(57)【要約】【課題】高い機械強度を有する電気化学セル、電気化学セルスタック、燃料電池および電気分解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、少なくとも一部に高強度材料が含まれている燃料極と、前記燃料極に積層される電解質と、前記電解質の前記燃料極と対向する側に積層される空気極と、を備える。燃料極の少なくとも一部に高強度材料が含まれることで、高い機械強度を有する電気化学セル、電気化学セルスタック、燃料電池および電気分解装置が提供できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部に高強度材料が含まれる燃料極と、
前記燃料極に積層される電解質と、
前記電解質の前記燃料極と対向する側に積層される空気極と、
を備える電気化学セル。
【請求項２】
前記燃料極は、前記高強度材料が含まれる領域の多孔率が５％未満である請求項１に記
載の電気化学セル。
【請求項３】
請求項１または２に記載の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に記載の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に記載の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】
燃料極、電解質、空気極を順次積層した固体酸化物形の電気化学セルは、燃料極および
空気極が多孔質の材料で構成されることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５２７０８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、多孔質の結晶は密度が低いため、シール材と電気化学セルとを圧着した
場合でも電気化学セルが破損しないように、電気化学セルの機械強度を高くする必要があ
る。
【０００５】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、高い機械強度を有する電気化学セル、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、少なくとも一部に高強度材
料が含まれている燃料極と、前記燃料極に積層される電解質と、前記電解質の前記燃料極
と対向する側に積層される空気極と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の実施形態の電気化学セルは、高い機械強度を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係る電気化学セルの概要図である。
【図２】実施形態に係る電気化学セルの燃料極に無機材料を含浸させるフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態に係る電気化学セルについて、図１および図２を用いて説明する。
【００１０】
実施形態に係る電気化学セル１は、燃料極２と、電解質３と、空気極４と、無機材料５
から構成される。電気化学セル１は、燃料極２、電解質３、および空気極４を順次積層し
た積層体であり、燃料極２の一部に無機材料５を含侵させる。固体酸化物形燃料電池（Ｓ
ＯＦＣ）や高温水蒸気電解を利用した水素製造装置（ＳＯＥＣ）に搭載されるセルである
。
【００１１】
図１に示すように、燃料極２は固体酸化物からなる平板型の電極であり、反応ガスを導
入するための孔部２ａを有する多孔質である。燃料極２に導入される反応ガスとは、例え
ばＳＯＦＣの場合は水素または一酸化炭素を、ＳＯＥＣの場合は主に水蒸気を指す。ここ
でいう多孔質とは気孔率が５％以上の材料、例えば３０％から４０％程度の材料を指すが
、この気孔率の範囲は用途により適宜変動してもよい。
【００１２】
電解質３は、酸素イオン導電性を有する固体酸化物の平板であり、ガスが通過しないよ
うな緻密な構造を有する。ここでいう緻密な構造とは、気孔率が５％未満の材料、例えば
１％から３％程度の材料を指すが、この気孔率の範囲は用途により適宜変動してもよい。
【００１３】
空気極４は、固体酸化物からなる平板型の電極であり、酸素が通過するための孔部を有
する多孔質である。
【００１４】
無機材料５は、燃料極２の一部に含まれる高強度材料である。ここでいう高強度材料と
