 3, the electrolyte layer 4, and the like and maintains the strength of the electrochemical element E. As the material of the metal substrate 1, a material excellent in electronic conductivity, heat resistance, oxidation resistance and corrosion resistance is used. For example, ferritic stainless steel, austenitic stainless steel, nickel base alloy, or the like is used. In particular, an alloy containing chromium is preferably used. In the present embodiment, the plate-shaped metal substrate 1 is used as the metal support, but the metal support may have other shapes such as a box shape or a cylindrical shape.
In addition, the metal substrate 1 should just have intensity | strength sufficient to form an electrochemical element as a support body, for example, about 0.1 mm-2 mm, Preferably it is about 0.1 mm-1 mm, More preferably, it is 0.00. A thickness of about 1 mm to 0.5 mm can be used.

金属基板1は、表側の面と裏側の面とを貫通して設けられる複数の貫通孔1aを有する。なお、例えば、貫通孔1aは、機械的、化学的あるいは光学的穿孔加工などにより、金属基板1に設けることができる。貫通孔1aは、金属基板1の裏側の面から表側の面へ気体を透過させる機能を有する。金属基板1に気体透過性を持たせるために、多孔質金属を用いることも可能である。例えば、金属基板1は、焼結金属や発泡金属等を用いることもできる。   The metal substrate 1 has a plurality of through holes 1a provided through the front side surface and the back side surface. For example, the through-hole 1a can be provided in the metal substrate 1 by mechanical, chemical or optical drilling. The through hole 1a has a function of allowing gas to pass from the back surface of the metal substrate 1 to the front surface. In order to give the metal substrate 1 gas permeability, a porous metal can be used. For example, the metal substrate 1 can use a sintered metal, a foam metal, or the like.

金属基板1の表面に、拡散抑制層としての金属酸化物層1bが設けられる。すなわち、金属基板1と後述する第1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、金属基板1の外部に露出した面だけでなく、第1電極層2との接触面(界面)および貫通孔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、金属基板1と第1電極層2との間の元素相互拡散を抑制することができる。例えば、金属基板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、金属基板1のクロム原子等が第1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。
金属酸化物層1bは種々の手法により形成されうるが、金属基板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、金属基板1の表面に、金属酸化物層1b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、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。
A metal oxide layer 1 b as a diffusion suppression layer is provided on the surface of the metal substrate 1. That is, a diffusion suppression layer is formed between the metal substrate 1 and a first electrode layer 2 described later. The metal oxide layer 1b is provided not only on the surface exposed to the outside of the metal substrate 1, but also on the contact surface (interface) with the first electrode layer 2 and the inner surface of the through hole 1a. By this metal oxide layer 1b, element interdiffusion between the metal substrate 1 and the first electrode layer 2 can be suppressed. For example, when ferritic stainless steel containing chromium is used as the metal substrate 1, the metal oxide layer 1b is mainly chromium oxide. And the metal oxide layer 1b which has chromium oxide as a main component suppresses that the chromium atom etc. of the metal substrate 1 diffuse to the 1st electrode layer 2 or the electrolyte layer 4. FIG. The thickness of the metal oxide layer 1b may be a thickness that can achieve both high diffusion prevention performance and low electrical resistance. For example, it is preferably in the submicron order, and specifically, the average thickness is more preferably about 0.3 μm or more and 0.7 μm or less. Further, the minimum thickness is more preferably about 0.1 μm or more.
The maximum thickness is preferably about 1.1 μm or less.
Although the metal oxide layer 1b can be formed by various methods, a method of oxidizing the surface of the metal substrate 1 to form a metal oxide is preferably used. Further, a metal oxide layer 1b is applied to the surface of the metal substrate 1 by a spray coating method (spraying method, aerosol deposition method, aerosol gas deposition method, powder jet deposition method, particle jet deposition method, cold spray method, etc. Method), PVD method such as sputtering method or PLD method, CVD method or the like, or plating and oxidation treatment. Further, the metal oxide layer 1b may include a spinel phase having high conductivity.

金属基板1としてフェライト系ステンレス材を用いた場合、第1電極層2や電解質層4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。   When a ferritic stainless steel is used as the metal substrate 1, YSZ (yttria-stabilized zirconia) or GDC (also referred to as gadolinium doped ceria, CGO) used as the material for the first electrode layer 2 or the electrolyte layer 4 and heat The expansion coefficient is close. Therefore, even when the temperature cycle of low temperature and high temperature is repeated, the electrochemical element E is not easily damaged. Therefore, it is preferable because an electrochemical element E having excellent long-term durability can be realized.

(第1電極層)
第1電極層2は、図1に示すように、金属基板1の表側の面であって貫通孔1a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。貫通孔1aが設けられた領域の全体が、第1電極層2に覆われている。つまり、貫通孔1aは金属基板1における第1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が第1電極層2に面して設けられている。
(First electrode layer)
As shown in FIG. 1, the first electrode layer 2 can be provided in a thin layer state on a surface on the front side of the metal substrate 1 and larger than the region where the through hole 1 a is provided. In the case of a thin layer, the thickness can be, for example, about 1 μm to 100 μm, preferably 5 μm to 50 μm. With such a thickness, it is possible to ensure sufficient electrode performance while reducing the amount of expensive electrode layer material used and reducing costs. The entire region where the through hole 1 a is provided is covered with the first electrode layer 2. That is, the through hole 1a is formed inside the region of the metal substrate 1 where the first electrode layer 2 is formed. In other words, all the through holes 1 a are provided facing the first electrode layer 2.

第1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。なお、第1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、良好な第1電極層2が得られる。そのため、金属基板1を傷めることなく、また、金属基板1と第1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。 As the first electrode layer 2 material can be used, for example NiO-GDC, Ni-GDC, NiO-YSZ, Ni-YSZ, a composite material such as CuO-CeO 2, Cu-CeO 2. In these examples, GDC, YSZ, and CeO 2 can be referred to as composite aggregates. The first electrode layer 2 may be formed by a low temperature baking method (for example, a wet method using a baking process in a low temperature range that does not perform a baking process in a high temperature range higher than 1100 ° C.) or a spray coating method (a thermal spraying method or an aerosol deposition method, It is preferably formed by an aerosol gas deposition method, a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, a cold spray method or the like), a PVD method (such as a sputtering method or a pulse laser deposition method), a CVD method or the like. By these processes that can be used in a low temperature range, a good first electrode layer 2 can be obtained without using firing in a high temperature range higher than 1100 ° C., for example. Therefore, it is preferable because the interdiffusion of elements between the metal substrate 1 and the first electrode layer 2 can be suppressed without damaging the metal substrate 1 and an electrochemical element having excellent durability can be realized. Furthermore, it is more preferable to use a low-temperature firing method because handling of raw materials becomes easy.

第1電極層2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。
すなわち第1電極層2は、多孔質な層として形成される。第1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。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。
The first electrode layer 2 has a plurality of pores inside and on the surface in order to provide gas permeability.
That is, the first electrode layer 2 is formed as a porous layer. For example, the first electrode layer 2 is formed so that the density thereof is 30% or more and less than 80%. As the size of the pores, a size suitable for a smooth reaction to proceed during the electrochemical reaction can be appropriately selected. The dense density is the ratio of the material constituting the layer to the space, and can be expressed as (1-porosity), and is equivalent to the relative density.

(中間層)
中間層3は、図1に示すように、第1電極層2を覆った状態で、第1電極層2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。
(Middle layer)
As shown in FIG. 1, the intermediate layer 3 can be formed in a thin layer on the first electrode layer 2 while covering the first electrode layer 2. In the case of a thin layer, the thickness can be, for example, about 1 μm to 100 μm, preferably about 2 μm to 50 μm, and more preferably about 4 μm to 25 μm. With such a thickness, it is possible to ensure sufficient performance while reducing the cost by reducing the amount of expensive intermediate layer material used. Examples of the material of the intermediate layer 3 include YSZ (yttria-stabilized zirconia), SSZ (scandium-stabilized zirconia), GDC (gadolinium-doped ceria), YDC (yttrium-doped ceria), and SDC (samarium-doped ceria). Ceria) or the like can be used. In particular, ceria-based ceramics are preferably used.

中間層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3が得られる。そのため、金属基板1を傷めることなく、金属基板1と第1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。
The intermediate layer 3 is formed by a low-temperature baking method (for example, a wet method using a baking process in a low temperature range that does not perform a baking process in a high temperature range higher than 1100 ° C.) or a spray coating method (a thermal spraying method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition). It is preferably formed by a method such as a method such as a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, or a cold spray method), a PVD method (such as a sputtering method or a pulse laser deposition method), or a CVD method. By these film forming processes that can be used in a low temperature region, the intermediate layer 3 can be obtained without firing in a high temperature region higher than 1100 ° C., for example. Therefore, elemental interdiffusion between the metal substrate 1 and the first electrode layer 2 can be suppressed without damaging the metal substrate 1, and an electrochemical element E having excellent durability can be realized.
Further, it is more preferable to use a low-temperature baking method because handling of raw materials becomes easy.

