(57)【要約】【課題】長時間動作させてもセルの性能が低下しにくい電気化学セル、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、水素極に積層される電解質と、前記電解質に積層される緻密な領域および前記緻密な領域に積層される多孔な領域を含む反応防止層と、前記多孔な領域に積層される酸素極と、を備える。また、本発明の好ましい実施形態によれば、前記反応防止層は、積層される方向に対して多孔度の小さい順に配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素極に積層される電解質と、
前記電解質に積層される緻密な領域および前記緻密な領域に積層される多孔な領域を含む
反応防止層と、
前記反応防止層の前記多孔な領域に積層される酸素極と、
を備える電気化学セル。
【請求項２】
前記反応防止層の前記緻密な領域は、積層される方向に対して多孔度の小さい順に配置
された複数の領域を有する請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
前記反応防止層の前記多孔な領域は、積層される方向に対して多孔度の小さい順に配置
された複数の領域を有する請求項１または２に記載の電気化学セル。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか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５】
請求項１から３のいずれかに記載の電気化学セルを備える燃料電池。
【請求項６】
請求項１から３のいずれか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】
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  Ｃ
ｅｌｌ）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。この電気化学セルは、高温（例えば５００〜１０００℃
）で動作させると電解質（例えばＺｒＯ２系酸化物）および酸素極（例えばＬａＣｏＯ３
系酸化物）の界面付近で高抵抗層が形成され、セルの性能を低下させることが知られてい
る。そこで、電解質および酸素極の間に反応防止層（例えばＣｅＯ２系酸化物）を設ける
ことで、高抵抗層を形成しにくくする技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４９１３２６０号公報
【特許文献２】特許第４９８８０７２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、反応防止層を設けた電気化学セルを高温で長時間動作させると、反応防
止層の形態が変化し、電解質および酸素極それぞれを構成する成分元素（あるいはイオン
）が反応防止層の内部を拡散する。これは、電気化学セルを高温で長時間動作させると高
抵抗層が形成されやすくなることを示しており、セルの性能を低下させる可能性がある。
【０００５】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、長時間動作させてもセルの性能が低下しに
くい電気化学セル、燃料電池および電気分解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、水素極に積層される電解質
と、前記電解質に積層される緻密な領域および前記緻密な領域に積層される多孔な領域を
含む反応防止層と、前記多孔な領域に積層される酸素極と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の実施形態によれば、電解質に積層される緻密な領域および前記緻密な領域に積
層される多孔な領域を少なくとも含む反応防止層を有することにより、長時間動作させて
もセルの性能が低下しにくくなる。
【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構成を示す模式図である。
【図２】実施形態の変形例に係る電気化学セルの構成を示す模式図である。
【図３】比較例に係る電気化学セルの構成を示す模式図である。
【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、電気化学セルスタック、燃料電池および水素製造
装置について図１から図３を用いて説明する。図１は、実施形態に係る電気化学セルの構
成を示す模式図である。
【００１０】
図１に示すように、電気化学セル１は平板型のセルであり、電気化学セルスタック、固
体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、および高温水蒸気電解を利用した水素製造装置（ＳＯ
ＥＣ）に搭載される。ここでいう電気化学セルスタックとは、電気化学セルが複数積層さ
れた積層体であり、かつそのうちの少なくとも一層に本実施形態の電気化学セル１が含ま
れるものを示す。電気化学セル１は、水素極２と、電解質３と、反応防止層４と、酸素極
