(57)【要約】【課題】酸素極と電解質との間を酸素イオンが容易に移動できる電気化学セル、電気化学セルスタック、燃料電池および水素製造装置を提供すること。【解決手段】  本発明の実施形態によれば、水素極、電解質、および酸素極を順次積層する電気化学セルであって、前記水素極は、少なくとも前記電解質と接する領域に配置される複数の第一の結晶粒と、複数の前記第一の結晶粒の間に配置され、前記第一の結晶粒よりも粒径が小さい第二の結晶粒と、を備える。また、本発明の実施形態によれば、前記第一の結晶粒に対する前記第二の結晶粒の粒径の比は、０．０２５以上０．１４以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素極、電解質、および酸素極を順次積層する電気化学セルであって、
前記酸素極は、
少なくとも前記電解質と接する領域に配置される複数の第一の結晶粒と、
複数の前記第一の結晶粒の間に配置され、前記第一の結晶粒よりも粒径が小さい第二の結晶粒と、
を備える電気化学セル。
【請求項２】
前記第一の結晶粒に対する前記第二の結晶粒の粒径の比は、０．０２５以上０．１４以下である請求項１に記載された電気化学セル。
【請求項３】
請求項１または２に記載された電気化学セルを備える電気化学セルスタック。
【請求項４】
請求項１または２に記載された電気化学セルを備える燃料電池。
【請求項５】
請求項１または２に記載された電気化学セルを備える水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電気化学セル、電気化学セルスタック、燃料電池および水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）または水素製造装置（ＳＯＥＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ  Ｃｅｌｌ）に用いられる固体酸化物形の電気化学セルは、平板型では、水素極、電解質、酸素極を順次積層して形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−１０４４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電気化学セルの化学反応の効率よく生じさせるためには、酸素極と電解質との間を酸素イオンが容易に移動できることが求められる。
【０００５】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、電解質と酸素極との間を酸素イオンが容易に移動できる電気化学セル、電気化学セルスタック、燃料電池および水素製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、実施形態の電気化学セルは、水素極、電解質、および酸素極を順次積層する電気化学セルであって、前記水素極は、少なくとも前記電解質と接する領域に配置される第一の結晶粒と、複数の前記第一の結晶粒の間に配置され、前記第一の結晶粒よりも粒径が小さい第二の結晶粒と、を備える。
【０００７】
また、実施形態の電気化学セルスタック、燃料電池、または水素製造装置は、前記電気化学セルを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、酸素極と電解質との間を酸素イオンが容易に移動できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る電気化学セルの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、実施形態に係る電気化学セルの構成図である。以降の説明においては、電気化学セルをセル、電気化学セルスタックをセルスタックと表記する。また、以降の説明における積層方向とは、後述する水素極２、電解質３、および酸素極４を積層する方向を示し、その方向や特定の面を表す際には、特段の指定がない限り積層方向を基準として表記する。例えば、上面とは積層方向を基準とした上面、側面とは積層方向を基準とした側面、下側とは積層方向を基準とした下側をそれぞれ示す。なお、ここでいう積層方向は、重力方向とは必ずしも一致しない。
【００１１】
図１に示すように、セル１は、水素極２と、電解質３と、酸素極４とを備える。セル１は平板型のセルであり、セルスタック、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、または高温水蒸気電解を利用した水素製造装置（ＳＯＥＣ）に搭載される。ここでいうセルスタックは、少なくとも一層が本実施形態のセル１であるセルスタックを示す。
【００１２】
水素極２は、平板型の電極である。水素極２の材料には、金属粒子と金属酸化物を含む結合体を用いることができる。ここでいう金属粒子は、例えばニッケル、コバルト、鉄と銅の少なくとも一つが挙げられる。また、ここでいう金属酸化物は、例えばＹ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２の少なくとも一つを含む安定化剤が固溶された安定化ジルコニアや、Ｓｍ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３の少なくとも一つを含む酸化物とＣｅＯ２とを固溶させたドープセリアが挙げられる。なお、本実施形態では水素極支持型のセルを例示して説明するが、例えば電解質支持型や酸素極支持型のセルでもよい。また、本実施形態の変形例として、水素極、電解質、および酸素極とは別に支持体を設ける構成としてもよい。