中間層3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3は、電気化学素子Eへの適用に適している。   The intermediate layer 3 preferably has oxygen ion (oxide ion) conductivity. Further, it is more preferable to have mixed conductivity of oxygen ions (oxide ions) and electrons. The intermediate layer 3 having these properties is suitable for application to the electrochemical element E.

(電解質層)
電解質層4は、図1に示すように、第1電極層2および中間層3を覆った状態で、中間層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。詳しくは電解質層4は、図1に示すように、中間層3の上と金属基板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を金属基板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。
(Electrolyte layer)
As shown in FIG. 1, the electrolyte layer 4 is formed in a thin layer on the intermediate layer 3 while covering the first electrode layer 2 and the intermediate layer 3. Moreover, it can also form in the state of a thin film whose thickness is 10 micrometers or less. Specifically, as shown in FIG. 1, the electrolyte layer 4 is provided over (over straddling) the intermediate layer 3 and the metal substrate 1. By comprising in this way and joining the electrolyte layer 4 to the metal substrate 1, the whole electrochemical element can be excellent in robustness.

また電解質層4は、図1に示すように、金属基板1の表側の面であって貫通孔1aが設けられた領域より大きな領域に設けられる。つまり、貫通孔1aは金属基板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。   In addition, as shown in FIG. 1, the electrolyte layer 4 is provided in a region on the front side surface of the metal substrate 1 that is larger than the region in which the through hole 1a is provided. That is, the through hole 1a is formed inside the region of the metal substrate 1 where the electrolyte layer 4 is formed.

また電解質層4の周囲においては、第1電極層2および中間層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、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、金属基板1の裏側から貫通孔1aを通じて第1電極層2へガスが供給される。電解質層4が金属基板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4によって第1電極層2の周囲をすべて覆っているが、第1電極層2および中間層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。   Further, gas leakage from the first electrode layer 2 and the intermediate layer 3 can be suppressed around the electrolyte layer 4. To explain, when the electrochemical element E is used as a component of SOFC, gas is supplied from the back side of the metal substrate 1 to the first electrode layer 2 through the through hole 1a when the SOFC is operated. In a portion where the electrolyte layer 4 is in contact with the metal substrate 1, gas leakage can be suppressed without providing another member such as a gasket. In the present embodiment, the entire periphery of the first electrode layer 2 is covered with the electrolyte layer 4. However, the electrolyte layer 4 is provided above the first electrode layer 2 and the intermediate layer 3, and a gasket or the like is provided around the electrolyte layer 4. Also good.

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、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。   Examples of the material of the electrolyte layer 4 include YSZ (yttria stabilized zirconia), SSZ (scandium stabilized zirconia), GDC (gadolinium doped ceria), YDC (yttrium doped ceria), SDC (samarium doped ceria). LSGM (strontium / magnesium-added lanthanum gallate) or the like can be used. In particular, zirconia ceramics are preferably used. When the electrolyte layer 4 is made of zirconia ceramics, the operating temperature of the SOFC using the electrochemical element E can be made higher than that of ceria ceramics. For example, when the electrochemical element E is used for SOFC, the material of the electrolyte layer 4 is made of a material that can exhibit high electrolyte performance even in a high temperature range of about 650 ° C. or higher, such as YSZ. Using a hydrocarbon-based raw fuel and a system configuration in which the raw fuel is made into SOFC anode gas by steam reforming, etc., a highly efficient SOFC system that uses heat generated in the SOFC cell stack for raw fuel gas reforming Can be built.

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4が得られる。そのため、金属基板1の損傷を抑制し、また、金属基板1と第1電極層2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が低温域で容易に得られやすいので更に好ましい。   The electrolyte layer 4 is formed by a low temperature baking method (for example, a wet method using a baking process in a low temperature range in which a baking process is not performed in a high temperature range exceeding 1100 ° C.) or a spray coating method (a thermal spraying method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition). It is preferably formed by a method such as a method such as a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, or a cold spray method), a PVD method (such as a sputtering method or a pulse laser deposition method), or a CVD method. By these film forming processes that can be used in a low temperature region, the electrolyte layer 4 having a high density and a high gas barrier property can be obtained without firing in a high temperature region exceeding 1100 ° C., for example. Therefore, damage to the metal substrate 1 can be suppressed, elemental interdiffusion between the metal substrate 1 and the first electrode layer 2 can be suppressed, and an electrochemical element E excellent in performance and durability can be realized. In particular, it is preferable to use a low-temperature firing method or a spray coating method because a low-cost element can be realized. Furthermore, it is more preferable to use a spray coating method because a dense electrolyte layer having a high gas tightness and gas barrier property can be easily obtained in a low temperature range.

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、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。   The electrolyte layer 4 is densely configured to shield gas leakage of the anode gas and the cathode gas and to exhibit high ionic conductivity. The density of the electrolyte layer 4 is preferably 90% or more, more preferably 95% or more, and further preferably 98% or more. When the electrolyte layer 4 is a uniform layer, the density is preferably 95% or more, and more preferably 98% or more. In the case where the electrolyte layer 4 is configured in a plurality of layers, it is preferable that at least a part thereof includes a layer (dense electrolyte layer) having a density of 98% or more, and 99% It is more preferable that the above layer (dense electrolyte layer) is included. When such a dense electrolyte layer is included in a part of the electrolyte layer, even if the electrolyte layer is formed in a plurality of layers, a dense electrolyte layer having high gas tightness and gas barrier properties is formed. This is because it can be easily done.

(反応防止層)
反応防止層5は、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、1μmより大きく100μm以下であると、反応防止層が十分に応力を吸収緩和でき好ましい。また、前記反応防止層の厚さが2μmより大きいと反応防止層がより応力を吸収緩和できるため好ましく、厚さが3μmより大きいと、さらに応力を吸収緩和できるため好ましい。また、前記反応防止層の厚さが50μm以下であると、高価な反応防止層の材料コストを抑制できるため好ましく、25μm以下であるとさらにその材料コストを抑制できるため好ましい。
(Anti-reaction layer)
The reaction preventing layer 5 can be formed on the electrolyte layer 4 in a thin layer state. In the case of a thin layer, it is preferable that the thickness is greater than 1 μm and not greater than 100 μm because the reaction preventing layer can sufficiently absorb and relax stress. Further, it is preferable that the thickness of the reaction preventing layer is larger than 2 μm because the reaction preventing layer can absorb and relax stress more. A thickness larger than 3 μm is preferable because the stress can be absorbed and relaxed further. Moreover, since the material cost of an expensive reaction prevention layer can be suppressed as the thickness of the said reaction prevention layer is 50 micrometers or less, it is preferable because the material cost can be further suppressed as 25 micrometers or less.

反応防止層5の材料としては、電解質層4の成分と第2電極層6の成分との間の反応を防止できる材料が用いられる。反応防止層5を電解質層4と第2電極層6との間に導入することにより、第2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、電気化学素子Eの性能の長期安定性を向上できる。   As the material of the reaction preventing layer 5, a material that can prevent a reaction between the component of the electrolyte layer 4 and the component of the second electrode layer 6 is used. By introducing the reaction preventing layer 5 between the electrolyte layer 4 and the second electrode layer 6, the reaction between the constituent material of the second electrode layer 6 and the constituent material of the electrolyte layer 4 is effectively suppressed, and electrochemical The long-term stability of the performance of the element E can be improved.

本実施形態では、反応防止層5の材料としてはCeを含有する材料が用いられる。また反応防止層5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。形成された反応防止層5が、反応防止層が、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5mol%以上25mol%以下であると高いイオン伝導率が得られるため好ましい。また、前記反応防止層に含有されるSm、GdおよびYからなる群から選ばれる元素の含有率の合計が10mol%以上20mol%以下であるとさらに高いイオン伝導率が得られるため、より好ましい。具体的には反応防止層5の材料としては、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。   In the present embodiment, a material containing Ce is used as the material of the reaction preventing layer 5. As the material for the reaction preventing layer 5, a material containing at least one element selected from the group consisting of Sm, Gd and Y is preferably used. The formed reaction prevention layer 5 contains at least one element selected from the group consisting of Sm, Gd and Y, and the total content of these elements is 5 mol% or more and 25 mol% or less. It is preferable because high ionic conductivity can be obtained. Moreover, since the higher ionic conductivity is obtained when the total content of elements selected from the group consisting of Sm, Gd and Y contained in the reaction prevention layer is 10 mol% or more and 20 mol% or less, it is more preferable. Specifically, as the material of the reaction preventing layer 5, GDC (gadolinium-doped ceria), YDC (yttrium-doped ceria), SDC (samarium-doped ceria), or the like can be used.

