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WO2024117052A1 - 複合部材、電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置 - Google Patents

複合部材、電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置 Download PDF

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WO2024117052A1
WO2024117052A1 PCT/JP2023/042244 JP2023042244W WO2024117052A1 WO 2024117052 A1 WO2024117052 A1 WO 2024117052A1 JP 2023042244 W JP2023042244 W JP 2023042244W WO 2024117052 A1 WO2024117052 A1 WO 2024117052A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrochemical cell
cell
module
boundary
solid electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2023/042244
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
万吉 細田
章洋 原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP2024561458A priority Critical patent/JPWO2024117052A1/ja
Publication of WO2024117052A1 publication Critical patent/WO2024117052A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
    • C25B13/04—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material
    • C25B13/05—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on inorganic materials
    • C25B13/07—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on inorganic materials based on ceramics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H01M8/1253—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides the electrolyte containing zirconium oxide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • a fuel cell is a type of electrochemical cell that can generate electricity using a fuel gas such as a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas such as air.
  • the composite member according to one aspect of the embodiment includes a polycrystalline first member, a second member, and a boundary portion.
  • the first member includes a first material.
  • the second member includes a second material different from the first material.
  • the boundary portion is located between the first member and the second member, and contains the first material and the second material.
  • the boundary portion has a first portion and a second portion. The second portion is thicker than the first portion.
  • the electrochemical cell of the present disclosure also includes the composite member described above, and a first electrode layer and a second electrode layer that face each other across the composite member.
  • the electrochemical cell device disclosed herein also has a cell stack including the electrochemical cell described above.
  • the module of the present disclosure also includes the electrochemical cell device described above and a storage container for storing the electrochemical cell device.
  • the module housing device of the present disclosure also includes the module described above, ancillary equipment for operating the module, and an exterior case that houses the module and the auxiliaries.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating an example of an electrochemical cell according to a first embodiment.
  • FIG. 1B is a side view of an example of the electrochemical cell according to the first embodiment, as viewed from the air cathode layer side.
  • FIG. 1C is a side view of an example of an electrochemical cell according to the first embodiment, viewed from the interconnector side.
  • FIG. 2A is a perspective view showing an example of an electrochemical cell device according to the first embodiment.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line XX shown in FIG. 2A.
  • FIG. 2C is a top view illustrating an example of the electrochemical cell device according to the first embodiment.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating an example of an electrochemical cell according to a first embodiment.
  • FIG. 1B is a side view of an example of the electrochemical cell according to the first embodiment, as viewed from the air cathode layer side.
  • FIG. 1C
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of the vicinity of the boundary shown in FIG. 1A.
  • FIG. 4A is a plan view illustrating an example of the boundary portion illustrated in FIG. 3 .
  • FIG. 4B is a plan view showing another example of the boundary portion shown in FIG.
  • FIG. 5 is an external perspective view illustrating an example of a module according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view illustrating an example of a module housing device according to the first embodiment.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view showing an example of an electrochemical cell device according to the second embodiment.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view showing an electrochemical cell according to a second embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing an example of the vicinity of the boundary shown in FIG.
  • FIG. 9 is a perspective view illustrating an example of an electrochemical cell according to the third embodiment.
  • FIG. 10 is a partial cross-sectional view of the electrochemical cell shown in FIG.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing an example of the vicinity of the boundary shown in FIG.
  • FIG. 12A is a cross-sectional view illustrating an example of an electrochemical cell according to a fourth embodiment.
  • FIG. 12B is a cross-sectional view showing another example of the electrochemical cell according to the fourth embodiment.
  • FIG. 12C is a cross-sectional view showing another example of the electrochemical cell according to the fourth embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing an example of the vicinity of the boundary shown in FIG. 12A.
  • the above-mentioned fuel cell stack device had room for improvement, for example in terms of durability.
  • the electrochemical cell device may include a cell stack having a plurality of electrochemical cells.
  • An electrochemical cell device having a plurality of electrochemical cells will be simply referred to as a cell stack device.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing an example of an electrochemical cell according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is a side view of an example of an electrochemical cell according to the first embodiment, viewed from the air electrode side.
  • FIG. 1C is a side view of an example of an electrochemical cell according to the first embodiment, viewed from the interconnector side. Note that FIGS. 1A to 1C show enlarged views of a portion of each component of the electrochemical cell.
  • the electrochemical cell may also be simply referred to as a cell.
  • cell 1 is a hollow flat plate-like elongated plate.
  • the shape of cell 1 as a whole viewed from the side is, for example, a rectangle with a side length in the length direction L of 5 cm to 50 cm and a length in the width direction W perpendicular to the length direction L of, for example, 1 cm to 10 cm.
  • the overall thickness of cell 1 in the thickness direction T is, for example, 1 mm to 5 mm.
  • the cell 1 includes a conductive support substrate 2, an element section 3, and an interconnector 4.
  • the support substrate 2 is columnar and has a pair of opposing flat surfaces, a first surface n1 and a second surface n2, and a pair of arc-shaped side surfaces m that connect the first surface n1 and the second surface n2.
  • the element portion 3 is located on the first surface n1 of the support substrate 2.
  • the element portion 3 has a fuel electrode layer 5, a solid electrolyte layer 6, an intermediate layer 7, and an air electrode layer 8.
  • the air electrode layer 8 does not extend to the lower end of the cell 1.
  • the air electrode layer 8 does not extend to the lower end of the cell 1.
  • the interconnector 4 may extend to the lower end of the cell 1.
  • the interconnector 4 and the solid electrolyte layer 6 are exposed on the surface.
  • the solid electrolyte layer 6 is exposed on the surface of a pair of arc-shaped side faces m of the cell 1. The interconnector 4 does not have to extend to the lower end of the cell 1.
  • the support substrate 2 has gas flow paths 2a therein through which gas flows.
  • the example of the support substrate 2 shown in FIG. 1A has six gas flow paths 2a.
  • the support substrate 2 has gas permeability, and allows the fuel gas flowing through the gas flow paths 2a to pass through to the fuel electrode layer 5.
  • the support substrate 2 may be conductive.
  • the conductive support substrate 2 collects electricity generated in the element section 3 to the interconnector 4.
  • the material of the support substrate 2 includes, for example, an iron group metal component and an inorganic oxide.
  • the iron group metal component may be, for example, Ni (nickel) and/or NiO.
  • the inorganic oxide may be, for example, a specific rare earth element oxide.
  • the rare earth element oxide may include, for example, one or more rare earth elements selected from Sc, Y, La, Nd, Sm, Gd, Dy, and Yb.
  • the material of the fuel electrode layer 5 may be a generally known material.
  • the fuel electrode layer 5 may be a porous conductive ceramic, such as a ceramic containing calcium oxide, magnesium oxide, or ZrO 2 in which a rare earth element oxide is solid-dissolved, and Ni and/or NiO.
  • the rare earth element oxide may contain a plurality of rare earth elements selected from Sc, Y, La, Nd, Sm, Gd, Dy, and Yb. Calcium oxide, magnesium oxide, or ZrO 2 in which a rare earth element oxide is solid-dissolved may be referred to as stabilized zirconia.
  • the stabilized zirconia may contain partially stabilized zirconia.
  • the fuel electrode layer 5 is an example of a first electrode layer.
  • the solid electrolyte layer 6 contains Zr (zirconium) as a first material.
  • the material of the solid electrolyte layer 6 may be, for example, ZrO 2 in which 3 mol % to 15 mol % of a rare earth element oxide is dissolved.
  • the rare earth element oxide may include, for example, one or more rare earth elements selected from Sc, Y, La, Nd, Sm, Gd, Dy, and Yb.
  • the solid electrolyte layer 6 may include, for example, ZrO 2 in which Yb, Sc, or Gd is dissolved, or may include BaZrO 3 in which Sc or Yb is dissolved.
  • the solid electrolyte layer 6 is an example of a first member.
  • the intermediate layer 7 functions as a diffusion suppression layer.
  • the intermediate layer 7 makes it difficult for Sr (strontium) contained in the air electrode layer 8 to diffuse into the solid electrolyte layer 6, thereby making it difficult for a resistive layer of SrZrO3 to be formed in the solid electrolyte layer 6.
  • the intermediate layer 7 contains Ce (cerium) as a second material.
  • the material of the intermediate layer 7 includes, for example, cerium oxide (CeO 2 ) in which rare earth elements other than Ce (cerium) are dissolved.
  • Ce cerium oxide
  • rare earth elements Gd (gadolinium), Sm (samarium), etc. may be used.
  • the intermediate layer 7 is an example of a second member.
  • the air electrode layer 8 has gas permeability.
  • the open porosity of the air electrode layer 8 may be, for example, 20% or more, and particularly in the range of 30% to 50%.
  • the material of the air electrode layer 8 may be, for example, a conductive ceramic such as a so-called ABO3 -type perovskite oxide.
  • the material of the air electrode layer 8 may be, for example, a composite oxide in which Sr (strontium ) and La ( lanthanum ) coexist at the A site.