は、少なくとも電気化学セル１を動作させる温度領域において、溶けることなく孔部２ａ
を充填すると共に、電気化学セル１で生じる化学反応を妨げない材料、例えばガラス等を
指す。なお、本実施形態では、高強度材料が無機材料である場合を例示しているが、燃料
極２の機械強度を補強すると共に、電気化学セル１で生じる化学反応を妨げない有機材料
を用いてもよい。また、高強度材料は、少なくとも燃料極２の側面（以降の説明では単に
側面という）の一部に含まれることが好ましい。ここでいう側面とは、燃料極２の端面の
うち、電解質３と空気極４との当接面を含む平面と底面とを除く面を指す。
【００１５】
次に、燃料極２の一部に無機材料５を含ませる方法について、図２を用いて説明する。
図２は、実施形態に係る電気化学セルの燃料極に無機材料を含浸させるフローチャートで
ある。
【００１６】
まず、燃料極２の底面の一部をマスク材でマスクする（Ｓ１）。ここでいう燃料極２の
底面（以降の説明では単に底面という）とは、燃料極２が電解質３と隣接する面と対向す
る面のことを指す。この際に、マスクされている面（すなわち底面の一部）は、電解質３
と空気極４との当接面を底面に投影してできる投影面が含まれると共に、底面の各辺は含
まれないことが好ましい。なお、底面の一部をマスクする理由は、電解質３と空気極４と
の当接面（言い換えると、化学反応に寄与する領域）への無機材料５の浸透を防ぐためで
ある。なお、ここで用いるマスク材は、例えば無機材料５と化学反応しない材料を主成分
とする平板である。
【００１７】
次に、燃料極２の底面が上側にくるように電気化学セル１を配置した状態で、底面のマ
スクされていない領域から、ペースト状の無機材料５を含浸させる（Ｓ２）。ペースト状
の無機材料５は、底面のマスクされていない領域から、電解質３と空気極４との当接面の
方向に浸透する。すなわち、ペースト状の無機材料５が浸透した領域の孔部２ａには、無
機材料５が充填される。なお、ペースト状の無機材料５は、側面を含む領域に浸透するこ
とが好ましいが、側面の一部を含む領域に浸透してもよい。側面を含む領域に浸透するこ
とが好ましい理由は、シール材と電気化学セル１とを圧着させた場合に、側面から結晶欠
陥が生じやすいからである。また、ペースト状の無機材料５は、底面のマスクされている
面より下側の領域には浸透しないことが好ましい。底面のマスクされている面より下側の
領域に無機材料５が浸透しないことが好ましい理由は、電気化学セル１の化学反応を妨げ
ないためである。
【００１８】
次に、マスクを除去した電気化学セル１に対して熱処理が行われる（Ｓ３）。この熱処
理は、電気化学セル１に余分に付着したペースト状の無機材料５を除去すると共に、燃料
極２に浸透した無機材料５を焼き固めるために実施される。本実施形態では、低温（１０
０℃程度）で乾燥処理を行い、余分なペースト状の無機材料５を除去した後に、高温（７
００℃以上）で孔部２ａに充填されたペースト状の無機材料５を焼き固める。熱処理実施
後において、燃料極２のうち孔部２ａに無機材料５が充填された領域の気孔率は、５％未
満となることが好ましい。これは、気孔率が５％未満となると緻密な構造となり、燃料極
２の機械強度がより強くなるからである。孔部２ａに充填されたペースト状の無機材料５
が焼き固まると、燃料極２のうち孔部２ａに無機材料５が充填された領域が高密度となり
、この領域の機械強度が向上する。なお、ステップＳ３での熱処理の温度は、用途により
適宜変動してもよい。
【００１９】
上述した実施形態によれば、無機材料５を含浸させて燃料極２の密度を高くすることに
より、燃料極２の機械強度を向上させることができる。
【００２０】
なお、本実施形態では、燃料極２の一部に無機材料５（高強度材料）を含ませる方法と
してペースト状の無機材料５を燃料極２に含浸させる方法を例示して説明したが、無機材
料５が少なくとも燃料極２の側面の一部に含まれる場合には、例えば燃料極と同様の材料
に高強度材料を含ませた矩形部材をあらかじめ作成し、この矩形部材と燃料極とを圧着さ
せてもよい。
【００２１】
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】
【００２２】
１． 電気化学セル、２．燃料極、２ａ．孔部、３．電解質、４．空気極、５．無機材料
【図１】
2019129063.tif 000003
【図２】
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