反応防止層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、金属基板1の損傷を抑制し、また、金属基板1と第1電極層2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。   When the reaction preventing layer 5 is formed by appropriately using a method that can be formed at a processing temperature of 1100 ° C. or less, damage to the metal substrate 1 is suppressed, and element interdiffusion between the metal substrate 1 and the first electrode layer 2 is suppressed. Can be suppressed, and an electrochemical element E excellent in performance and durability can be realized. For example, low-temperature firing methods (for example, wet methods using a firing treatment in a low temperature range that does not perform a firing treatment in a high temperature range exceeding 1100 ° C.), spray coating methods (thermal spraying method, aerosol deposition method, aerosol gas deposition method, powder) A jet deposition method, a particle jet deposition method, a cold spray method, or the like), a PVD method (a sputtering method, a pulse laser deposition method, or the like), a CVD method, or the like can be used as appropriate. In particular, it is preferable to use a low-temperature firing method or a spray coating method because a low-cost element can be realized. Furthermore, it is more preferable to use a low-temperature firing method because handling of raw materials becomes easy.

本実施形態では反応防止層5は、多孔質かつ微細な構造と緻密な構造の2領域が形成される。   In this embodiment, the reaction preventing layer 5 is formed with two regions of a porous and fine structure and a dense structure.

以下、図5を参照しながら本実施形態の電解質層4が有する特徴的な凹凸形状について説明する。図5は、本実施形態に係る電気化学素子Eの断面の電子顕微鏡写真である。図5では、反応防止層5の内部の細孔空間が黒く示されている。   Hereinafter, the characteristic uneven | corrugated shape which the electrolyte layer 4 of this embodiment has is demonstrated, referring FIG. FIG. 5 is an electron micrograph of a cross section of the electrochemical element E according to the present embodiment. In FIG. 5, the pore space inside the reaction preventing layer 5 is shown in black.

反応防止層5は、電解質層4との界面に凹部Fおよび凸部Gから形成される凹凸形状を有して形成される。反応防止層5において、凸部Gを介して隣り合う2つの凹部Fの底部間を結ぶ線分Jに対して電解質層4の側の領域を突出領域Kとする。そして反応防止層5において、線分Jに対して第2電極層6の側の領域を隣接領域Lとして、突出領域Kの頂部の線分Jからの高さが0.5μm以上であり、かつ、気孔率が隣接領域Lの気孔率よりも大きい突出領域Kである疎突出領域Nが存在する。なお疎突出領域Nにおいて、凸部Gを介して隣り合う2つの凹部Fの底部間の距離は15μm以下である。   The reaction preventing layer 5 is formed to have a concavo-convex shape formed from the concave portion F and the convex portion G at the interface with the electrolyte layer 4. In the reaction preventing layer 5, a region on the electrolyte layer 4 side is defined as a protruding region K with respect to a line segment J connecting the bottoms of two concave portions F adjacent to each other via the convex portion G. In the reaction preventing layer 5, the region on the second electrode layer 6 side with respect to the line segment J is set as the adjacent area L, and the height from the line segment J at the top of the protruding area K is 0.5 μm or more, and There is a sparse protruding region N which is a protruding region K whose porosity is larger than the porosity of the adjacent region L. In the sparsely projecting region N, the distance between the bottoms of the two concave portions F adjacent via the convex portion G is 15 μm or less.

図5の電子顕微鏡写真には、第1電極層2、電解質層4および反応防止層5が示されている。反応防止層5と電解質層4との界面は、視野の上下方向の中央付近に、左右方向に延びて位置している。界面には視野の左から順に、凹部F1、凸部G1、凹部F2、凸部G2、および凹部F3が形成されている。   In the electron micrograph of FIG. 5, the first electrode layer 2, the electrolyte layer 4, and the reaction preventing layer 5 are shown. The interface between the reaction preventing layer 5 and the electrolyte layer 4 is located extending in the left-right direction near the center of the visual field in the vertical direction. A concave portion F1, a convex portion G1, a concave portion F2, a convex portion G2, and a concave portion F3 are formed on the interface in order from the left of the field of view.

線分J1は、2つの凹部F1および凹部F2の底部の間を結ぶ線分である。線分J1に対して電解質層4の側の領域を突出領域K1とする。線分J1に対して第2電極層6の側の領域を隣接領域L1とする。突出領域K1の頂部の線分J1からの高さは、1.39μmであり、0.5μm以上である。そして図5に示されるように、突出領域K1には、隣接領域L1に比べてより多い細孔空間が存在する。したがって突出領域K1は、気孔率が隣接領域L1の気孔率よりも大きい。ゆえに突出領域K1は、疎突出領域Nに該当する。   The line segment J1 is a line segment connecting the bottoms of the two recesses F1 and the recesses F2. A region on the side of the electrolyte layer 4 with respect to the line segment J1 is defined as a protruding region K1. A region on the second electrode layer 6 side with respect to the line segment J1 is defined as an adjacent region L1. The height from the line segment J1 at the top of the protruding region K1 is 1.39 μm, which is 0.5 μm or more. And as FIG. 5 shows, there exists more pore space in the protrusion area | region K1 compared with the adjacent area | region L1. Accordingly, the protruding region K1 has a porosity higher than that of the adjacent region L1. Therefore, the protruding region K1 corresponds to the sparse protruding region N.

疎突出領域Nである突出領域K1において、凸部G1を介して隣り合う2つの凹部F1および凹部F2の底部間の距離は、10.5μmであるため、15μm以下である。   In the protruding region K1, which is the sparse protruding region N, the distance between the bottoms of the two concave portions F1 and the concave portions F2 adjacent to each other via the convex portion G1 is 10.5 μm, and is 15 μm or less.

線分J2は、2つの凹部F2および凹部F3の底部の間を結ぶ線分である。線分J2に対して電解質層4の側の領域を突出領域K2とする。線分J2に対して第2電極層6の側の領域を隣接領域L2とする。突出領域K2の頂部の線分J2からの高さは、1.63μmであり、0.5μm以上である。そして図5に示されるように、突出領域K2には、隣接領域L2に比べてより多い細孔空間が存在する。したがって突出領域K2は、気孔率が隣接領域L2の気孔率よりも大きい。ゆえに突出領域K2は、疎突出領域Nに該当する。   The line segment J2 is a line segment connecting the bottoms of the two recesses F2 and the recess F3. A region on the side of the electrolyte layer 4 with respect to the line segment J2 is defined as a protruding region K2. A region on the second electrode layer 6 side with respect to the line segment J2 is defined as an adjacent region L2. The height from the line segment J2 at the top of the protruding region K2 is 1.63 μm, which is 0.5 μm or more. And as FIG. 5 shows, more pore space exists in the protrusion area | region K2 compared with the adjacent area | region L2. Accordingly, the protruding region K2 has a porosity higher than that of the adjacent region L2. Therefore, the protruding region K2 corresponds to the sparse protruding region N.

疎突出領域Nである突出領域K2において、凸部G2を介して隣り合う2つの凹部F2および凹部F3の底部間の距離は、10.3μmであるため、15μm以下である。   In the protruding region K2, which is the sparse protruding region N, the distance between the bottoms of the two recessed portions F2 and the recessed portion F3 adjacent to each other via the protruding portion G2 is 10.3 μm, and is 15 μm or less.

また本実施形態では、疎突出領域Nの気孔率が10%以上30%以下であり、隣接領域Lの気孔率が1%以上15%以下であるように、反応防止層5が形成される。特に、隣接領域Lの気孔率に対する疎突出領域Nの気孔率の比が1.5以上15以下であると好適である。   In the present embodiment, the reaction preventing layer 5 is formed so that the porosity of the sparsely protruding region N is 10% or more and 30% or less, and the porosity of the adjacent region L is 1% or more and 15% or less. In particular, it is preferable that the ratio of the porosity of the sparsely projecting region N to the porosity of the adjacent region L is 1.5 or more and 15 or less.

(第2電極層)
第2電極層6は、反応防止層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、高価な第2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。第2電極層6の材料としては、例えば、LSCF、LSM等の複合酸化物、セリア系酸化物およびこれらの混合物を用いることができる。特に第2電極層6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第2電極層6は、カソードとして機能する。
(Second electrode layer)
The second electrode layer 6 can be formed in a thin layer on the reaction preventing layer 5. In the case of a thin layer, the thickness can be, for example, about 1 μm to 100 μm, preferably 5 μm to 50 μm. With such a thickness, it is possible to ensure sufficient electrode performance while reducing the cost by reducing the amount of expensive second electrode layer material used. As the material of the second electrode layer 6, for example, composite oxides such as LSCF and LSM, ceria-based oxides, and mixtures thereof can be used. In particular, the second electrode layer 6 preferably contains a perovskite oxide containing two or more elements selected from the group consisting of La, Sr, Sm, Mn, Co, and Fe. The 2nd electrode layer 6 comprised using the above material functions as a cathode.

