JPH1167243A

JPH1167243A - 電気化学セル用支持体、電気化学セルおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH1167243A
Application number: JP9220321A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kawasaki; 真司川崎; Kiyoshi Okumura; 清志奥村; Makoto Murai; 真村井
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-08-15
Filing date: 1997-08-15
Publication date: 1999-03-09
Anticipated expiration: 2017-08-15
Also published as: JP3966950B2

Abstract

(57)【要約】【課題】平板タイプの電気化学セルにおいて、高温の運
転温度と運転停止時の低温との間の熱サイクルが多数回
加わったときにも、電気化学セルの反り、変形等が生じ
ないようにし、電極の拡散分極を減らし、効率を向上さ
せる。【解決手段】電気化学セル用の支持体１Ａは、気密質の
固体電解質材料からなる固体電解質層３と、気密質の電
子伝導性材料からなるインターコネクター層２とを備え
ている。固体電解質層３とインターコネクター層２とが
一体化されており、支持体１Ａ中に延びる複数のガス流
路４が設けられており、複数のガス流路４がそれぞれ固
体電解質層３とインターコネクター層２とによって包囲
されている。電気化学セル５Ａは、支持体１Ａと、少な
くとも固体電解質層３のガス流路６に面する壁面３ｂに
形成されている一方の電極７と、少なくとも固体電解質
層３の壁面３ｂとは反対側の壁面３ａに形成されている
他方の電極８とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型燃料
電池、水蒸気電解セル、酸素ポンプ、ノックス分解セル
等の電気化学セルの改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、
いわゆる平板型と円筒型とに大別される。現在最も実用
化に近いと言われているのは円筒型ＳＯＦＣであるが、
単位体積当たりの出力密度という観点からは、平板型Ｓ
ＯＦＣの方が有利である。しかし、平板型のＳＯＦＣに
おいては、いわゆるセパレータと発電層とを交互に積層
することにより、発電用のスタックを構成するが、この
方法のＳＯＦＣは、シール方法等に困難な問題がある。

【０００３】本出願人は、特願平８−６７１８号明細書
において、平板型のＳＯＦＣの単電池として、空気極と
インターコネクターとからなる単電池の支持体を作製し
た後に、支持体の所定箇所に固体電解質膜および燃料電
極を形成することを提案した。ここで、前記支持体中に
は複数の貫通孔が設けられており、各貫通孔は、それぞ
れ空気極とインターコネクターとによって包囲されてい
る。この支持体のインターコネクターと固体電解質膜と
は連続しており、前記の各貫通孔をそれぞれ気密な状態
に保持している。また特開平５−１６６５１８号公報に
も、空気極とインターコネクターとからなる支持体を利
用したＳＯＦＣの単電池が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、本発明者が更
に検討を進めた結果、次の問題が残されていることが判
明してきた。即ち、前記のＳＯＦＣの支持体は、空気極
とインターコネクターとの積層体であるが、ＳＯＦＣの
１０００℃での運転と運転停止とを繰り返して実施する
と、支持体が１０００℃の高温と室温〜１００℃の低温
領域との間の熱サイクルに繰り返して供されることにな
る。この結果、空気極の材質によっては、空気極の方が
若干収縮し、変形してくるという問題があった。

【０００５】また、前記の空気極には、支持体を構成す
る構造材料としての所定の構造強度が、ＳＯＦＣの仕様
の観点から要求されるために、空気極の厚さをある程度
大きくする必要がある。しかし、空気極を厚くするほ
ど、空気極を透過して、空気極と固体電解質膜と酸化ガ
スとが出会う三層界面に酸化ガスが到達しにくくなり
（いわゆる拡散分極が大きくなり）、発電効率が低下す
る。

【０００６】本発明の課題は、いわゆる平板タイプの電
気化学セルにおいて、高温の運転温度と運転停止時の低
温との間の熱サイクルが多数回加わったときにも、電気
化学セルの反り、変形等が生じないようにすることであ
る。

【０００７】更に、本発明の課題は、いわゆる平板タイ
プの電気化学セルにおいて、電極の拡散分極を減らし、
その効率を向上させ得るようにすることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、電気化学セル
用の支持体であって、気密質の固体電解質材料からなる
固体電解質層と、気密質の電子伝導性材料からなるイン
ターコネクター層とを備えており、固体電解質層とイン
ターコネクター層とが一体化されており、支持体中に延
びる複数のガス流路が設けられており、前記複数のガス
流路がそれぞれ固体電解質層とインターコネクター層と
によって包囲されていることを特徴とする、電気化学セ
ル用支持体に係るものである。

【０００９】また、本発明は、前記支持体と、少なくと
も前記固体電解質層の前記ガス流路に面する壁面に形成
されている一方の電極と、少なくとも前記固体電解質層
の前記壁面とは反対側の壁面に形成されている他方の電
極とを備えていることを特徴とする、電気化学セルに係
るものである。

