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JP2020095984A - Electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, and method of manufacturing electrochemical element - Google Patents

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

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JP2020095984A JP2020050711A JP2020050711A JP2020095984A JP 2020095984 A JP2020095984 A JP 2020095984A JP 2020050711 A JP2020050711 A JP 2020050711A JP 2020050711 A JP2020050711 A JP 2020050711A JP 2020095984 A JP2020095984 A JP 2020095984A
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Abstract

To achieve an electrochemical element increased in reliability and durability furthermore, high in strength and performance, and capable of being applied also for an SOFC.SOLUTION: An electrochemical element includes an electrode layer 2, an electrolyte layer 4, and a counter electrode layer 6. The material of the electrolyte layer 4 is a metal oxide. The electrolyte layer 4 is disposed between the electrode layer 2 and the counter electrode layer 6. An uneven structure site S1 including a recessed portion A1 and a projecting portion B1 is formed on an electrolyte layer upper side surface 4a that is a side of the counter electrode layer 6 in the electrolyte layer 4.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、電極層と電解質層と対極電極層とを有する電気化学素子などに関する。 The present invention relates to an electrochemical device having an electrode layer, an electrolyte layer and a counter electrode layer.

従来の電解質支持型の固体酸化物形燃料電池(以下「SOFC」と記す。)や電極支持型のSOFC、あるいは金属支持型のSOFCでは、平坦に形成した電解質層の上に電極層が形成される。 In a conventional electrolyte-supported solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”), electrode-supported SOFC, or metal-supported SOFC, an electrode layer is formed on a flat electrolyte layer. It

特許文献1には、YSZペレットの表面に燃料極、裏面に空気極を形成した、電解質支持型SOFCが開示されている。なおこのSOFCでは、固体電解質の上に形成された電極に、例えば凸凹形状の応力集中部が設けられて、熱応力が緩和される。なお、固体電解質と電極との接触面では、生じる反応を損なわないよう、凹凸形状の応力集中部は電極層がインターコネクターと接触する面に形成されている。 Patent Document 1 discloses an electrolyte-supported SOFC in which a fuel electrode is formed on the surface of a YSZ pellet and an air electrode is formed on the back surface. In this SOFC, for example, a stress concentration portion having an uneven shape is provided on the electrode formed on the solid electrolyte to reduce thermal stress. On the contact surface between the solid electrolyte and the electrode, the uneven stress concentration portion is formed on the surface where the electrode layer contacts the interconnector so as not to impair the generated reaction.

特許文献2には、塗布された電解質材料を乾燥させた後、プレスを施してから焼成を行い、電解質層を形成するSOFCの製造方法が記載されている。電解質層の上面は、図4に示される様に、プレスにより極めて平坦に形成される。そして電極層は、プレスにより平坦となった電解質層の上に形成される。なおこの製造方法は、金属基板を支持体として用いる場合に加え、電極を支持体として用いる場合にも適用可能とされている。 Patent Document 2 describes a method for manufacturing an SOFC in which the applied electrolyte material is dried, then pressed and then fired to form an electrolyte layer. The upper surface of the electrolyte layer is formed to be extremely flat by pressing, as shown in FIG. Then, the electrode layer is formed on the electrolyte layer flattened by pressing. This manufacturing method is applicable not only to the case where the metal substrate is used as the support, but also to the case where the electrode is used as the support.

特開平5−82135号公報JP-A-5-82135 特開2008−234927号公報JP, 2008-234927, A

特許文献1に示されているように、固体電解質材料と電極材料との熱膨張率差やインターコネクター材料と電極材料との熱膨張率差がそれぞれ異なり、これらの熱膨張差の為に、SOFC用電極作製時及び/又は作動時等の昇温時又は降温時に異種材料間に熱応力がかかり、これらによる電気特性の低下さらには電極の剥離、セルの破損等が問題となっており、凹凸形状を電極層がインターコネクターと接触する面に形成することが為されていたが、電解質表面上への凹凸形状の形成については詳細検討が為されていなかった。しかしながら、SOFCのような電気化学素子では、ガスタイトでかつ高いイオン伝導度を発揮するために緻密に作る必要のある電解質層と、多孔質な電極層等との間では、各種の応力の影響を受けやすいため、電解質層と電極層等との界面での各種の応力を緩和して、SOFC用電極・電解質積層体の作製時やSOFCの起動停止熱サイクル時でもセルの破損等を抑制した、信頼性・耐久性および強度・性能に優れた電気化学素子を得るという課題が残されていた。とりわけ、ジルコニア系電解質を用いた高温域で作動させるSOFCのような電気化学素子の場合には、上記の残された課題解決は重要となっていた。
また、特許文献2の方法では、低温で緻密な電解質を得るために、電解質層を塗布した後にプレスすることで表面が平坦で緻密化した電解質層を得ていたが、電解質層と電極層等との界面での各種の応力を緩和して、信頼性・耐久性および強度・性能に優れた電気化学素子を得るという課題は残されていた。
As shown in Patent Document 1, the difference in thermal expansion coefficient between the solid electrolyte material and the electrode material and the difference in thermal expansion coefficient between the interconnector material and the electrode material are different from each other. Thermal stress is applied between dissimilar materials when the temperature is raised or lowered during the production and/or operation of the electrodes for use, which causes problems such as deterioration of electrical properties, electrode peeling, and cell damage. The shape has been formed on the surface where the electrode layer contacts the interconnector, but detailed studies have not been made on the formation of the uneven shape on the surface of the electrolyte. However, in an electrochemical element such as SOFC, various stresses are exerted between the electrolyte layer, which is gas tight and needs to be densely formed to exhibit high ionic conductivity, and the porous electrode layer. Since it is easily received, various stresses at the interface between the electrolyte layer and the electrode layer, etc. are relaxed, and cell damage and the like are suppressed even during the production of the SOFC electrode/electrolyte laminate or the SOFC start/stop thermal cycle. There remains a problem of obtaining an electrochemical device having excellent reliability, durability, strength and performance. In particular, in the case of an electrochemical device such as SOFC that uses a zirconia-based electrolyte and operates in a high temperature range, solving the above-mentioned remaining problems has been important.
Further, in the method of Patent Document 2, in order to obtain a dense electrolyte at a low temperature, the electrolyte layer is applied and then pressed to obtain an electrolyte layer having a flat surface and a dense surface. However, the electrolyte layer and the electrode layer, etc. There remains the problem of relieving various stresses at the interface with and to obtain an electrochemical element having excellent reliability, durability, strength and performance.

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、信頼性・耐久性をさらに高めた、強度及び性能の高い、SOFCにも適用可能な電気化学素子を実現することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize an electrochemical element having higher reliability and durability, high strength and high performance, which is applicable to SOFCs. ..

上記目的を達成するための本発明に係る電気化学素子の特徴構成は、少なくとも電極層と電解質層と対極電極層とを有し、前記電解質層は、材料が金属酸化物であり、前記電極層と前記対極電極層との間に配置されており、前記電解質層における少なくとも前記対極電極層の側である電解質層上側面に、凹部または凸部が1つ以上含まれる凹凸構造部位が形成されている点にある。 Characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention to achieve the above object, at least an electrode layer, an electrolyte layer and a counter electrode layer, the electrolyte layer, the material is a metal oxide, the electrode layer And the counter electrode layer, and at least on the electrolyte layer upper surface of the electrolyte layer on the side of the counter electrode layer in the electrolyte layer, a concave-convex structure portion including one or more recesses or protrusions is formed. There is a point.

発明者らは鋭意検討の末、従来とは異なり、電解質層における少なくとも対極電極層の側である電解質層上側面に、凹部または凸部が1つ以上含まれる凹凸構造部位を形成することに思い至った。そしてこのように電気化学素子を構成することで、凹凸構造部位の存在によって、電解質層と対極電極層(もしくは中間層)との接触面積を増大させ、層間の密着強度を高めることができるとともに、各種の応力を緩和できる、信頼性・耐久性を向上しつつ、高い性能を得ることができる。 The inventors of the present invention have, after intensive studies, thought that, unlike the prior art, forming a concavo-convex structure portion including at least one concave portion or convex portion on the upper surface of the electrolyte layer, which is at least the counter electrode layer side in the electrolyte layer. I arrived. By configuring the electrochemical element in this way, the presence of the uneven structure portion can increase the contact area between the electrolyte layer and the counter electrode layer (or the intermediate layer), and increase the adhesion strength between the layers. High performance can be obtained while relaxing various stress and improving reliability and durability.

特に、薄膜の電解質層を有する電気化学素子では、信頼性・耐久性の確保が課題であり、その効果は大きい。また、金属基板を支持体として、その上に薄層の電気化学素子を形成する場合には、従来のような1400℃程度以上の高温焼成による緻密な電解質層の形成手法が使えないため、その信頼性・耐久性と性能・強度の確保の課題は大きかったが、本手法により、大きな効果が得られる。 In particular, in an electrochemical device having a thin electrolyte layer, securing reliability and durability is a problem, and its effect is great. Further, when a thin-layer electrochemical device is formed on a metal substrate as a support, the conventional method for forming a dense electrolyte layer by high-temperature firing at about 1400° C. or higher cannot be used. Although there were major issues in securing reliability/durability and performance/strength, this method produces a great effect.

本発明では、前記電解質層に垂直な方向を高さ方向とし、前記高さ方向に直交する方向を面内方向とした場合に、
前記凹部の頂点からの面内方向の距離が5μm以内の地点であって、前記凹部の頂点との高さの差が0.5μm以上である地点と、
前記凸部の頂点からの面内方向の距離が5μm以内の地点であって、前記凸部の頂点との高さの差が0.5μm以上である地点とのうち、少なくともどちらか1つの地点が前記凹凸構造部位に含まれるよう構成されると、電解質層の凹凸構造部位が対極電極層等の電解質層上の積層物と接触するため、電解質層と対極電極層等との間の密着強度を高めることができるとともに、各種の応力を緩和し、信頼性・耐久性を向上しつつ、高い性能を得ることができるので好適である。なお、上述の前記凹部の頂点との高さ、もしくは、前記凸部の頂点との高さの差が、3μm以下であると上記の効果を得ながら前記電解質層の上に対極電極層等を積層しやすくなるので好ましく、2μm以下であると対極電極層等の電解質層上の積層物を薄層化し易くなり対極電極層等の材料コストを低減できるのでより好ましい。
In the present invention, when the direction perpendicular to the electrolyte layer is the height direction, and the direction orthogonal to the height direction is the in-plane direction,
A point where the distance in the in-plane direction from the apex of the recess is within 5 μm, and a height difference from the apex of the recess is 0.5 μm or more;
At least one of a point where the distance in the in-plane direction from the apex of the convex portion is within 5 μm, and a height difference from the apex of the convex portion is 0.5 μm or more. When it is configured to be included in the uneven structure portion, since the uneven structure portion of the electrolyte layer comes into contact with the laminate on the electrolyte layer such as the counter electrode layer, the adhesion strength between the electrolyte layer and the counter electrode layer, etc. It is preferable since it is possible to obtain high performance while reducing the various stresses and improving reliability and durability. If the height difference from the apex of the concave portion or the height difference from the apex of the convex portion is 3 μm or less, a counter electrode layer or the like is formed on the electrolyte layer while obtaining the above effect. It is preferable that the thickness is 2 μm or less because the layered product on the electrolyte layer such as the counter electrode layer can be easily thinned and the material cost of the counter electrode layer and the like can be reduced.

また本発明では、前記電解質層に垂直な方向を高さ方向とした場合に、前記凹凸構造部位における高さ方向の幅が前記電解質層の厚さの5%以上となる部分が前記凹凸構造部位に含まれているよう構成されると、電解質層の凹凸構造部位が対極電極層等の電解質層上の積層物と接触するため、電解質層と対極電極層等との間の密着強度を高めることができるとともに、各種の応力を緩和し、信頼性・耐久性を向上しつつ、高い性能を得ることができるので好適であり、前記電解質層の厚さの10%以上となる部分が前記凹凸構造部位に含まれているよう構成されると、より上述の効果が大きく得られるのでより好適である。なお、上記の前記凹凸構造部位における高さ方向の幅が前記電解質層の厚さの30%以下であると、上記の効果を得ながら前記電解質層の上に対極電極層等を積層しやすくなるので好ましい。 Further, in the present invention, when the direction perpendicular to the electrolyte layer is the height direction, a portion where the width in the height direction of the uneven structure portion is 5% or more of the thickness of the electrolyte layer is the uneven structure portion. If it is configured to be included in, the uneven structure portion of the electrolyte layer comes into contact with the laminate on the electrolyte layer such as the counter electrode layer, so that the adhesion strength between the electrolyte layer and the counter electrode layer, etc. is increased. In addition to being able to reduce stresses and improve reliability and durability, it is possible to obtain high performance, which is preferable, and the portion having a thickness of 10% or more of the thickness of the electrolyte layer is the uneven structure. It is more preferable to be configured to be included in the part because the above-described effect can be obtained more greatly. When the width in the height direction of the uneven structure portion is 30% or less of the thickness of the electrolyte layer, it becomes easy to stack a counter electrode layer or the like on the electrolyte layer while obtaining the above effects. Therefore, it is preferable.

また本発明では、前記凹凸構造部位に、表面粗さ(Sa)が0.3μm以上である部分が含まれるよう構成されると、電解質層の凹凸構造部位が対極電極層等の電解質層上の積層物と接触するため、電解質層と対極電極層等との間の密着強度を高めることができるとともに、各種の応力を緩和し、信頼性・耐久性を向上しつつ、高い性能を得ることができるので好適である。なお、本願での表面粗さ(Sa)は10μm角の範囲での値としている。なお、上記の前記表面粗さ(Sa)が1.5μm以下であると、上記の効果を得ながら前記電解質層の上に対極電極層等を積層しやすくなるので好ましく、1μm以下であると対極電極層等の電解質層上の積層物を薄層化し易くなり対極電極層等の材料コストを低減できるのでより好ましい。 Further, in the present invention, when the uneven structure portion includes a portion having a surface roughness (Sa) of 0.3 μm or more, the uneven structure portion of the electrolyte layer is formed on the electrolyte layer such as the counter electrode layer. Since it comes into contact with the laminate, the adhesion strength between the electrolyte layer and the counter electrode layer, etc. can be increased, and various stresses can be relieved to improve reliability and durability while achieving high performance. It is possible because it is possible. The surface roughness (Sa) in the present application is a value in the range of 10 μm square. In addition, when the surface roughness (Sa) is 1.5 μm or less, it is easy to stack a counter electrode layer or the like on the electrolyte layer while obtaining the above effects, and it is preferable that the surface roughness (Sa) is 1 μm or less. It is more preferable because the laminate on the electrolyte layer such as the electrode layer can be easily thinned and the material cost of the counter electrode layer and the like can be reduced.

本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記対極電極層が前記電解質層の前記電解質層上側面に接触して形成され、前記凹凸構造部位が前記対極電極層に接触している点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical element according to the present invention is that the counter electrode layer is formed in contact with the electrolyte layer upper side surface of the electrolyte layer, and the concavo-convex structure portion is in contact with the counter electrode layer. It is in.

上記の特徴構成によれば、電解質層の凹凸構造部位が対極電極層に接触しているから、電解質層と対極電極層との間の密着強度を高めることができるとともに、各種の応力を緩和し、信頼性・耐久性を向上しつつ、高い性能を得ることができるので好適である。 According to the above characteristic configuration, since the uneven structure portion of the electrolyte layer is in contact with the counter electrode layer, it is possible to increase the adhesion strength between the electrolyte layer and the counter electrode layer, and relax various stresses. It is preferable because high performance can be obtained while improving reliability and durability.

本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記電解質層と前記対極電極層との間に配置される中間層を有し、前記中間層は前記電解質層の前記電解質層上側面に接触して形成され、前記凹凸構造部位が前記中間層に接触している点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention has an intermediate layer disposed between the electrolyte layer and the counter electrode layer, the intermediate layer contacting the electrolyte layer upper surface of the electrolyte layer. And the uneven structure portion is in contact with the intermediate layer.

上記の特徴構成によれば、電解質層の凹凸構造部位が中間層に接触しているから、電解質層と中間層との間の密着強度を高めることができるとともに、各種の応力を緩和し、信頼性・耐久性を向上しつつ、高い性能を得ることができるので好適である。 According to the above characteristic configuration, since the uneven structure portion of the electrolyte layer is in contact with the intermediate layer, it is possible to increase the adhesion strength between the electrolyte layer and the intermediate layer, relax various stresses, and improve reliability. It is preferable because high performance can be obtained while improving the durability and durability.