なお、第2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、金属基板1の損傷を抑制し、また、金属基板1と第1電極層2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。   In addition, when the formation of the second electrode layer 6 is appropriately performed using a method that can be formed at a processing temperature of 1100 ° C. or less, damage to the metal substrate 1 is suppressed, and the metal substrate 1 and the first electrode layer 2 are not damaged. Elemental interdiffusion can be suppressed, and an electrochemical element E excellent in performance and durability can be realized, which is preferable. For example, low-temperature firing methods (for example, wet methods using a firing treatment in a low temperature range that does not perform a firing treatment in a high temperature range exceeding 1100 ° C.), spray coating methods (thermal spraying method, aerosol deposition method, aerosol gas deposition method, powder) A jet deposition method, a particle jet deposition method, a cold spray method, or the like), a PVD method (a sputtering method, a pulse laser deposition method, or the like), a CVD method, or the like can be used as appropriate. In particular, it is preferable to use a low-temperature firing method or a spray coating method because a low-cost element can be realized. Furthermore, it is more preferable to use a low-temperature firing method because handling of raw materials becomes easy.

(固体酸化物形燃料電池)
以上のように電気化学素子Eを構成することで、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。例えば、金属基板1の裏側の面から貫通孔1aを通じて水素を含む燃料ガスを第1電極層2へ供給し、第1電極層2の対極となる第2電極層6へ空気を供給し、例えば、500℃以上900℃以下の温度で作動させる。そうすると、第2電極層6において空気に含まれる酸素O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を通って第1電極層2へ移動する。第1電極層2においては、供給された燃料ガスに含まれる水素Hが酸素イオンO2−と反応し、水HOと電子eが生成される。以上の反応により、第1電極層2と第2電極層6との間に起電力が発生する。この場合、第1電極層2はSOFCの燃料極(アノード)として機能し、第2電極層6は空気極(カソード)として機能する。
(Solid oxide fuel cell)
By configuring the electrochemical element E as described above, the electrochemical element E can be used as a power generation cell of a solid oxide fuel cell. For example, a fuel gas containing hydrogen is supplied from the back surface of the metal substrate 1 to the first electrode layer 2 through the through-hole 1a, and air is supplied to the second electrode layer 6 that is the counter electrode of the first electrode layer 2. , And operate at a temperature of 500 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. Then, oxygen O 2 contained in air reacts with electrons e in the second electrode layer 6 to generate oxygen ions O 2− . The oxygen ions O 2− move through the electrolyte layer 4 to the first electrode layer 2. In the first electrode layer 2, hydrogen H 2 contained in the supplied fuel gas reacts with oxygen ions O 2− to generate water H 2 O and electrons e . Due to the above reaction, an electromotive force is generated between the first electrode layer 2 and the second electrode layer 6. In this case, the first electrode layer 2 functions as an SOFC fuel electrode (anode), and the second electrode layer 6 functions as an air electrode (cathode).

(電気化学素子の製造方法)
次に、本実施形態に係る電気化学素子Eの製造方法について説明する。
(Method for producing electrochemical element)
Next, the manufacturing method of the electrochemical element E which concerns on this embodiment is demonstrated.

(第1電極層形成ステップ)
第1電極層形成ステップでは、金属基板1の表側の面の貫通孔1aが設けられた領域より広い領域に第1電極層2が薄膜の状態で形成される。金属基板1の貫通孔はレーザー加工等によって設けることができる。第1電極層2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、金属基板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。
(First electrode layer forming step)
In the first electrode layer forming step, the first electrode layer 2 is formed as a thin film in a region wider than the region where the through hole 1a on the front side surface of the metal substrate 1 is provided. The through hole of the metal substrate 1 can be provided by laser processing or the like. As described above, the first electrode layer 2 is formed by a low-temperature baking method (wet method in which baking is performed in a low temperature region of 1100 ° C. or lower), a spray coating method (thermal spraying method, aerosol deposition method, aerosol gas deposition). For example, a method such as a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, or a cold spray method), a PVD method (such as a sputtering method or a pulse laser deposition method), or a CVD method. Regardless of which method is used, it is desirable to carry out at a temperature of 1100 ° C. or lower in order to suppress the deterioration of the metal substrate 1.

第1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、第1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、金属基板1の表側の面に塗布する。そして第1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)。第1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)成形などにより行うことができる。また、電極層の焼成は、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。
なお、中間層を有する電気化学素子を形成する場合では、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、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でもできる。
When the first electrode layer forming step is performed by a low temperature firing method, specifically, it is performed as in the following example.
First, the material powder of the 1st electrode layer 2 and a solvent (dispersion medium) are mixed, a material paste is created, and it applies to the surface of the metal substrate 1 at the front side. And the 1st electrode layer 2 is compression-molded (electrode layer smoothing process), and it bakes at 1100 degrees C or less (electrode layer baking process). The compression molding of the first electrode layer 2 can be performed by, for example, CIP (Cold Isostatic Pressing) molding, roll press molding, RIP (Rubber Isostatic Pressing) molding, or the like. The electrode layer is preferably fired at a temperature of 800 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower. Further, the order of the electrode layer smoothing step and the electrode layer firing step can be interchanged.
In the case of forming an electrochemical device having an intermediate layer, the electrode layer smoothing step and the electrode layer firing step are omitted, or the electrode layer smoothing step and the electrode layer firing step are described later. It can also be included in the firing step.
The electrode layer smoothing step may be performed by lapping, leveling, surface cutting / polishing, or the like.

(拡散抑制層形成ステップ)
上述した第1電極層形成ステップにおける焼成工程時に、金属基板1の表面に金属酸化物層1b(拡散抑制層)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金属酸化物層1b(拡散抑制層)が形成されるので好ましい。第1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、金属基板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、金属基板1の表面に金属酸化物層1b(拡散抑制層)が形成されても良い。
(Diffusion suppression layer formation step)
During the firing step in the first electrode layer forming step described above, the metal oxide layer 1b (diffusion suppression layer) is formed on the surface of the metal substrate 1. If the firing step includes a firing step in which the firing atmosphere is an atmospheric condition with a low oxygen partial pressure, a high-quality metal oxide layer 1b (diffusion restraint) that has a high element interdiffusion suppression effect and a low resistance value. Layer) is preferable. A separate diffusion suppression layer forming step may be included, including the case where the first electrode layer forming step is a coating method in which baking is not performed. In any case, it is desirable to carry out at a processing temperature of 1100 ° C. or less that can suppress damage to the metal substrate 1. Moreover, the metal oxide layer 1b (diffusion suppression layer) may be formed on the surface of the metal substrate 1 during the firing step in the intermediate layer forming step described later.

(中間層形成ステップ)
中間層形成ステップでは、第1電極層2を覆う形態で、第1電極層2の上に中間層3が薄層の状態で形成される。中間層3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、金属基板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。
(Intermediate layer forming step)
In the intermediate layer forming step, the intermediate layer 3 is formed in a thin layer on the first electrode layer 2 so as to cover the first electrode layer 2. As described above, the intermediate layer 3 is formed by a low-temperature baking method (wet method in which baking is performed in a low temperature region of 1100 ° C. or lower), a spray coating method (a thermal spraying method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, A method such as a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, or a cold spray method), a PVD method (such as a sputtering method or a pulse laser deposition method), or a CVD method can be used. Regardless of which method is used, it is desirable to carry out at a temperature of 1100 ° C. or lower in order to suppress the deterioration of the metal substrate 1.

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成し、金属基板1の表側の面に塗布する。そして中間層3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3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、金属基板1の損傷・劣化を抑制しつつ、強度の高い中間層3を形成できるためである。また、中間層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、中間層3の焼成温度を低下させる程に、金属基板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でもできる。
When the intermediate layer forming step is performed by a low-temperature firing method, specifically, it is performed as in the following example.
First, the material powder of the intermediate layer 3 and a solvent (dispersion medium) are mixed to prepare a material paste, which is applied to the front surface of the metal substrate 1. Then, the intermediate layer 3 is compression-molded (intermediate layer smoothing step) and fired at 1100 ° C. or less (intermediate layer firing step). The rolling of the intermediate layer 3 can be performed by, for example, CIP (Cold Isostatic Pressing) molding, roll pressing molding, RIP (Rubber Isostatic Pressing) molding, or the like. The intermediate layer is preferably fired at a temperature of 800 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower. This is because the intermediate layer 3 having a high strength can be formed while suppressing damage and deterioration of the metal substrate 1 at such a temperature. Moreover, it is more preferable when baking of the intermediate | middle layer 3 is performed at 1050 degrees C or less, and it is still more preferable when it is performed at 1000 degrees C or less. This is because the electrochemical element E can be formed while further suppressing the damage and deterioration of the metal substrate 1 as the firing temperature of the intermediate layer 3 is lowered. Further, the order of the intermediate layer smoothing step and the intermediate layer firing step can be switched.
The intermediate layer smoothing step may be performed by lapping, leveling, surface cutting / polishing, or the like.