【００１３】
電解質３は、水素極２に積層された平板型の薄膜である。電解質３の材料には、例えばＹ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ２の少なくとも一つを含む安定化剤が固溶された安定化ジルコニアや、Ｓｍ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３とＹ２Ｏ３の少なくとも一つを含む酸化物とＣｅＯ２とを固溶したドープセリアが挙げられる。
【００１４】
酸素極４は、平板型の薄膜電極であり、電解質３に積層される。酸素極４は、少なくとも電解質３と接する領域に配置される第一の結晶粒４ａと、第一の結晶粒４ａよりも粒径の小さい第二の結晶粒４ｂとを含む。なお、ここでいう電解質３と接する領域とは、電解質３との界面の一部を含む領域を指し、必ずしもこの界面全体を含む必要はない。本実施形態における第一の結晶粒４ａの粒径は５．０マイクロメートル以上１０マイクロメートル以下、第二の結晶粒４ｂの粒径は０．１０マイクロメートル以上１．０マイクロメートル以下である。ただし、これらの粒径はこの範囲に限定されるものではなく、第一の結晶粒４ａに対する第二の結晶粒４ｂの粒径の比が０．０２５以上０．１４以下の範囲を満たす粒径であればよい。
【００１５】
酸素極４は、複数の第一の結晶粒４ａの隙間に第二の結晶粒４ｂが配置されている。酸素極４の材料には、ペロブスカイト型酸化物やこれらの一部を置換した酸化物、例えばＬａＳｒＣｏＦｅ酸化物、ＬａＳｒＭｎ酸化物（ＬＳＭ）、ＬａＳｒＣｏ酸化物（ＬＳＣ）、ＬａＳｒＦｅ酸化物（ＬＳＦ）や、電解質に用いている固体酸化物との混合体、例えばＬＳＭ−ＹＳＺ、ＬＳＭ−ＳｃＳＺ、ＬＳＣ−ＧＤＣ等が挙げられる。
【００１６】
次に、セル１の製造方法について説明する。まず、水素極２、および電解質３を順次積層する。次に、スクリーン印刷によって、第一の結晶粒４ａと第二の結晶粒４ｂとの混合材料が電解質３上に積層される。次に、水素極２、電解質３、および混合材料を積層した積層体が乾燥および焼付処理される。この乾燥および焼付処理を通して混合材料が焼き固められて、酸素極４になる。
【００１７】
なお、ここでいう混合材料は、例えば第一の結晶粒４ａの粉末と第二の結晶粒４ｂの粉末とをポッドブレンダで混合させて製造することができる。ただし、第一の結晶粒４ａの粉末は、例えば第二の結晶粒４ｂの粉末の一部に仮焼処理を施して第一の結晶粒４ａの粉末としてもよい。また、本実施形態ではスクリーン印刷により電解質３上に混合材料を積層する場合を例示して説明するが、例えばこの混合材料を電解質３上にはけ塗りしてもよい。さらに、水素極２、電解質３、および混合材料を積層した積層体を乾燥および焼付処理することで、混合材料が焼き固められて酸素極４になる。
【００１８】
次に、本実施形態の作用について説明する。
【００１９】
セル１をＳＯＦＣとして動作させる場合、外部から水素極２に水素を、酸素極４に酸素をそれぞれ供給して、セル１で化学反応を引き起こす。具体的には、酸素極４では、酸素と電子とが反応して酸素イオンを生成する。この酸素イオンは、酸素極４から電解質を経て水素極２に移動する。水素極２では、酸素イオンと外部から供給された水素とが反応して、水蒸気と電子とを生成する。水素極２で生成された電子は酸素極４に供給され、酸素極４での反応に用いられる。
【００２０】
セル１をＳＯＥＣとして動作させる場合、外部から水素極２に水蒸気を供給すると共に、水素極２と酸素極４との間に電圧を印加して、セル１で化学反応を引き起こす。具体的には、水素極２において、水蒸気と電子とが反応して水素と酸素イオンとに分解される。この酸素イオンは、水素極２から電解質３を経て酸素極４に移動する。酸素極４では、酸素イオンが反応して酸素と電子とを生成する。
【００２１】
本実施形態では、複数の第一の結晶粒４ａの隙間に第二の結晶粒４ｂが配置されているため、酸素極４は密な構造となり、電解質３への接触面積が向上する。したがって、電解質３と酸素極４との間を酸素イオンが移動しやすくなり、セル１の反応効率が向上する。
【００２２】
上述した実施形態によれば、複数の第一の結晶粒４ａの隙間に第二の結晶粒４ｂが配置されているため、酸素極４は密な構造となり、電解質３への接触面積が向上する。したがって、電解質３と酸素極４との間を酸素イオンが移動しやすくなり、セル１の反応効率を向上させることができる。
【００２３】
なお、本実施形態では、電解質３に酸素極４を積層する場合を例示して説明したが、本実施形態の変形例として、例えば電解質３と酸素極４との間に中間層を設けてもよい。また、本実施形態の他の変形例として、例えば酸素極４上に従来の酸素極を積層してもよい。
【００２４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００２５】
１．セル、２．水素極、３．電解質、４．酸素極、４ａ．第一の結晶粒、４ｂ．第二の結晶粒
【図１】
2020191221.tif 000003