本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記中間層は前記対極電極層に接触して形成されており、前記中間層における前記対極電極層の側の面である中間層上側面が平坦である点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical element according to the present invention is that the intermediate layer is formed in contact with the counter electrode layer, and the intermediate layer upper side surface which is a surface of the intermediate layer on the counter electrode layer side is The point is that it is flat.

上記の特徴構成によれば、中間層は電解質層ほどの緻密度は不要であるため、中間層はある程度ポーラスにすることが可能であり、多孔質な対極電極層と中間層との間ではある程度応力の緩和効果があるため、対極電極層の側の面である中間層上側面を平坦にし、応力緩和効果よりも、対極電極層の積層のしやすさを優先することが可能となり、対極電極層の形成が容易で、かつ、信頼性・耐久性及び性能に優れた電気化学素子を得ることができるので好適である。 According to the above characteristic configuration, the intermediate layer does not need to be as dense as the electrolyte layer, so that the intermediate layer can be made porous to some extent, and some degree between the porous counter electrode layer and the intermediate layer. Since there is a stress relaxation effect, it is possible to flatten the upper surface of the intermediate layer, which is the surface on the counter electrode layer side, and prioritize the ease of stacking the counter electrode layer over the stress relaxation effect. It is preferable because the layer can be easily formed, and an electrochemical element excellent in reliability, durability and performance can be obtained.

本発明では、前記中間層は前記対極電極層に接触して形成されており、前記電解質層に垂直な方向を高さ方向とした場合に、前記中間層における前記対極電極層の側の面である中間層上側面の高さ方向の幅の最大値が、前記凹凸構造部位における高さ方向の幅の最大値よりも小さくなるよう構成されると、対極電極層の形成が容易で、かつ、信頼性・耐久性及び性能に優れた電気化学素子を得ることができるので好適である。 In the present invention, the intermediate layer is formed in contact with the counter electrode layer, when the direction perpendicular to the electrolyte layer is the height direction, on the surface of the intermediate layer on the counter electrode layer side. When the maximum value of the width in the height direction of the intermediate layer upper side surface is configured to be smaller than the maximum value of the width in the height direction of the concavo-convex structure portion, it is easy to form the counter electrode layer, and It is preferable because an electrochemical element excellent in reliability, durability and performance can be obtained.

また本発明では、前記中間層は前記対極電極層に接触して形成されており、前記中間層における前記対極電極層の側の面である中間層上側面の表面粗さ(Sa)が、0.3μm未満であるよう構成されると、対極電極層の形成が容易で、かつ、信頼性・耐久性及び性能に優れた電気化学素子を得ることができるので好適である。なお、本願での表面粗さ(Sa)は10μm角の範囲での値としている。 Further, in the present invention, the intermediate layer is formed in contact with the counter electrode layer, and the surface roughness (Sa) of the intermediate layer upper side surface, which is the surface of the intermediate layer on the counter electrode layer side, is 0. When the thickness is less than 0.3 μm, the counter electrode layer can be easily formed, and an electrochemical element excellent in reliability, durability and performance can be obtained, which is preferable. The surface roughness (Sa) in the present application is a value in the range of 10 μm square.

本発明では、前記電解質層と前記中間層の厚さの和の変動幅が20μmの面内幅のうちで2μm以下であるように構成されると、電解質層と中間層の積層部分全体の厚みが均一となり電気化学素子全体の厚みを均一化し易くなるので、電気化学素子を複数積層してモジュール化することが容易となり好適である。 In the present invention, when the variation width of the sum of the thicknesses of the electrolyte layer and the intermediate layer is 2 μm or less within the in-plane width of 20 μm, the thickness of the entire laminated portion of the electrolyte layer and the intermediate layer is Is uniform, and the thickness of the entire electrochemical device can be easily made uniform, so that a plurality of electrochemical devices can be easily laminated to form a module, which is preferable.

本発明では、前記対極電極層がカソードとして機能するように構成することも可能である。SOFCの場合、アノードには電解質材料と触媒金属を含む複合材料を使う場合が多く、一方で、カソードには複合酸化物を使う場合が多いが、前記対極電極層がカソードであると、カソード材料と電解質材料との材料組成が大きく異なるので、前記凹凸構造部位を設ける効果が大きく、好適である。 In the present invention, the counter electrode layer may function as a cathode. In the case of SOFC, a composite material containing an electrolyte material and a catalytic metal is often used for the anode, while a composite oxide is often used for the cathode. However, when the counter electrode layer is the cathode, Since the material composition of the electrolyte material is significantly different from that of the electrolyte material, the effect of providing the concavo-convex structure portion is large, which is preferable.

また本発明では、前記電極層と前記電解質層との間に配置される挿入層を有するように構成することも可能である。前記電極層と前記電解質層との間に挿入層を配置すると、電気化学素子での各種応力への緩和効果がより大きくなるので好適である。 In the present invention, it is also possible to have an insertion layer arranged between the electrode layer and the electrolyte layer. It is preferable to dispose an insertion layer between the electrode layer and the electrolyte layer because the effect of relaxing various stresses in the electrochemical device becomes greater.

本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、金属を材料とする金属支持体を有し、前記電極層が前記金属支持体上に形成され、前記電解質層が前記電極層に対して前記金属支持体と反対側に配置されている点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention has a metal support made of a metal, the electrode layer is formed on the metal support, and the electrolyte layer is formed with respect to the electrode layer. It is located on the side opposite to the metal support.

上記の特徴構成によれば、電極層が金属支持体上に形成され、電解質層が電極層に対して金属支持体と反対側に配置されているから、電極層、電解質層および対極電極層が金属支持体に支持されることになり、加工性に優れ、堅牢性を備えた電気化学素子を実現することができる。また、安価な金属を支持体とするので、高価な電極層や電解質層等を薄層とすることが可能となり、材料コストや加工コストを抑制した低コストで、かつ、高性能で信頼性・耐久性に優れた電気化学素子を実現することができる。 According to the above characteristic configuration, since the electrode layer is formed on the metal support and the electrolyte layer is arranged on the side opposite to the metal support with respect to the electrode layer, the electrode layer, the electrolyte layer and the counter electrode layer are Since it is supported by the metal support, it is possible to realize an electrochemical element having excellent workability and robustness. In addition, since an inexpensive metal is used as the support, it is possible to make expensive electrode layers, electrolyte layers, etc. into thin layers, which is a low cost that suppresses material costs and processing costs, and high performance and reliability. It is possible to realize an electrochemical device having excellent durability.

本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記金属支持体の一方の面に前記電極層が形成され、前記金属支持体が一方の面から他方の面へ貫通する貫通孔を有している点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical element according to the present invention is that the electrode layer is formed on one surface of the metal support, and the metal support has a through hole penetrating from one surface to the other surface. There is a point.

上記の特徴構成によれば、金属支持体が一方の面から他方の面へ貫通する貫通孔を有しているから、他方の面から貫通孔を通じて電極層へ気体を容易に供給できるので、燃料電池のような気体を反応に用いる電気化学素子に好適である。 According to the above characteristic structure, since the metal support has a through hole penetrating from one surface to the other surface, it is possible to easily supply gas from the other surface to the electrode layer through the through hole. It is suitable for an electrochemical device such as a battery that uses a gas for a reaction.

本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記電解質層が安定化ジルコニアを含有する点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is that the electrolyte layer contains stabilized zirconia.

上記の特徴構成によれば、電解質層が安定化ジルコニアを含むから、例えば600℃以上、好ましくは650℃以上の比較的高い温度域でも高い電気化学性能を発揮可能な素子を実現できる。 According to the above characteristic configuration, since the electrolyte layer contains the stabilized zirconia, it is possible to realize an element capable of exhibiting high electrochemical performance even in a relatively high temperature range of, for example, 600° C. or higher, preferably 650° C. or higher.

本発明では、前記電解質層の厚さが1μm以上であるように構成されると、電解質層を薄層として形成する電気化学素子であっても必要な機械的強度が得られるので、好適である。なお、前記電解質層の厚さが2μm以上であると機械的強度をより高くすることができるのでより好ましい。 In the present invention, it is preferable that the thickness of the electrolyte layer is 1 μm or more, since the required mechanical strength can be obtained even in an electrochemical element in which the electrolyte layer is formed as a thin layer. .. It is more preferable that the thickness of the electrolyte layer is 2 μm or more because the mechanical strength can be further increased.

また本発明では、前記電解質層の厚さが20μm以下であるように構成されると、電解質層の内部抵抗の増加を抑制した、電気化学特性の高い素子を得ることができ、好適でありる。なお、前記電解質層の厚さが10μm以下であると電解質層の内部抵抗の増加をより抑制できるのでより好ましい。 Further, in the present invention, when the thickness of the electrolyte layer is configured to be 20 μm or less, it is possible to obtain an element having high electrochemical characteristics in which an increase in internal resistance of the electrolyte layer is suppressed, which is preferable. .. It is more preferable that the thickness of the electrolyte layer is 10 μm or less, because the increase in the internal resistance of the electrolyte layer can be further suppressed.

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積層した状態で配置される点にある。
上記の特徴構成によれば、上述の電気化学素子が複数積層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。
A characteristic configuration of the electrochemical module according to the present invention is that a plurality of the electrochemical elements described above are arranged in a stacked state.
According to the above characteristic configuration, since the above-mentioned electrochemical elements are arranged in a stacked state, a compact and high-performance electrochemical module excellent in strength and reliability while suppressing material costs and processing costs. Can be obtained.

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点にある。
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と、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・信頼性および性能に優れた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。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。
A characteristic configuration of an electrochemical device according to the present invention has at least the above-mentioned electrochemical module and a reformer, and a fuel supply unit for supplying a fuel gas containing a reducing component to the electrochemical module, And an inverter for extracting electric power from the electrochemical module.
According to the above characteristic configuration, a fuel supply unit having an electrochemical module and a reformer for supplying a fuel gas containing a reducing component to the electrochemical module, and an inverter for extracting electric power from the electrochemical module are provided. Since it has the existing raw fuel supply infrastructure such as city gas, it is possible to extract electric power from the electrochemical module with excellent durability, reliability, and performance, and an electrochemical device with excellent durability, reliability, and performance. Can be realized. Further, since it becomes easy to construct a system for recycling the unused fuel gas discharged from the electrochemical module, it is possible to realize a highly efficient electrochemical device.

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。
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。
The characteristic configuration of the energy system according to the present invention is that it has the above-mentioned electrochemical device and an exhaust heat utilization unit for reusing the heat exhausted from the electrochemical device.
According to the above characteristic configuration, since the electrochemical device and the exhaust heat utilization part for reusing the heat exhausted from the electrochemical device are provided, the durability, reliability and performance are excellent, and the energy efficiency is also excellent. Energy system can be realized. It is also possible to realize a hybrid system having excellent energy efficiency by combining with a power generation system that generates power by using combustion heat of an unused fuel gas discharged from the electrochemical device.

上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、上述した電気化学素子を備え、定格運転時に前記電気化学素子を600℃以上750℃以下の温度において発電反応を生じさせる点にある。 A characteristic configuration of a solid oxide fuel cell according to the present invention for achieving the above object is to include the above-mentioned electrochemical element, and to perform the power generation reaction at a temperature of 600° C. or higher and 750° C. or lower during the rated operation. There is a point to cause.

上記の特徴構成によれば、定格運転時に600℃以上750℃以下の温度において発電反応を生じさせるから、高い発電性能を発揮しつつ、金属支持型電気化学素子の劣化を抑制して燃料電池の性能を長期間維持することが可能となる。なお、定格運転時に650℃以上750℃以下の温度域で運転可能とされると、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。 According to the above characteristic configuration, since the power generation reaction is caused at the temperature of 600° C. or higher and 750° C. or lower during the rated operation, deterioration of the metal-supported electrochemical element is suppressed while exhibiting high power generation performance. It is possible to maintain the performance for a long time. It should be noted that, when it is possible to operate in a temperature range of 650° C. or higher and 750° C. or lower during rated operation, it is necessary to convert raw fuel into hydrogen in a fuel cell system that uses hydrocarbon gas such as city gas as raw fuel. Since it is possible to construct a system capable of covering the heat that becomes by the exhaust heat of the fuel cell, it is possible to increase the power generation efficiency of the fuel cell system, which is more preferable.

上述の電気化学素子を製造するための、本発明に係る電気化学素子製造方法は、金属酸化物粉末を前記電極層の上にスプレーコートすることで前記電解質層を形成する点を特徴構成とする。あるいは、金属酸化物粉末を前記挿入層の上にスプレーコートすることで前記電解質層を形成する点を特徴構成とする。 The electrochemical device manufacturing method according to the present invention for manufacturing the above-mentioned electrochemical device is characterized in that the electrolyte layer is formed by spray-coating a metal oxide powder on the electrode layer. .. Alternatively, it is characterized in that the electrolyte layer is formed by spray-coating a metal oxide powder on the insertion layer.

上記の特徴構成によれば、簡便な方法で前記凹凸構造部位を形成できるため、低コストな電気化学素子を得ることができ、好適である。 According to the above characteristic configuration, the concavo-convex structure portion can be formed by a simple method, and thus a low-cost electrochemical element can be obtained, which is preferable.

電気化学素子の構成を示す概略図Schematic diagram showing the configuration of the electrochemical device 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 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 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 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 diagram showing the configuration of an electrochemical element and an 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 diagram showing the configuration of the electrochemical device and the energy system 電気化学モジュールの構成を示す概略図Schematic diagram showing the configuration of the electrochemical module

<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から見て対極電極層6の側を「上」または「上側」、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。また図3および4に示すように、電解質層4に垂直な方向を「高さ方向」または「Y方向」、高さ方向に直交する方向を「面内方向」または「X方向」という場合がある。
<First Embodiment>
Hereinafter, an electrochemical device E and a solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 1. The electrochemical element E is used, for example, as a constituent element of a solid oxide fuel cell that is supplied with fuel gas containing hydrogen and air to generate electricity. In the following description, when expressing the positional relationship between layers, for example, the side of the counter electrode layer 6 as viewed from the electrolyte layer 4 is referred to as “upper” or “upper side”, and the side of the electrode layer 2 is referred to as “lower” or “lower side”. There is. In addition, the surface of the metal substrate 1 on which the electrode layer 2 is formed may be referred to as “front side”, and the opposite surface may be referred to as “back side”. Further, as shown in FIGS. 3 and 4, the direction perpendicular to the electrolyte layer 4 may be referred to as “height direction” or “Y direction”, and the direction orthogonal to the height direction may be referred to as “in-plane direction” or “X direction”. is there.

(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の上に形成された電極層2と、電極層2の上に形成された緩衝層3(挿入層)と、緩衝層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(中間層)と、反応防止層5の上に形成された対極電極層6とを有する。つまり対極電極層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と対極電極層6との間に形成されている。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), an electrode layer 2 formed on the metal substrate 1, and a buffer layer 3 (formed on the electrode layer 2). An insertion layer) and an electrolyte layer 4 formed on the buffer layer 3. The electrochemical element E further has a reaction prevention layer 5 (intermediate layer) formed on the electrolyte layer 4, and a counter electrode layer 6 formed on the reaction prevention layer 5. That is, the counter 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 counter electrode layer 6. The electrode layer 2 is porous and the electrolyte layer 4 is dense.

そして本実施形態に係る電気化学素子Eは、電解質層4における対極電極層6の側である電解質層上側面4a(図2参照)に、凹部Aまたは凸部Bが1つ以上含まれる凹凸構造部位Sが形成されている。図2の、実施例1(後述)に係る電気化学素子Eの断面の電子顕微鏡写真では、1つの凹部A1と1つの凸部B1とを有する凹凸構造部位S1が示されている。凹凸構造部位Sについては後述する。 The electrochemical device E according to the present embodiment has a concavo-convex structure in which one or more concave portions A or convex portions B are included in the electrolyte layer upper side surface 4a (see FIG. 2) on the side of the counter electrode layer 6 in the electrolyte layer 4. A part S is formed. In the electron micrograph of the cross section of the electrochemical device E according to Example 1 (described later) in FIG. 2, the concavo-convex structure portion S1 having one concave portion A1 and one convex portion B1 is shown. The uneven structure portion S will be described later.