(電解質層形成ステップ)
電解質層形成ステップでは、第1電極層2および中間層3を覆った状態で、電解質層4が中間層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されても良い。電解質層4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、金属基板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。
(Electrolyte layer forming step)
In the electrolyte layer forming step, the electrolyte layer 4 is formed in a thin layer on the intermediate layer 3 while covering the first electrode layer 2 and the intermediate layer 3. Moreover, you may form in the state of a thin film whose thickness is 10 micrometers or less. As described above, the electrolyte layer 4 is formed by a low temperature firing method (wet method in which a firing process is performed at a low temperature of 1100 ° C. or lower), a spray coating method (a thermal spraying method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, A method such as a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, or a cold spray method), a PVD method (such as a sputtering method or a pulse laser deposition method), or a CVD method can be used. Regardless of which method is used, it is desirable to carry out at a temperature of 1100 ° C. or lower in order to suppress the deterioration of the metal substrate 1.

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4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4の材料を金属基板1上の中間層3に向けて噴射し、電解質層4を形成する。   In order to form a high-quality electrolyte layer 4 that is dense and airtight and has high gas barrier performance in a temperature range of 1100 ° C. or lower, it is desirable to perform the electrolyte layer formation step by spray coating. In that case, the material of the electrolyte layer 4 is sprayed toward the intermediate layer 3 on the metal substrate 1 to form the electrolyte layer 4.

(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5が電解質層4の上に薄層の状態で形成される。反応防止層5の形成は、上述したように、低温焼成法、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、金属基板1の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが好ましく、1050℃以下の温度で行うと更に好ましい。なお反応防止層5の上側の面を平坦にするために、例えば反応防止層5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。
(Reaction prevention layer formation step)
In the reaction preventing layer forming step, the reaction preventing layer 5 is formed on the electrolyte layer 4 in a thin layer state. As described above, the reaction preventing layer 5 is formed by a low-temperature baking method, a spray coating method (a thermal spraying method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, a cold spray method). Etc.), PVD method (sputtering method, pulsed laser deposition method, etc.), CVD method and the like can be used. Whichever method is used, in order to suppress deterioration of the metal substrate 1, it is preferably performed at a temperature of 1100 ° C. or lower, more preferably 1050 ° C. or lower. In order to flatten the upper surface of the reaction preventing layer 5, for example, a leveling process or a surface cutting / polishing process may be performed after the formation of the reaction preventing layer 5, or a press working may be performed after the wet formation and before firing. Good.

(第2電極層形成ステップ)
第2電極層形成ステップでは、第2電極層6が反応防止層5の上に薄層の状態で形成される。第2電極層6の形成は、上述したように、低温焼成法、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、金属基板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。
(Second electrode layer forming step)
In the second electrode layer forming step, the second electrode layer 6 is formed in a thin layer on the reaction preventing layer 5. As described above, the second electrode layer 6 is formed by a low temperature baking method, a spray coating method (a thermal spraying method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, a cold spray). And other methods), PVD methods (sputtering methods, pulsed laser deposition methods, etc.), CVD methods, and the like can be used. Regardless of which method is used, it is desirable to carry out at a temperature of 1100 ° C. or lower in order to suppress the deterioration of the metal substrate 1.

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、以上述べた第1電極層形成ステップおよび中間層形成ステップを行って、金属支持型電気化学素子用の電極層付基板Bを製造することができる。すなわち本実施形態に係る製造方法は、金属基板1(金属支持体)と、金属基板1の上に形成された第1電極層2と、第1電極層2の上に形成された中間層3とを有する金属支持型電気化学素子用の電極層付基板Bの製造方法であって、中間層3をの表面を平滑化する中間層平滑化工程を含み、中間層3の焼成を1100℃以下で行う中間層焼成工程を含む。   The electrochemical element E can be manufactured as described above. In addition, the board | substrate B with an electrode layer for metal support type | mold electrochemical elements can be manufactured by performing the 1st electrode layer formation step and intermediate | middle layer formation step which were described above. That is, the manufacturing method according to the present embodiment includes a metal substrate 1 (metal support), a first electrode layer 2 formed on the metal substrate 1, and an intermediate layer 3 formed on the first electrode layer 2. A method for producing a substrate B with an electrode layer for a metal-supported electrochemical device, comprising an intermediate layer smoothing step of smoothing the surface of the intermediate layer 3, and firing the intermediate layer 3 at 1100 ° C. or less Including an intermediate layer firing step.

なお電気化学素子Eにおいて、中間層3を備えない形態とすることも可能である。すなわち、第1電極層2と電解質層4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。   Note that the electrochemical element E may be configured without the intermediate layer 3. That is, a form in which the first electrode layer 2 and the electrolyte layer 4 are formed in contact with each other is also possible. In this case, the intermediate layer forming step is omitted in the manufacturing method described above. Note that a step of forming another layer can be added, or a plurality of layers of the same type can be stacked. In any case, it is preferable to perform the step at a temperature of 1100 ° C. or lower.

<実施例>
厚さ0.3mm、crofer22APUの金属板に対して、中心の領域にレーザー加工により貫通孔1aを複数設けて、金属基板1を作製した。
<Example>
A metal substrate 1 was manufactured by providing a plurality of through holes 1a by laser processing in a central region of a metal plate having a thickness of 0.3 mm and a craft 22APU.

次に、60重量%のNiO粉末と40重量%のGDC粉末を混合し、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、金属基板1の中心から半径3mmの領域に第1電極層2を積層した。なお、第1電極層2の形成にはスクリーン印刷を用いた。そして第1電極層2を積層した金属基板1に対して、850℃で焼成処理を行った(第1電極層形成ステップ、拡散抑制層形成ステップ)。   Next, 60 wt% NiO powder and 40 wt% GDC powder were mixed, and an organic binder and an organic solvent (dispersion medium) were added to prepare a paste. Using the paste, the first electrode layer 2 was laminated in a region having a radius of 3 mm from the center of the metal substrate 1. Note that screen printing was used to form the first electrode layer 2. And the baking process was performed at 850 degreeC with respect to the metal substrate 1 which laminated | stacked the 1st electrode layer 2 (a 1st electrode layer formation step, a diffusion suppression layer formation step).

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、第1電極層2を積層した金属基板1の中心から半径5mmの領域に中間層3を積層した。次に、中間層3を積層した金属基板1に対してCIP成形した後、1050℃で焼成処理を行うことで、表面が平坦な中間層3を形成した(中間層形成ステップ)。   Next, an organic binder and an organic solvent (dispersion medium) were added to the fine powder of GDC to prepare a paste. Using the paste, the intermediate layer 3 was laminated in a region having a radius of 5 mm from the center of the metal substrate 1 on which the first electrode layer 2 was laminated by screen printing. Next, after the CIP molding was performed on the metal substrate 1 on which the intermediate layer 3 was laminated, the intermediate layer 3 having a flat surface was formed by performing a baking process at 1050 ° C. (intermediate layer forming step).

以上のステップで得られた第1電極層2の厚さは約10μmであり、中間層3の厚さは約10μmであった。第1電極層2と中間層3を積層した金属基板1はガスの流通性を有する電極層付基板となっている。   The thickness of the first electrode layer 2 obtained by the above steps was about 10 μm, and the thickness of the intermediate layer 3 was about 10 μm. The metal substrate 1 on which the first electrode layer 2 and the intermediate layer 3 are laminated is a substrate with an electrode layer having gas flowability.

続いて、モード径が約0.7μmの8YSZ(イットリア安定化ジルコニア)成分を2.4g/分の供給速度で、金属基板1の中間層3の上に、中間層3を覆うように15mm×15mmの範囲で5mm/秒のスキャン速度で基板を移動させながら噴射し、電解質層4を形成した(スプレーコート)。なお、その際、金属基板1は加熱しなかった(電解質層形成ステップ)。   Subsequently, an 8YSZ (yttria-stabilized zirconia) component having a mode diameter of about 0.7 μm is supplied at a feed rate of 2.4 g / min, on the intermediate layer 3 of the metal substrate 1 so as to cover the intermediate layer 3. The electrolyte layer 4 was formed by spraying while moving the substrate at a scanning speed of 5 mm / second in the range of 15 mm (spray coating). At that time, the metal substrate 1 was not heated (electrolyte layer forming step).

以上のステップで得られた電解質層4の厚さは4〜5μm程度であった。このように第1電極層2と中間層3と電解質層4を積層した状態での金属基板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/分・cm)未満であった。従って、形成された電解質層4は、ガスバリア性を有することが分かる。 The thickness of the electrolyte layer 4 obtained by the above steps was about 4 to 5 μm. Thus, when the amount of He leak of the metal substrate 1 in the state where the first electrode layer 2, the intermediate layer 3, and the electrolyte layer 4 are laminated is measured under a pressure of 0.2 MPa, the amount of He leak is a detection lower limit (1. 0 mL / min · cm 2 ). Therefore, it can be seen that the formed electrolyte layer 4 has gas barrier properties.