  • Examples of such composite oxides include LaxSr1- xCoyFe1 -yO3 , LaxSr1 -xMnO3 , LaxSr1 - xFeO3 , and LaxSr1 - xCoO3 . Note that x is 0 ⁇ x ⁇ 1, and y is 0 ⁇ y ⁇ 1.
  • the air electrode layer 8 is an example of a second electrode layer.
  • the interconnector 4 is dense, which makes it difficult for the fuel gas flowing through the gas flow passage 2a located inside the support substrate 2 and the oxygen-containing gas flowing outside the support substrate 2 to leak.
  • the interconnector 4 may have a relative density of 93% or more, particularly 95% or more.
  • Lanthanum chromite-based perovskite oxide LaCrO3 -based oxide
  • lanthanum strontium titanium-based perovskite oxide LaSrTiO3 -based oxide
  • These materials are conductive and are not easily reduced or oxidized even when they come into contact with a fuel gas such as a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas such as air.
  • the element section 3 also includes a boundary section 9 located between the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer 7. Details of the boundary section 9 will be described later.
  • FIG. 2A is a perspective view showing an example of the electrochemical cell device according to the first embodiment.
  • Figure 2B is a cross-sectional view taken along line XX shown in Figure 2A.
  • Figure 2C is a top view showing an example of the electrochemical cell device according to the first embodiment.
  • the cell stack device 10 includes a cell stack 11 having a plurality of cells 1 arranged (stacked) in the thickness direction T of the cells 1 (see FIG. 1A), and a fixing member 12.
  • the fixing member 12 has a fixing material 13 and a support member 14.
  • the support member 14 supports the cell 1.
  • the fixing material 13 fixes the cell 1 to the support member 14.
  • the support member 14 also has a support body 15 and a gas tank 16.
  • the support body 15 and the gas tank 16, which are the support member 14, are made of, for example, metal.
  • the support 15 has insertion holes 15a into which the lower ends of the multiple cells 1 are inserted.
  • the lower ends of the multiple cells 1 and the inner wall of the insertion holes 15a are joined with a fixing material 13.
  • the gas tank 16 has an opening for supplying reactive gas to the multiple cells 1 through the insertion holes 15a, and a groove 16a located around the opening.
  • the outer peripheral edge of the support 15 is joined to the gas tank 16 by a bonding material 21 filled in the groove 16a of the gas tank 16.
  • fuel gas is stored in an internal space 22 formed by a support body 15, which is the support member 14, and a gas tank 16.
  • a gas circulation pipe 20 is connected to the gas tank 16.
  • the fuel gas is supplied to the gas tank 16 through this gas circulation pipe 20, and is supplied from the gas tank 16 to a gas flow path 2a (see FIG. 1A) inside the cell 1.
  • the fuel gas supplied to the gas tank 16 is generated in a reformer 102 (see FIG. 5), which will be described later.
  • Hydrogen-rich fuel gas can be produced by, for example, steam reforming the raw fuel.
  • fuel gas is produced by steam reforming, the fuel gas contains water vapor.
  • FIG. 2A has two rows of cell stacks 11, two supports 15, and a gas tank 16.
  • Each of the two rows of cell stacks 11 has a plurality of cells 1.
  • Each cell stack 11 is fixed to each support 15.
  • the gas tank 16 has two through holes on the top surface.
  • a support 15 is disposed in each through hole.
  • the internal space 22 is formed by one gas tank 16 and two supports 15.
  • the shape of the insertion hole 15a is, for example, an oval shape when viewed from above.
  • the length of the insertion hole 15a in the arrangement direction of the cells 1, i.e., the thickness direction T, is greater than the distance between the two end current collecting members 17 located at both ends of the cell stack 11.
  • the width of the insertion hole 15a is, for example, greater than the length of the cell 1 in the width direction W (see FIG. 1A).
  • the joint between the inner wall of the insertion hole 15a and the lower end of the cell 1 is filled with a fixing material 13 and solidified. This bonds and fixes the inner wall of the insertion hole 15a to the lower ends of the multiple cells 1, and also bonds and fixes the lower ends of the cells 1 to each other.
  • the gas flow path 2a of each cell 1 communicates with the internal space 22 of the support member 14 at its lower end.
  • the fixing material 13 and the bonding material 21 may be made of a material with low electrical conductivity, such as glass.
  • Specific materials for the fixing material 13 and the bonding material 21 may include amorphous glass, and in particular, crystallized glass.
  • any of SiO 2 -CaO based, MgO-B 2 O 3 based, La 2 O 3 -B 2 O 3 -MgO based, La 2 O 3 -B 2 O 3 -ZnO based, SiO 2 -CaO-ZnO based materials may be used, and in particular, SiO 2 -MgO based materials may be used.
  • connection member 18 is interposed between adjacent cells 1 among the multiple cells 1.
  • the connection member 18 electrically connects the fuel electrode layer 5 of one adjacent cell 1 to the air electrode layer 8 of the other cell 1 in series. More specifically, the connection member 18 connects the interconnector 4 electrically connected to the fuel electrode layer 5 of one adjacent cell 1 to the air electrode layer 8 of the other cell 1.
  • an end current collecting member 17 is electrically connected to the cell 1 located on the outermost side in the arrangement direction of the multiple cells 1.
  • the end current collecting member 17 is connected to a conductive part 19 that protrudes to the outside of the cell stack 11.
  • the conductive part 19 collects electricity generated by power generation in the cell 1 and draws it out to the outside. Note that the end current collecting member 17 is not shown in FIG. 2A.
  • the cell stack device 10 may be a single battery in which two cell stacks 11A, 11B are connected in series.
  • the conductive portion 19 of the cell stack device 10 is divided into a positive terminal 19A, a negative terminal 19B, and a connection terminal 19C.
  • the positive terminal 19A is the positive electrode when the power generated by the cell stack 11 is output to the outside, and is electrically connected to the positive end current collector 17 of the cell stack 11A.
  • the negative terminal 19B is the negative electrode when the power generated by the cell stack 11 is output to the outside, and is electrically connected to the negative end current collector 17 of the cell stack 11B.
  • connection terminal 19C electrically connects the end current collecting member 17 on the negative electrode side of the cell stack 11A to the end current collecting member 17 on the positive electrode side of the cell stack 11B.
  • Fig. 3 is a cross-sectional view showing an example of the vicinity of the boundary portion shown in Fig. 1A.
  • the cell 1 has an interface 9 located between a solid electrolyte layer 6 as a first member and an intermediate layer 7 as a second member.
  • a structure may be configured as a composite member 90 having the solid electrolyte layer 6 as a first member, the intermediate layer 7 as a second member, and the interface 9.
  • a composite member 90 may have a fuel electrode layer 5 or an air electrode layer 8.
  • the solid electrolyte layer 6 contains a first material 6a.
  • the solid electrolyte layer 6 is polycrystalline and has a plurality of crystal grains 61.
  • the plurality of crystal grains 61 are partitioned by grain boundaries 60. In FIG. 3, only the crystal grains 61 located along the boundary 9, i.e., in contact with the boundary, are illustrated, but the solid electrolyte layer 6 may have a plurality of crystal grains 61 in the thickness direction.
  • the interface 9 contains a first material 6a and a second material 7a.
  • the interface 9 may contain, for example, ZrO2 and CeO2 , or a solid solution of ZrO2 and CeO2 .
  • the boundary portion 9 is the portion where the ratio of the first material 6a to the sum of the first material 6a and the second material 7a is in the range of 20% to 80%.
  • the boundary portion 9 has a first portion 9a and a second portion 9b.
  • the second portion 9b is thicker than the first portion 9a.
  • the region of the boundary 9 where the thickness is 0.2 ⁇ m or less can be defined as the first portion 9a, and the remaining region can be defined as the second portion 9b.
  • the portion of the boundary 9 where the thickness is 0.4 ⁇ m or more can be defined as the second portion 9b, and the remaining portion can be defined as the first portion 9a.
  • the first portion 9a does not have to have substantially no thickness. In other words, the first portion 9a can be the interface between the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer.
  • the boundary portion 9 between the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer 7 has a first portion 9a and a second portion 9b with different thicknesses, improving the performance of the cell 1.
  • first portion 9a with a small thickness
  • second portion 9b thicker than the first portion 9a
  • the bonding strength between the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer 7 is ensured through the thick boundary portion 9, improving durability.
  • the second portion 9b has a thickness on both the solid electrolyte layer 6 side and the intermediate layer 7 side, but the second portion 9b may have a thickness biased toward either the solid electrolyte layer 6 side or the intermediate layer 7 side.
  • the thickness of the boundary portion 9 having the first material 6a and the second material 7a can be measured, for example, by using a SEM (scanning electron microscope) or TEM (transmission electron microscope) and an EDX (energy dispersive X-ray analyzer) to measure a cross section of the element portion 3 including the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer 7.
  • a cross section of the element portion 3 or the composite member 90 in the stacking direction is mirror-polished, and the Zr contained in the first material 6a and the Ce contained in the second material 7a are semi-quantitatively analyzed in a predetermined area including the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer 7.
  • the content per unit area can be converted into atomic %, thereby identifying the first portion 9a and the second portion 9b of the boundary portion 9.
  • Figure 4A is a plan view showing an example of the boundary portion shown in Figure 3.