(金属基板)
金属基板1は、電極層2、緩衝層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 plays a role as a support for supporting the electrode layer 2, the buffer layer 3, the electrolyte layer 4 and the like and maintaining the strength of the electrochemical device E. As the material of the metal substrate 1, a material having excellent electron conductivity, heat resistance, oxidation resistance and corrosion resistance is used. For example, ferritic stainless steel, austenitic stainless steel, nickel alloy, etc. are used. Particularly, an alloy containing chromium is preferably used. In the present embodiment, the plate-shaped metal substrate 1 is used as the metal support, but other shapes such as a box shape and a cylindrical shape are also possible as the metal support.
The metal substrate 1 may have a strength sufficient to form an electrochemical element as a support, and is, for example, about 0.1 mm to 2 mm, preferably about 0.1 mm to 1 mm, more preferably about 0.1 mm. A material having 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 which are provided so as to penetrate the front surface and the back surface. In addition, for example, the through hole 1a can be provided in the metal substrate 1 by mechanical, chemical, or optical punching. The through hole 1a has a function of allowing gas to permeate from the back surface of the metal substrate 1 to the front surface thereof. It is also possible to use a porous metal in order to give the metal substrate 1 gas permeability. For example, the metal substrate 1 may be made of sintered metal, 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、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をスパッタリング法やPLD法、CVD法、スプレーコーティング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 1b as a diffusion suppressing layer is provided on the surface of the metal substrate 1. That is, the diffusion suppressing layer is formed between the metal substrate 1 and the 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 electrode layer 2 and the inner surface of the through hole 1a. The metal oxide layer 1b can suppress mutual diffusion of elements between the metal substrate 1 and the electrode layer 2. For example, when ferritic stainless steel containing chromium is used as the metal substrate 1, the metal oxide layer 1b mainly contains chromium oxide. Then, the metal oxide layer 1b containing chromium oxide as a main component suppresses the diffusion of chromium atoms and the like of the metal substrate 1 into the electrode layer 2 and the electrolyte layer 4. The metal oxide layer 1b may have any thickness as long as it has both high diffusion prevention performance and low electric resistance. For example, it is preferably in the submicron order, and more specifically, it is more preferable that the average thickness is 0.3 μm or more and 0.7 μm or less. More preferably, the minimum thickness is about 0.1 μm or more.
Further, it is preferable that the maximum thickness is about 1.1 μm or less.
The metal oxide layer 1b can be formed by various methods, but a method of oxidizing the surface of the metal substrate 1 to form a metal oxide is preferably used. Further, the metal oxide layer 1b may be formed on the surface of the metal substrate 1 by a sputtering method, a PLD method, a CVD method, a spray coating method, or the like, or may be formed by 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、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 material is used as the metal substrate 1, a thermal expansion coefficient such as YSZ (yttria-stabilized zirconia) or GDC (also called gadolinium-doped ceria or CGO) used as a material for the electrode layer 2 and the electrolyte layer 4 is used. Is close. Therefore, the electrochemical device E is not easily damaged even when the temperature cycle of low temperature and high temperature is repeated. Therefore, the electrochemical device E having excellent long-term durability can be realized, which is preferable.

(電極層)
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、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が電極層2に面して設けられている。
(Electrode layer)
As shown in FIG. 1, the electrode layer 2 can be provided as a thin layer in a region on the front surface of the metal substrate 1 that is larger than a region in which the through hole 1a is provided. In the case of forming a thin layer, the thickness thereof may be, for example, about 1 μm to 100 μm, preferably 5 μm to 50 μm. With such a thickness, it becomes possible to secure sufficient electrode performance while reducing the amount of expensive electrode layer material used and reducing costs. The entire area where the through holes 1a are provided is covered with the electrode layer 2. That is, the through hole 1a is formed inside the region of the metal substrate 1 where the electrode layer 2 is formed. In other words, all the through holes 1a are provided facing the electrode layer 2.

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、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、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法、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。 The 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, CeO 2 can be referred to as composite aggregates. The electrode layer 2 may be formed by a low temperature firing method (for example, a wet method using a firing treatment in a low temperature range where a firing treatment in a high temperature range higher than 1100° C. is not performed), a spray coating method, a sputtering method, a pulse laser deposition method, a CVD method. It is preferably formed by a method or the like. Due to these processes that can be used in a low temperature range, a good electrode layer 2 can be obtained without using baking in a high temperature range higher than 1100° C., for example. Therefore, it is preferable since the element mutual diffusion between the metal substrate 1 and the electrode layer 2 can be suppressed without damaging the metal substrate 1, and an electrochemical element having excellent durability can be realized. Furthermore, the low temperature firing method is more preferable because handling of the raw materials becomes easy.

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。
すなわち電極層2は、多孔質な層として形成される。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 electrode layer 2 has a plurality of pores inside and on the surface thereof so as to have gas permeability.
That is, the electrode layer 2 is formed as a porous layer. The electrode layer 2 is formed, for example, so that its density is 30% or more and less than 80%. The size of the pores can be appropriately selected so that a smooth reaction proceeds when performing an electrochemical reaction. The denseness is the ratio of the material constituting the layer to the space, can be expressed as (1-porosity), and is equivalent to the relative density.

(緩衝層)
緩衝層3(挿入層)は、図1に示すように、電極層2を覆った状態で、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5μm〜20μm程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な緩衝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。緩衝層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。
(Buffer layer)
As shown in FIG. 1, the buffer layer 3 (insertion layer) can be formed as a thin layer on the electrode layer 2 while covering the electrode layer 2. In the case of forming a thin layer, its thickness can be, for example, about 1 μm to 100 μm, preferably about 2 μm to 50 μm, and more preferably about 5 μm to 20 μm. With such a thickness, it is possible to reduce the amount of the expensive buffer layer material used and reduce the cost, while ensuring sufficient performance. Examples of the material of the buffer layer 3 include YSZ (yttria-stabilized zirconia), SSZ (scandium-stabilized zirconia), GDC (gadolinium-doped ceria), YDC (yttrium-doped ceria), and SDC (samarium-doped seria). Ceria) and the like can be used. In particular, ceria-based ceramics are preferably used.

緩衝層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、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法、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緩衝層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 buffer layer 3 is formed by a low temperature firing method (for example, a wet method that uses a firing treatment in a low temperature range that does not perform a firing treatment in a high temperature range higher than 1100° C.), a spray coating method, a sputtering method, a pulse laser deposition method, a CVD method, etc. It is preferable to form by. By these film forming processes that can be used in a low temperature range, the buffer layer 3 can be obtained without using baking in a high temperature range higher than 1100° C., for example. Therefore, the element mutual diffusion between the metal substrate 1 and the electrode layer 2 can be suppressed without damaging the metal substrate 1, and the electrochemical element E having excellent durability can be realized.
Further, the low temperature firing method is more preferable because handling of raw materials becomes easy.

緩衝層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緩衝層3は、電気化学素子Eへの適用に適している。 The buffer 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 buffer layer 3 having these properties is suitable for application to the electrochemical element E.

なお、緩衝層3はNiやCu等の触媒金属成分を含まないことが好ましい。NiやCu等の触媒金属成分を含むと所望の緩衝層3が得られにくくなるからである。 The buffer layer 3 preferably does not contain a catalytic metal component such as Ni or Cu. This is because it becomes difficult to obtain the desired buffer layer 3 when a catalytic metal component such as Ni or Cu is included.

(電解質層)
電解質層4は、図1に示すように、電極層2および緩衝層3を覆った状態で、緩衝層3の上に薄層の状態で形成される。詳しくは電解質層4は、図1に示すように、緩衝層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 as a thin layer on the buffer layer 3 while covering the electrode layer 2 and the buffer layer 3. Specifically, as shown in FIG. 1, the electrolyte layer 4 is provided over (straddling) the buffer layer 3 and the metal substrate 1. By configuring in this manner and joining the electrolyte layer 4 to the metal substrate 1, the electrochemical element as a whole can be made to have excellent 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。 Further, as shown in FIG. 1, the electrolyte layer 4 is provided on a surface of the metal substrate 1 which is larger than a region where 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、電極層2および緩衝層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によって電極層2の周囲をすべて覆っているが、電極層2および緩衝層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。 In addition, around the electrolyte layer 4, gas leakage from the electrode layer 2 and the buffer layer 3 can be suppressed. 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 electrode layer 2 through the through hole 1a during operation of SOFC. At the site 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 electrolyte layer 4 covers the entire periphery of the electrode layer 2, but the electrolyte layer 4 may be provided on the upper portions of the electrode layer 2 and the buffer layer 3, and a gasket or the like may be provided around the electrolyte layer 4.

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

電解質層4は、低温焼成法(例えば1100℃以上の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、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法、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℃以上の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 may be formed by a low temperature firing method (for example, a wet method using a firing treatment in a low temperature range that does not perform a firing treatment in a high temperature range of 1100° C. or higher), a spray coating method, a sputtering method, a pulse laser deposition method, a CVD method, etc. It is preferable to form by. By these film forming processes that can be used in a low temperature range, a dense electrolyte layer 4 having a high airtightness and a gas barrier property can be obtained without firing at a high temperature range of 1100° C. or higher. Therefore, damage to the metal substrate 1 can be suppressed, and mutual diffusion of elements between the metal substrate 1 and the electrode layer 2 can be suppressed, so that the electrochemical device E having excellent performance and durability can be realized. Particularly, it is preferable to use a low temperature firing method, a spray coating method, or the like because a low-cost element can be realized. Furthermore, it is more preferable to use the spray coating method because a dense electrolyte layer having high airtightness 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 in order to shield gas leaks 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, its density is preferably 95% or more, and more preferably 98% or more. Further, in the case where the electrolyte layer 4 is composed of a plurality of layers, it is preferable that at least a part of them contains a layer having a density of 98% or more (dense electrolyte layer), and 99%. It is more preferable to include the above layer (dense electrolyte layer). When such a dense electrolyte layer is included in a part of the electrolyte layer, a dense electrolyte layer having high airtightness and gas barrier property is formed even when the electrolyte layer is formed in a plurality of layers. Because it can be done easily.

(反応防止層)
反応防止層5(中間層)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、例えば、1μm〜100μm程度、好ましくは2μm〜50μm程度、より好ましくは5μm〜20μm程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な反応防止層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。反応防止層5の材料としては、電解質層4の成分と対極電極層6の成分との間の反応を防止できる材料であれば良い。例えばセリア系材料等が用いられる。反応防止層5を電解質層4と対極電極層6との間に導入することにより、対極電極層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。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、スプレーコーティング法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法、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。
(Reaction prevention layer)
The reaction prevention layer 5 (intermediate layer) can be formed in a thin layer on the electrolyte layer 4. In the case of forming a thin layer, its thickness can be, for example, about 1 μm to 100 μm, preferably about 2 μm to 50 μm, and more preferably about 5 μm to 20 μm. With such a thickness, it is possible to reduce the amount of expensive reaction preventing layer material used and reduce the cost, while ensuring sufficient performance. The material for the reaction prevention layer 5 may be any material that can prevent the reaction between the components of the electrolyte layer 4 and the components of the counter electrode layer 6. For example, a ceria-based material or the like is used. By introducing the reaction prevention layer 5 between the electrolyte layer 4 and the counter electrode layer 6, the reaction between the constituent material of the counter electrode layer 6 and the constituent material of the electrolyte layer 4 is effectively suppressed, and the electrochemical device E The long-term stability of performance can be improved. When the reaction preventing layer 5 is formed by appropriately using a method capable of forming the reaction preventing layer 5 at a processing temperature of 1100° C. or lower, damage to the metal substrate 1 is suppressed, and element mutual diffusion between the metal substrate 1 and the electrode layer 2 is suppressed. This is preferable because the electrochemical element E having excellent performance and durability can be realized. For example, a low temperature firing method, a spray coating method, a sputtering method, a pulse laser deposition method, a CVD method, or the like can be appropriately used. Particularly, it is preferable to use a low temperature firing method, a spray coating method, or the like because a low-cost element can be realized. Furthermore, the low temperature firing method is more preferable because handling of the raw materials becomes easy.

(対極電極層)
対極電極層6は、電解質層4もしくは反応防止層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、高価な対極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。対極電極層6の材料としては、例えば、LSCF、LSM等の複合酸化物を用いることができる。以上の材料を用いて構成される対極電極層6は、カソードとして機能する。
(Counter electrode layer)
The counter electrode layer 6 can be formed as a thin layer on the electrolyte layer 4 or the reaction preventing layer 5. In the case of forming a thin layer, the thickness thereof may be, for example, about 1 μm to 100 μm, preferably 5 μm to 50 μm. With such a thickness, it is possible to reduce the amount of expensive counter electrode layer material used and reduce the cost while ensuring sufficient electrode performance. As a material of the counter electrode layer 6, for example, a complex oxide such as LSCF or LSM can be used. The counter electrode layer 6 composed of the above materials functions as a cathode.

なお、対極電極層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、スプレーコーティング法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法、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。 The counter electrode layer 6 can be formed by appropriately using a method that can be formed at a processing temperature of 1100° C. or lower to prevent damage to the metal substrate 1 and to prevent element mutual diffusion between the metal substrate 1 and the electrode layer 2. Is preferable, and the electrochemical element E having excellent performance and durability can be realized, which is preferable. For example, a low temperature firing method, a spray coating method, a sputtering method, a pulse laser deposition method, a CVD method, or the like can be appropriately used. Particularly, it is preferable to use a low temperature firing method, a spray coating method, or the like because a low-cost element can be realized. Furthermore, the low temperature firing method is more preferable because handling of the 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電極層2へ供給し、電極層2の対極となる対極電極層6へ空気を供給し、例えば、600℃以上750℃以下の温度で作動させる。そうすると、対極電極層6において空気に含まれる酸素O2が電子e-と反応して酸素イオンO2-が生成される。その酸素イオンO2-が電解質層4を通って電極層2へ移動する。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H2が酸素イオンO2-と反応し、水H2Oと電子e-が生成される。以上の反応により、電極層2と対極電極層6との間に起電力が発生する。この場合、電極層2はSOFCの燃料極(アノード)として機能し、対極電極層6は空気極(カソード)として機能する。
(Solid oxide fuel cell)
By configuring the electrochemical device E as described above, the electrochemical device E can be used as a power generation cell of a solid oxide fuel cell. For example, fuel gas containing hydrogen is supplied to the electrode layer 2 from the back surface of the metal substrate 1 through the through holes 1a, and air is supplied to the counter electrode layer 6 which is the counter electrode of the electrode layer 2, for example, 600° C. or higher 750. Operate at temperatures below ℃. Then, in the counter electrode layer 6, oxygen O 2 contained in air reacts with the electron e to generate oxygen ion O 2− . The oxygen ions O 2− move to the electrode layer 2 through the electrolyte layer 4. In the 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 . By the above reaction, an electromotive force is generated between the electrode layer 2 and the counter electrode layer 6. In this case, the electrode layer 2 functions as a fuel electrode (anode) of SOFC, and the counter electrode layer 6 functions as an air electrode (cathode).

(電気化学素子の製造方法)
次に、電気化学素子Eの製造方法について説明する。
(Method for manufacturing electrochemical device)
Next, a method for manufacturing the electrochemical device E will be described.

(電極層形成ステップ)
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。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、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法、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。
(Step of forming electrode layer)
In the electrode layer forming step, the electrode layer 2 is formed as a thin film in a region wider than the region where the through hole 1a is provided on the front surface of the metal substrate 1. The through hole of the metal substrate 1 can be provided by laser processing or the like. As described above, the electrode layer 2 is formed by a method such as a low temperature firing method (a wet method of performing a firing treatment in a low temperature range of 1100° C. or lower), a spray coating method, a sputtering method, a pulse laser deposition method, a CVD method and the like. Can be used. Whichever method is used, it is desirable to perform the process at a temperature of 1100° C. or lower in order to suppress the deterioration of the metal substrate 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。
まず電極層2の材料粉末と溶媒とを混合して材料ペーストを作成し、金属基板1の表側の面に塗布し、800℃〜1100℃で焼成する。
When the electrode layer forming step is performed by the low temperature firing method, specifically, it is performed as in the following example.
First, the material powder of the electrode layer 2 and a solvent are mixed to form a material paste, which is applied to the front surface of the metal substrate 1 and baked at 800°C to 1100°C.