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、電気化学素子Eの電解質層4の上に、反応防止層5を形成した。   Next, an organic binder and an organic solvent (dispersion medium) were added to the fine powder of GDC to prepare a paste. The reaction preventing layer 5 was formed on the electrolyte layer 4 of the electrochemical element E by screen printing using the paste.

その後、反応防止層5を形成した電気化学素子Eに対して、300MPaの圧力でCIP成形した後、1000℃で1時間還元雰囲気での焼成処理を行うことで、表面が平坦な反応防止層5を形成した(反応防止層形成ステップ)。
Thereafter, the electrochemical device E on which the reaction preventing layer 5 is formed is subjected to CIP molding at a pressure of 300 MPa, and then subjected to a baking treatment in a reducing atmosphere at 1000 ° C. for 1 hour, whereby the reaction preventing layer 5 having a flat surface is formed. Was formed (reaction prevention layer forming step).

また、この電気化学素子Eの断面の電子顕微鏡写真を図5に示す。この電子顕微鏡写真から分かるように、反応防止層5が、内部に複数の細孔空間(黒く示された部位)を有する状態に形成されている。そして上述したように、図5に示されるサンプルでは、反応防止層5と電解質層4との界面に、凹部Fおよび凸部Gから形成される凹凸形状が存在する。界面には視野の左から順に、凹部F1、凸部G1、凹部F2、凸部G2、および凹部F3が形成されている。   Moreover, the electron micrograph of the cross section of this electrochemical element E is shown in FIG. As can be seen from this electron micrograph, the reaction preventing layer 5 is formed in a state having a plurality of pore spaces (sites shown in black) inside. As described above, in the sample shown in FIG. 5, there is an uneven shape formed by the recess F and the protrusion G at the interface between the reaction preventing layer 5 and the electrolyte layer 4. A concave portion F1, a convex portion G1, a concave portion F2, a convex portion G2, and a concave portion F3 are formed on the interface in order from the left of the field of view.

線分J1は、2つの凹部F1および凹部F2の底部の間を結ぶ線分である。線分J1に対して電解質層4の側の領域を突出領域K1とする。線分J1に対して第2電極層6の側の領域を隣接領域L1とする。突出領域K1の頂部の線分J1からの高さは、1.39μmであり、0.5μm以上である。そして図5に示されるように、突出領域K1には、隣接領域L1に比べてより多い細孔空間が存在する。したがって突出領域K1は、気孔率が隣接領域L1の気孔率よりも大きい。ゆえに突出領域K1は、疎突出領域Nに該当する。   The line segment J1 is a line segment connecting the bottoms of the two recesses F1 and the recesses F2. A region on the side of the electrolyte layer 4 with respect to the line segment J1 is defined as a protruding region K1. A region on the second electrode layer 6 side with respect to the line segment J1 is defined as an adjacent region L1. The height from the line segment J1 at the top of the protruding region K1 is 1.39 μm, which is 0.5 μm or more. And as FIG. 5 shows, there exists more pore space in the protrusion area | region K1 compared with the adjacent area | region L1. Accordingly, the protruding region K1 has a porosity higher than that of the adjacent region L1. Therefore, the protruding region K1 corresponds to the sparse protruding region N.

疎突出領域Nである突出領域K1において、凸部G1を介して隣り合う2つの凹部F1および凹部F2の底部間の距離は、10.5μmであるため、15μm以下である。   In the protruding region K1, which is the sparse protruding region N, the distance between the bottoms of the two concave portions F1 and the concave portions F2 adjacent to each other via the convex portion G1 is 10.5 μm, and is 15 μm or less.

線分J2は、2つの凹部F2および凹部F3の底部の間を結ぶ線分である。線分J2に対して電解質層4の側の領域を突出領域K2とする。線分J2に対して第2電極層6の側の領域を隣接領域L2とする。突出領域K2の頂部の線分J2からの高さは、1.63μmであり、0.5μm以上である。そして図5に示されるように、突出領域K2には、隣接領域L2に比べてより多い細孔空間が存在する。したがって突出領域K2は、気孔率が隣接領域L2の気孔率よりも大きい。ゆえに突出領域K2は、疎突出領域Nに該当する。   The line segment J2 is a line segment connecting the bottoms of the two recesses F2 and the recess F3. A region on the side of the electrolyte layer 4 with respect to the line segment J2 is defined as a protruding region K2. A region on the second electrode layer 6 side with respect to the line segment J2 is defined as an adjacent region L2. The height from the line segment J2 at the top of the protruding region K2 is 1.63 μm, which is 0.5 μm or more. And as FIG. 5 shows, more pore space exists in the protrusion area | region K2 compared with the adjacent area | region L2. Accordingly, the protruding region K2 has a porosity higher than that of the adjacent region L2. Therefore, the protruding region K2 corresponds to the sparse protruding region N.

疎突出領域Nである突出領域K2において、凸部G2を介して隣り合う2つの凹部F2および凹部F3の底部間の距離は、10.3μmであるため、15μm以下である。   In the protruding region K2, which is the sparse protruding region N, the distance between the bottoms of the two recessed portions F2 and the recessed portion F3 adjacent to each other via the protruding portion G2 is 10.3 μm, and is 15 μm or less.

疎突出領域Nである突出領域K1の気孔率は、図5の電子顕微鏡写真から、15.0%と推定される。隣接領域L1の気孔率は、図5の電子顕微鏡写真から、3.8%と推定される。したがって隣接領域L1の気孔率に対する突出領域K1の気孔率の比は、3.94である。   The porosity of the protruding region K1, which is the sparse protruding region N, is estimated to be 15.0% from the electron micrograph of FIG. The porosity of the adjacent region L1 is estimated to be 3.8% from the electron micrograph of FIG. Therefore, the ratio of the porosity of the protruding region K1 to the porosity of the adjacent region L1 is 3.94.

疎突出領域Nである突出領域K2の気孔率は、図5の電子顕微鏡写真から、13.1%と推定される。隣接領域L2の気孔率は、図5の電子顕微鏡写真から、2.51%と推定される。したがって隣接領域L2の気孔率に対する突出領域K2の気孔率の比は、5.22である。   The porosity of the protruding region K2, which is the sparse protruding region N, is estimated to be 13.1% from the electron micrograph of FIG. The porosity of the adjacent region L2 is estimated to be 2.51% from the electron micrograph of FIG. Therefore, the ratio of the porosity of the protruding region K2 to the porosity of the adjacent region L2 is 5.22.

<第2実施形態>
図2・図3を用いて、本実施形態に係る電気化学素子E、電気化学モジュールM、電気化学装置YおよびエネルギーシステムZについて説明する。
Second Embodiment
The electrochemical device E, the electrochemical module M, the electrochemical device Y, and the energy system Z according to this embodiment will be described with reference to FIGS.

本実施形態に係る電気化学素子Eは、図2に示すように、金属基板1の裏面にU字部材7が取り付けられており、金属基板1とU字部材7とで筒状支持体を形成している。   As shown in FIG. 2, the electrochemical element E according to the present embodiment has a U-shaped member 7 attached to the back surface of the metal substrate 1, and a cylindrical support is formed by the metal substrate 1 and the U-shaped member 7. doing.

そして集電部材26を間に挟んで電気化学素子Eが複数積層され、集合されている、電気化学モジュールMが構成されている。集電部材26は、電気化学素子Eの第2電極層6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。   An electrochemical module M is configured in which a plurality of electrochemical elements E are stacked and assembled with the current collecting member 26 interposed therebetween. The current collecting member 26 is joined to the second electrode layer 6 of the electrochemical element E and the U-shaped member 7 to electrically connect them.

電気化学モジュールMは、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。複数集合した電気化学素子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、金属基板1の貫通孔1aを通って第1電極層2に供給される。   The electrochemical module M includes a gas manifold 17, a current collecting member 26, a termination member, and a current drawing portion. The assembled electrochemical element E is supplied with gas from the gas manifold 17 with one open end of the cylindrical support connected to the gas manifold 17. The supplied gas flows through the inside of the cylindrical support and is supplied to the first electrode layer 2 through the through hole 1 a of the metal substrate 1.

図3には、エネルギーシステムZおよび電気化学装置Yの概要が示されている。
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と改質器34と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とを有する。
FIG. 3 shows an outline of the energy system Z and the electrochemical device Y.
The energy system Z includes an electrochemical device Y and a heat exchanger 53 as an exhaust heat utilization unit that reuses the heat discharged from the electrochemical device Y.
The electrochemical device Y includes an electrochemical module M, a desulfurizer 31 and a reformer 34, a fuel supply unit that supplies a fuel gas containing a reducing component to the electrochemical module M, and an electrochemical module. And an inverter 38 for extracting electric power from M.