【００１０】こうした構造によれば、まず単位体積当た
りの発電効率が極めて高い。しかも、支持体を構成する
固体電解質層とインターコネクター層とは共に気密質材
料からなるために、各開口ないし貫通孔の気密性が、そ
れぞれ独立して保持されている。従って、例えばＳＯＦ
Ｃの分野においては、シールレス構造の発電装置を容易
に構成することができる。

【００１１】そして、固体電解質層およびインターコネ
クター層は、緻密質材料からなるものであるから、高温
の運転温度と運転停止時の低温との間の熱サイクルが多
数回加わったときにも、いずれも収縮や変形が生じにく
く、この結果支持体および電気化学セルの反り、変形等
が生じないようにできる。また、電極は支持体とは別に
形成でき、即ち支持体の所定箇所の壁面に形成すること
ができ、この際、電極それ自体には構造的な強度は必要
ない。従って、電極の厚さを小さくすることができ、こ
の結果、電極内の気体の拡散に対する抵抗が小さくな
る。

【００１２】本発明の好適な実施形態においては、支持
体が、一層の固体電解質層と、一層のインターコネクタ
ー層とを備えている。

【００１３】また、本発明の他の好適な実施形態におい
ては、支持体が、一層の固体電解質層と、二層のインタ
ーコネクター層とを備えており、固体電解質層の一方の
側に一方のインターコネクター層が設けられており、固
体電解質層の他方の側に他方のインターコネクター層が
設けられており、固体電解質層と各インターコネクター
層との間に、それぞれガス流路が形成されている。

【００１４】これらのセルは、スタック化の際には、例
えば、燃料雰囲気にさらされたニッケルフェルトを介し
て図面において縦方向に積層し、直列接続することがで
きる。また、横方向に並べれば、並列接続をすることが
できる。

【００１５】この実施形態の作用効果について述べる。
電気化学セルのインターコネクターの材料は種々知られ
ているが、ランタンクロマイトが最も一般的に使用され
ている。しかし、電気化学セルのインターコネクター
は、酸化ガスと還元ガスとの双方にさらされる。特にＳ
ＯＦＣや水蒸気電解セルのように、１０００℃以上の高
温で運転される電気化学セルにおいては、インターコネ
クターが高温の還元ガスに暴露されるが、ランタンクロ
マイト等のペロブスカイト系複合酸化物は、高温の還元
ガスにさらされると、酸素が欠損し、酸素欠損の結果と
して結晶格子が膨張し、インターコネクターの材料が延
びることがある。インターコネクターの伸びが大きくな
ると、電気化学セルの変形、反りが発生する。

【００１６】これに対して、一層の固体電解質層の両側
にそれぞれインターコネクター層を設け、かつ各インタ
ーコネクター層と固体電解質層との間にそれぞれガス流
路を形成することによって、燃料側のインターコネクタ
ー層は、燃料供給孔に接する側と外側の両側が還元雰囲
気にさらされて、伸長するが、空気側のインターコネク
ター層も、外側が還元雰囲気にさらされて伸長する。こ
の結果、固体電解質層の中心として、両側の各インター
コネクター層の各伸長が相殺されるために、支持体の全
体が変形しにくくなる。

【００１７】この観点からは、固体電解質層の中心面に
対して、一方のインターコネクター層と他方のインター
コネクター層とが互いに面対称であることが特に好まし
く、更に固体電解質層それ自体が、固体電解質層の中心
面に対して面対称であることが好ましい。

【００１８】また、本発明の支持体は、固体電解質層と
インターコネクター層とを共焼結させることが比較的に
容易であることから、製造上も極めて有利である。なぜ
なら、固体電解質とインターコネクターとは、共に緻密
性ないし気密性が要求されているものであって、空気極
や燃料極の場合のように特定範囲内の気孔率に入るよう
に精密な気孔率制御を行う必要がないからである。

【００１９】また、共焼結において、固体電解質とイン
ターコネクターのそれぞれの原料粉末の性状の違いによ
って、それぞれの焼成収縮率が異なる場合があり、焼成
時に変形をきたすことがあるが、一層の電解質の両側に
それぞれインターコネクター層を設けると、この変形を
防止しやすい。この観点からは、固体電解質の中心面に
対して、一方のインターコネクター層と他方のインター
コネクター層が互いに面対称であることが特に好まし
い。

【００２０】本発明の電気化学セルを製造するために
は、固体電解質層用の坏土とインターコネクター層用の
坏土とを同時に押出成形することによって支持体の成形
体を製造し、この支持体を焼成して前記支持体を作製し
た後に、少なくとも固体電解質層のガス流路に面する壁
面に一方の電極を形成し、少なくとも固体電解質層の前
記壁面とは反対側の壁面に他方の電極を形成することが
できる。