(拡散抑制層形成ステップ)
上述した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。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。
(Step of forming diffusion suppressing layer)
The metal oxide layer 1b (diffusion suppressing layer) is formed on the surface of the metal substrate 1 during the firing process in the electrode layer forming step described above. If the firing step includes a firing step in which the firing atmosphere is an atmosphere with a low oxygen partial pressure, the effect of suppressing mutual diffusion of elements is high, and the resistance of the metal oxide layer 1b is high (the diffusion control is high). Layer) is formed, which is preferable. The electrode layer forming step may include a separate diffusion suppressing layer forming step, including the case of using a coating method without firing. In any case, it is desirable to carry out the treatment at a treatment temperature of 1100° C. or lower that can suppress damage to the metal substrate 1.

(緩衝層形成ステップ)
緩衝層形成ステップでは、電極層2を覆う形態で、電極層2の上に緩衝層3が薄層の状態で形成される。緩衝層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、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法、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。
(Step of forming buffer layer)
In the buffer layer forming step, the buffer layer 3 is formed in a thin layer on the electrode layer 2 so as to cover the electrode layer 2. As described above, the buffer layer 3 is formed by a method such as a low temperature firing method (wet method of performing a firing treatment in a low temperature range of 1100° C. or lower), a spray coating method, a sputtering method, a pulse laser deposition method, a CVD method and the like. Can be used. Whichever method is used, it is desirable to perform the process at a temperature of 1100° C. or lower in order to suppress the deterioration of the metal substrate 1.

緩衝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。
まず緩衝層3の材料粉末と溶媒とを混合して材料ペーストを作成し、電極層2の上に塗布し、800℃〜1100℃で焼成する。
When the buffer layer forming step is performed by the low temperature firing method, specifically, it is performed as in the following example.
First, the material powder of the buffer layer 3 and a solvent are mixed to form a material paste, which is applied on the electrode layer 2 and baked at 800°C to 1100°C.

(電解質層形成ステップ)
電解質層形成ステップでは、電極層2および緩衝層3を覆った状態で、電解質層4が緩衝層3の上に薄層の状態で形成される。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、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法、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 as a thin layer on the buffer layer 3 while covering the electrode layer 2 and the buffer layer 3. As described above, the electrolyte layer 4 is formed by a method such as a low temperature firing method (a wet method of performing a firing treatment in a low temperature range of 1100° C. or lower), a spray coating method, a sputtering method, a pulse laser deposition method, a CVD method and the like. Can be used. Whichever method is used, it is desirable to perform the process 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上の緩衝層3に向けて噴射し、電解質層4を形成する。 In order to form a fine electrolyte layer 4 which is dense and has high airtightness and gas barrier performance in a temperature range of 1100° C. or less, it is desirable to perform the electrolyte layer forming step by a spray coating method. In that case, the material of the electrolyte layer 4 is jetted toward the buffer layer 3 on the metal substrate 1 to form the electrolyte layer 4.

上述した凹凸構造部位Sを形成するために、電解質層形成ステップを次の様に行う場合がある。例えば、スクリーン印刷による低温焼成法を用いる場合には、形成しようとする凹凸構造部位Sの形状に応じた形状の表面加工を施したスクリーンを用いて、電解質層4の材料を含有するペーストの印刷を行い、印刷されたペースト層の表面に凹凸構造を形成し、その後に1100℃以下の温度で焼成して電解質層4を形成することが可能である。
あるいは、通常のスクリーンを用いて電解質層4の材料を含有するペーストの印刷した後、印刷されたペースト層の表層部を機械的に除去する操作を加え、ペースト層の表面に凹凸構造を形成し、その後に1100℃以下の温度で焼成することによっても電解質層4を形成することが可能である。また、スプレーコーティング法を用いる場合には、電解質の原材料を金属基板1上の緩衝層3に向けて噴射する速度を変動させたり、供給成膜原料中の原材料濃度を変動させたり、噴射口と金属基板1の相対位置の変位速度を変動させたり、供給成膜原料中の電解質材料に粒径が異なる材料を混在させたりして、電解質層4を形成することが可能である。なお、供給成膜原料濃度等を積極的に変動させずとも、原材料の特性や噴射速度、圧力、基板の移動速度等の成膜条件によっては、適切な凹凸構造部位Sが形成される場合もある。また、いずれの成膜方法を採用した場合でも、電解質層4を形成した後にブラスト処理を施して、電解質層4の表面に凹凸構造部位Sを形成することも可能である。
In order to form the above-mentioned concavo-convex structure site S, the electrolyte layer forming step may be performed as follows. For example, when the low temperature firing method by screen printing is used, printing of a paste containing the material of the electrolyte layer 4 is performed by using a screen having a surface processed in a shape corresponding to the shape of the uneven structure portion S to be formed. It is possible to form the concavo-convex structure on the surface of the printed paste layer, and then fire it at a temperature of 1100° C. or lower to form the electrolyte layer 4.
Alternatively, after printing the paste containing the material of the electrolyte layer 4 using a normal screen, the operation of mechanically removing the surface layer portion of the printed paste layer is added to form an uneven structure on the surface of the paste layer. It is also possible to form the electrolyte layer 4 by subsequently firing at a temperature of 1100° C. or lower. When the spray coating method is used, the speed at which the electrolyte raw material is jetted toward the buffer layer 3 on the metal substrate 1 is changed, the raw material concentration in the supplied film forming raw material is changed, and It is possible to form the electrolyte layer 4 by changing the displacement speed of the relative position of the metal substrate 1 or by mixing materials having different particle sizes with the electrolyte material in the film-forming raw material to be supplied. Even if the concentration of the supplied film forming raw material is not positively changed, an appropriate uneven structure portion S may be formed depending on the film forming conditions such as the characteristics of the raw material, the injection speed, the pressure, and the moving speed of the substrate. is there. In addition, whichever film forming method is adopted, it is also possible to form the uneven structure portion S on the surface of the electrolyte layer 4 by performing blasting after forming 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、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法、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。なお反応防止層5(中間層)の上側の面(中間層上側面5a)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 forming step)
In the reaction prevention layer forming step, the reaction prevention layer 5 is formed in a thin layer on the electrolyte layer 4. As described above, the reaction preventing layer 5 can be formed by a method such as a low temperature firing method, a spray coating method, a sputtering method, a pulse laser deposition method, a CVD method, or the like. Whichever method is used, it is desirable to perform the process at a temperature of 1100° C. or lower in order to suppress the deterioration of the metal substrate 1. In order to flatten the upper surface (intermediate layer upper side surface 5a) of the reaction preventive layer 5 (intermediate layer), for example, after the reaction preventive layer 5 is formed, leveling treatment, surface cutting/polishing treatment, or wet formation is performed. Pressing may be performed before post-baking.

(対極電極層形成ステップ)
対極電極層形成ステップでは、対極電極層6が反応防止層5の上に薄層の状態で形成される。対極電極層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、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法、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。
(Counter electrode layer forming step)
In the counter electrode layer forming step, the counter electrode layer 6 is formed in a thin layer on the reaction preventing layer 5. As described above, the counter electrode layer 6 can be formed by a method such as a low temperature firing method, a spray coating method, a sputtering method, a pulse laser deposition method or a CVD method. Whichever method is used, it is desirable to perform the process 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。 The electrochemical device E can be manufactured as described above.

なお電気化学素子Eにおいて、緩衝層3(挿入層)と反応防止層5(中間層)とは、何れか一方、あるいは両方を備えない形態とすることも可能である。すなわち、電極層2と電解質層4とが接触して形成される形態、あるいは電解質層4と対極電極層6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、緩衝層形成ステップ、反応防止層形成ステップが省略される。なお、他の層を形成するステップを追加したり、同種の層を複数積層したりすることも可能であるが、いずれの場合であっても、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。 In the electrochemical device E, the buffer layer 3 (insertion layer) and the reaction preventing layer 5 (intermediate layer) may be configured to include neither one or both. That is, a form in which the electrode layer 2 and the electrolyte layer 4 are formed in contact with each other or a form in which the electrolyte layer 4 and the counter electrode layer 6 are formed in contact with each other are also possible. In this case, in the manufacturing method described above, the buffer layer forming step and the reaction preventing layer forming step are omitted. Note that it is possible to add a step of forming another layer or stack a plurality of layers of the same type, but in any case, it is desirable to perform the step at a temperature of 1100° C. or lower.

(実施例1)
厚さ0.3mm、直径25mmの円形のcrofer22APUの金属板に対して、中心から半径2.5mm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。なお、この時、金属基板1の表面の貫通孔1aの直径が10〜15μm程度となるようにレーザー加工により貫通孔を設けた。
(Example 1)
A metal substrate 1 was prepared by forming a plurality of through holes 1a by laser processing in a region having a radius of 2.5 mm from the center of a circular metal plate of the profiler 22APU having a thickness of 0.3 mm and a diameter of 25 mm. At this time, the through hole was provided by laser processing so that the diameter of the through hole 1a on the surface of the metal substrate 1 was about 10 to 15 μm.

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の領域に電極層2を積層した。なお、電極層2の形成にはスクリーン印刷を用いた。 Next, 60 wt% NiO powder and 40 wt% GDC powder were mixed and an organic binder and an organic solvent were added to prepare a paste. Using the paste, the electrode layer 2 was laminated in a region having a radius of 3 mm from the center of the metal substrate 1. Screen printing was used to form the electrode layer 2.

次に、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(電極層形成ステップ、拡散抑制層形成ステップ)。 Next, the metal substrate 1 on which the electrode layer 2 was laminated was subjected to a baking treatment at 850° C. (electrode layer forming step, diffusion suppressing layer forming step).

このように電極層2を積層した状態での金属基板1のHeリーク量は、0.2MPaの圧力下で50mL/分・cm2を越える量であった。このことから、電極層2は緻密度およびガスバリア性の低い多孔質な層として形成されていると分かる。 The He leak amount of the metal substrate 1 in the state where the electrode layers 2 were laminated in this way was more than 50 mL/min·cm 2 under a pressure of 0.2 MPa. From this, it is understood that the electrode layer 2 is formed as a porous layer having a low density and a low gas barrier property.

次に、GDCの微粉末に有機バインダーと有機溶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の領域に緩衝層3を積層した。 Next, an organic binder and an organic solvent were added to the fine powder of GDC to prepare a paste. The paste was used to screen-print a buffer layer 3 in a region having a radius of 5 mm from the center of the metal substrate 1 on which the electrode layer 2 was stacked.

次に、緩衝層3を積層した金属基板1に対して、1050℃で焼成処理を行った(緩衝層形成ステップ)。 Next, the metal substrate 1 having the buffer layer 3 laminated thereon was subjected to a baking treatment at 1050° C. (buffer layer forming step).

以上のステップで得られた電極層2の厚さは約10μmであり、緩衝層3の厚さは約8μmであった。また、このように電極層2と緩衝層3を積層した状態での金属基板1のHeリーク量は、0.2MPaの圧力下で13.5mL/分・cm2であった。 The thickness of the electrode layer 2 obtained in the above steps was about 10 μm, and the thickness of the buffer layer 3 was about 8 μm. Further, the He leak amount of the metal substrate 1 in the state where the electrode layer 2 and the buffer layer 3 were laminated in this way was 13.5 mL/min·cm 2 under a pressure of 0.2 MPa.

続いて、8YSZ(イットリア安定化ジルコニア)成分を供給量を0.3g/分〜7.2g/分の間で変動させながら、金属基板1の緩衝層3の上に、緩衝層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、表面に凹凸部を有する電解質層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)。 Then, while changing the supply amount of the 8YSZ (yttria-stabilized zirconia) component between 0.3 g/min and 7.2 g/min, the buffer layer 3 is covered on the buffer layer 3 of the metal substrate 1. Was sprayed while moving the substrate at a scanning speed of 5 mm/sec within a range of 15 mm×15 mm to form the electrolyte layer 4 having irregularities on the surface (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5.0〜5.7μmであった。このように電極層2と緩衝層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・cm2)未満であった。つまり、緩衝層3までを積層した状態でのHeリーク量に比べ、電解質層4を積層した状態でのHeリーク量は大幅に小さくなり、検出限界を下回るものとなった。従って、形成された電解質層4は、緻密でガスバリア性能の高い、良質なものであることが確認された。 The thickness of the electrolyte layer 4 obtained in the above steps was 5.0 to 5.7 μm. When the He leak amount of the metal substrate 1 in the state in which the electrode layer 2, the buffer layer 3, and the electrolyte layer 4 were laminated in this manner was measured under a pressure of 0.2 MPa, the He leak amount was the lower limit of detection (1.0 mL/ It was less than min.cm 2 ). That is, the He leak amount in the state in which the electrolyte layer 4 was laminated was significantly smaller than the He leak amount in the state in which the buffer layer 3 was laminated, and was below the detection limit. Therefore, it was confirmed that the formed electrolyte layer 4 was dense and had high gas barrier performance and high quality.

次に、GDC粉末とLSCF粉末とを混合し、有機バインダーと有機溶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、電解質層4の上に対極電極層6を形成した。最後に、対極電極層6を形成した電気化学素子Eを900℃にて焼成し(対極電極層形成ステップ)、電気化学素子Eを得た。 Next, the GDC powder and the LSCF powder were mixed and an organic binder and an organic solvent were added to prepare a paste. The paste was used to form a counter electrode layer 6 on the electrolyte layer 4 by screen printing. Finally, the electrochemical device E having the counter electrode layer 6 formed thereon was fired at 900° C. (counter electrode layer forming step) to obtain an electrochemical device E.

得られた電気化学素子Eについて、電極層2に水素ガス、対極電極層6に空気を供給して固体酸化物形燃料電池セルとしての開回路電圧(OCV)を測定した。結果は、750℃で1.03Vであった。 With respect to the obtained electrochemical device E, hydrogen gas was supplied to the electrode layer 2 and air was supplied to the counter electrode layer 6, and the open circuit voltage (OCV) as a solid oxide fuel cell was measured. The result was 1.03V at 750°C.

このようにして得られた実施例1に係る電気化学素子Eの断面の電子顕微鏡写真を図2(2500倍)および図3(5000倍)に示す。図2および図3に示される様に、実施例1に係る電気化学素子Eでは、対極電極層6が電解質層4の電解質層上側面4aに接触して形成され、凹凸構造部位Sが対極電極層6に接触している。そして層間の剥離や亀裂等の発生も見られず、非常に均一で密着強度の高い状態で形成されている。 Electron micrographs of the cross section of the electrochemical device E according to Example 1 thus obtained are shown in FIG. 2 (2500 times) and FIG. 3 (5000 times). As shown in FIGS. 2 and 3, in the electrochemical device E according to Example 1, the counter electrode layer 6 is formed in contact with the electrolyte layer upper side surface 4a of the electrolyte layer 4, and the concavo-convex structure site S has the counter electrode. Contacting layer 6. No peeling or cracking between layers was observed, and the layers were formed in a very uniform and high adhesive strength.

図3は、図2に示された凹凸構造部位S1を倍率5000倍で撮影した画像である。凹凸構造部位S1には、比較的大きい凹部A1と、凸部B1と、凸部B2とが含まれるが、その他にも様々な寸法の凹部と凸部とが多数含まれる。 FIG. 3 is an image of the uneven structure portion S1 shown in FIG. 2 taken at a magnification of 5000 times. The concavo-convex structure portion S1 includes a relatively large concave portion A1, a convex portion B1, and a convex portion B2, but also includes a large number of concave portions and convex portions of various sizes.

以下、凹凸構造部位S1の凹部A1と凸部B1について、その頂点C1と頂点D1との間の位置関係について説明する。頂点C1と頂点D1との間の距離は、面内方向(X方向)の距離L1が3.62μmであり、高さ方向(Y方向)の距離H1が0.64μmである。そうすると頂点D1は、凹部A1の頂点C1からみて、面内方向の距離(L1)が5μm以内で、高さの差(H1)が0.5μm以上である地点(P1)である。また逆に頂点C1は、凸部B1の頂点D1からみて、面内方向の距離(L1)が5μm以内で、高さの差(H1)が0.5μm以上である地点(P2)である。 The positional relationship between the vertices C1 and D1 of the concave portions A1 and the convex portions B1 of the concave-convex structure portion S1 will be described below. Regarding the distance between the vertex C1 and the vertex D1, the distance L1 in the in-plane direction (X direction) is 3.62 μm, and the distance H1 in the height direction (Y direction) is 0.64 μm. Then, the apex D1 is a point (P1) where the distance (L1) in the in-plane direction is within 5 μm and the height difference (H1) is 0.5 μm or more when viewed from the apex C1 of the recess A1. On the contrary, the vertex C1 is a point (P2) where the distance (L1) in the in-plane direction is within 5 μm and the height difference (H1) is 0.5 μm or more when viewed from the vertex D1 of the convex portion B1.