詳しくは電気化学装置Yは、脱硫器31、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、収納容器40および電気化学モジュールMを有する。   Specifically, the electrochemical device Y includes a desulfurizer 31, a reforming water tank 32, a vaporizer 33, a reformer 34, a blower 35, a combustion unit 36, an inverter 38, a control unit 39, a storage container 40, and an electrochemical module M. Have.

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。   The desulfurizer 31 removes (desulfurizes) sulfur compound components contained in hydrocarbon-based raw fuel such as city gas. When the raw fuel contains a sulfur compound, by providing the desulfurizer 31, the influence of the sulfur compound on the reformer 34 or the electrochemical element E can be suppressed. The vaporizer 33 generates steam from the reformed water supplied from the reformed water tank 32. The reformer 34 steam-reforms the raw fuel desulfurized by the desulfurizer 31 using the steam generated by the vaporizer 33 to generate a reformed gas containing hydrogen.

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。   The electrochemical module M uses the reformed gas supplied from the reformer 34 and the air supplied from the blower 35 to generate an electrochemical reaction to generate power. The combustion unit 36 mixes the reaction exhaust gas discharged from the electrochemical module M and air, and combusts the combustible component in the reaction exhaust gas.

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。
The electrochemical module M includes a plurality of electrochemical elements E and a gas manifold 17.
The plurality of electrochemical elements E are arranged in parallel while being electrically connected to each other, and one end (lower end) of the electrochemical element E is fixed to the gas manifold 17. The electrochemical element E generates electricity by causing an electrochemical reaction between the reformed gas supplied through the gas manifold 17 and the air supplied from the blower 35.

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。   The inverter 38 adjusts the output power of the electrochemical module M to the same voltage and the same frequency as the power received from the commercial system (not shown). The control unit 39 controls the operation of the electrochemical device Y and the energy system Z.

気化器33、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。   The vaporizer 33, the reformer 34, the electrochemical module M, and the combustion unit 36 are stored in the storage container 40. The reformer 34 performs the reforming process of the raw fuel using the combustion heat generated by the combustion of the reaction exhaust gas in the combustion unit 36.

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。   The raw fuel is supplied to the desulfurizer 31 through the raw fuel supply path 42 by the operation of the booster pump 41. The reforming water in the reforming water tank 32 is supplied to the vaporizer 33 through the reforming water supply path 44 by the operation of the reforming water pump 43. The raw fuel supply path 42 is downstream of the desulfurizer 31 and is joined to the reformed water supply path 44, and the reformed water and raw fuel merged outside the storage container 40 are stored in the storage container. The carburetor 33 provided in 40 is supplied.

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1気体)が生成される。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。   The reformed water is vaporized by the vaporizer 33 and becomes steam. The raw fuel containing the steam generated in the vaporizer 33 is supplied to the reformer 34 through the steam-containing raw fuel supply path 45. The raw fuel is steam-reformed by the reformer 34, and a reformed gas (first gas having a reducing component) containing hydrogen gas as a main component is generated. The reformed gas generated in the reformer 34 is supplied to the gas manifold 17 of the electrochemical module M through the reformed gas supply path 46.

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。   The reformed gas supplied to the gas manifold 17 is distributed to the plurality of electrochemical elements E, and is supplied to the electrochemical elements E from the lower end, which is a connection portion between the electrochemical elements E and the gas manifold 17. Hydrogen (reducing component) in the reformed gas is mainly used for electrochemical reaction in the electrochemical element E. The reaction exhaust gas containing the remaining hydrogen gas that has not been used for the reaction is discharged from the upper end of the electrochemical element E to the combustion section 36.

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。   The reaction exhaust gas is combusted in the combustion unit 36 and becomes combustion exhaust gas, and is discharged from the combustion exhaust gas outlet 50 to the outside of the storage container 40. A combustion catalyst portion 51 (for example, a platinum-based catalyst) is disposed at the combustion exhaust gas outlet 50 to burn and remove reducing components such as carbon monoxide and hydrogen contained in the combustion exhaust gas. The combustion exhaust gas discharged from the combustion exhaust gas outlet 50 is sent to the heat exchanger 53 through the combustion exhaust gas discharge passage 52.

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。   The heat exchanger 53 exchanges heat between the combustion exhaust gas generated by the combustion in the combustion unit 36 and the supplied cold water to generate hot water. That is, the heat exchanger 53 operates as an exhaust heat utilization unit that reuses the heat exhausted from the electrochemical device Y.

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。   Instead of the exhaust heat utilization unit, a reaction exhaust gas utilization unit that utilizes the reaction exhaust gas discharged from the electrochemical module M (without being combusted) may be provided. The reaction exhaust gas contains residual hydrogen gas that was not used for the reaction in the electrochemical element E. In the reaction exhaust gas utilization section, the remaining hydrogen gas is used to use heat by combustion, or to generate power by a fuel cell or the like, thereby effectively using energy.

<第3実施形態>
図4に、電気化学モジュールMの他の実施形態を示す。本実施形態に係る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を間に挟んで積層し集合させることで、電気化学モジュールMを構成する。
<Third Embodiment>
FIG. 4 shows another embodiment of the electrochemical module M. The electrochemical module M according to this embodiment constitutes the electrochemical module M by stacking and stacking the above-described electrochemical elements E with the inter-cell connecting member 71 interposed therebetween.

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。   The inter-cell connection member 71 is a plate-like member that has conductivity and does not have gas permeability, and grooves 72 that are orthogonal to each other are formed on the front surface and the back surface. The inter-cell connection member 71 can be made of metal such as stainless steel or metal oxide.

図4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を積層し集合させると、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、すなわち第2電極層6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、すなわち金属基板1の裏側の面から貫通孔1aを通じて第1電極層2へ気体を供給する。   As shown in FIG. 4, when the electrochemical elements E are stacked and assembled with the inter-cell connection member 71 interposed therebetween, gas can be supplied to the electrochemical elements E through the grooves 72. Specifically, one groove 72 becomes the first gas flow path 72 a and supplies gas to the front side of the electrochemical element E, that is, the second electrode layer 6. The other groove 72 becomes the second gas flow path 72b, and gas is supplied from the back side of the electrochemical element E, that is, the back side surface of the metal substrate 1 to the first electrode layer 2 through the through hole 1a.

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。   When this electrochemical module M is operated as a fuel cell, oxygen is supplied to the first gas flow path 72a and hydrogen is supplied to the second gas flow path 72b. Then, the reaction as a fuel cell proceeds in the electrochemical element E, and electromotive force / current is generated. The generated electric power is taken out of the electrochemical module M from the inter-cell connection members 71 at both ends of the stacked electrochemical element E.

なお、本本実施形態では、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。   In the present embodiment, the grooves 72 that are orthogonal to each other are formed on the front and back surfaces of the inter-cell connection member 71, but the grooves 72 that are parallel to each other can also be formed on the front and back surfaces of the inter-cell connection member 71. .

(他の実施形態)
(1)上記の実施形態では、電気化学素子Eを固体酸化物形燃料電池に用いたが、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。
(Other embodiments)
(1) In the above embodiment, the electrochemical element E is used for a solid oxide fuel cell. However, the electrochemical element E is used for a solid oxide electrolytic cell, an oxygen sensor using a solid oxide, or the like. You can also

(2)上記の実施形態では、金属基板1を支持体とする金属支持型の固体酸化物形燃料電池に用いたが、本願は、第1電極層2もしくは第2電極層6を支持体とする電極支持型の固体酸化物形燃料電池や電解質層4を支持体とする電解質支持型の固体酸化物形燃料電池に利用することもできる。それらの場合は、第1電極層2もしくは第2電極層6、または、電解質層4を必要な厚さとして、支持体としての機能が得られるようにすることができる。 (2) In the above embodiment, the metal substrate 1 is used for a metal-supported solid oxide fuel cell using the metal substrate 1 as a support. However, in the present application, the first electrode layer 2 or the second electrode layer 6 is used as a support. It can also be used for an electrode-supported solid oxide fuel cell and an electrolyte-supported solid oxide fuel cell using the electrolyte layer 4 as a support. In those cases, the first electrode layer 2 or the second electrode layer 6 or the electrolyte layer 4 can be made to have a necessary thickness so that a function as a support can be obtained.