  • Figure 4B is a plan view showing another example of the boundary portion shown in Figure 3.
  • the second portion 9b of the boundary 9 may be located continuously in a net shape so as to overlap, in a planar view, with the grain boundaries 60 that border the boundary 9, among the grain boundaries 60 that separate the multiple crystal grains 61.
  • the second portion 9b may be located so as to overlap, in a planar view, with defects 62, such as oxygen vacancies, of the crystal grains 61.
  • the first portion 9a is located in a region where the second portion 9b is not located in a planar view.
  • the first portion 9a may be located in an island shape so as to overlap at least one of the multiple crystal particles 61 that contact the boundary portion 9 in a planar view.
  • the second portion 9b of the boundary 9 may be located in an island shape so as to overlap a triple point 63 in a planar view among the grain boundaries 60 that separate the multiple crystal grains 61.
  • the shape of the second portion 9b in a planar view is not limited to those exemplified in FIG. 4A and FIG. 4B, and may be any shape such as an arc, a line, a Y-shape, a cross, a star, or a dendrite, or may be a mixture of these shapes.
  • the shape of the second portion 9b in a planar view may be an interrupted mesh shape.
  • the first portion 9a and the second portion 9b which have different thicknesses, are distributed at the boundary portion 9 where the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer 7 are in contact with each other, thereby ensuring the desired electrical conductivity and bonding strength, and improving performance.
  • the composite member 90 in which the first portion 9a and the second portion 9b are distributed at the boundary portion 9 in contact with the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer 7 as described above can be obtained, for example, by applying a sintering aid such as cobalt oxide or copper oxide to the surface of the solid electrolyte layer 6, drying the surface, and then positioning the intermediate layer material and sintering the surface.
  • the sintering aid may be applied to a thickness of, for example, 10 nm or less.
  • the sintering aid applied to the surface of the solid electrolyte layer 6 makes it easier for the first material 6a and the second material 7a to form a solid solution.
  • the boundary portion 9 having the first portion 9a and the second portion 9b is obtained.
  • such a structure of the composite member may be formed by positioning the intermediate layer 7 on the surface of the solid electrolyte layer 6 by epitaxial growth.
  • the intermediate layer 7 may be polycrystalline like the solid electrolyte layer 6. In this case, the intermediate layer 7 may have a crystal structure corresponding to the solid electrolyte layer 6 facing the boundary 9.
  • the crystal grains and grain boundaries in contact with the boundary 9 may be positioned so as to overlap in a plan view with the crystal grains 61 and grain boundaries 60 in contact with the boundary 9 among the multiple crystal grains 61 and grain boundaries 60 of the solid electrolyte layer 6.
  • the intermediate layer 7 may have pores.
  • the intermediate layer 7 may have a porosity greater than that of the solid electrolyte layer 6 and the boundary 9.
  • Fig. 5 is an external perspective view showing the module according to the first embodiment.
  • Fig. 5 shows a state in which the front and rear surfaces, which are part of the storage container 101, have been removed and the cell stack device 10 of the fuel cell stored therein has been removed to the rear.
  • the module 100 includes a storage container 101 and a cell stack device 10 stored in the storage container.
  • a reformer 102 is disposed above the cell stack device 10.
  • the reformer 102 reforms raw fuel such as natural gas or kerosene to generate fuel gas, which is then supplied to the cell 1.
  • the raw fuel is supplied to the reformer 102 through a raw fuel supply pipe 103.
  • the reformer 102 may also include a vaporizer 102a that vaporizes water, and a reformer 102b.
  • the reformer 102b includes a reforming catalyst (not shown) and reforms the raw fuel into fuel gas.
  • Such a reformer 102 can perform steam reforming, which is a highly efficient reforming reaction.
  • the fuel gas generated in the reformer 102 is then supplied to the gas flow path 2a (see Figure 1A) of the cell 1 through the gas flow pipe 20, the gas tank 16, and the support member 14.
  • the temperature inside the module 100 during normal power generation is approximately 500°C to 1000°C due to the combustion of gas and power generation by the cell 1.
  • the performance of the module 100 can be improved by housing the cell stack device 10, which improves the performance.
  • Fig. 6 is an exploded perspective view showing an example of a module housing device according to the first embodiment.
  • the module housing device 110 according to this embodiment includes an outer case 111, the module 100 shown in Fig. 5, and auxiliary equipment (not shown).
  • the auxiliary equipment operates the module 100.
  • the module 100 and the auxiliary equipment are housed in the outer case 111. Note that some components are omitted in Fig. 6.
  • the exterior case 111 of the module accommodating device 110 shown in Figure 6 has support posts 112 and an exterior plate 113.
  • a partition plate 114 divides the interior of the exterior case 111 into upper and lower sections.
  • the space above the partition plate 114 in the exterior case 111 is a module accommodating chamber 115 that accommodates the module 100, and the space below the partition plate 114 in the exterior case 111 is an auxiliary equipment accommodating chamber 116 that accommodates the auxiliary equipment that operates the module 100.
  • the auxiliary equipment accommodated in the auxiliary equipment accommodating chamber 116 is omitted in Figure 6.
  • the partition plate 114 also has an air flow port 117 for allowing air from the auxiliary equipment housing chamber 116 to flow toward the module housing chamber 115.
  • the exterior plate 113 that constitutes the module housing chamber 115 has an exhaust port 118 for exhausting air from within the module housing chamber 115.
  • the module housing device 110 by providing the module 100 with improved performance in the module housing chamber 115, the module housing device 110 can be made to have improved performance.
  • a hollow flat support substrate is used, but the present invention can also be applied to an electrochemical cell device that uses a cylindrical support substrate.
  • a so-called “vertical stripe type” in which only one element part including a fuel electrode, a solid electrolyte layer, and an air electrode is provided on the surface of a support substrate is exemplified, but the present invention can also be applied to a horizontal stripe type electrochemical cell device in which so-called “horizontal stripe type” electrochemical cells are arranged in which element parts are provided at multiple locations spaced apart from each other on the surface of a support substrate and adjacent element parts are electrically connected.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view showing an example of an electrochemical cell device according to the second embodiment
  • FIG. 7B is a transverse cross-sectional view showing an electrochemical cell according to the second embodiment
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing an example of the vicinity of the boundary shown in FIG. 7B.
  • multiple cells 1A extend in the length direction L from a pipe 22a that circulates fuel gas.
  • the cells 1A have multiple element parts 3 on a support substrate 2. Inside the support substrate 2, a gas flow path 2a is provided through which the fuel gas flows from the pipe 22a.
  • the cells 1A are also electrically connected to each other via connection members 31.
  • the connection members 31 are located between the element portions 3 of the cells 1A, and connect adjacent cells 1A.
  • the cell 1A includes a support substrate 2, a pair of element portions 3, and a sealing portion 30.
  • the support substrate 2 is columnar and has a pair of opposing flat surfaces, a first surface n1 and a second surface n2, and a pair of arc-shaped side surfaces m connecting the first surface n1 and the second surface n2.
  • the pair of element portions 3 are positioned so as to face each other on the first surface n1 and the second surface n2 of the support substrate 2.
  • the sealing portion 30 is positioned so as to cover the side surface m of the support substrate 2.
  • cell 1A has a boundary portion 9 located between a solid electrolyte layer 6 as a first member and an intermediate layer 7 as a second member.
  • a structure may be configured as a composite member 90 having a solid electrolyte layer 6, an intermediate layer 7, and the boundary portion 9.
  • the solid electrolyte layer 6 contains a first material 6a.
  • the solid electrolyte layer 6 is polycrystalline and has a plurality of crystal grains 61.
  • the plurality of crystal grains 61 are separated by grain boundaries 60.
  • the interface 9 contains a first material 6a and a second material 7a.
  • the interface 9 may contain, for example, ZrO2 and CeO2 , or a solid solution of ZrO2 and CeO2 .
  • the boundary portion 9 has a first portion 9a and a second portion 9b.
  • the second portion 9b is thicker than the first portion 9a.
  • the boundary portion 9 located between the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer 7 has a first portion 9a and a second portion 9b with different thicknesses, thereby improving the performance of the cell 1A.
  • the conductivity between the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer 7 is ensured via the thin boundary portion 9, improving the power generation performance.
  • the second portion 9b that is thicker than the first portion 9a the bonding strength between the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer 7 is ensured via the thick boundary portion 9, improving durability.
  • Fig. 9 is a perspective view showing an example of an electrochemical cell according to the third embodiment
  • Fig. 10 is a partial cross-sectional view of the electrochemical cell shown in Fig. 9 .
  • cell 1B has an element portion 3B in which a fuel electrode layer 5, a solid electrolyte layer 6, an intermediate layer 7, and an air electrode layer 8 are stacked, and conductive members 91, 92.
  • a boundary portion 9 is located between the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer 7.
  • multiple cells 1B are electrically connected by conductive members 91, 92, which are adjacent metal layers.
  • the conductive members 91, 92 electrically connect adjacent cells 1B to each other, and have gas flow paths that supply gas to the fuel electrode layer 5 or the air electrode layer 8.