【００２１】または、固体電解質層用の坏土とインター
コネクター層用の坏土とを同時に押出成形することによ
って、支持体の成形体を製造し、少なくとも固体電解質
層のガス流路に面する壁面に一方の電極の材料を付着さ
せ、少なくとも固体電解質層の壁面とは反対側の壁面に
他方の電極の材料を付着させ、次いで成形体、一方の電
極の材料および他方の電極の材料を焼成することによっ
て、支持体、一方の電極および他方の電極を生成させる
ことができる。

【００２２】本発明者は、こうした構造を、ＳＯＦＣ以
外の電気化学セル、例えば水蒸気電解セル等に適用して
みたところ、やはり単位体積当たりの効率、例えば電解
効率が著しく向上し、上記のような作用効果が得られる
ことを確認した。

【００２３】

【発明の実施形態】以下、更に具体的な実施形態につい
て述べる。支持体中の複数の各ガス流路の各々の形状は
特に限定されないが、空間の利用効率の観点から、各ガ
ス流路の横断面の形状が、平面を隙間無く埋め尽くすこ
とができる形状であることが好ましく、二等辺三角形、
正三角形、長方形、正方形、正六角形などが好ましい。
また、正三角形のガス流路と正六角形のガス流路など、
相異なる形状のガス流路が隣接するような設計も採用で
きる。

【００２４】インターコネクター層の材料は、ランタン
を含有するペロブスカイト型複合酸化物であることが好
ましく、ランタンクロマイトであることが更に好まし
い。固体電解質層の材料としては、イットリア安定化ジ
ルコニア又はイットリア部分安定化ジルコニアが好まし
いが、他の材料を使用することもできる。また、ＮＯｘ
分解セルの場合には、酸化セリウムも好ましい。

【００２５】一方の電極と他方の電極とは、陽極と陰極
である。陽極の材質は、ランタンを含有するペロブスカ
イト型複合酸化物であることが好ましく、ランタンマン
ガナイト又はランタンコバルタイトであることが更に好
ましく、ランタンマンガナイトが一層好ましい。ランタ
ンクロマイト及びランタンマンガナイトは、ストロンチ
ウム、カルシウム、クロム（ランタンマンガナイトの場
合）、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドー
プしたものであってよい。また、パラジウム、白金、ル
テニウム、白金−ジルコニアサーメット、パラジウム−
ジルコニアサーメット、ルテニウム−ジルコニアサーメ
ット、白金−酸化セリウムサーメット、パラジウム−酸
化セリウムサーメット、ルテニウム−酸化セリウムサー
メットであってもよい。

【００２６】陰極の材質としては、ニッケル、パラジウ
ム、白金、ニッケル−ジルコニアサーメット、白金−ジ
ルコニアサーメット、パラジウム−ジルコニアサーメッ
ト、ニッケル−酸化セリウムサーメット、白金−酸化セ
リウムサーメット、パラジウム−酸化セリウムサーメッ
ト、ルテニウム、ルテニウム−ジルコニアサーメット等
が好ましい。

【００２７】本発明の電気化学セルを、酸素ポンプとし
て使用し、酸素を供給することができる。

【００２８】また、本発明の電気化学セルを、高温水蒸
気電解セルとして使用できる。このセルは、水素の製造
装置に使用でき、また水蒸気の除去装置に使用できる。
この場合には、各電極で次の反応を生じさせる。

【００２９】

【化１】陰極：Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→Ｈ₂＋Ｏ^{2 -} 陽極：Ｏ^{2 -} →２ｅ^-＋１／２Ｏ₂

【００３０】更に、本発明の電気化学セルを、ＮＯｘの
分解セルとして使用できる。この分解セルは、自動車、
発電装置からの排ガスの浄化装置として使用できる。現
在、ガソリンエンジンから発生するＮＯｘには、三元機
能触媒によって対応している。しかし、リーンバーンエ
ンジンやディーゼルエンジンなど、低燃費型のエンジン
が増加すると、これらのエンジンの排ガス中の酸素量が
多いので、三元機能触媒が機能しなくなる。

【００３１】ここで、本発明の電気化学セルをＮＯｘ分
解セルとして使用すると、固体電解質膜を通して排ガス
中の酸素を除去するのと共に、ＮＯｘを電解してＮ₂と
Ｏ^2-とに分解し、この分解によって生成した酸素をも除
去できる。また、このプロセスと共に、排ガス中の水蒸
気が電解されて水素と酸素とを生じ、この水素がＮＯｘ
をＮ₂へと還元する。

【００３２】ＮＯｘ分解セルの場合には、固体電解質膜
を酸化セリウム系セラミックスとすることが特に好まし
く、陰極材料としてはパラジウム、パラジウム−酸化セ
リウムサーメットとすることが好ましい。

【００３３】図１（ａ）〜図６（ａ）は、いずれも、本
発明の各実施形態に係る各電気化学セルの各支持体の断
面図であり、それぞれガス流路に対する横断面の方向に
切ってみた断面図を示している。図１（ｂ）〜図６
（ｂ）は、それぞれ、本発明の各実施形態に係る各電気
化学セルの断面図である。