５から構成される。本実施形態では、水素極２、電解質３、反応防止層４、および酸素極
５の順に順次積層され、積層される方向を積層方向とする。
【００１１】
水素極２は、平板型の電極である。本実施形態では、水素極２の材料として酸化ガドリ
ニウム（Ｇｄ２Ｏ３）をドープしたセリア（ＧＤＣ）と、酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混
合焼結体を還元して得られるＮｉ−ＧＤＣを例示して説明するが、水素極２の材料は、金
属と固体酸化物の混合焼結体であればよく、金属は例えばニッケルや銅など、固体酸化物
は例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳ
Ｚ）、あるいはドーパントの異なるセリア等でもよい。また、本実施形態では水素極支持
型の電気化学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電気化学
セルでもよい。
【００１２】
電解質３は、平板型の薄膜であり、酸素イオン導電性を有すると共にガスが通過しない
よう緻密な構造を有する。本実施形態では、電解質３の材料としてイットリア安定ジルコ
ニア（ＹＳＺ）を例示して説明するが、水素極２の材料は、固体酸化物、例えばペロブス
カイト型酸化物やセリア系固溶体の成形体等でもよい。
【００１３】
反応防止層４は、電解質３と酸素極５との間に設けられる平板型の薄膜である。反応防
止層４は、電解質３に積層された緻密層４ａと、緻密層４ａに積層された多孔質層４ｂと
を含む多孔度の異なる複数の領域から構成される。ここでいう多孔度とは、それぞれの領
域毎の体積のうち、空隙が占める割合を指す。また、本実施形態における多孔質層４ｂの
多孔度は緻密層４ａの多孔度よりも大きくなり、例えば緻密層４ａの多孔度は１０％未満
、多孔質層４ｂの多孔度は１０％以上である。本実施形態では、反応防止層４として、緻
密層４ａが緻密な領域、多孔質層４ｂが多孔な領域である場合を例示して説明するが、こ
れら緻密な領域と多孔な領域は、それぞれが積層方向に多孔度の異なる複数の領域から構
成されてもよく、例えば反応防止層のうち、緻密な領域が一つ、多孔な領域が二つの合計
三つの領域から構成されてもよい。電解質３に隣接する側に緻密な領域がある理由は、電
解質３と反応防止層４とを密着させ、電気化学セル１を搭載したＳＯＦＣやＳＯＥＣの反
応性を高めるためである。反応防止層４の各領域は、積層方向に対して、電解質３に隣接
する側から多孔度の小さい順に配置されることが好ましい。また、反応防止層４は、各領
域の積層方向の厚さ（膜厚）が電解質３や酸素極５よりも薄いこと、例えば各領域の膜厚
が１マイクロメートルから２０マイクロメートル程度であると共に、反応防止層４全体の
積層方向の厚さ（膜厚）が例えば１００マイクロメートル以下であることが好ましい。さ
らに、本実施形態では、緻密層４ａ、多孔質層４ｂの材料として、共にセリア系固溶体の
成形体を例示して説明するが、緻密層４ａ（緻密な領域）および多孔質層４ｂ（多孔な領
域）の材料は、例えばスカンジア安定化ジルコニアでもよい。また、緻密層４ａ（緻密な
領域）と多孔質層４ｂ（多孔な領域）が異なる材料でもよく、例えば、緻密層４ａがセリ
ア系固溶体の成体体であり、多孔質層４ｂが酸素極５と同様の材料であってもよい。
【００１４】
酸素極５は、平板型の薄膜電極であり、反応防止層４に積層される。本実施形態では、
酸素極５としてＬａＳｒＣｏＦｅ酸化物を例示して説明するが、酸素極５の材料は、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ＬａＳｒＭｎ酸化物（ＬＳ
Ｍ）、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−ＧＤ
Ｃ等でもよい。
【００１５】
次に、実施形態に係る電気化学セル１の製造方法について説明する。まず、水素極２、
電解質３が順次積層され、その後焼成される。この積層体（水素極２および電解質３）に
対して、緻密層４ａが電解質３に積層され、緻密層４ａを含む積層体が高い温度（例えば
１２００℃から１６００℃）条件で焼成される。次に、多孔質層４ｂが緻密層４ａに積層
され、多孔質層４ｂを含む積層体が緻密層４ａよりも低い温度条件で焼成される。最後に
、酸素極５が多孔質層４ｂに積層され、酸素極５を含む積層体が焼成される。なお、緻密
層４ａを積層するにあたっては、上述の方法のほかに、例えば気孔形成材を導入して積層
する方法や、これらを組み合わせた方法でもよい。
【００１６】
次に、電気化学セル１およびその変形例である電気化学セル１０と、比較例に係る電気
化学セル１００とをそれぞれ搭載したＳＯＥＣを作製し、その性能を比較した結果につい
て、図２、図３および表１を用いて説明する。図２は、実施形態の変形例に係る電気化学
セルの構成を示す模式図、図３は、比較例に係る電気化学セルの構成を示す模式図である
。なお、実施形態に係る電気化学セル１と同様の箇所については、説明を省略する。
【００１７】
（実施形態の変形例および比較例それぞれに係る電気化学セルの構成）
図２に示すように、実施形態の変形例に係る電気化学セル１０は、水素極１２と、電解