  • cell 1B has a sealing material that hermetically seals the fuel gas flow path and the oxygen-containing gas flow path of the flat cell stack.
  • the sealing material is a fixing member 96 for the cell, and has a bonding material 93 and support members 94, 95 that are frames.
  • the bonding material 93 may be glass or a metal material such as silver solder.
  • the support member 94 may be a so-called separator that separates the fuel gas flow path from the oxygen-containing gas flow path.
  • the material of the support members 94, 95 may be, for example, a conductive metal or an insulating ceramic. If the support member 94 is a metal, the support member 94 may be integrated with the conductive member 92. If the support member 95 is a metal, the support member 95 may be integrated with the conductive member 91.
  • the bonding material 93 and one of the support members 94 and 95 are insulating, electrically insulating the two conductive members 91 and 92 that sandwich the flat cell from each other.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing an example of the vicinity of the boundary shown in FIG. 10.
  • cell 1B has a boundary 9 located between a solid electrolyte layer 6 as a first member and an intermediate layer 7 as a second member.
  • Such a structure may be configured as a composite member 90 having a solid electrolyte layer 6, an intermediate layer 7, and the boundary 9.
  • the solid electrolyte layer 6 contains a first material 6a.
  • the solid electrolyte layer 6 is polycrystalline and has a plurality of crystal grains 61.
  • the plurality of crystal grains 61 are separated by grain boundaries 60.
  • the interface 9 contains a first material 6a and a second material 7a.
  • the interface 9 may contain, for example, ZrO2 and CeO2 , or a solid solution of ZrO2 and CeO2 .
  • the boundary portion 9 has a first portion 9a and a second portion 9b.
  • the second portion 9b is thicker than the first portion 9a.
  • the boundary portion 9 located between the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer 7 has a first portion 9a and a second portion 9b with different thicknesses, thereby improving the performance of the cell 1B.
  • the conductivity between the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer 7 is ensured via the thin boundary portion 9, improving the power generation performance.
  • the second portion 9b which is thicker than the first portion 9a the bonding strength between the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer 7 via the boundary portion 9 is ensured, improving durability.
  • Fig. 12A is a cross-sectional view showing an example of an electrochemical cell according to the fourth embodiment.
  • Fig. 12B and Fig. 12C are cross-sectional views showing another example of an electrochemical cell according to the fourth embodiment.
  • Fig. 13 is a cross-sectional view showing an example of the vicinity of the boundary shown in Fig. 12A. Fig. 13 can also be applied to the examples of Fig. 12B and Fig. 12C.
  • the cell 1C has an element section 3C in which a fuel electrode layer 5, a solid electrolyte layer 6, an intermediate layer 7, and an air electrode layer 8 are laminated, and a support substrate 2.
  • a boundary section 9 is located between the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer 7.
  • the support substrate 2 has a through hole or a fine hole at a portion where it contacts the element section 3, and has a member 120 located outside the gas flow path 2a.
  • the support substrate 2 can circulate gas between the gas flow path 2a and the element section 3C.
  • the support substrate 2 may be composed of, for example, one or more metal plates.
  • the material of the metal plate may contain chromium.
  • the metal plate may have a conductive coating layer.
  • the support substrate 2 electrically connects adjacent cells 1C to each other.
  • the element section 3C may be formed directly on the support substrate 2, or may be bonded to the support substrate 2 by a bonding material.
  • the side of the fuel electrode layer 5 is covered with a solid electrolyte layer 6, which airtightly seals the gas flow path 2a through which the fuel gas flows.
  • the side of the fuel electrode layer 5 may be covered and sealed with a dense glass or ceramic sealant 40.
  • the sealant 40 that covers the side of the fuel electrode layer 5 may have electrical insulation properties.
  • the gas flow path 2a of the support substrate 2 may also be formed by a member 120 having projections and recesses as shown in FIG. 12C.
  • cell 1C has a boundary portion 9 located between a solid electrolyte layer 6 as a first member and an intermediate layer 7 as a second member.
  • a structure may be configured as a composite member 90 having a solid electrolyte layer 6, an intermediate layer 7, and the boundary portion 9.
  • the solid electrolyte layer 6 contains a first material 6a.
  • the solid electrolyte layer 6 is polycrystalline and has a plurality of crystal grains 61.
  • the plurality of crystal grains 61 are separated by grain boundaries 60.
  • the interface 9 contains a first material 6a and a second material 7a.
  • the interface 9 may contain, for example, ZrO2 and CeO2 , or a solid solution of ZrO2 and CeO2 .
  • the boundary portion 9 has a first portion 9a and a second portion 9b.
  • the second portion 9b is thicker than the first portion 9a.
  • the boundary portion 9 located between the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer 7 has a first portion 9a and a second portion 9b with different thicknesses, thereby improving the performance of the cell 1C.
  • the conductivity between the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer 7 is ensured via the thin boundary portion 9, improving the power generation performance.
  • the second portion 9b which is thicker than the first portion 9a, the bonding strength between the solid electrolyte layer 6 and the intermediate layer 7 is ensured via the thick boundary portion 9, improving durability.
  • a fuel cell, a fuel cell stack device, a fuel cell module, and a fuel cell device are shown as examples of an “electrochemical cell,” “electrochemical cell device,” “module,” and “module housing device,” but other examples may be an electrolysis cell, an electrolysis cell stack device, an electrolysis module, and an electrolysis device, respectively.
  • the electrolysis cell has a first electrode layer and a second electrode layer, and decomposes water vapor into hydrogen and oxygen, or decomposes carbon dioxide into carbon monoxide and oxygen, when supplied with electric power.
  • an oxide ion conductor or a hydrogen ion conductor is shown as an example of the electrolyte material of the electrochemical cell, but a hydroxide ion conductor may also be used.
  • Such an electrolysis cell, an electrolysis cell stack device, an electrolysis module, and an electrolysis device can improve electrolysis performance and durability.
  • the composite member comprises: a polycrystalline first member including a first material; a second member including a second material different from the first material; a boundary portion located between the first member and the second member, the boundary portion including the first material and the second material; The interface has a first portion and a second portion that is thicker than the first portion.
  • the first portion may be positioned so as to overlap, in a plan view, at least one of the crystal particles that contacts the boundary portion among the multiple crystal particles that the first member has.
  • the second portion may be positioned so as to overlap, in a plan view, at least a portion of a grain boundary that is located between a plurality of crystal grains in the first member and that is in contact with the boundary portion.
  • the boundary portion may contain a solid solution of the first material and the second material.
  • the second member may have a crystal structure corresponding to the first material that faces the boundary portion.
  • An electrochemical cell comprising any one of the composite members (1) to (5) above; a first electrode layer and a second electrode layer facing each other with the composite member interposed therebetween.
  • the electrochemical cell device has a cell stack equipped with the electrochemical cell described above in (6).
  • the module comprises the electrochemical cell device according to (7) above; and a container for housing the electrochemical cell device.
  • a module housing device includes the module according to (8) above, Auxiliary equipment for operating the module; and an exterior case that houses the module and the auxiliary equipment.