【００３４】図１（ａ）の支持体１Ａは、固体電解質層
３とインターコネクター層２とを接合したものである。
インターコネクター層２は平板状をなしている。固体電
解質層３は、平板状部分３ｅと、平板状部分３ｅから突
出する一対の外壁３ｄと、隔壁３ｃとを備えている。外
壁３ｄおよび隔壁３ｃの先端面がインターコネクター層
２の内側壁面２ｂに接合されており、固体電解質層３と
インターコネクター層２との間に、外壁３ｄおよび隔壁
３ｃによって仕切られた貫通孔４が設けられている。

【００３５】図１（ｂ）に示すように、この支持体１Ａ
を使用した電気化学セル５Ａにおいては、固体電解質層
３の内側壁面３ｂ、外壁３ｄの内側壁面、隔壁３ｃの内
側壁面およびインターコネクター層２の内側壁面２ｂを
被覆するように、一方の電極７が設けられており、この
内側に一方のガス流路６が設けられている。

【００３６】この場合、電極はインターコネクター層２
の内側壁面２ｂの全面を被覆している必要はなく、電極
の一部がインターコネクター層と接している状態でもよ
い。つまり、電子的な導通が電極とインターコネクター
層との間で保たれていればよい。

【００３７】また、固体電解質層３の平板状部分３ｅの
外側壁面３ａ上に他方の電極８が設けられている。ま
た、他方の電極は、インターコネクター層２とは電子伝
導的に絶縁されるよう、インターコネクター２とは隔離
されて、固体電解質層３の外壁３ｄの外側壁面にも設け
るのが、セル当たりの電極面積を増やす観点から好まし
い。

【００３８】他方のガスは、ある電気化学セル５Ａのイ
ンターコネクター層２の外側壁面２ａと、これと隣り合
う電気化学セル５Ａの他方の電極８との間を通過する。
本発明の電気化学セルは、ガス流路６が気密質のインタ
ーコネクターおよび固体電解質によって包囲されている
ので、シールレス構造を容易に作製できる。

【００３９】スタック化する場合、ある電気化学セル５
Ａのインターコネクター層２の外側壁面２ａと、これと
隣り合う電気化学セル５Ａの他方の電極８との間にニッ
ケルフェルトをはさみ、フェルトで作られる空間に他方
のガスを流し、かつ、隣り合うセル同士を電気的に接続
することによって、直列接続のスタックができる。

【００４０】図２（ａ）の支持体１Ｂおよび図２（ｂ）
の電気化学セル５Ｂにおいては、固体電解質層１３とイ
ンターコネクター層１２とが接合されている。固体電解
質層１３は、平板状部分１３ｅと、平板状部分から突出
する一対の外壁１３ｄと、隔壁１３ｃとを備えている。
インターコネクター層１２は、平板状部分１２ｅと、平
板状部分から突出する一対の外壁１２ｄと、隔壁１２ｃ
とを備えている。固体電解質層１３の外壁１３ｄおよび
隔壁１３ｃの各先端面が、インターコネクター層１２の
外壁１２ｄおよび隔壁１２ｃの各先端面に対して、接合
されている。この結果、固体電解質層１３とインターコ
ネクター層１２との間に、外壁１２ｄ、１３ｄおよび隔
壁１２ｃ、１３ｃによって仕切られた貫通孔４が設けら
れている。

【００４１】電気化学セル５Ｂにおいては、固体電解質
層１３の内側壁面１３ｂ、外壁１３ｄの内側壁面、隔壁
１３ｃの内側壁面、インターコネクター層１２の内側壁
面１２ｂ、外壁１２ｄの内側壁面、隔壁１２ｃの内側壁
面を被覆するように、一方の電極７が設けられており、
電極７の内側に一方のガス流路６が設けられている。固
体電解質層１３の平板状部分１３ｅの外側壁面１３ａ上
に、他方の電極８が設けられている。なお、１２ａはイ
ンターコネクター層１２の外側壁面である。

【００４２】この場合、一方の電極は図１（ｂ）の実施
形態と同様にインターコネクター層１２の内側壁面１２
ｂ、外壁１２ｄの内側壁面、隔壁１２ｃの内側壁面の全
面を覆っている必要はない。また、他方の電極は、これ
と同じく、図１（ｂ）の実施形態と同様に、固体電解質
層１３の外壁１３ｄの外側壁面にも設けるのが好まし
い。

【００４３】図３（ａ）の支持体１Ｃは、固体電解質層
２３とインターコネクター層２２とを接合したものであ
る。固体電解質層２３は平板状をなしている。インター
コネクター層２２は、平板状部分２２ｅと、平板状部分
から突出する一対の外壁２２ｄと、隔壁２２ｃとを備え
ている。外壁２２ｄおよび隔壁２２ｃの先端面が固体電
解質層２３の内側壁面２３ｂに接合されており、固体電
解質層２３とインターコネクター層２２との間に、外壁
２２ｄおよび隔壁２２ｃによって仕切られた貫通孔４が
設けられている。