つまり実施例1の電気化学素子Eでは、凹部A1の頂点C1からの面内方向の距離(L1)が5μm以内の地点であって、凹部A1の頂点C1との高さの差(H1)が0.5μm以上である地点P1と、凸部B1の頂点D1からの面内方向の距離(L1)が5μm以内の地点であって、凸部B1の頂点D1との高さの差(H1)が0.5μm以上である地点P2とが、凹凸構造部位S1に含まれるといえる。 That is, in the electrochemical device E of Example 1, the distance (L1) in the in-plane direction from the vertex C1 of the recess A1 is within 5 μm, and the height difference (H1) from the vertex C1 of the recess A1 is The height difference (H1) between the point P1 that is 0.5 μm or more and the in-plane distance (L1) from the apex D1 of the convex portion B1 to within 5 μm, and the apex D1 of the convex portion B1. It can be said that the point P2 where is 0.5 μm or more is included in the uneven structure portion S1.

また図3から明らかな通り、凹凸構造部位S1において凹部A1の頂点C1が高さ(高さ方向の座標)が最も低く、凸部B1の頂点D1が高さが最も高い。従って、凹凸構造部位S1における高さ方向(Y方向)の幅は、距離H1であり、0.64μmである。一方、図3に示された電解質層4の厚さT1は、5.02μmである。距離H1は、厚さT1の12%にあたる。従って実施例1の電気化学素子Eでは、凹凸構造部位における高さ方向の幅が、電解質層4の厚さの5%以上であるといえる。 Further, as is clear from FIG. 3, in the concavo-convex structure portion S1, the vertex C1 of the concave portion A1 has the lowest height (coordinates in the height direction), and the vertex D1 of the convex portion B1 has the highest height. Therefore, the width in the height direction (Y direction) of the concavo-convex structure portion S1 is the distance H1, which is 0.64 μm. On the other hand, the thickness T1 of the electrolyte layer 4 shown in FIG. 3 is 5.02 μm. The distance H1 corresponds to 12% of the thickness T1. Therefore, in the electrochemical device E of Example 1, it can be said that the width in the height direction of the uneven structure portion is 5% or more of the thickness of the electrolyte layer 4.

(実施例2) (Example 2)

厚さ0.3mm、直径25mmの円形のcrofer22APUの金属板に対して、中心から半径2.5mm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を作成した。なお、この時、金属基板1の表面の貫通孔1aの直径が10〜15μm程度となるようにレーザー加工により貫通孔を設けた。 A metal substrate 1 was prepared by providing a plurality of through holes 1 a by laser processing in a region having a radius of 2.5 mm from the center of a circular metal plate of the profiler 22APU having a thickness of 0.3 mm and a diameter of 25 mm. At this time, the through hole was provided by laser processing so that the diameter of the through hole 1a on the surface of the metal substrate 1 was about 10 to 15 μm.

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の領域に電極層2を積層した。なお、電極層2の形成にはスクリーン印刷を用いた。 Next, 60 wt% NiO powder and 40 wt% GDC powder were mixed and an organic binder and an organic solvent were added to prepare a paste. Using the paste, the electrode layer 2 was laminated in a region having a radius of 3 mm from the center of the metal substrate 1. Screen printing was used to form the electrode layer 2.

次に、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(電極層形成ステップ、拡散抑制層形成ステップ)。 Next, the metal substrate 1 on which the electrode layer 2 was laminated was subjected to a baking treatment at 850° C. (electrode layer forming step, diffusion suppressing layer forming step).

このように電極層2を積層した状態での金属基板1のHeリーク量は、0.2MPaの圧力下で50mL/分・cm2を越える量であった。このことから、電極層2は緻密度およびガスバリア性の低い多孔質な層として形成されていると分かる。 The He leak amount of the metal substrate 1 in the state where the electrode layers 2 were laminated in this way was more than 50 mL/min·cm 2 under a pressure of 0.2 MPa. From this, it is understood that the electrode layer 2 is formed as a porous layer having a low density and a low gas barrier property.

次に、GDCの微粉末に有機バインダーと有機溶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の領域に緩衝層3を積層した。 Next, an organic binder and an organic solvent were added to the fine powder of GDC to prepare a paste. The paste was used to screen-print a buffer layer 3 in a region having a radius of 5 mm from the center of the metal substrate 1 on which the electrode layer 2 was stacked.

次に、緩衝層3を積層した金属基板1に対して、1050℃で焼成処理を行った(緩衝層形成ステップ)。 Next, the metal substrate 1 having the buffer layer 3 laminated thereon was subjected to a baking treatment at 1050° C. (buffer layer forming step).

以上のステップで得られた電極層2の厚さは約9μmであり、緩衝層3の厚さは約8μmであった。また、このように電極層2と緩衝層3を積層した状態での金属基板1のHeリーク量は、0.2MPaの圧力下で7.5mL/分・cm2であった。 The thickness of the electrode layer 2 obtained through the above steps was about 9 μm, and the thickness of the buffer layer 3 was about 8 μm. Further, the He leak amount of the metal substrate 1 in the state where the electrode layer 2 and the buffer layer 3 were laminated in this way was 7.5 mL/min·cm 2 under a pressure of 0.2 MPa.

続いて、8YSZ(イットリア安定化ジルコニア)成分を供給量を0.4g/分〜9.3g/分の間で変動させながら、金属基板1の緩衝層3の上に、緩衝層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、表面に凹凸部を有する電解質層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)。 Then, while changing the supply amount of the 8YSZ (yttria-stabilized zirconia) component between 0.4 g/min and 9.3 g/min, the buffer layer 3 is covered on the buffer layer 3 of the metal substrate 1. Was sprayed while moving the substrate at a scanning speed of 5 mm/sec within a range of 15 mm×15 mm to form the electrolyte layer 4 having irregularities on the surface (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5.4〜7.6μmであった。このように電極層2と緩衝層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・cm2)未満であった。つまり、緩衝層3までを積層した状態でのHeリーク量に比べ、電解質層4を積層した状態でのHeリーク量は大幅に小さくなり、検出限界を下回るものとなった。従って、形成された電解質層4は、緻密でガスバリア性能の高い、良質なものであることが確認された。 The thickness of the electrolyte layer 4 obtained in the above steps was 5.4 to 7.6 μm. When the He leak amount of the metal substrate 1 in the state in which the electrode layer 2, the buffer layer 3, and the electrolyte layer 4 were laminated in this manner was measured under a pressure of 0.2 MPa, the He leak amount was the lower limit of detection (1.0 mL/ It was less than min.cm 2 ). That is, the He leak amount in the state in which the electrolyte layer 4 was laminated was significantly smaller than the He leak amount in the state in which the buffer layer 3 was laminated, and was below the detection limit. Therefore, it was confirmed that the formed electrolyte layer 4 was dense and had high gas barrier performance and high quality.

次に、GDCの微粉末に有機バインダーと有機溶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 were added to the fine powder of GDC to prepare a paste. Using the paste, a reaction preventive layer 5 was formed on the electrolyte layer 4 of the electrochemical device E by screen printing.

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)。 After that, the electrochemical element E having the reaction prevention layer 5 formed thereon is subjected to CIP molding at a pressure of 300 MPa and then subjected to a firing treatment at 1000° C. to form the reaction prevention layer 5 having a flat surface (reaction prevention Layer formation step).

更に、GDC粉末とLSCF粉末とを混合し、有機バインダーと有機溶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、反応防止層5の上に対極電極層6を形成した。最後に、対極電極層6を形成した電気化学素子Eを900℃にて焼成し(対極電極層形成ステップ)、電気化学素子Eを得た。 Furthermore, GDC powder and LSCF powder were mixed, and an organic binder and an organic solvent were added to prepare a paste. Using the paste, the counter electrode layer 6 was formed on the reaction prevention layer 5 by screen printing. Finally, the electrochemical device E having the counter electrode layer 6 formed thereon was fired at 900° C. (counter electrode layer forming step) to obtain an electrochemical device E.

得られた電気化学素子Eについて、電極層2に水素ガス、対極電極層6に空気を供給して固体酸化物形燃料電池セルとしての開回路電圧(OCV)を測定した。結果は、750℃で1.1Vであった。また、750℃で0.28W/cm2の出力が得られた。 With respect to the obtained electrochemical device E, hydrogen gas was supplied to the electrode layer 2 and air was supplied to the counter electrode layer 6, and the open circuit voltage (OCV) as a solid oxide fuel cell was measured. The result was 1.1 V at 750°C. Further, an output of 0.28 W/cm 2 was obtained at 750°C.

このようにして得られた実施例2に係る電気化学素子Eの断面の電子顕微鏡写真を図4(2500倍)に示す。図4に示される様に、実施例2に係る電気化学素子Eでは、反応防止層5(中間層)が電解質層4の電解質層上側面4aに接触して形成され、凹凸構造部位Sが反応防止層5に接触している。反応防止層5における対極電極層6の側の面(中間層上側面5a)は、平坦に形成されている。そして層間の剥離や亀裂等の発生も見られず、非常に均一で密着強度の高い状態で形成されている。 An electron micrograph of the cross section of the electrochemical device E according to Example 2 thus obtained is shown in FIG. 4 (2500 times). As shown in FIG. 4, in the electrochemical device E according to Example 2, the reaction prevention layer 5 (intermediate layer) is formed in contact with the electrolyte layer upper side surface 4a of the electrolyte layer 4, and the uneven structure portion S reacts. It is in contact with the prevention layer 5. The surface of the reaction prevention layer 5 on the counter electrode layer 6 side (the intermediate layer upper side surface 5a) is formed flat. No peeling or cracking between layers was observed, and the layers were formed in a very uniform and high adhesive strength.

図4に示される様に、凹凸構造部位S2には、比較的大きい凹部A2と、凹部A3と、凸部B3とが含まれるが、その他にも様々な寸法の凹部と凸部とが多数含まれる。凹凸構造部位S3には、比較的大きい凹部A4と、凹部A5と、凸部B4とが含まれるが、その他にも様々な寸法の凹部と凸部とが多数含まれる。 As shown in FIG. 4, the concavo-convex structure portion S2 includes a relatively large concave portion A2, a concave portion A3, and a convex portion B3, but also includes a large number of concave portions and convex portions of various sizes. Be done. The concavo-convex structure portion S3 includes a relatively large concave portion A4, a concave portion A5, and a convex portion B4, but also includes a large number of concave portions and convex portions of various sizes.

以下、凹凸構造部位S2の凹部A2について、その頂点C2と地点P3との間の位置関係について説明する。地点P3は、頂点C2の図中右上側の地点である。頂点C2と地点P3との間の距離は、面内方向(X方向)の距離L2が3.08μmであり、高さ方向(Y方向)の距離H2が0.98μmである。そうすると地点P3は、凹部A2の頂点C2からみて、面内方向の距離(L2)が5μm以内で、高さの差(H2)が0.5μm以上である地点である。 The positional relationship between the vertex C2 and the point P3 of the recess A2 of the uneven structure portion S2 will be described below. The point P3 is a point on the upper right side in the figure of the vertex C2. Regarding the distance between the vertex C2 and the point P3, the distance L2 in the in-plane direction (X direction) is 3.08 μm, and the distance H2 in the height direction (Y direction) is 0.98 μm. Then, the point P3 is a point where the distance (L2) in the in-plane direction is within 5 μm and the height difference (H2) is 0.5 μm or more when viewed from the vertex C2 of the recess A2.

つまり実施例2の電気化学素子Eでは、凹部A2の頂点C2からの面内方向の距離(L2)が5μm以内の地点であって、凹部A2の頂点C2との高さの差(H2)が0.5μm以上である地点P3が、凹凸構造部位S2に含まれるといえる。 That is, in the electrochemical device E of Example 2, the distance (L2) in the in-plane direction from the vertex C2 of the recess A2 is within 5 μm, and the height difference (H2) from the vertex C2 of the recess A2 is It can be said that the point P3 that is 0.5 μm or more is included in the uneven structure portion S2.

次に、凹凸構造部位S2の凹部A3と凸部B3について、その頂点C3と頂点D2との間の位置関係について説明する。頂点C3と頂点D2との間の距離は、面内方向(X方向)の距離L3が3.04μmであり、高さ方向(Y方向)の距離H3が1.36μmである。そうすると頂点D2は、凹部A3の頂点C3からみて、面内方向の距離(L3)が5μm以内で、高さの差(H3)が0.5μm以上である地点(P5)である。また逆に頂点C3は、凸部B3の頂点D2からみて、面内方向の距離(L3)が5μm以内で、高さの差(H3)が0.5μm以上である地点(P4)である。 Next, the positional relationship between the vertices C3 and D2 of the concave portions A3 and the convex portions B3 of the uneven structure portion S2 will be described. Regarding the distance between the vertex C3 and the vertex D2, the distance L3 in the in-plane direction (X direction) is 3.04 μm, and the distance H3 in the height direction (Y direction) is 1.36 μm. Then, the vertex D2 is a point (P5) where the distance (L3) in the in-plane direction is within 5 μm and the height difference (H3) is 0.5 μm or more when viewed from the vertex C3 of the recess A3. On the contrary, the vertex C3 is a point (P4) where the distance (L3) in the in-plane direction is within 5 μm and the height difference (H3) is 0.5 μm or more when viewed from the vertex D2 of the convex portion B3.

つまり実施例2の電気化学素子Eでは、凹部A3の頂点C3からの面内方向の距離(L3)が5μm以内の地点であって、凹部A3の頂点C3との高さの差(H3)が0.5μm以上である地点P5と、凸部B3の頂点D2からの面内方向の距離(L3)が5μm以内の地点であって、凸部B3の頂点D2との高さの差(H3)が0.5μm以上である地点P4とが、凹凸構造部位S2に含まれるといえる。 That is, in the electrochemical device E of Example 2, the distance (L3) in the in-plane direction from the apex C3 of the recess A3 is within 5 μm, and the height difference (H3) from the apex C3 of the recess A3 is A height difference (H3) between a point P5 that is 0.5 μm or more and a point (L3) within 5 μm in the in-plane direction from the vertex D2 of the convex portion B3, and the vertex D2 of the convex portion B3. It can be said that the point P4 where is 0.5 μm or more is included in the uneven structure portion S2.

続いて、凹凸構造部位S3の凹部A5と凸部B4について、その頂点C5と頂点D3との間の位置関係について説明する。頂点C5と頂点D3との間の距離は、面内方向(X方向)の距離L4が3.55μmであり、高さ方向(Y方向)の距離H4が0.98μmである。そうすると頂点D3は、凹部A5の頂点C5からみて、面内方向の距離(L4)が5μm以内で、高さの差(H4)が0.5μm以上である地点(P7)である。また逆に頂点C5は、凸部B4の頂点D3からみて、面内方向の距離(L4)が5μm以内で、高さの差(H4)が0.5μm以上である地点(P6)である。 Next, the positional relationship between the vertices C5 and D3 of the concave portions A5 and the convex portions B4 of the uneven structure portion S3 will be described. Regarding the distance between the vertex C5 and the vertex D3, the distance L4 in the in-plane direction (X direction) is 3.55 μm, and the distance H4 in the height direction (Y direction) is 0.98 μm. Then, the vertex D3 is a point (P7) where the distance (L4) in the in-plane direction is within 5 μm and the height difference (H4) is 0.5 μm or more when viewed from the vertex C5 of the recess A5. Conversely, the vertex C5 is a point (P6) where the distance (L4) in the in-plane direction is within 5 μm and the height difference (H4) is 0.5 μm or more when viewed from the vertex D3 of the convex portion B4.