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Abstract

複合部材は、多結晶の第１部材と、第２部材と、境界部とを備える。第１部材は、第１材料を含む。第２部材は、第１材料とは異なる第２材料を含む。境界部は、第１部材と第２部材との間に位置し、第１材料および第２材料を含有する。境界部は、第１部分と第２部分とを有する。第２部分は、第１部分より厚い。

Description

複合部材、電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
　本開示は、複合部材、電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。
　近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数備える燃料電池セルスタック装置が種々提案されている。燃料電池セルは、水素含有ガス等の燃料ガスと空気等の酸素含有ガスとを用いて電力を得ることができる電気化学セルの一種である。
特開２０１６－８１７１８号公報 特開２０１３－４１８０９号公報 特開２０１２－２３０１７号公報
　実施形態の一態様に係る複合部材は、多結晶の第１部材と、第２部材と、境界部とを備える。第１部材は、第１材料を含む。第２部材は、前記第１材料とは異なる第２材料を含む。境界部は、前記第１部材と前記第２部材との間に位置し、前記第１材料および前記第２材料を含有する。前記境界部は、第１部分と第２部分とを有する。第２部分は、前記第１部分より厚い。
　また、本開示の電気化学セルは、上記に記載の複合部材と、前記複合部材を挟んで向かい合う第１電極層および第２電極層とを備える。
　また、本開示の電気化学セル装置は、上記に記載の電気化学セルを備えるセルスタックを有する。
　また、本開示のモジュールは、上記に記載の電気化学セル装置と、電気化学セル装置を収納する収納容器とを備える。
　また、本開示のモジュール収容装置は、上記に記載のモジュールと、モジュールの運転を行うための補機と、モジュールおよび補機を収容する外装ケースとを備える。
図１Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図である。 図１Ｂは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を空気極層側からみた側面図である。 図１Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例をインターコネクタ側からみた側面図である。 図２Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す斜視図である。 図２Ｂは、図２Ａに示すＸ－Ｘ線の断面図である。 図２Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す上面図である。 図３は、図１Ａに示す境界部近傍の一例を示す断面図である。 図４Ａは、図３に示す境界部の一例を示す平面図である。 図４Ｂは、図３に示す境界部の他の一例を示す平面図である。 図５は、第１の実施形態に係るモジュールの一例を示す外観斜視図である。 図６は、第１の実施形態に係るモジュール収容装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。 図７Ａは、第２の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す断面図である。 図７Ｂは、第２の実施形態に係る電気化学セルを示す横断面図である。 図８は、図７Ｂに示す境界部近傍の一例を示す断面図である。 図９は、第３の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す斜視図である。 図１０は、図９に示す電気化学セルの部分断面図である。 図１１は、図１０に示す境界部近傍の一例を示す断面図である。 図１２Ａは、第４の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図である。 図１２Ｂは、第４の実施形態に係る電気化学セルの他の一例を示す横断面図である。 図１２Ｃは、第４の実施形態に係る電気化学セルの他の一例を示す横断面図である。 図１３は、図１２Ａに示す境界部近傍の一例を示す断面図である。
　上述の燃料電池セルスタック装置では、たとえば耐久性を向上させる点で改善の余地があった。
　そこで、耐久性を向上することができる複合部材、電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置の提供が期待されている。
　以下、添付図面を参照して、本願の開示する複合部材、電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの開示が限定されるものではない。
　また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係、比率などが異なる部分が含まれている場合がある。
［第１の実施形態］
＜電気化学セルの構成＞
　まず、図１Ａ～図１Ｃを参照しながら、第１の実施形態に係る電気化学セルとして、固体酸化物形の燃料電池セルの例を用いて説明する。電気化学セル装置は、複数の電気化学セルを有するセルスタックを備えていてもよい。複数の電気化学セルを有する電気化学セル装置を、単にセルスタック装置と称する。
　図１Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図である。図１Ｂは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を空気極側からみた側面図である。図１Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例をインターコネクタ側からみた側面図である。なお、図１Ａ～図１Ｃは、電気化学セルの各構成の一部を拡大して示している。以下、電気化学セルを単にセルという場合もある。
　図１Ａ～図１Ｃに示す例において、セル１は中空平板型で、細長い板状である。図１Ｂに示すように、セル１の全体を側面から見た形状は、たとえば、長さ方向Ｌの辺の長さが５ｃｍ～５０ｃｍで、この長さ方向Ｌに直交する幅方向Ｗの長さが、たとえば１ｃｍ～１０ｃｍの長方形である。このセル１の全体の厚み方向Ｔの厚さは、たとえば１ｍｍ～５ｍｍである。
　図１Ａに示すように、セル１は、導電性の支持基板２と、素子部３と、インターコネクタ４とを備えている。支持基板２は、一対の対向する平坦面である第１面ｎ１および第２面ｎ２、およびかかる第１面ｎ１および第２面ｎ２を接続する一対の円弧状の側面ｍを有する柱状である。
　素子部３は、支持基板２の第１面ｎ１上に位置している。かかる素子部３は、燃料極層５と、固体電解質層６と、中間層７と、空気極層８とを有している。
　また、図１Ｂに示すように、空気極層８はセル１の下端まで延びていない。セル１の下端部では、固体電解質層６のみが第１面ｎ１の表面に露出している。また、図１Ｃに示すように、インターコネクタ４がセル１の下端まで延びていてもよい。セル１の下端部では、インターコネクタ４および固体電解質層６が表面に露出している。なお、図１Ａに示すように、セル１の一対の円弧状の側面ｍにおける表面では、固体電解質層６が露出している。インターコネクタ４は、セル１の下端まで延びていなくてもよい。
　以下、セル１を構成する各部材について説明する。
　支持基板２は、ガスが流れるガス流路２ａを内部に有している。図１Ａに示す支持基板２の例は、６つのガス流路２ａを有している。支持基板２は、ガス透過性を有し、ガス流路２ａに流れる燃料ガスを燃料極層５まで透過させる。支持基板２は導電性を有していてもよい。導電性を有する支持基板２は、素子部３で生じた電気をインターコネクタ４に集電する。
　支持基板２の材料は、たとえば、鉄族金属成分および無機酸化物を含む。鉄族金属成分は、たとえば、Ｎｉ（ニッケル）および／またはＮｉＯであってもよい。無機酸化物は、たとえば、特定の希土類元素酸化物であってもよい。希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される１以上の希土類元素を含んでもよい。
　燃料極層５の材料には、一般的に公知のものを使用することができる。燃料極層５は、多孔質の導電性セラミックス、たとえば酸化カルシウム、酸化マグネシウム、または希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとを含むセラミックスなどを用いてもよい。この希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される複数の希土類元素を含んでもよい。酸化カルシウム、酸化マグネシウム、または希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ２を安定化ジルコニアと称する場合もある。安定化ジルコニアは、部分安定化ジルコニアを含んでもよい。燃料極層５は、第１電極層の一例である。
　固体電解質層６は、電解質であり、燃料極層５と空気極層８との間でイオンの受け渡しを行う。同時に、固体電解質層６は、ガス遮断性を有し、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを生じにくくする。
　固体電解質層６は、第１材料としてのＺｒ（ジルコニウム）を含有する。固体電解質層６の材料は、たとえば、３モル％～１５モル％の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２であってもよい。希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される１以上の希土類元素を含んでよい。固体電解質層６は、たとえば、Ｙｂ、ＳｃまたはＧｄが固溶したＺｒＯ２を含んでもよく、ＳｃまたはＹｂが固溶したＢａＺｒＯ３を含んでもよい。固体電解質層６は、第１部材の一例である。
　中間層７は、拡散抑制層としての機能を有する。中間層７は、空気極層８に含まれるＳｒ（ストロンチウム）が固体電解質層６に拡散されにくくすることで、かかる固体電解質層６にＳｒＺｒＯ３の抵抗層を形成させにくくする。
　中間層７は、第２材料としてのＣｅ（セリウム）を含有する。中間層７の材料は、たとえば、Ｃｅ（セリウム）を除く希土類元素が固溶した酸化セリウム（ＣｅＯ２）を含む。かかる希土類元素としては、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｓｍ（サマリウム）などを用いてもよい。中間層７は、第２部材の一例である。