【００４４】図３（ｂ）に示すように、支持体１Ｃを使
用した電気化学セル５Ｃにおいては、インターコネクタ
ー層２２の内側壁面２２ｂ、外壁２２ｄの内側壁面、隔
壁２２ｃの内側壁面および固体電解質層２３の内側壁面
２３ｂを被覆するように、一方の電極７が設けられてお
り、この内側に一方のガス流路６が設けられている。ま
た、固体電解質層２３の外側壁面２３ａ上に他方の電極
８が設けられている。なお、２２ａは外側壁面である。

【００４５】この場合、一方の電極は図１（ｂ）の実施
形態と同様にインターコネクター層２２の内側壁面２２
ｂ、外壁２２ｄの内側壁面、隔壁２２ｃの内側壁面の全
面を覆っている必要はない。また、他方の電極は、これ
と同じく、図１（ｂ）の実施形態と同様に、固体電解質
層２３の外壁２３のｄの外側壁面にも設けるのが好まし
い。

【００４６】図４〜図６は、いずれも、一層の固体電解
質層と二層のインターコネクター層とを使用した実施形
態に係るものである。また、図４〜図６に示す各実施形
態においては、いずれも、固体電解質層の中心面Ａに対
して、一方のインターコネクター層と他方のインターコ
ネクター層とが互いに面対称であり、かつ、固体電解質
層が、中心面Ａに対して面対称である。

【００４７】図４（ａ）の支持体１Ｄは、固体電解質層
３３と、二層のインターコネクター層３２Ａ、３２Ｂと
を接合したものである。各インターコネクター層３２
Ａ、３２Ｂは平板状をなしている。固体電解質層３３
は、平板状部分３３ａと、平板状部分３３ａから突出す
る一対の外壁３３ｂ、３３ｃと、隔壁３３ｄ、３３ｅと
を備えている。外壁３３ｂと３３ｃとは反対側に突出し
ており、隔壁３３ｄと３３ｅとは反対側に突出してい
る。

【００４８】各外壁３３ｂおよび各隔壁３３ｄの各先端
面が、一方のインターコネクター層３２Ａの内側壁面３
２ｂに接合されており、各外壁３３ｃおよび各隔壁３３
ｅの各先端面が、他方のインターコネクター層３２Ｂの
内側壁面３２ｂに接合されている。この結果、固体電解
質層３３と一方のインターコネクター層３２Ａとの間
に、外壁３３ｂおよび隔壁３３ｄによって仕切られた貫
通孔４が設けられており、固体電解質層３３とインター
コネクター層３２Ｂとの間にも貫通孔４が設けられてい
る。３２ａはインターコネクター層の外側壁面である。

【００４９】図４（ｂ）に示すように、支持体１Ｄを使
用した電気化学セル５Ｄにおいては、一方のインターコ
ネクター層３２Ａの内側壁面３２ｂ、外壁３３ｂの内側
壁面、隔壁３３ｄの内側壁面および平板状部分３３ａの
内側壁面を被覆するように、一方の電極７が設けられて
おり、電極７の内側に一方のガス流路６が設けられてい
る。

【００５０】この場合、一方の電極７は、一方のインタ
ーコネクター層３２Ａの内側壁面の全面を覆っている必
要はなく、一方の電極７の一部がインターコネクター層
３２Ａと接している状態でも良い。つまり、電子的な導
通が電極７とインターコネクター層３２Ａとの間で保た
れていればよい。

【００５１】他方のインターコネクター層３２Ｂの内側
壁面３２ｂ、外壁３３ｃの内側壁面、隔壁３３ｅの内側
壁面および平板状部分３３ａの内側壁面を被覆するよう
に、他方の電極８が設けられており、電極８の内側に他
方のガス流路９が設けられている。

【００５２】この場合、他方の電極８は、他方のインタ
ーコネクター層３２Ｂの内側壁面の全面を覆っている必
要はなく、他方の電極８の一部がインターコネクター層
３２Ｂと接している状態でも良い。つまり、電子的な導
通が電極７とインターコネクター層３２Ｂとの間で保た
れていればよい。

【００５３】図５（ａ）の支持体１Ｅは、固体電解質層
４３と、二層のインターコネクター層４２Ａ、４２Ｂと
を接合したものである。インターコネクター層４２Ａ、
４２Ｂは、それぞれ、平板状部分４２ａと、平板状部分
から突出する一対の外壁４２ｂと、複数の隔壁４２ｃと
を備えている。固体電解質層４３は、平板状部分４３ａ
と、平板状部分４３ａから突出する一対の外壁４３ｂ、
４３ｃと、複数列の隔壁４３ｄ、４３ｅとを備えてい
る。外壁４３ｂと４３ｃとは反対側に突出しており、隔
壁４３ｄと４３ｅとは反対側に突出している。