つまり実施例2の電気化学素子Eでは、凹部A5の頂点C5からの面内方向の距離(L4)が5μm以内の地点であって、凹部A5の頂点C5との高さの差(H4)が0.5μm以上である地点P7と、凸部B4の頂点D3からの面内方向の距離(L4)が5μm以内の地点であって、凸部B4の頂点D3との高さの差(H4)が0.5μm以上である地点P6とが、凹凸構造部位S3に含まれるといえる。 That is, in the electrochemical device E of Example 2, the distance (L4) in the in-plane direction from the vertex C5 of the recess A5 is within 5 μm, and the height difference (H4) from the vertex C5 of the recess A5 is The height difference (H4) between a point P7 that is 0.5 μm or more and a point (L4) within 5 μm in the in-plane direction from the vertex D3 of the convex portion B4 and the vertex D3 of the convex portion B4. It can be said that the point P6 where is 0.5 μm or more is included in the uneven structure portion S3.

また図4に示された各点の間の高さ方向の距離H2、H3およびH4のうち、H3が一番大きく1.36μmである。一方、図4に示された電解質層4の厚さT2は、6.26μmである。距離H3は、厚さT2の21%にあたる。従って実施例2の電気化学素子Eでは、凹凸構造部位における高さ方向の幅が、電解質層4の厚さの5%以上であるといえる。 Of the distances H2, H3, and H4 in the height direction between the points shown in FIG. 4, H3 is the largest and is 1.36 μm. On the other hand, the thickness T2 of the electrolyte layer 4 shown in FIG. 4 is 6.26 μm. The distance H3 corresponds to 21% of the thickness T2. Therefore, in the electrochemical device E of Example 2, it can be said that the width in the height direction of the uneven structure portion is 5% or more of the thickness of the electrolyte layer 4.

また図4に示される、反応防止層5における対極電極層6の側の面(中間層上側面5a)の高さ方向の幅Wは、0.65μm(図4に示された反応防止層5における対極電極層6の側の面の高さ方向の幅の最大値)である。一方、凹凸構造部位S2における頂点C3と頂点D2との間の高さ方向の距離H3は、上述の通り1.36μm(図4に示された凹凸構造部位における高さ方向の幅の最大値)である。従って実施例2の電気化学素子Eでは、反応防止層5における対極電極層6の側の面(中間層上側面5a)の高さ方向の幅の最大値(W)が、凹凸構造部位Sにおける高さ方向の幅の最大値(H3)よりも小さいことが分かる。 Further, the width W in the height direction of the surface (intermediate layer upper side surface 5a) on the counter electrode layer 6 side of the reaction preventing layer 5 shown in FIG. 4 is 0.65 μm (the reaction preventing layer 5 shown in FIG. Is the maximum value of the width in the height direction of the surface of the counter electrode layer 6 side. On the other hand, the distance H3 in the height direction between the vertices C3 and D2 in the uneven structure portion S2 is 1.36 μm as described above (the maximum width in the height direction in the uneven structure portion shown in FIG. 4). Is. Therefore, in the electrochemical device E of Example 2, the maximum value (W) of the width in the height direction of the surface of the reaction prevention layer 5 on the side of the counter electrode layer 6 (the intermediate layer upper side surface 5a) is at the uneven structure portion S. It can be seen that it is smaller than the maximum value (H3) of the width in the height direction.

なお凹凸構造部位Sに、凹部Aの頂点Cからの面内方向の距離が5μm以内の地点であって、凹部Aの頂点Cとの高さの差が0.5μm以上である地点や、凸部Bの頂点Dからの面内方向の距離が5μm以内の地点であって、凸部Bの頂点Dとの高さの差が0.5μm以上である地点が含まれるということは、凹凸構造部位Sに傾斜が急峻な領域が含まれることを意味する。詳しくは、凹凸構造部位Sに傾斜(=高さの差/面内方向の距離)が10%以上となる領域が含まれることを意味する。このように傾斜が急峻な領域が、電解質層4と対極電極層6、あるいは電解質層4と反応防止層5(中間層)との間の密着強度を高めていると考えられる。 In the concave-convex structure portion S, the distance from the apex C of the recess A in the in-plane direction is within 5 μm, and the height difference from the apex C of the recess A is 0.5 μm or more. The fact that the distance in the in-plane direction from the apex D of the part B is within 5 μm and the height difference between the apex D of the convex part B and the apex D is 0.5 μm or more is included. This means that the part S includes a region having a steep slope. Specifically, it means that the uneven structure portion S includes a region having an inclination (=height difference/in-plane direction distance) of 10% or more. It is considered that such a steep region enhances the adhesion strength between the electrolyte layer 4 and the counter electrode layer 6, or between the electrolyte layer 4 and the reaction prevention layer 5 (intermediate layer).

また図4から明らかな通り、電解質層4と反応防止層5とを合わせた厚さは、ほぼ一定となっており、両層の厚さの環の変動幅は、上述のW(=0.65μm)と同程度である。すなわち実施例2の電気化学素子Eでは、電解質層4と反応防止層5(中間層)の厚さの和の変動幅が、20μmの面内幅のうちで2μm以下であるように構成されている。なお面内幅とは、面内方向の幅を意味する。 Further, as is clear from FIG. 4, the total thickness of the electrolyte layer 4 and the reaction prevention layer 5 is substantially constant, and the fluctuation range of the rings of the thicknesses of both layers is W (=0. 65 μm). That is, in the electrochemical device E of Example 2, the variation width of the sum of the thicknesses of the electrolyte layer 4 and the reaction preventing layer 5 (intermediate layer) is configured to be 2 μm or less in the in-plane width of 20 μm. There is. The in-plane width means the width in the in-plane direction.

実施例2と同様にして作製した電気化学素子の電解質層表面の10μm角の範囲の任意の15カ所について、レーザー顕微鏡による画像処理で表面粗さ(Sa)を測定したところ、0.57μm、0.53μm、0.50μm、0.44μm、0.44μm、0.37μm、0.34μm、0.34μm、0.32μm、0.30μm、0.25μm、0.25μm、0.24μm、0.23μm、0.22μmであり、前記凹凸構造部位に、表面粗さ(Sa)が0.3μm以上である部分が10カ所含まれていた。 When the surface roughness (Sa) was measured by image processing with a laser microscope at 15 arbitrary points within the range of 10 μm square on the surface of the electrolyte layer of the electrochemical device produced in the same manner as in Example 2, it was 0.57 μm, 0. 0.53 μm, 0.50 μm, 0.44 μm, 0.44 μm, 0.37 μm, 0.34 μm, 0.34 μm, 0.32 μm, 0.30 μm, 0.25 μm, 0.25 μm, 0.24 μm, 0.23 μm , 0.22 μm, and the concavo-convex structure portion included 10 portions having a surface roughness (Sa) of 0.3 μm or more.

実施例2と同様にして作製した電気化学素子の中間層表面の10μm角の範囲の任意の15カ所について、レーザー顕微鏡による画像処理で表面粗さ(Sa)を測定したところ、0.08μm、0.09μm、0.09μm、0.09μm、0.10μm、0.10μm、0.10μm、0.10μm、0.11μm、0.13μm、0.14μm、0.15μm、0.17μm、0.20μm、0.28μmであり、中間層上側面の表面粗さ(Sa)が0.3μm未満であった。 When the surface roughness (Sa) was measured by image processing with a laser microscope at 15 arbitrary points in the range of 10 μm square on the surface of the intermediate layer of the electrochemical device produced in the same manner as in Example 2, it was 0.08 μm, 0. 0.09 μm, 0.09 μm, 0.09 μm, 0.10 μm, 0.10 μm, 0.10 μm, 0.10 μm, 0.11 μm, 0.13 μm, 0.14 μm, 0.15 μm, 0.17 μm, 0.20 μm , 0.28 μm, and the surface roughness (Sa) of the upper surface of the intermediate layer was less than 0.3 μm.

<第2実施形態>
図5・図6を用いて、第2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 element E, the electrochemical module M, the electrochemical device Y, and the energy system Z according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6.

第2実施形態に係る電気化学素子Eは、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。 In the electrochemical device E according to the second embodiment, a U-shaped member 7 is attached to the back surface of the metal substrate 1, and the metal substrate 1 and the U-shaped member 7 form a tubular support.

そして集電部材26を間に挟んで電気化学素子Eが複数積層されて、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の対極電極層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 by stacking a plurality of electrochemical elements E with the current collecting member 26 interposed therebetween. The current collecting member 26 is joined to the counter electrode layer 6 of the electrochemical device E and the U-shaped member 7 and electrically connects the both.

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27および電流引出し部28を有する。複数積層された電気化学素子Eは、筒状支持体の一方の開口端部がガスマニホールド17に接続されて、ガスマニホールド17から気体の供給を受ける。供給された気体は、筒状支持体の内部を通流し、金属基板1の貫通孔1aを通って電極層2に供給される。 The electrochemical module M has a gas manifold 17, a current collecting member 26, a terminating member 27, and a current drawing portion 28. In the electrochemical devices E having a plurality of layers stacked, one open end of the tubular support is connected to the gas manifold 17, and gas is supplied from the gas manifold 17. The supplied gas flows through the inside of the tubular support, and is supplied to the electrode layer 2 through the through holes 1 a of the metal substrate 1.

図6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。
An overview of the energy system Z and the electrochemical device Y is shown in FIG.
The energy system Z includes an electrochemical device Y and a heat exchanger 53 as an exhaust heat utilization unit that reuses the heat exhausted from the electrochemical device Y.
The electrochemical device Y includes an electrochemical module M, a fuel supply unit that includes a desulfurizer 31 and a reformer 34, and supplies a fuel gas containing a reducing component to the electrochemical module M, and the 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) the sulfur compound component contained in the hydrocarbon-based raw fuel such as city gas. When the raw fuel contains a sulfur compound, the influence of the sulfur compound on the reformer 34 or the electrochemical element E can be suppressed by providing the desulfurizer 31. The vaporizer 33 produces steam from the reforming water supplied from the reforming 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 cause an electrochemical reaction to generate electricity. The combustion unit 36 mixes the reaction exhaust gas discharged from the electrochemical module M with air to burn combustible components 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 has a plurality of electrochemical elements E and a gas manifold 17.
The plurality of electrochemical devices E are arranged in parallel while being electrically connected to each other, and one end (lower end) of the electrochemical device E is fixed to the gas manifold 17. The electrochemical element E electrochemically reacts the reformed gas supplied through the gas manifold 17 with the air supplied from the blower 35 to generate electric power.

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 housed in a housing container 40. Then, 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 section 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 passage 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 passage 44 by the operation of the reforming water pump 43. The raw fuel supply passage 42 is joined to the reforming water supply passage 44 at a site downstream of the desulfurizer 31, and the reforming water and the raw fuel joined outside the storage container 40 are stored in the storage container. It is supplied to the vaporizer 33 provided in 40.

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 to become 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 passage 45. The raw fuel is steam-reformed in the reformer 34, and reformed gas containing hydrogen gas as a main component (first gas having a reducing component) is generated. The reformed gas generated by the reformer 34 is supplied to the gas manifold 17 of the electrochemical module M through the reformed gas supply passage 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 connecting portion between the electrochemical elements E and the gas manifold 17. Mainly hydrogen (reducing component) in the reformed gas is used for the electrochemical reaction in the electrochemical device E. The reaction exhaust gas containing the residual hydrogen gas that has not been used in 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 section 36, becomes combustion exhaust gas, and is discharged from the combustion exhaust gas discharge port 50 to the outside of the storage container 40. A combustion catalyst unit 51 (for example, a platinum-based catalyst) is arranged 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 discharge port 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 the residual hydrogen gas that has not been used in the reaction in the electrochemical device E. In the reaction exhaust gas utilization part, the remaining hydrogen gas is utilized to utilize heat by combustion and power generation by a fuel cell or the like to effectively utilize energy.

<第3実施形態>
図7に、電気化学モジュールMの他の実施形態を示す。第3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、すなわち電解質層上側面に凹凸構造部位を有する電気化学素子Eを、セル間接続部材71を間に挟んで積層することで、電気化学モジュールMを構成する。
<Third Embodiment>
FIG. 7 shows another embodiment of the electrochemical module M. The electrochemical module M according to the third embodiment is formed by stacking the above-mentioned electrochemical element E, that is, the electrochemical element E having an uneven structure portion on the upper surface of the electrolyte layer with the inter-cell connecting member 71 interposed therebetween. , Constitutes the electrochemical module M.

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 connecting member 71 is a plate-shaped member that has conductivity and does not have gas permeability, and has grooves 72 that are orthogonal to each other on the front surface and the back surface. For the inter-cell connecting member 71, a metal such as stainless steel or a metal oxide can be used.

図7に示すように、このセル間接続部材71を間に挟んで電気化学素子Eを積層すると、溝72を通じて気体を電気化学素子Eに供給することができる。詳しくは一方の溝72が第1気体流路72aとなり、電気化学素子Eの表側、すなわち対極電極層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を通じて電極層2へ気体を供給する。 As shown in FIG. 7, when the electrochemical device E is stacked with the inter-cell connecting member 71 interposed therebetween, gas can be supplied to the electrochemical device E through the groove 72. Specifically, one of the grooves 72 serves as the first gas flow path 72a and supplies gas to the front side of the electrochemical element E, that is, the counter electrode layer 6. The other groove 72 serves as the second gas flow path 72b, and gas is supplied to the electrode layer 2 from the back surface of the electrochemical element E, that is, the back surface of the metal substrate 1 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 the 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 device E, and electromotive force/current is generated. The generated electric power is extracted to the outside of the electrochemical module M from the inter-cell connecting members 71 on both ends of the stacked electrochemical elements E.

なお、本第3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 third embodiment, the grooves 72 that are orthogonal to each other are formed on the front surface and the back surface of the inter-cell connection member 71, but the grooves 72 that are parallel to each other are formed on the front surface and the back surface of the inter-cell connection member 71. You can also

(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 device E is used in a solid oxide fuel cell, but the electrochemical device E is used in a solid oxide electrolytic cell, an oxygen sensor using solid oxide, and the like. You can also do it.

(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、電極層2もしくは対極電極層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、電極層2もしくは対極電極層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 support type solid oxide fuel cell using the metal substrate 1 as a support is used, but in the present application, the electrode support using the electrode layer 2 or the counter electrode layer 6 as a support is used. Type solid oxide fuel cells and electrolyte-supported solid oxide fuel cells having the electrolyte layer 4 as a support. In those cases, the electrode layer 2 or the counter electrode layer 6 or the electrolyte layer 4 can be made to have a required thickness so that the function as a support can be obtained.