　空気極層８は、ガス透過性を有している。空気極層８の開気孔率は、たとえば２０％以上、特に３０％～５０％の範囲であってもよい。
　空気極層８の材料は、一般的に空気極に用いられるものであれば特に制限はない。空気極層８の材料は、たとえば、いわゆるＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物などの導電性セラミックスであってもよい。
　空気極層８の材料は、たとえば、ＡサイトにＳｒ（ストロンチウム）とＬａ（ランタン）が共存する複合酸化物であってもよい。このような複合酸化物の例としては、ＬａｘＳｒ１－ｘＣｏｙＦｅ１－ｙＯ３、ＬａｘＳｒ１－ｘＭｎＯ３、ＬａｘＳｒ１－ｘＦｅＯ３、ＬａｘＳｒ１－ｘＣｏＯ３などが挙げられる。なお、ｘは０＜ｘ＜１、ｙは０＜ｙ＜１である。空気極層８は、第２電極層の一例である。
　また、インターコネクタ４は、緻密質であり、支持基板２の内部に位置するガス流路２ａを流通する燃料ガス、および支持基板２の外側を流通する酸素含有ガスのリークを生じにくくする。インターコネクタ４は、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していてもよい。
　インターコネクタ４の材料には、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ３系酸化物）などを用いてもよい。これらの材料は、導電性を有し、かつ水素含有ガスなどの燃料ガスおよび空気などの酸素含有ガスと接触しても還元も酸化もされにくい。
　また、素子部３は、固体電解質層６と中間層７との間に位置する境界部９を備える。境界部９の詳細については、後述する。
＜電気化学セル装置の構成＞
　次に、上述したセル１を用いた本実施形態に係る電気化学セル装置について、図２Ａ～図２Ｃを参照しながら説明する。図２Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す斜視図である。図２Ｂは、図２Ａに示すＸ－Ｘ線の断面図である。図２Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す上面図である。
　図２Ａに示すように、セルスタック装置１０は、セル１の厚み方向Ｔ（図１Ａ参照）に配列（積層）された複数のセル１を有するセルスタック１１と、固定部材１２とを備える。
　固定部材１２は、固定材１３と、支持部材１４とを有する。支持部材１４は、セル１を支持する。固定材１３は、セル１を支持部材１４に固定する。また、支持部材１４は、支持体１５と、ガスタンク１６とを有する。支持部材１４である支持体１５およびガスタンク１６は、たとえば金属製である。
　図２Ｂに示すように、支持体１５は、複数のセル１の下端部が挿入される挿入孔１５ａを有している。複数のセル１の下端部と挿入孔１５ａの内壁とは、固定材１３で接合されている。
　ガスタンク１６は、挿入孔１５ａを通じて複数のセル１に反応ガスを供給する開口部と、かかる開口部の周囲に位置する凹溝１６ａとを有する。支持体１５の外周の端部は、ガスタンク１６の凹溝１６ａに充填された接合材２１によって、ガスタンク１６と接合されている。
　図２Ａに示す例では、支持部材１４である支持体１５とガスタンク１６とで形成される内部空間２２に燃料ガスが貯留される。ガスタンク１６にはガス流通管２０が接続されている。燃料ガスは、このガス流通管２０を通してガスタンク１６に供給され、ガスタンク１６からセル１の内部のガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。ガスタンク１６に供給される燃料ガスは、後述する改質器１０２（図５参照）で生成される。
　水素リッチな燃料ガスは、原燃料を水蒸気改質などすることによって生成することができる。水蒸気改質により燃料ガスを生成する場合には、燃料ガスは水蒸気を含む。
　図２Ａに示す例では、２列のセルスタック１１、２つの支持体１５およびガスタンク１６を備えている。２列のセルスタック１１はそれぞれ、複数のセル１を有する。各セルスタック１１は、各支持体１５に固定されている。ガスタンク１６は上面に２つの貫通孔を有している。各貫通孔には、各支持体１５が配置されている。内部空間２２は、１つのガスタンク１６と、２つの支持体１５とで形成される。
　挿入孔１５ａの形状は、たとえば、上面視で長円形状である。挿入孔１５ａは、たとえば、セル１の配列方向すなわち厚み方向Ｔの長さが、セルスタック１１の両端に位置する２つの端部集電部材１７の間の距離よりも大きい。挿入孔１５ａの幅は、たとえば、セル１の幅方向Ｗ（図１Ａ参照）の長さよりも大きい。
　図２Ｂに示すように、挿入孔１５ａの内壁とセル１の下端部との接合部には、固定材１３が充填され、固化されている。これにより、挿入孔１５ａの内壁と複数個のセル１の下端部とがそれぞれ接合・固定され、また、セル１の下端部同士が接合・固定されている。各セル１のガス流路２ａは、下端部で支持部材１４の内部空間２２と連通している。
　固定材１３および接合材２１は、ガラスなどの導電性が低いものを用いることができる。固定材１３および接合材２１の具体的な材料としては、非晶質ガラスなどを用いてもよく、特に結晶化ガラスなどを用いてもよい。
　結晶化ガラスとしては、たとえば、ＳｉＯ２－ＣａＯ系、ＭｇＯ－Ｂ２Ｏ３系、Ｌａ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３－ＭｇＯ系、Ｌａ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３－ＺｎＯ系、ＳｉＯ２－ＣａＯ－ＺｎＯ系などの材料のいずれかを用いてもよく、特にＳｉＯ２－ＭｇＯ系の材料を用いてもよい。
　また、図２Ｂに示すように、複数のセル１のうち隣接するセル１の間には、接続部材１８が介在している。接続部材１８は、隣接する一方のセル１の燃料極層５と他方のセル１の空気極層８とを電気的に直列に接続する。より具体的には、接続部材１８は、隣接する一方のセル１の燃料極層５と電気的に接続されたインターコネクタ４と、他方のセル１の空気極層８とを接続している。
　また、図２Ｂに示すように、複数のセル１の配列方向における最も外側に位置するセル１に、端部集電部材１７が電気的に接続されている。端部集電部材１７は、セルスタック１１の外側に突出する導電部１９に接続されている。導電部１９は、セル１の発電により生じた電気を集電して外部に引き出す。なお、図２Ａでは、端部集電部材１７の図示を省略している。
　また、図２Ｃに示すように、セルスタック装置１０は、２つのセルスタック１１Ａ、１１Ｂが直列に接続された一つの電池であってもよい。かかる場合、セルスタック装置１０の導電部１９は、正極端子１９Ａと、負極端子１９Ｂと、接続端子１９Ｃとに区別される。
　正極端子１９Ａは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合の正極であり、セルスタック１１Ａにおける正極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。負極端子１９Ｂは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合の負極であり、セルスタック１１Ｂにおける負極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。
　接続端子１９Ｃは、セルスタック１１Ａにおける負極側の端部集電部材１７と、セルスタック１１Ｂにおける正極側の端部集電部材１７とを電気的に接続する。
＜境界部近傍の詳細＞
　つづいて、第１の実施形態に係る境界部９およびその近傍に位置する固体電解質層６および中間層７の詳細について、図３を参照しながら説明する。図３は、図１Ａに示す境界部近傍の一例を示す断面図である。
　図３に示すように、セル１は、第１部材としての固体電解質層６と第２部材としての中間層７との間に位置する境界部９を有する。かかる構造体は、第１部材としての固体電解質層６と、第２部材としての中間層７と、境界部９とを有する複合部材９０として構成されてもよい。かかる複合部材９０は、燃料極層５を有してもよく、空気極層８を有してもよい。
　固体電解質層６は、第１材料６ａを含有する。固体電解質層６は、多結晶であり、複数の結晶粒子６１を有している。複数の結晶粒子６１は、粒界６０で区画されている。図３では、境界部９に沿って位置する、すなわち境界部に接する結晶粒子６１のみを図示しているが、固体電解質層６は、厚み方向に複数の結晶粒子６１を有していてもよい。
　境界部９は、第１材料６ａおよび第２材料７ａを含有する。境界部９は、たとえば、ＺｒＯ２およびＣｅＯ２を含有してもよく、ＺｒＯ２およびＣｅＯ２の固溶体を含有してもよい。
　境界部９は、第１材料６ａおよび第２材料７ａの総和に対する第１材料６ａの割合が、２０％以上８０％以下の範囲となる部分である。
　また、境界部９は、第１部分９ａと第２部分９ｂとを有する。第２部分９ｂは、第１部分９ａより厚い。
　たとえば、境界部９の厚みが０．２μｍ以下となる領域を第１部分９ａとし、その他の領域を第２部分９ｂとすることができる。また、境界部９の厚みが０．４μｍ以上となる部分を第２部分９ｂとし、その他の部分を第１部分９ａと規定してもよい。第１部分９ａは、実質的に厚みを有さなくてもよい。すなわち、第１部分９ａは、固体電解質層６と中間層との界面であってもよい。
　固体電解質層６と中間層７との間に位置する境界部９が、厚みが異なる第１部分９ａおよび第２部分９ｂを有することにより、セル１の性能が向上する。たとえば、厚みが薄い第１部分９ａでは、薄い境界部９を介して固体電解質層６と中間層７との間の導電性が確保され、発電性能が向上する。一方、第１部分９ａより厚い第２部分９ｂでは、たとえば、厚い境界部９を介して固体電解質層６および中間層７の接合強度が確保され、耐久性が向上する。図３では、第２部分９ｂが固体電解質層６側および中間層７側の両方に厚みを有する場合を示したが、第２部分９ｂは、固体電解質層６側または中間層７側のいずれかに偏った厚みを有してもよい。
　なお、第１材料６ａおよび第２材料７ａを有する境界部９の厚みは、たとえば、固体電解質層６および中間層７を含む素子部３の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）またはＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）と、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）とを用いて測定することができる。具体的には、たとえば素子部３または複合部材９０の積層方向の断面を鏡面研磨し、固体電解質層６および中間層７を含む所定の面積で、第１材料６ａが有するＺｒと第２材料７ａが有するＣｅとをそれぞれ半定量分析する。得られた分析結果を用いて、単位面積当たりの含有量を、原子％単位にそれぞれ換算することにより、境界部９の第１部分９ａおよび第２部分９ｂを特定することができる。