【００５４】固体電解質層４３の各外壁４３ｂ、４３ｃ
の各先端面が、各インターコネクター層４２Ａの各外壁
４２ｂに接合されており、固体電解質層４３の各隔壁４
３ｄ、４３ｅの各先端面が、各インターコネクター層４
２Ａ、４２Ｂの各隔壁４２ｃに接合されている。この結
果、固体電解質層４３と各インターコネクター層４２
Ａ、４２Ｂとの間に、それぞれ、外壁および隔壁によっ
て仕切られた貫通孔４が設けられている。

【００５５】図５（ｂ）に示すように、支持体１Ｅを使
用した電気化学セル５Ｅにおいては、一方のインターコ
ネクター層４２Ａの平板状部分４２ａ、外壁４２ｂ、隔
壁４２ｃ、固体電解質層４３の平板状部分４３ａ、外壁
４３ｂ、隔壁４３ｄの各内側壁面を被覆するように、一
方の電極７が設けられており、電極７の内側に一方のガ
ス流路６が設けられている。また、他方のインターコネ
クター層４２Ｂの平板状部分４２ａ、外壁４２ｂ、隔壁
４２ｃ、固体電解質層４３の平板状部分４３ａ、外壁４
３ｃ、隔壁４３ｅの各内側壁面を被覆するように、他方
の電極８が設けられており、電極８の内側に他方のガス
流路９が設けられている。

【００５６】一方の電極および他方の電極の形成につい
ては、図４（ａ）の実施形態と同様、必ずしも貫通孔４
の内壁全面を覆っている必要はない。

【００５７】図６（ａ）の支持体１Ｆは、固体電解質層
５３と、二層のインターコネクター層５２Ａ、５２Ｂと
を接合したものである。固体電解質層５３は平板状をな
している。各インターコネクター層５２Ａ、５２Ｂは、
平板状部分５２ａと、平板状部分５２ａから突出する一
対の外壁５２ｂと、複数列の隔壁５２ｃとを備えてい
る。

【００５８】各インターコネクター層５２Ａ、５２Ｂの
各外壁５２ｂおよび各隔壁５２ｃの各先端面が、固体電
解質層５３の壁面５３ａまたは５３ｂに接合されてい
る。固体電解質層５３と各インターコネクター層５２
Ａ、５２Ｂとの間に、それぞれ、外壁５２ｂおよび隔壁
５２ｃによって仕切られた貫通孔４が設けられている。

【００５９】図６（ｂ）に示すように、支持体１Ｆを使
用した電気化学セル５Ｆにおいては、一方のインターコ
ネクター層５２Ａの平板状部分５２ａ、外壁５２ｂおよ
び隔壁５２ｃの内側壁面を被覆するように、一方の電極
７が設けられており、電極７の内側に一方のガス流路６
が設けられている。他方のインターコネクター層５２Ｂ
の平板状部分５２ａ、外壁５２ｂおよび隔壁５２ｃの内
側壁面を被覆するように、他方の電極８が設けられてお
り、電極８の内側に他方のガス流路９が設けられてい
る。

【００６０】一方の電極および他方の電極の形成につい
ては、図４（ａ）の実施形態と同様、必ずしも貫通孔４
の内壁全面を覆っている必要はない。

【００６１】本発明の電気化学セルないし支持体を製造
する際には、インターコネクターおよび固体電解質の各
グリーン成形体は、各主原料に、有機バインダーと水と
を混合した混合物を成形した成形体が好ましい。この有
機バインダーとしては、ポリビニルアルコール、メチル
セルロース、エチルセルロース等を使用できる。前記主
原料の重量を１００重量部としたとき、有機バインダー
の添加量は０．５〜５重量部とすることが好ましい。

【００６２】支持体の成形体の焼成温度は、１４００℃
〜１７００℃とすることが好ましい。

【００６３】支持体の焼結体の各貫通孔の各壁面に、陽
極の材料および／または陰極の材料を塗布することがで
きる。この方法も特に限定されないが、好適な態様にお
いては、各貫通孔に、それぞれ陽極用のスラリーおよび
／または陰極用のスラリーを流し込み、このスラリーを
排出させることによって、各貫通孔の各内側壁面に、そ
れぞれ所望の原料粉末を付着させる。次いで、支持体の
全体を、１１００℃〜１５００℃で焼成し、陽極および
陰極を形成する。

【００６４】

【実施例】以下、更に具体的な実験結果について述べ
る。〔実験Ａ：ＳＯＦＣの単電池の製造例および発電実験〕
前述した製造方法に従って、図２（ｂ）に示す単電池５
Ｂを製造した。具体的には、最初に次の各坏土を製造し
た。