(3)上記の実施形態では、第1電極層2の材料として例えばNiO−GDC、Ni−GDC、NiO−YSZ、Ni−YSZ、CuO−CeO、Cu−CeOなどの複合材を用い、第2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た。このように構成された電気化学素子Eは、第1電極層2に水素ガスを供給して燃料極(アノード)とし、第2電極層6に空気を供給して空気極(カソード)とし、固体酸化物形燃料電池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、第1電極層2を空気極とし、第2電極層6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、第1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、第2電極層6の材料として例えばNiO−GDC、Ni−GDC、NiO−YSZ、Ni−YSZ、CuO−CeO、Cu−CeO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、第1電極層2に空気を供給して空気極とし、第2電極層6に水素ガスを供給して燃料極とし、電気化学素子Eを固体酸化物形燃料電池セルとして用いることができる。 (3) In the above embodiments, for example, NiO-GDC as the first electrode layer 2 material, Ni-GDC, NiO-YSZ , Ni-YSZ, a composite material such as CuO-CeO 2, Cu-CeO 2 used, As the material of the second electrode layer 6, for example, a complex oxide such as LSCF or LSM was used. The electrochemical device E configured as described above supplies hydrogen gas to the first electrode layer 2 as a fuel electrode (anode), and supplies air to the second electrode layer 6 as an air electrode (cathode). It can be used as an oxide fuel cell. By changing this configuration, the electrochemical element E can be configured such that the first electrode layer 2 can be an air electrode and the second electrode layer 6 can be a fuel electrode. That is, for example, a composite oxide such as LSCF or LSM is used as the material of the first electrode layer 2, and the material of the second electrode layer 6 is, for example, NiO-GDC, Ni-GDC, NiO-YSZ, Ni-YSZ, CuO-CeO. 2 and a composite material such as Cu—CeO 2 are used. In the case of the electrochemical element E configured as described above, air is supplied to the first electrode layer 2 to form an air electrode, hydrogen gas is supplied to the second electrode layer 6 to form a fuel electrode, and the electrochemical element E is solid. It can be used as an oxide fuel cell.

なお、上記の実施形態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る。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。   Note that the configurations disclosed in the above embodiments can be applied in combination with the configurations disclosed in other embodiments as long as no contradiction arises. The embodiments disclosed in this specification are exemplifications, and the embodiments of the present invention are not limited thereto, and can be modified as appropriate without departing from the object of the present invention.

電気化学素子および固体酸化物形燃料電池セルとして利用可能である。   It can be used as an electrochemical element and a solid oxide fuel cell.

1 :金属基板(金属支持体)
1a :貫通孔
2 :電極層
3 :中間層
4 :第1電解質層(対極電極層)
4a :電解質層上側面
5 :反応防止層
6 :第2電極層(電極層)
B :電極層付基板
E :電気化学素子
F :凹部
G :凸部
J :線分
K :突出領域
L :隣接領域
M :電気化学モジュール
N :疎突出領域
Y :電気化学装置
Z :エネルギーシステム
1: Metal substrate (metal support)
1a: Through-hole 2: Electrode layer 3: Intermediate layer 4: First electrolyte layer (counter electrode layer)
4a: Electrolyte layer upper side surface 5: Reaction preventing layer 6: Second electrode layer (electrode layer)
B: Substrate with electrode layer E: Electrochemical element F: Recess
G: convex portion J: line segment K: protruding region L: adjacent region M: electrochemical module N: sparse protruding region Y: electrochemical device Z: energy system

Claims (19)

電解質層と、電極層と、前記電解質層と前記電極層との間に配置された反応防止層とを有する電気化学素子であって、
前記反応防止層は、前記電解質層との界面に凹部および凸部から形成される凹凸形状を有し、
前記反応防止層において、前記凸部を介して隣り合う2つの凹部の底部間を結ぶ線分に対して前記電解質層の側の領域を突出領域とし、前記線分に対して前記電極層側の領域を隣接領域として、
前記突出領域の頂部の前記線分からの高さが0.5μm以上であり、かつ、気孔率が前記隣接領域の気孔率よりも大きい突出領域である疎突出領域が存在する、電気化学素子。
An electrochemical element having an electrolyte layer, an electrode layer, and a reaction preventing layer disposed between the electrolyte layer and the electrode layer,
The reaction preventing layer has a concavo-convex shape formed from a concave portion and a convex portion at the interface with the electrolyte layer,
In the reaction preventing layer, a region on the electrolyte layer side is defined as a protruding region with respect to a line segment connecting the bottoms of two adjacent concave portions via the convex portion, and the electrode layer side with respect to the line segment. Region as an adjacent region,
An electrochemical element, wherein a height of the top of the projecting region from the line segment is 0.5 μm or more and a sparse projecting region that is a projecting region having a porosity larger than the porosity of the adjacent region exists.
前記疎突出領域において、前記凸部を介して隣り合う2つの凹部の底部間の距離が15μm以下である請求項1に記載の電気化学素子。   2. The electrochemical device according to claim 1, wherein in the sparse projecting region, a distance between bottom portions of two concave portions adjacent to each other through the convex portion is 15 μm or less. 前記疎突出領域の気孔率が10%以上30%以下である請求項1または2に記載の電気化学素子。   The electrochemical device according to claim 1 or 2, wherein a porosity of the sparsely protruding region is 10% or more and 30% or less. 前記隣接領域の気孔率が1%以上20%以下である請求項1から3のいずれか1項に記載の電気化学素子。   The electrochemical device according to any one of claims 1 to 3, wherein a porosity of the adjacent region is 1% or more and 20% or less. 前記隣接領域の気孔率に対する前記疎突出領域の気孔率の比が1.5以上15以下である請求項1から4のいずれか1項に記載の電気化学素子。   The electrochemical element according to any one of claims 1 to 4, wherein a ratio of a porosity of the sparse protruding region to a porosity of the adjacent region is 1.5 or more and 15 or less. 前記反応防止層がCeを含有する請求項1から5のいずれか1項に記載の電気化学素子。   The electrochemical device according to any one of claims 1 to 5, wherein the reaction preventing layer contains Ce. 前記反応防止層が、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つを含有する請求項1から6のいずれか1項に記載の電気化学素子。   The electrochemical device according to any one of claims 1 to 6, wherein the reaction preventing layer contains at least one element selected from the group consisting of Sm, Gd, and Y. 前記反応防止層が、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5mol%以上25mol%以下である請求項1から7のいずれか1項に記載の電気化学素子。   8. The method according to claim 1, wherein the reaction preventing layer contains at least one element selected from the group consisting of Sm, Gd, and Y, and the total content of these elements is 5 mol% or more and 25 mol% or less. The electrochemical element of Claim 1. 前記反応防止層の厚さが1μmより大きく100μm以下である請求項1から8のいずれか1項に記載の電気化学素子。   The electrochemical element according to any one of claims 1 to 8, wherein a thickness of the reaction preventing layer is larger than 1 µm and not larger than 100 µm. 前記電極層が、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である請求項1から9のいずれか1項に記載の電気化学素子。   The electricity according to any one of claims 1 to 9, wherein the electrode layer is a perovskite oxide containing two or more elements selected from the group consisting of La, Sr, Sm, Mn, Co, and Fe. Chemical element. 前記電解質層がジルコニア系セラミックスを含有する請求項1から10のいずれか1項に記載の電気化学素子。   The electrochemical element according to any one of claims 1 to 10, wherein the electrolyte layer contains zirconia ceramics. 前記電解質層の前記反応防止層と前記電極層が配置されている側と反応の側に、前記電極層の対極となる対極電極層を有している請求項1から11のいずれか1項に記載の電気化学素子。   The counter electrode layer serving as a counter electrode of the electrode layer is provided on the reaction side and the side where the reaction preventing layer and the electrode layer of the electrolyte layer are disposed. The electrochemical element as described. 金属支持体に支持されることを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載の電気化学素子。   The electrochemical device according to claim 1, wherein the electrochemical device is supported by a metal support. 請求項1から13のいずれか1項に記載の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。   The electrochemical module arrange | positioned in the state which the electrochemical element of any one of Claim 1 to 13 gathered. 請求項14に記載の電気化学モジュールと改質器とを少なくとも有し、前記電気化学モジュール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を有する電気化学装置。   The electrochemical apparatus which has a fuel supply part which has at least the electrochemical module and reformer of Claim 14, and supplies the fuel gas containing a reducing component with respect to the said electrochemical module. 請求項14に記載の電気化学モジュールと、前記電気化学モジュールから電力を取り出すインバータとを有する電気化学装置。   An electrochemical device comprising the electrochemical module according to claim 14 and an inverter that extracts electric power from the electrochemical module. 請求項15または16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を有するエネルギーシステム。   An energy system comprising: the electrochemical device according to claim 15 or 16; and an exhaust heat utilization unit that reuses heat exhausted from the electrochemical device. 請求項12に記載の電気化学素子を有し、前記対極電極層が燃料極もしくは空気極となり、前記電極層が空気極もしくは燃料極となる固体酸化物形燃料電池。   A solid oxide fuel cell comprising the electrochemical element according to claim 12, wherein the counter electrode layer is a fuel electrode or an air electrode, and the electrode layer is an air electrode or a fuel electrode. 金属支持体と、電解質層と、電極層と、前記電解質層と前記電極層との間に配置された反応防止層とを有する電気化学素子の製造方法であって、
前記反応防止層の焼成を1100℃以下で行う製造方法。
A method for producing an electrochemical device comprising a metal support, an electrolyte layer, an electrode layer, and a reaction preventing layer disposed between the electrolyte layer and the electrode layer,
The manufacturing method which bakes the said reaction prevention layer at 1100 degrees C or less.
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