　次に、図４Ａおよび図４Ｂを用いて、境界部９が有する第１部分９ａおよび第２部分９ｂの分布について説明する。図４Ａは、図３に示す境界部の一例を示す平面図である。図４Ｂは、図３に示す境界部の他の一例を示す平面図である。
　図４Ａに示すように、境界部９の第２部分９ｂは、複数の結晶粒子６１を区画する粒界６０のうち、境界部９に接する粒界６０と平面視で重なるように網状に連続して位置してもよい。第２部分９ｂは、例えば結晶粒子６１の酸素欠損などの欠陥６２と平面視で重なるように位置してもよい。
　第１部分９ａは、平面視で第２部分９ｂが位置しない領域に位置している。第１部分９ａは、境界部９に接する複数の結晶粒子６１のうち、少なくとも１つと平面視で重なるように島状に位置してもよい。
　また、図４Ｂに示すように、境界部９の第２部分９ｂは、複数の結晶粒子６１を区画する粒界６０のうち、三重点６３と平面視で重なるように島状に位置してもよい。平面視した第２部分９ｂの形状は、図４Ａおよび図４Ｂに例示したものに限らず、たとえば、弧状、線状、Ｙ字状、十字状、星状、樹枝状などいずれの形状であってもよく、それらが混在してもよい。また、平面視した第２部分９ｂの形状は、途切れた網状であってもよい。
　このように、固体電解質層６および中間層７と接する境界部９に、厚さが異なる第１部分９ａおよび第２部分９ｂが分布することにより、所望の導電性および接合強度が確保され、性能が向上する。
　上記したような、固体電解質層６および中間層７と接する境界部９に、第１部分９ａおよび第２部分９ｂが分布する複合部材９０は、たとえば、固体電解質層６の表面に、たとえば酸化コバルト、酸化銅などの焼結助剤を塗工し、乾燥させた後に中間層材料を位置させて、焼結することで得ることができる。焼結助剤は、たとえば１０ｎｍ以下の厚さに塗工してもよい。固体電解質層６の表面に塗工された焼結助剤により、第１材料６ａと第２材料７ａとが固溶しやすくなる。焼結助剤によるこのような作用の大きさは、結晶粒子６１上と粒界６０上とで異なるため、第１部分９ａおよび第２部分９ｂを有する境界部９が得られる。また、複合部材のかかる構造は、固体電解質層６の表面に、エピタキシャル成長により中間層７を位置させることにより形成してもよい。ただし、複合部材９０の作製方法に制限はなく、いかなる方法で作製されたものであってもよい。また、中間層７は、固体電解質層６のように多結晶であってもよい。かかる場合、中間層７は、境界部９を挟んで向かい合う固体電解質層６に対応する結晶構造を有してもよい。言い換えると、中間層７を構成する複数の結晶粒子および粒界のうち、境界部９に接する結晶粒子および粒界は、固体電解質層６が有する複数の結晶粒子６１および粒界６０のうち、境界部９に接する結晶粒子６１および粒界６０と平面視で重なるように位置してもよい。中間層７は、気孔を有していてもよい。中間層７は、固体電解質層６および境界部９よりも大きい気孔率を有していてもよい。
＜モジュール＞
　次に、上述した電気化学セル装置を用いた本開示の実施形態に係るモジュールについて、図５を用いて説明する。図５は、第１の実施形態に係るモジュールを示す外観斜視図である。図５では、収納容器１０１の一部である前面および後面を取り外し、内部に収納される燃料電池のセルスタック装置１０を後方に取り出した状態を示している。
　図５に示すように、モジュール１００は、収納容器１０１、および収納容器内に収納されたセルスタック装置１０を備えている。また、セルスタック装置１０の上方には、改質器１０２が配置されている。
　かかる改質器１０２は、天然ガス、灯油などの原燃料を改質して燃料ガスを生成し、セル１に供給する。原燃料は、原燃料供給管１０３を通じて改質器１０２に供給される。なお、改質器１０２は、水を気化させる気化部１０２ａと、改質部１０２ｂとを備えていてもよい。改質部１０２ｂは、図示しない改質触媒を備えており、原燃料を燃料ガスに改質する。このような改質器１０２は、効率の高い改質反応である水蒸気改質を行うことができる。
　そして、改質器１０２で生成された燃料ガスは、ガス流通管２０、ガスタンク１６、および支持部材１４を通じて、セル１のガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。
　また、上述の構成のモジュール１００では、ガスの燃焼およびセル１の発電に伴い、通常発電時におけるモジュール１００内の温度が５００℃～１０００℃程度となる。
　このようなモジュール１００においては、上述したように、性能が向上されるセルスタック装置１０を収納して構成されることにより、性能が向上されるモジュール１００とすることができる。
＜モジュール収容装置＞
　図６は、第１の実施形態に係るモジュール収容装置の一例を示す分解斜視図である。本実施形態に係るモジュール収容装置１１０は、外装ケース１１１と、図５で示したモジュール１００と、図示しない補機と、を備えている。補機は、モジュール１００の運転を行う。モジュール１００および補機は、外装ケース１１１内に収容されている。なお、図６においては一部構成を省略して示している。
　図６に示すモジュール収容装置１１０の外装ケース１１１は、支柱１１２と外装板１１３とを有する。仕切板１１４は、外装ケース１１１内を上下に区画している。外装ケース１１１内の仕切板１１４より上側の空間は、モジュール１００を収容するモジュール収容室１１５であり、外装ケース１１１内の仕切板１１４より下側の空間は、モジュール１００を運転する補機を収容する補機収容室１１６である。なお、図６では、補機収容室１１６に収容する補機を省略して示している。
　また、仕切板１１４は、補機収容室１１６の空気をモジュール収容室１１５側に流すための空気流通口１１７を有している。モジュール収容室１１５を構成する外装板１１３は、モジュール収容室１１５内の空気を排気するための排気口１１８を有している。
　このようなモジュール収容装置１１０においては、上述したように、性能が向上されるモジュール１００をモジュール収容室１１５に備えていることにより、性能が向上されるモジュール収容装置１１０とすることができる。
　なお、上述の実施形態では、中空平板型の支持基板を用いた場合を例示したが、円筒型の支持基板を用いた電気化学セル装置に適用することもできる。
［第２の実施形態］
　つづいて、第２の実施形態に係る電気化学セルおよび電気化学セル装置について、図７Ａ～図８を参照しながら説明する。
　上述の実施形態では、支持基板の表面に燃料極、固体電解質層および空気極を含む素子部が１つのみ設けられたいわゆる「縦縞型」を例示したが、支持基板の表面の互いに離れた複数個所にて素子部がそれぞれ設けられ、隣り合う素子部の間が電気的に接続されたいわゆる「横縞型」の電気化学セルを配列した横縞型電気化学セル装置に適用することができる。
　図７Ａは、第２の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す断面図であり、図７Ｂは、第２の実施形態に係る電気化学セルを示す横断面図であり、図８は、図７Ｂに示す境界部近傍の一例を示す断面図である。
　図７Ａに示すように、セルスタック装置１０Ａは、燃料ガスを流通させる配管２２ａから複数のセル１Ａが長さ方向Ｌに延びている。セル１Ａは、支持基板２上に複数の素子部３を有している。支持基板２の内部には、配管２２ａからの燃料ガスが流れるガス流路２ａが設けられている。
　また、各セル１Ａは、接続部材３１を介して互いに電気的に接続されている。接続部材３１は、各セル１Ａがそれぞれ有する素子部３の間に位置しており、隣り合うセル１Ａを接続している。
　また、図７Ｂに示すように、第２の実施形態に係るセル１Ａは、支持基板２と、一対の素子部３と、封止部３０とを備えている。支持基板２は、一対の対向する平坦面である第１面ｎ１および第２面ｎ２、およびかかる第１面ｎ１および第２面ｎ２を接続する一対の円弧状の側面ｍを有する柱状である。
　一対の素子部３は、支持基板２の第１面ｎ１および第２面ｎ２上に、互いに対向するように位置している。また、封止部３０は、支持基板２の側面ｍを覆うように位置している。
　図８に示すように、セル１Ａは、第１部材としての固体電解質層６と第２部材としての中間層７との間に位置する境界部９を有する。かかる構造体は、固体電解質層６、中間層７および境界部９を有する複合部材９０として構成されてもよい。
　固体電解質層６は、第１材料６ａを含有する。固体電解質層６は、多結晶であり、複数の結晶粒子６１を有している。複数の結晶粒子６１は、粒界６０で区画されている。
　境界部９は、第１材料６ａおよび第２材料７ａを含有する。境界部９は、たとえば、ＺｒＯ２およびＣｅＯ２を含有してもよく、ＺｒＯ２およびＣｅＯ２の固溶体を含有してもよい。
　境界部９は、第１部分９ａと第２部分９ｂとを有する。第２部分９ｂは、第１部分９ａより厚い。
　このように、固体電解質層６と中間層７との間に位置する境界部９が、厚みが異なる第１部分９ａおよび第２部分９ｂを有することにより、セル１Ａの性能が向上する。たとえば、第１部分９ａでは、薄い境界部９を介して固体電解質層６と中間層７との間の導電性が確保され、発電性能が向上する。一方、第１部分９ａより厚い第２部分９ｂでは、たとえば、厚い境界部９を介して固体電解質層６および中間層７の接合強度が確保され、耐久性が向上する。
［第３の実施形態］
　図９は、第３の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す斜視図である。図１０は、図９に示す電気化学セルの部分断面図である。
　図９、図１０に示すように、セル１Ｂは、燃料極層５、固体電解質層６、中間層７および空気極層８が積層された素子部３Ｂと、導電部材９１，９２とを有している。固体電解質層６と中間層７との間には、境界部９が位置している。複数の平板型セルを積層させた電気化学セル装置は、たとえば複数のセル１Ｂが、互いに隣り合う金属層である導電部材９１，９２により電気的に接続されている。導電部材９１，９２は、隣接するセル１Ｂ同士を電気的に接続するとともに、燃料極層５または空気極層８にガスを供給するガス流路を有している。
　図１０に示すように、セル１Ｂは、平板型セルスタックの燃料ガスの流路と酸素含有ガスの流路とを気密に封止する封止材を有している。封止材はセルの固定部材９６であり、接合材９３およびフレームである支持部材９４，９５を有する。接合材９３は、ガラスであってもよいし、銀ロウなどの金属材料であってもよい。