【００６５】（固体電解質層用の坏土）平均粒径１μｍ
の８ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア粉末１００重
量部に対して、メチルセルロース４重量部およびポリビ
ニルアルコールを混合し、この混合物に対して１８重量
部の水を加え、ニーダーを用いて混練物を得た。この混
練物を真空土練機中に収容し、直径５０ｍｍ、長さ３０
０ｍｍの円柱形状の坏土を製造した。

【００６６】（インターコネクター層用の坏土）平均粒
径３μｍのランタンマンガマイト粉末１００重量部に対
して、メチルセルロース３重量部およびポリビニルアル
コールを混合し、この混合物に対して１４重量部の水を
加え、ニーダーを用いて混練物を得た。この混練物を、
真空土練機中に収容し、直径５０ｍｍ、長さ３００ｍｍ
の円柱形状の坏土を製造した。

【００６７】前記の各坏土について、それぞれポリビニ
ルアルコールの添加量を調整することによって、各坏土
の硬度の差が±１となるようにした。

【００６８】固体電解質層用の坏土とインターコネクタ
ー層用の坏土とを、同時押出成形用の二軸プランジャー
のシリンダーの中に充填し、図２（ａ）に示すような形
態を有する成形体を製造した。この際、各坏土の押出速
度がほぼ同じになるように、プランジャーの油圧を制御
し、これによって支持体の成形体の曲がりを防止した。

【００６９】この成形体を恒温恒湿乾燥機内に収容し、
８０℃で乾燥した。乾燥後、乾燥された成形体を電気炉
内に収容し、４０℃／時間の速度で１６００℃まで温度
を上昇させ、１６００℃で３時間保持し、一体焼結さ
せ、支持体１Ｂを得た。得られた焼成体の寸法は、縦
２．４ｍｍ、横１１．２ｍｍ、長さ１００ｍｍである。
各外壁および隔壁の厚さは２００μｍであり、貫通孔４
の数は５個である。

【００７０】得られた焼成体から長さ５０ｍｍの支持体
試料を切り出した。平均粒径５μｍの酸化ニッケル粉末
６０重量部と８ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア粉
末４０重量部との混合粉末とを、支持体の固体電解質層
１３上に、４０ｋＷの出力でプラズマ溶射し、燃料極８
を形成した。

【００７１】また、平均粒径０．５μｍのランタンスト
ロンチウムマンガナイト粉末８０重量部と、平均粒径１
μｍの８ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア粉末２０
重量部とを混合した。この混合粉末１００重量部に対し
て、８０重量部のポリエチレングリコールを混合し、こ
れにエタノールを適当量加え、乳鉢内で混合し、エタノ
ールを徐々に蒸発させて、適度な粘性のスラリーを得
た。このスラリーを各貫通孔４内に流し込み、内側壁面
にスラリーを塗布し、乾燥させ、１２００℃で４時間焼
成し、空気極７を形成し、単電池５Ｂを得た。

【００７２】この単電池について、熱サイクル試験を行
った。即ち、単電池の温度を室温から２００℃／時間の
速度で上昇させ、１２００℃で３０分間保持し、１２０
０℃から２００℃／時間で温度を下降させ、１００℃で
３０分間保持した。この１２００℃と１００℃との間の
温度の上昇−下降サイクルを繰り返して行い、最後に室
温まで冷却してクラックの有無を調べた。全部で１０個
の試料について試験を行った。この結果、２０回の熱サ
イクル後も、クラック、反り、変形は見られなかった。

【００７３】また、この単電池を使用し、発電実験を行
った。単電池をセラミックス製のマニホールドによって
保持し、集電体としてニッケル製のメッシュを使用し
た。マニホールドと単電池との間のガスシール部分に
は、パイレックスガラスを使用した。このパイレックス
ガラスは、１０００℃の発電条件下では溶融し、ガスシ
ール機能を発揮する。燃料ガスとしては、室温バブラー
を通して加湿した水素を使用し、酸化ガスとして酸素を
使用した。酸素は、マニホールドと単電池の各酸化ガス
流路を通して空気極側に供給した。水素は、単電池の周
囲に流すことによって、燃料極側に供給した。

【００７４】この発電条件下において、単電池の電流−
電圧特性を評価した。この結果を、表１および図７のグ
ラフに示す。

【００７５】

【表１】

【００７６】〔実験Ｂ：ＳＯＦＣの単電池の製造例およ
び発電実験〕前述した製造方法に従って、図５（ｂ）に
示す単電池５Ｅを製造した。ただし、固体電解質層用の
坏土、インターコネクター層用の坏土は、実験Ａと同じ
にした。

【００７７】固体電解質層用の坏土とインターコネクタ
ー層用の坏土とを、同時押出成形用の二軸プランジャー
のシリンダーの中に充填し、図５（ａ）に示すような形
態を有する成形体を製造した。この際、各坏土の押出速
度がほぼ同じになるように、プランジャーの油圧を制御
し、これによって支持体の成形体の曲がりを防止した。