(3)上記の実施形態では、電極層2の材料として例えばNiO−GDC、Ni−GDC、NiO−YSZ、Ni−YSZ、CuO−CeO2、Cu−CeO2などの複合材を用い、対極電極層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、電極層2に水素ガスを供給して燃料極(アノード)とし、対極電極層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、電極層2を空気極とし、対極電極層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、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、対極電極層6の材料として例えばNiO−GDC、Ni−GDC、NiO−YSZ、Ni−YSZ、CuO−CeO2、Cu−CeO2などの複合材を用いる。このように構成した電気化学素子Eであれば、電極層2に空気を供給して空気極とし、対極電極層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 material of the electrode layer 2, Ni-GDC, NiO- YSZ, Ni-YSZ, a composite material such as CuO-CeO 2, Cu-CeO 2 used, the counter electrode As the material of the layer 6, a complex oxide such as LSCF or LSM is used. The electrochemical element E configured as described above is a solid oxide type in which hydrogen gas is supplied to the electrode layer 2 to serve as a fuel electrode (anode) and air is supplied to the counter electrode layer 6 to serve as an air electrode (cathode). It can be used as a fuel cell. It is also possible to change this configuration and configure the electrochemical element E so that the electrode layer 2 can be used as the air electrode and the counter electrode layer 6 can be used as the fuel electrode. That is, for example, a composite oxide such as LSCF or LSM is used as the material of the electrode layer 2, and NiO-GDC, Ni-GDC, NiO-YSZ, Ni-YSZ, CuO-CeO 2 , or Cu is used as the material of the counter electrode layer 6. -A composite material such as CeO 2 is used. In the case of the electrochemical element E configured in this way, air is supplied to the electrode layer 2 to serve as an air electrode, and hydrogen gas is supplied to the counter electrode layer 6 to serve as a fuel electrode. It can be used as a 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 occurs. Further, the embodiments disclosed in the present specification are exemplifications, and the embodiments of the present invention are not limited thereto, and can be appropriately modified within a range not 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 device 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 :緩衝層(挿入層)
4 :電解質層
4a :電解質層上側面
5 :反応防止層(中間層)
5a :中間層上側面
6 :対極電極層
A :凹部
B :凸部
C :頂点
D :頂点
E :電気化学素子
M :電気化学モジュール
S :凹凸構造部位
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: Buffer layer (insertion layer)
4: electrolyte layer 4a: upper surface of electrolyte layer 5: reaction preventive layer (intermediate layer)
5a: upper surface of intermediate layer 6: counter electrode layer A: concave portion B: convex portion C: vertex D: vertex E: electrochemical element M: electrochemical module S: concave-convex structure portion Y: electrochemical device Z: energy system

上記目的を達成するための本発明に係る電気化学素子の特徴構成は、少なくとも電極層と電解質層と対極電極層とを有し、前記電解質層は、材料が金属酸化物であり、前記電極層と前記対極電極層との間に配置されており、前記電解質層における少なくとも前記対極電極層の側である電解質層上側面に、凹部または凸部が1つ以上含まれる凹凸構造部位が形成されており、前記電解質層と前記対極電極層との間に配置される中間層を有し、前記中間層は前記電解質層の前記電解質層上側面に接触して形成され、前記凹凸構造部位が前記中間層に接触しており、前記中間層は前記対極電極層に接触して形成されており、前記電解質層に垂直な方向を高さ方向とした場合に、前記中間層における前記対極電極層の側の面である中間層上側面の高さ方向の幅の最大値が、前記凹凸構造部位における高さ方向の幅の最大値よりも小さい点にある。 Characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention to achieve the above object, at least an electrode layer, an electrolyte layer and a counter electrode layer, the electrolyte layer, the material is a metal oxide, the electrode layer And the counter electrode layer, and at least on the electrolyte layer upper surface of the electrolyte layer on the side of the counter electrode layer in the electrolyte layer, a concave-convex structure portion including one or more recesses or protrusions is formed. And an intermediate layer disposed between the electrolyte layer and the counter electrode layer, the intermediate layer is formed in contact with the electrolyte layer upper side surface of the electrolyte layer, the uneven structure portion is the intermediate In contact with the layer, the intermediate layer is formed in contact with the counter electrode layer, when the direction perpendicular to the electrolyte layer is the height direction, the side of the counter electrode layer in the intermediate layer. The maximum value of the width in the height direction of the upper surface of the intermediate layer, which is the surface, is smaller than the maximum value of the width in the height direction of the uneven structure portion .

発明者らは鋭意検討の末、従来とは異なり、電解質層における少なくとも対極電極層の側である電解質層上側面に、凹部または凸部が1つ以上含まれる凹凸構造部位を形成することに思い至った。そしてこのように電気化学素子を構成することで、凹凸構造部位の存在によって、電解質層と対極電極層(もしくは中間層)との接触面積を増大させ、層間の密着強度を高めることができるとともに、各種の応力を緩和できる、信頼性・耐久性を向上しつつ、高い性能を得ることができる。
特に、薄膜の電解質層を有する電気化学素子では、信頼性・耐久性の確保が課題であり、その効果は大きい。また、金属基板を支持体として、その上に薄層の電気化学素子を形成する場合には、従来のような1400℃程度以上の高温焼成による緻密な電解質層の形成手法が使えないため、その信頼性・耐久性と性能・強度の確保の課題は大きかったが、本手法により、大きな効果が得られる。
The inventors of the present invention have, after intensive studies, thought that, unlike the prior art, forming a concavo-convex structure portion including at least one concave portion or convex portion on the upper surface of the electrolyte layer, which is at least the counter electrode layer side in the electrolyte layer. I arrived. By configuring the electrochemical element in this way, the presence of the uneven structure portion can increase the contact area between the electrolyte layer and the counter electrode layer (or the intermediate layer), and increase the adhesion strength between the layers. High performance can be obtained while relaxing various stress and improving reliability and durability.
In particular, in an electrochemical device having a thin electrolyte layer, securing reliability and durability is a problem, and its effect is great. Further, when a thin-layer electrochemical device is formed on a metal substrate as a support, the conventional method for forming a dense electrolyte layer by high-temperature firing at about 1400° C. or higher cannot be used. Although there were major issues in securing reliability/durability and performance/strength, this method produces a great effect.

上記の特徴構成によれば、電解質層の凹凸構造部位が中間層に接触しているから、電解質層と中間層との間の密着強度を高めることができるとともに、各種の応力を緩和し、信頼性・耐久性を向上しつつ、高い性能を得ることができるので好適である。
ここで、中間層は電解質層ほどの緻密度は不要であるため、中間層はある程度ポーラスにすることが可能であり、多孔質な対極電極層と中間層との間ではある程度応力の緩和効果があるため、対極電極層の側の面である中間層上側面を平坦にし、応力緩和効果よりも、対極電極層の積層のしやすさを優先することが可能となり、対極電極層の形成が容易で、かつ、信頼性・耐久性及び性能に優れた電気化学素子を得ることができるので好適である
本発明では、前記中間層は前記対極電極層に接触して形成されており、前記電解質層に垂直な方向を高さ方向とした場合に、前記中間層における前記対極電極層の側の面である中間層上側面の高さ方向の幅の最大値が、前記凹凸構造部位における高さ方向の幅の最大値よりも小さくなるよう構成されると、対極電極層の形成が容易で、かつ、信頼性・耐久性及び性能に優れた電気化学素子を得ることができるので好適である。
According to the above characteristic configuration, since the uneven structure portion of the electrolyte layer is in contact with the intermediate layer, it is possible to increase the adhesion strength between the electrolyte layer and the intermediate layer, relax various stresses, and improve reliability. It is preferable because high performance can be obtained while improving the durability and durability.
Here, the intermediate layer does not need to be as dense as the electrolyte layer, so that the intermediate layer can be made porous to some extent, and a stress relaxation effect may be provided to some extent between the porous counter electrode layer and the intermediate layer. Therefore, it is possible to flatten the upper surface of the intermediate layer, which is the surface on the side of the counter electrode layer, and prioritize the ease of stacking the counter electrode layer over the stress relaxation effect, which facilitates the formation of the counter electrode layer. In addition, it is preferable because an electrochemical element having excellent reliability, durability and performance can be obtained .
In the present invention, the intermediate layer is formed in contact with the counter electrode layer, when the direction perpendicular to the electrolyte layer is the height direction, on the surface of the intermediate layer on the counter electrode layer side. When the maximum value of the width in the height direction of the intermediate layer upper side surface is configured to be smaller than the maximum value of the width in the height direction of the concavo-convex structure portion, it is easy to form the counter electrode layer, and It is preferable because an electrochemical element excellent in reliability, durability and performance can be obtained.

上記目的を達成するための本発明に係る電気化学素子の特徴構成は、少なくとも電極層と電解質層と対極電極層とを有し、前記電解質層は、材料が金属酸化物であり、前記電極層と前記対極電極層との間に配置されており、前記電解質層における少なくとも前記対極電極層の側である電解質層上側面に、凹部または凸部が1つ以上含まれる凹凸構造部位が形成されており、前記電解質層と前記対極電極層との間に配置される中間層を有し、前記中間層は前記電解質層の前記電解質層上側面に接触して形成され、前記凹凸構造部位が前記中間層に接触しており、前記中間層は前記対極電極層に接触して形成されており、前記中間層における前記対極電極層の側の面である中間層上側面の表面粗さ(Sa)が0.3μm未満である点にある。Characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention to achieve the above object, at least an electrode layer, an electrolyte layer and a counter electrode layer, the electrolyte layer, the material is a metal oxide, the electrode layer And the counter electrode layer, and at least on the electrolyte layer upper surface of the electrolyte layer on the side of the counter electrode layer in the electrolyte layer, a concave-convex structure portion including one or more recesses or protrusions is formed. And an intermediate layer disposed between the electrolyte layer and the counter electrode layer, the intermediate layer is formed in contact with the electrolyte layer upper side surface of the electrolyte layer, the uneven structure portion is the intermediate The intermediate layer is formed in contact with the counter electrode layer, and the surface roughness (Sa) of the upper surface of the intermediate layer, which is the surface of the intermediate layer on the counter electrode layer side, is It is less than 0.3 μm.

発明者らは鋭意検討の末、従来とは異なり、電解質層における少なくとも対極電極層の側である電解質層上側面に、凹部または凸部が1つ以上含まれる凹凸構造部位を形成することに思い至った。そしてこのように電気化学素子を構成することで、凹凸構造部位の存在によって、電解質層と対極電極層(もしくは中間層)との接触面積を増大させ、層間の密着強度を高めることができるとともに、各種の応力を緩和できる、信頼性・耐久性を向上しつつ、高い性能を得ることができる。The inventors of the present invention have, after intensive studies, thought that, unlike the prior art, forming a concavo-convex structure portion including at least one concave portion or convex portion on the upper surface of the electrolyte layer, which is at least the counter electrode layer side in the electrolyte layer. I arrived. By configuring the electrochemical element in this way, the presence of the uneven structure portion can increase the contact area between the electrolyte layer and the counter electrode layer (or the intermediate layer), and increase the adhesion strength between the layers. High performance can be obtained while relaxing various stress and improving reliability and durability.
特に、薄膜の電解質層を有する電気化学素子では、信頼性・耐久性の確保が課題であり、その効果は大きい。また、金属基板を支持体として、その上に薄層の電気化学素子を形成する場合には、従来のような1400℃程度以上の高温焼成による緻密な電解質層の形成手法が使えないため、その信頼性・耐久性と性能・強度の確保の課題は大きかったが、本手法により、大きな効果が得られる。In particular, in an electrochemical device having a thin electrolyte layer, securing reliability and durability is a problem, and its effect is great. Further, when a thin-layer electrochemical device is formed on a metal substrate as a support, the conventional method for forming a dense electrolyte layer by high-temperature firing at about 1400° C. or higher cannot be used. Although there were major issues in securing reliability/durability and performance/strength, this method produces a great effect.

上記の特徴構成によれば、電解質層の凹凸構造部位が中間層に接触しているから、電解質層と中間層との間の密着強度を高めることができるとともに、各種の応力を緩和し、信頼性・耐久性を向上しつつ、高い性能を得ることができるので好適である。
ここで、中間層は電解質層ほどの緻密度は不要であるため、中間層はある程度ポーラスにすることが可能であり、多孔質な対極電極層と中間層との間ではある程度応力の緩和効果があるため、対極電極層の側の面である中間層上側面を平坦にし、応力緩和効果よりも、対極電極層の積層のしやすさを優先することが可能となり、対極電極層の形成が容易で、かつ、信頼性・耐久性及び性能に優れた電気化学素子を得ることができるので好適である
また本発明では、前記中間層は前記対極電極層に接触して形成されており、前記中間層における前記対極電極層の側の面である中間層上側面の表面粗さ(Sa)が、0.3μm未満であるよう構成されると、対極電極層の形成が容易で、かつ、信頼性・耐久性及び性能に優れた電気化学素子を得ることができるので好適である。なお、本願での表面粗さ(Sa)は10μm角の範囲での値としている。
According to the above characteristic configuration, since the uneven structure portion of the electrolyte layer is in contact with the intermediate layer, it is possible to increase the adhesion strength between the electrolyte layer and the intermediate layer, relax various stresses, and improve reliability. It is preferable because high performance can be obtained while improving the durability and durability.
Here, the intermediate layer does not need to be as dense as the electrolyte layer, so that the intermediate layer can be made porous to some extent, and a stress relaxation effect may be provided to some extent between the porous counter electrode layer and the intermediate layer. Therefore, it is possible to flatten the upper surface of the intermediate layer, which is the surface on the side of the counter electrode layer, and prioritize the ease of stacking the counter electrode layer over the stress relaxation effect, which facilitates the formation of the counter electrode layer. In addition, it is preferable because an electrochemical element having excellent reliability, durability and performance can be obtained .
Further, in the present invention, the intermediate layer is formed in contact with the counter electrode layer, and the surface roughness (Sa) of the intermediate layer upper side surface, which is the surface of the intermediate layer on the counter electrode layer side, is 0. When the thickness is less than 0.3 μm, the counter electrode layer can be easily formed, and an electrochemical element excellent in reliability, durability and performance can be obtained, which is preferable. The surface roughness (Sa) in the present application is a value in the range of 10 μm square.

上記目的を達成するための本発明に係る電気化学素子の特徴構成は、少なくとも電極層と電解質層と対極電極層とを有し、前記電解質層は、材料が金属酸化物であり、前記電極層と前記対極電極層との間に配置されており、前記電解質層における少なくとも前記対極電極層の側である電解質層上側面に、凹部または凸部が1つ以上含まれる凹凸構造部位が形成されており、前記電解質層と前記対極電極層との間に配置される中間層を有し、前記中間層は前記電解質層の前記電解質層上側面に接触して形成され、前記凹凸構造部位が前記中間層に接触しており、前記電解質層と前記中間層の厚さの和の変動幅が20μmの面内幅のうちで2μm以下である点にある。Characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention to achieve the above object, at least an electrode layer, an electrolyte layer and a counter electrode layer, the electrolyte layer, the material is a metal oxide, the electrode layer And the counter electrode layer, and at least on the electrolyte layer upper surface of the electrolyte layer on the side of the counter electrode layer in the electrolyte layer, a concave-convex structure portion including one or more recesses or protrusions is formed. And an intermediate layer disposed between the electrolyte layer and the counter electrode layer, the intermediate layer is formed in contact with the electrolyte layer upper side surface of the electrolyte layer, the uneven structure portion is the intermediate It is in contact with the layer, and the variation width of the sum of the thicknesses of the electrolyte layer and the intermediate layer is 2 μm or less in the in-plane width of 20 μm.

発明者らは鋭意検討の末、従来とは異なり、電解質層における少なくとも対極電極層の側である電解質層上側面に、凹部または凸部が1つ以上含まれる凹凸構造部位を形成することに思い至った。そしてこのように電気化学素子を構成することで、凹凸構造部位の存在によって、電解質層と対極電極層(もしくは中間層)との接触面積を増大させ、層間の密着強度を高めることができるとともに、各種の応力を緩和できる、信頼性・耐久性を向上しつつ、高い性能を得ることができる。The inventors of the present invention have, after intensive studies, thought that, unlike the prior art, forming a concavo-convex structure portion including at least one concave portion or convex portion on the upper surface of the electrolyte layer, which is at least the counter electrode layer side in the electrolyte layer. I arrived. By configuring the electrochemical element in this way, the presence of the uneven structure portion can increase the contact area between the electrolyte layer and the counter electrode layer (or the intermediate layer), and increase the adhesion strength between the layers. High performance can be obtained while relaxing various stress and improving reliability and durability.

特に、薄膜の電解質層を有する電気化学素子では、信頼性・耐久性の確保が課題であり、その効果は大きい。また、金属基板を支持体として、その上に薄層の電気化学素子を形成する場合には、従来のような1400℃程度以上の高温焼成による緻密な電解質層の形成手法が使えないため、その信頼性・耐久性と性能・強度の確保の課題は大きかったが、本手法により、大きな効果が得られる。In particular, in an electrochemical device having a thin electrolyte layer, securing reliability and durability is a problem, and its effect is great. Further, when a thin-layer electrochemical device is formed on a metal substrate as a support, the conventional method for forming a dense electrolyte layer by high-temperature firing at about 1400° C. or higher cannot be used. Although there were major issues in securing reliability/durability and performance/strength, this method produces a great effect.