　支持部材９４は、燃料ガスの流路と酸素含有ガスの流路とを区画するいわゆるセパレータであってもよい。支持部材９４，９５の材料は、例えば導電性の金属であってもよいし、絶縁性のセラミックスであってもよい。支持部材９４が金属であった場合、支持部材９４は導電部材９２と一体化していてもよい。支持部材９５が金属であった場合、支持部材９５は導電部材９１と一体化していてもよい。
　接合材９３、支持部材９４，９５のうちいずれか１つは絶縁性であり、平板型セルを挟む２つの導電部材９１，９２を互いに電気的に絶縁している。
　図１１は、図１０に示す境界部近傍の一例を示す断面図である。図１１に示すように、セル１Ｂは、第１部材としての固体電解質層６と第２部材としての中間層７との間に位置する境界部９を有する。かかる構造体は、固体電解質層６、中間層７および境界部９を有する複合部材９０として構成されてもよい。
　固体電解質層６は、第１材料６ａを含有する。固体電解質層６は、多結晶であり、複数の結晶粒子６１を有している。複数の結晶粒子６１は、粒界６０で区画されている。
　境界部９は、第１材料６ａおよび第２材料７ａを含有する。境界部９は、たとえば、ＺｒＯ２およびＣｅＯ２を含有してもよく、ＺｒＯ２およびＣｅＯ２の固溶体を含有してもよい。
　境界部９は、第１部分９ａと第２部分９ｂとを有する。第２部分９ｂは、第１部分９ａより厚い。
　このように、固体電解質層６と中間層７との間に位置する境界部９が、厚みが異なる第１部分９ａおよび第２部分９ｂを有することにより、セル１Ｂの性能が向上する。たとえば、第１部分９ａでは、薄い境界部９を介して固体電解質層６と中間層７との間の導電性が確保され、発電性能が向上する。一方、第１部分９ａより厚い第２部分９ｂでは、たとえば、境界部９を介した固体電解質層６および中間層７の接合強度が確保され、耐久性が向上する。
［第４の実施形態］
　図１２Ａは、第４の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図である。図１２Ｂ、図１２Ｃは、第４の実施形態に係る電気化学セルの他の一例を示す横断面図である。図１３は、図１２Ａに示す境界部近傍の一例を示す断面図である。なお、図１３は、図１２Ｂ、図１２Ｃの例にも適用できる。
　図１２Ａ～図１２Ｃに示すように、セル１Ｃは、燃料極層５、固体電解質層６、中間層７および空気極層８が積層された素子部３Ｃと、支持基板２とを有している。固体電解質層６と中間層７との間には、境界部９が位置している。支持基板２は、素子部３と接する部位に貫通孔または細孔を有するとともに、ガス流路２ａの外側に位置する部材１２０を有する。支持基板２は、ガス流路２ａと素子部３Ｃとの間でガスを流通させることができる。支持基板２は、例えば、１または複数の金属板で構成されてもよい。金属板の材料は、クロムを含有していてもよい。金属板は、導電性の被覆層を有していてもよい。支持基板２は、隣接するセル１Ｃ同士を電気的に接続する。素子部３Ｃは、支持基板２上に直接形成されていてもよいし、接合材により支持基板２に接合されていてもよい。
　図１２Ａに示す例では、燃料極層５の側面は固体電解質層６により被覆され、燃料ガスが流れるガス流路２ａを気密に封止している。図１２Ｂに示すように、燃料極層５の側面は緻密なガラスまたはセラミックの封止材４０で被覆され、封止されていてもよい。燃料極層５の側面を被覆する封止材４０は、電気絶縁性を有していてもよい。
　また、支持基板２のガス流路２ａは、図１２Ｃに示すように凹凸を有する部材１２０により形成されていてもよい。
　図１３に示すように、セル１Ｃは、第１部材としての固体電解質層６と第２部材としての中間層７との間に位置する境界部９を有する。かかる構造体は、固体電解質層６、中間層７および境界部９を有する複合部材９０として構成されてもよい。
　固体電解質層６は、第１材料６ａを含有する。固体電解質層６は、多結晶であり、複数の結晶粒子６１を有している。複数の結晶粒子６１は、粒界６０で区画されている。
　境界部９は、第１材料６ａおよび第２材料７ａを含有する。境界部９は、たとえば、ＺｒＯ２およびＣｅＯ２を含有してもよく、ＺｒＯ２およびＣｅＯ２の固溶体を含有してもよい。
　境界部９は、第１部分９ａと第２部分９ｂとを有する。第２部分９ｂは、第１部分９ａより厚い。
　このように、固体電解質層６と中間層７との間に位置する境界部９が、厚みが異なる第１部分９ａおよび第２部分９ｂを有することにより、セル１Ｃの性能が向上する。たとえば、第１部分９ａでは、薄い境界部９を介して固体電解質層６と中間層７との間の導電性が確保され、発電性能が向上する。一方、第１部分９ａより厚い第２部分９ｂでは、たとえば、厚い境界部９を介して固体電解質層６および中間層７の接合強度が確保され、耐久性が向上する。
［その他の実施形態］
　つづいて、その他の実施形態に係る電気化学セル装置について説明する。
　上記した実施形態では、「電気化学セル」、「電気化学セル装置」、「モジュール」および「モジュール収容装置」の一例として燃料電池セル、燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を示したが、他の例としてはそれぞれ、電解セル、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置であってもよい。電解セルは、第１電極層および第２電極層を有し、電力の供給により水蒸気を水素と酸素に分解する、または二酸化炭素を一酸化炭素と酸素に分解する。また、上記した各実施形態では電気化学セルの電解質材料の一例として酸化物イオン伝導体または水素イオン伝導体を示したが、水酸化物イオン伝導体であってもよい。このような電解セル、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置によれば、電解性能と耐久性を向上することができる。
　以上、本開示について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
　一実施形態において、（１）複合部材は、
　第１材料を含む多結晶の第１部材と、
　前記第１材料とは異なる第２材料を含む第２部材と、
　前記第１部材と前記第２部材との間に位置し、前記第１材料および前記第２材料を含有する境界部と
　を備え、
　前記境界部は、第１部分と、前記第１部分より厚い第２部分とを有する。
　（２）上記（１）の複合部材において、前記第１部分は、前記第１部材が有する複数の結晶粒子のうち、前記境界部に接する結晶粒子の少なくとも１つと平面視で重なるように位置していてもよい。
　（３）上記（１）または（２）の複合部材において、前記第２部分は、前記第１部材が有する複数の結晶粒子間に位置する粒界のうち、前記境界部に接する粒界の少なくとも一部と平面視で重なるように位置していてもよい。
　（４）上記（１）～（３）のいずれか１つの複合部材において、前記境界部は、前記第１材料および前記第２材料の固溶体を含有してもよい。
　（５）上記（１）～（４）のいずれか１つの複合部材において、前記第２部材は、前記境界部を挟んで向かい合う前記第１材料に対応する結晶構造を有してもよい。
　（６）電気化学セルは、上記（１）～（５）のいずれか１つの複合部材と、
　前記複合部材を挟んで向かい合う第１電極層および第２電極層と
　を備える。
　（７）電気化学セル装置は、上記（６）の電気化学セルを備えるセルスタックを有する。
　（８）モジュールは、上記（７）の電気化学セル装置と、
　前記電気化学セル装置を収納する収納容器とを備える。
　（９）モジュール収容装置は、上記（８）のモジュールと、
　前記モジュールの運転を行うための補機と、
　前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースとを備える。
　今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の請求の範囲およびその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
　　１，１Ａ～１Ｃ　セル
　　２　支持基板
　　３，３Ｂ，３Ｃ　素子部
　　４　インターコネクタ
　　５　燃料極層
　　６　固体電解質層
　６ａ　第１材料
　　７　中間層
　７ａ　第２材料
　　８　空気極層
　　９　境界部
　９ａ　第１部分
　９ｂ　第２部分
　１０　セルスタック装置
　１１　セルスタック
　１２　固定部材
　１３　固定材
　１４　支持部材
　１５　支持体
　１６　ガスタンク
　１７　端部集電部材
　１８　接続部材
１００　モジュール
１１０　モジュール収容装置

Claims (9)

  1. 　第１材料を含む多結晶の第１部材と、
    　前記第１材料とは異なる第２材料を含む第２部材と、
    　前記第１部材と前記第２部材との間に位置し、前記第１材料および前記第２材料を含有する境界部と
    　を備え、
    　前記境界部は、第１部分と、前記第１部分より厚い第２部分とを有する
    　複合部材。
  2. 　前記第１部分は、前記第１部材が有する複数の結晶粒子のうち、前記境界部に接する結晶粒子の少なくとも１つと平面視で重なるように位置している
    　請求項１に記載の複合部材。
  3. 　前記第２部分は、前記第１部材が有する複数の結晶粒子間に位置する粒界のうち、前記境界部に接する粒界の少なくとも一部と平面視で重なるように位置している
    　請求項１または２に記載の複合部材。
  4. 　前記境界部は、前記第１材料および前記第２材料の固溶体を含有する
    　請求項１～３のいずれか１つに記載の複合部材。
  5. 　前記第２部材は、前記境界部を挟んで向かい合う前記第１材料に対応する結晶構造を有する
    　請求項１～４のいずれか１つに記載の複合部材。
  6. 　請求項１～５のいずれか１つに記載の複合部材と、
    　前記複合部材を挟んで向かい合う第１電極層および第２電極層と
    　を備える電気化学セル。
  7. 　請求項６に記載の電気化学セルを備えるセルスタックを有する
    　電気化学セル装置。
  8. 　請求項７に記載の電気化学セル装置と、
    　前記電気化学セル装置を収納する収納容器と
    　を備えるモジュール。
  9. 　請求項８に記載のモジュールと、
    　前記モジュールの運転を行うための補機と、
    　前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースと
    　を備えるモジュール収容装置。
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