質１３と、反応防止層１４と、酸素極１５から構成される。反応防止層１４は、緻密な領
域として緻密層１４ａが、多孔な領域として多孔質層１４ｂおよび１４ｃがそれぞれ設け
られた構造を有する。多孔質層１４ｃは、多孔度が緻密層１４ａよりも大きく、かつ多孔
質層１４ｂよりも小さい多孔質である。
【００１８】
一方、図３に示すように、比較例に係る電気化学セル１００は、水素極１０２と、電解
質１０３と、反応防止層１０４と、酸素極１０５から構成される。反応防止層１０４は、
緻密な構造を有する単層である。
【００１９】
なお、これらの電気化学セルは、反応防止層を除いて同様の構造を有する。
【００２０】
（性能を比較するための実験方法）
これらの電気化学セルそれぞれを所定温度まで昇温し、所定温度に達した時点で水素極
側に気体の水素を供給して、水素極を還元処理した。
【００２１】
水素極を還元処理した後に、酸素極側に気体の空気もしくは空気組成に混合した混合気
体を供給し、水素極には、気体の水素および所定濃度に制御された水蒸気を供給して実験
を行った。実験では、それぞれの電気化学セルの電流電圧特性を測定し、その後、それぞ
れの電気化学セルに一定電流をかけたまま約３０００時間連続動作させた。以降の説明で
は、電気化学セルの酸素極で水蒸気を製造させるように電流あるいは電圧をかける場合を
ＳＯＦＣモード、電気化学セルの水素極で水素を製造させるように電流あるいは電圧をか
ける場合をＳＯＥＣモードという。
【００２２】
（実験の結果）
実験の結果について、表１および表２を用いて説明する。表１は、実施形態およびその
変形例に係る電気化学セルと比較例に係る電気化学セルとのＳＯＥＣモードにおける劣化
率を比較した表である。ここでいう劣化率とは、定電流条件下における１０００時間あた
りの電圧の変化率を示す。
【表１】
2019157146.tif 000003
【００２３】
表１に示すように、ＳＯＥＣモードにおける電気化学セル１および電気化学セル１０の
劣化率は、比較例に係る電気化学セル１００の劣化率と比べて三分の一程度低い値となっ
ている。劣化率が小さいほど電圧の変化率が小さいため、これは、電気化学セル全体での
抵抗の変化率が比較例と比べて小さいことを表している。
【００２４】
この結果から、実施形態に係る電気化学セル１およびその変形例に係る電気化学セル１
０は、比較例に係る電気化学セル１００に比べて長時間動作させても抵抗率が変化しにく
い、つまり長時間動作させても高抵抗層が形成されにくく、性能が低下しにくいと言える
。
【００２５】
次に、電気化学セルの電流電圧特性の結果について、表２を用いて説明する。表２は、
実施形態およびその変形例に係る電気化学セルと比較例に係る電気化学セルとの電流電圧
特性を比較した表である。
【表２】
2019157146.tif 000004
【００２６】
表２に示すように、ＳＯＦＣモードにおける定電流条件下（０．５Ａ／ｃｍ２）での電
気化学セル１および電気化学セル１０の電圧は、比較例に係る電気化学セル１００の電圧
と比べて一割程度高い値となっている。この結果における電圧とは、水素極３と酸素極５
との電位差を表している。つまり、同じ電流を流した場合に、電気化学セル１および電気
化学セル１０の方が、比較例に係る電気化学セル１００と比べてセル内部での電圧降下が
少なく、その分だけ電圧が高くなることを示している。この電圧降下は、抵抗成分による
影響や電極の反応による影響が考えられるが、これらの電気化学セルの電極は同様の構造
を有するため、抵抗成分による影響の差を反映している。したがって、ＳＯＦＣモードに
おいて、電気化学セル１および電気化学セル１０は、比較例に係る電気化学セル１００と
比べて電気化学セル全体での抵抗が小さいことを示している。
【００２７】
また、ＳＯＥＣモードにおける定電圧条件下（１．３Ｖ）での電気化学セル１および電
気化学セル１０の電流密度は、比較例に係る電気化学セル１００の電流密度と比べて一割
程度高い値となっている。これは、同じ電圧を印加した場合の導電性が、比較例に係る電
気化学セル１００と比べて高いことを反映している。したがって、ＳＯＥＣモードにおい
ても、電気化学セル１および電気化学セル１０は、比較例に係る電気化学セル１００と比
べて電気化学セル全体での抵抗が小さいことを示している。
【００２８】
上述した実施形態によれば、反応防止層が緻密層と多孔質層の複数の層で構成し、かつ
電解質側に緻密層を積層させることによって、長時間動作させてもセルの性能が低下しに
くくなる。また、上述した実施形態により、電気化学セルの抵抗を小さくすることもでき
る。
【００２９】
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】
【００３０】
１． 電気化学セル、２．水素極、３．電解質、４．反応防止層、４ａ．緻密層、４ｂ．
多孔質層、５．酸素極
【図１】
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【図２】
2019157146.tif 000006
【図３】
2019157146.tif 000007