上記の特徴構成によれば、電解質層の凹凸構造部位が中間層に接触しているから、電解質層と中間層との間の密着強度を高めることができるとともに、各種の応力を緩和し、信頼性・耐久性を向上しつつ、高い性能を得ることができるので好適である。
ここで、中間層は電解質層ほどの緻密度は不要であるため、中間層はある程度ポーラスにすることが可能であり、多孔質な対極電極層と中間層との間ではある程度応力の緩和効果があるため、対極電極層の側の面である中間層上側面を平坦にし、応力緩和効果よりも、対極電極層の積層のしやすさを優先することが可能となり、対極電極層の形成が容易で、かつ、信頼性・耐久性及び性能に優れた電気化学素子を得ることができるので好適である
本発明では、前記電解質層と前記中間層の厚さの和の変動幅が20μmの面内幅のうちで2μm以下であるように構成されると、電解質層と中間層の積層部分全体の厚みが均一となり電気化学素子全体の厚みを均一化し易くなるので、電気化学素子を複数積層してモジュール化することが容易となり好適である。
According to the above characteristic configuration, since the uneven structure portion of the electrolyte layer is in contact with the intermediate layer, it is possible to increase the adhesion strength between the electrolyte layer and the intermediate layer, relax various stresses, and improve reliability. It is preferable because high performance can be obtained while improving the durability and durability.
Here, the intermediate layer does not need to be as dense as the electrolyte layer, so that the intermediate layer can be made porous to some extent, and a stress relaxation effect may be provided to some extent between the porous counter electrode layer and the intermediate layer. Therefore, it is possible to flatten the upper surface of the intermediate layer, which is the surface on the side of the counter electrode layer, and prioritize the ease of stacking the counter electrode layer over the stress relaxation effect, which facilitates the formation of the counter electrode layer. In addition, it is preferable because an electrochemical element having excellent reliability, durability and performance can be obtained .
In the present invention, when the variation width of the sum of the thicknesses of the electrolyte layer and the intermediate layer is 2 μm or less within the in-plane width of 20 μm, the thickness of the entire laminated portion of the electrolyte layer and the intermediate layer is Is uniform, and the thickness of the entire electrochemical device can be easily made uniform, so that a plurality of electrochemical devices can be easily laminated to form a module, which is preferable.

本発明では、前記電解質層に垂直な方向を高さ方向とし、前記高さ方向に直交する方向を面内方向とした場合に、In the present invention, when the direction perpendicular to the electrolyte layer is the height direction, and the direction orthogonal to the height direction is the in-plane direction,
前記凹部の頂点からの面内方向の距離が5μm以内の地点であって、前記凹部の頂点との高さの差が0.5μm以上である地点と、A point where the distance in the in-plane direction from the apex of the recess is within 5 μm, and a height difference from the apex of the recess is 0.5 μm or more;
前記凸部の頂点からの面内方向の距離が5μm以内の地点であって、前記凸部の頂点との高さの差が0.5μm以上である地点とのうち、少なくともどちらか1つの地点が前記凹凸構造部位に含まれるよう構成されると、電解質層の凹凸構造部位が対極電極層等の電解質層上の積層物と接触するため、電解質層と対極電極層等との間の密着強度を高めることができるとともに、各種の応力を緩和し、信頼性・耐久性を向上しつつ、高い性能を得ることができるので好適である。なお、上述の前記凹部の頂点との高さ、もしくは、前記凸部の頂点との高さの差が、3μm以下であると上記の効果を得ながら前記電解質層の上に対極電極層等を積層しやすくなるので好ましく、2μm以下であると対極電極層等の電解質層上の積層物を薄層化し易くなり対極電極層等の材料コストを低減できるのでより好ましい。At least one of a point where the distance in the in-plane direction from the apex of the convex portion is within 5 μm, and a height difference from the apex of the convex portion is 0.5 μm or more. When it is configured to be included in the uneven structure portion, since the uneven structure portion of the electrolyte layer comes into contact with the laminate on the electrolyte layer such as the counter electrode layer, the adhesion strength between the electrolyte layer and the counter electrode layer, etc. It is preferable since it is possible to obtain high performance while reducing the various stresses and improving reliability and durability. If the height difference from the apex of the concave portion or the height difference from the apex of the convex portion is 3 μm or less, a counter electrode layer or the like is formed on the electrolyte layer while obtaining the above effect. It is preferable that the thickness is 2 μm or less because the layered product on the electrolyte layer such as the counter electrode layer can be easily thinned and the material cost of the counter electrode layer and the like can be reduced.

また本発明では、前記電解質層に垂直な方向を高さ方向とした場合に、前記凹凸構造部位における高さ方向の幅が前記電解質層の厚さの5%以上となる部分が前記凹凸構造部位に含まれているよう構成されると、電解質層の凹凸構造部位が対極電極層等の電解質層上の積層物と接触するため、電解質層と対極電極層等との間の密着強度を高めることができるとともに、各種の応力を緩和し、信頼性・耐久性を向上しつつ、高い性能を得ることができるので好適であり、前記電解質層の厚さの10%以上となる部分が前記凹凸構造部位に含まれているよう構成されると、より上述の効果が大きく得られるのでより好適である。なお、上記の前記凹凸構造部位における高さ方向の幅が前記電解質層の厚さの30%以下であると、上記の効果を得ながら前記電解質層の上に対極電極層等を積層しやすくなるので好ましい。Further, in the present invention, when the direction perpendicular to the electrolyte layer is the height direction, a portion where the width in the height direction of the uneven structure portion is 5% or more of the thickness of the electrolyte layer is the uneven structure portion. If it is configured to be included in, the uneven structure portion of the electrolyte layer comes into contact with the laminate on the electrolyte layer such as the counter electrode layer, so that the adhesion strength between the electrolyte layer and the counter electrode layer, etc. is increased. In addition to being able to reduce stresses and improve reliability and durability, it is possible to obtain high performance, which is preferable, and the portion having a thickness of 10% or more of the thickness of the electrolyte layer is the uneven structure. It is more preferable to be configured to be included in the part because the above-described effect can be obtained more greatly. When the width in the height direction of the uneven structure portion is 30% or less of the thickness of the electrolyte layer, it becomes easy to stack a counter electrode layer or the like on the electrolyte layer while obtaining the above effects. Therefore, it is preferable.

また本発明では、前記凹凸構造部位に、表面粗さ(Sa)が0.3μm以上である部分が含まれるよう構成されると、電解質層の凹凸構造部位が対極電極層等の電解質層上の積層物と接触するため、電解質層と対極電極層等との間の密着強度を高めることができるとともに、各種の応力を緩和し、信頼性・耐久性を向上しつつ、高い性能を得ることができるので好適である。なお、本願での表面粗さ(Sa)は10μm角の範囲での値としている。なお、上記の前記表面粗さ(Sa)が1.5μm以下であると、上記の効果を得ながら前記電解質層の上に対極電極層等を積層しやすくなるので好ましく、1μm以下であると対極電極層等の電解質層上の積層物を薄層化し易くなり対極電極層等の材料コストを低減できるのでより好ましい。Further, in the present invention, when the uneven structure portion includes a portion having a surface roughness (Sa) of 0.3 μm or more, the uneven structure portion of the electrolyte layer is formed on the electrolyte layer such as the counter electrode layer. Since it comes into contact with the laminate, the adhesion strength between the electrolyte layer and the counter electrode layer, etc. can be increased, and various stresses can be relieved to improve reliability and durability while achieving high performance. It is possible because it is possible. The surface roughness (Sa) in the present application is a value in the range of 10 μm square. In addition, when the surface roughness (Sa) is 1.5 μm or less, it is easy to stack a counter electrode layer or the like on the electrolyte layer while obtaining the above effects, and it is preferable that the surface roughness (Sa) is 1 μm or less. It is more preferable because the laminate on the electrolyte layer such as the electrode layer can be easily thinned and the material cost of the counter electrode layer and the like can be reduced.

本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記対極電極層が前記電解質層の前記電解質層上側面に接触して形成され、前記凹凸構造部位が前記対極電極層に接触している点にある。Another characteristic configuration of the electrochemical element according to the present invention is that the counter electrode layer is formed in contact with the electrolyte layer upper side surface of the electrolyte layer, and the concavo-convex structure portion is in contact with the counter electrode layer. It is in.

上記の特徴構成によれば、電解質層の凹凸構造部位が対極電極層に接触しているから、電解質層と対極電極層との間の密着強度を高めることができるとともに、各種の応力を緩和し、信頼性・耐久性を向上しつつ、高い性能を得ることができるので好適である。According to the above characteristic configuration, since the uneven structure portion of the electrolyte layer is in contact with the counter electrode layer, it is possible to increase the adhesion strength between the electrolyte layer and the counter electrode layer, and relax various stresses. It is preferable because high performance can be obtained while improving reliability and durability.

Claims (23)

少なくとも電極層と電解質層と対極電極層とを有し、
前記電解質層は、材料が金属酸化物であり、前記電極層と前記対極電極層との間に配置されており、
前記電解質層における少なくとも前記対極電極層の側である電解質層上側面に、凹部または凸部が1つ以上含まれる凹凸構造部位が形成されている電気化学素子。
At least an electrode layer, an electrolyte layer and a counter electrode layer,
The electrolyte layer, the material is a metal oxide, is disposed between the electrode layer and the counter electrode layer,
An electrochemical device having a concavo-convex structure portion including at least one concave portion or convex portion formed on at least the upper surface of the electrolyte layer on the side of the counter electrode layer in the electrolyte layer.
前記電解質層に垂直な方向を高さ方向とし、前記高さ方向に直交する方向を面内方向とした場合に、
前記凹部の頂点からの面内方向の距離が5μm以内の地点であって、前記凹部の頂点との高さの差が0.5μm以上である地点と、
前記凸部の頂点からの面内方向の距離が5μm以内の地点であって、前記凸部の頂点との高さの差が0.5μm以上である地点とのうち、少なくともどちらか1つの地点が前記凹凸構造部位に含まれる請求項1に記載の電気化学素子。
When the direction perpendicular to the electrolyte layer is the height direction, and the direction orthogonal to the height direction is the in-plane direction,
A point where the distance in the in-plane direction from the apex of the recess is within 5 μm, and a height difference from the apex of the recess is 0.5 μm or more;
At least one of a point where the distance in the in-plane direction from the apex of the convex portion is within 5 μm, and a height difference from the apex of the convex portion is 0.5 μm or more. The electrochemical element according to claim 1, wherein is included in the uneven structure portion.
前記電解質層に垂直な方向を高さ方向とした場合に、
前記凹凸構造部位における高さ方向の幅が前記電解質層の厚さの5%以上となる部分が前記凹凸構造部位に含まれる請求項1に記載の電気化学素子。
When the direction perpendicular to the electrolyte layer is the height direction,
The electrochemical element according to claim 1, wherein the uneven structure portion includes a portion in which the width in the height direction of the uneven structure portion is 5% or more of the thickness of the electrolyte layer.
前記凹凸構造部位に、表面粗さ(Sa)が0.3μm以上である部分が含まれている請求項1〜3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 uneven structure portion includes a portion having a surface roughness (Sa) of 0.3 μm or more. 前記対極電極層が前記電解質層の前記電解質層上側面に接触して形成され、前記凹凸構造部位が前記対極電極層に接触している請求項1〜4のいずれか1項に記載の電気化学素子。 The electrochemical according to any one of claims 1 to 4, wherein the counter electrode layer is formed in contact with the upper surface of the electrolyte layer of the electrolyte layer, and the concavo-convex structure portion is in contact with the counter electrode layer. element. 前記電解質層と前記対極電極層との間に配置される中間層を有し、
前記中間層は前記電解質層の前記電解質層上側面に接触して形成され、前記凹凸構造部位が前記中間層に接触している請求項1〜4のいずれか1項に記載の電気化学素子。
An intermediate layer disposed between the electrolyte layer and the counter electrode layer,
The electrochemical element according to any one of claims 1 to 4, wherein the intermediate layer is formed in contact with an upper surface of the electrolyte layer above the electrolyte layer, and the concavo-convex structure portion is in contact with the intermediate layer.
前記中間層は前記対極電極層に接触して形成されており、
前記中間層における前記対極電極層の側の面である中間層上側面が平坦である請求項6に記載の電気化学素子。
The intermediate layer is formed in contact with the counter electrode layer,
The electrochemical element according to claim 6, wherein an upper surface of the intermediate layer, which is a surface of the intermediate layer on the side of the counter electrode layer, is flat.
前記中間層は前記対極電極層に接触して形成されており、
前記電解質層に垂直な方向を高さ方向とした場合に、
前記中間層における前記対極電極層の側の面である中間層上側面の高さ方向の幅の最大値が、前記凹凸構造部位における高さ方向の幅の最大値よりも小さい請求項6に記載の電気化学素子。
The intermediate layer is formed in contact with the counter electrode layer,
When the direction perpendicular to the electrolyte layer is the height direction,
The maximum value of the width in the height direction of the intermediate layer upper side surface which is the surface on the side of the counter electrode layer in the intermediate layer is smaller than the maximum value of the width in the height direction of the uneven structure portion. Electrochemical device.
前記中間層は前記対極電極層に接触して形成されており、
前記中間層における前記対極電極層の側の面である中間層上側面の表面粗さ(Sa)が0.3μm未満である請求項6に記載の電気化学素子。
The intermediate layer is formed in contact with the counter electrode layer,
The electrochemical device according to claim 6, wherein a surface roughness (Sa) of an upper surface of the intermediate layer, which is a surface of the intermediate layer on the side of the counter electrode layer, is less than 0.3 μm.
前記電解質層と前記中間層の厚さの和の変動幅が20μmの面内幅のうちで2μm以下である請求項6に記載の電気化学素子。 7. The electrochemical device according to claim 6, wherein the variation width of the sum of the thicknesses of the electrolyte layer and the intermediate layer is 2 μm or less in the in-plane width of 20 μm. 前記対極電極層がカソードとして機能する請求項1〜10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 10, wherein the counter electrode layer functions as a cathode. 前記電極層と前記電解質層との間に配置される挿入層を有する請求項1〜11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 11, further comprising an insertion layer disposed between the electrode layer and the electrolyte layer. 金属を材料とする金属支持体を有し、前記電極層が前記金属支持体上に形成され、前記電解質層が前記電極層に対して前記金属支持体と反対側に配置されている請求項1〜12のいずれか1項に記載の電気化学素子。 A metal support having a metal as a material is provided, the electrode layer is formed on the metal support, and the electrolyte layer is disposed on the side opposite to the metal support with respect to the electrode layer. The electrochemical device according to any one of 1 to 12. 前記金属支持体の一方の面に前記電極層が形成され、前記金属支持体が一方の面から他方の面へ貫通する貫通孔を有している請求項13に記載の電気化学素子。 The electrochemical element according to claim 13, wherein the electrode layer is formed on one surface of the metal support, and the metal support has a through hole penetrating from one surface to the other surface. 前記電解質層が安定化ジルコニアを含有する請求項1〜14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 electrolyte layer contains stabilized zirconia. 前記電解質層の厚さが1μm以上である請求項1〜15のいずれか1項に記載の電気化学素子。 The electrochemical element according to claim 1, wherein the thickness of the electrolyte layer is 1 μm or more. 前記電解質層の厚さが20μm以下である請求項1〜16のいずれか1項に記載の電気化学素子。 The electrochemical element according to claim 1, wherein the electrolyte layer has a thickness of 20 μm or less. 請求項1〜17のいずれか一項に記載の電気化学素子が複数積層した状態で配置される電気化学モジュール。 An electrochemical module in which a plurality of the electrochemical devices according to any one of claims 1 to 17 are arranged in a stacked state. 請求項18に記載の電気化学モジュールと改質器を少なくとも有し、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。 A fuel supply unit comprising at least the electrochemical module according to claim 18 and a reformer, supplying a fuel gas containing a reducing component to the electrochemical module, and an inverter for extracting electric power from the electrochemical module. And an electrochemical device having. 請求項19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 19; and an exhaust heat utilization unit that reuses heat exhausted from the electrochemical device. 請求項1〜17のいずれか1項に記載の電気化学素子を備え、定格運転時に前記電気化学素子を600℃以上750℃以下の温度において発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池。 A solid oxide fuel cell comprising the electrochemical element according to any one of claims 1 to 17, wherein the electrochemical element causes a power generation reaction at a temperature of 600°C or higher and 750°C or lower during rated operation. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の電気化学素子を製造する電気化学素子製造方法であって、金属酸化物粉末を前記電極層の上にスプレーコートすることで前記電解質層を形成する電気化学素子製造方法。 It is an electrochemical element manufacturing method which manufactures the electrochemical element of any one of Claims 1-11, Comprising: The said oxide layer is formed by spray-coating a metal oxide powder on the said electrode layer. Electrochemical device manufacturing method. 請求項12に記載の電気化学素子を製造する電気化学素子製造方法であって、金属酸化物粉末を前記挿入層の上にスプレーコートすることで前記電解質層を形成する電気化学素子製造方法。 It is a manufacturing method of the electrochemical device of Claim 12, Comprising: The electrochemical device manufacturing method of forming the said electrolyte layer by spray-coating a metal oxide powder on the said insertion layer.
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