【００７８】この成形体を恒温恒湿乾燥機内に収容し、
８０℃で乾燥した。乾燥後、乾燥された成形体を電気炉
内に収容し、４０℃／時間の速度で１６００℃まで温度
を上昇させ、１６００℃で３時間保持し、一体焼結さ
せ、支持体１Ｅを得た。得られた焼成体の寸法は、縦
４．６ｍｍ、横１１．２ｍｍ、長さ１００ｍｍである。
各外壁および隔壁の厚さは２００μｍであり、貫通孔４
の数は５個×２列とした。

【００７９】得られた焼成体から長さ５０ｍｍの支持体
試料を切り出した。次いで、平均粒径５μｍの酸化ニッ
ケル粉末６０重量部と８ｍｏｌ％イットリア安定化ジル
コニア粉末４０重量部とを混合した。この混合粉末１０
０重量部に対して、８０重量部のポリエチレングリコー
ルを混合し、これにエタノールを適当量加え、乳鉢内で
混合し、エタノールを徐々に蒸発させて、適度な粘性の
スラリーを得た。このスラリーを所定の貫通孔４内に流
し込み、内側壁面にスラリーを塗布し、乾燥させ、１４
００℃で２時間焼成し、燃料極８を形成した。

【００８０】また、平均粒径０．５μｍのランタンスト
ロンチウムマンガナイト粉末８０重量部と、平均粒径１
μｍの８ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア２０重量
部とを混合した。この混合粉末１００重量部に対して、
８０重量部のポリエチレングリコールを混合し、これに
エタノールを適当量加え、乳鉢内で混合し、エタノール
を徐々に蒸発させて、適度な粘性のスラリーを得た。こ
のスラリーを所定の貫通孔４内に流し込み、内側壁面に
スラリーを塗布し、乾燥させ、１２００℃で４時間焼成
し、空気極７を形成し、単電池５Ｅを得た。

【００８１】この単電池について、実験Ａと同様にし
て、熱サイクル試験を行った。この結果、２０回の熱サ
イクル後も、クラック、反り、変形は見られなかった。

【００８２】また、この単電池を使用し、実験Ａと同様
にして発電実験を行い、単電池の電流−電圧特性を評価
した。この結果を、表２および図８のグラフに示す。

【００８３】

【表２】

【００８４】〔実験Ｃ：水蒸気電解セルの製造および稼
働〕図５に示す形態の水蒸気電解セル５Ｅを製造した。
ただし、固体電解質層とインターコネクター層とからな
る支持体１Ｅは、実験Ｂと同様にして製造した。この支
持体１Ｅに白金ペーストを適用し、水蒸気電解セルを作
製した。

【００８５】具体的には、市販の白金ペーストにポリエ
チレングリコールを添加し、流動性のあるスラリーを得
た。このスラリーを、各貫通孔４内に流し込み、各貫通
孔の内側壁面に付着させた。この場合には、陽極と陰極
とは同様な材料であって良いので、ＳＯＦＣの場合のよ
うに、陽極と陰極とに対応する別個の材料を区別して流
し込む必要はない。

【００８６】各貫通孔の各内側壁面以外の場所に付着し
た白金スラリーは、短絡の原因となるので、このスラリ
ーを拭き取っておいた。こうして得られたアセンブリを
１０００℃で１時間焼成し、白金の陽極および陰極を作
製した。

【００８７】こうして作製した水蒸気電解セルを、１０
００℃に昇温し、陽極側にアルゴンを流し、陰極側に水
蒸気を含有するアルゴンを流し、陰極と陽極との間に電
流を流すことによって、水素を発生させることができ
た。

【００８８】〔実験Ｄ：水蒸気電解セルの製造および稼
働〕本発明の電気化学セルを製造する際には、支持体を
金属のスラリー中に浸漬することによって、陽極および
陰極を作製することもできる。例えば、実験Ｃにおい
て、前記した支持体１Ｅを製造した後、市販の白金ペー
ストにポリエチレングリコールを添加し、流動性のある
スラリーを得、支持体１Ｅをこのスラリー中に浸漬し
た。

【００８９】この際、支持体１Ｅの各貫通孔４内の壁面
だけでなく、支持体の端面にも白金スラリーが付着す
る。この白金スラリーをそのまま焼成すると、支持体１
Ｅの端面に付着した白金によって陽極と陰極とが短絡す
るおそれがある。このため、支持体１Ｅをスラリー中に
浸漬した後、白金スラリーを焼成する前に、支持体の端
面の周辺を切断し、除去した。これによって、白金スラ
リーを拭き取る手間なく、白金スラリーを容易に支持体
から除くことができる。

【００９０】こうして得られた支持体１Ｅを、１０００
℃で１時間焼成し、白金の陽極および陰極を作製した。

【００９１】こうして作製した水蒸気電解セルを、１０
００℃に昇温し、陽極側にアルゴンを流し、陰極側に水
蒸気を含有するアルゴンを流し、陰極と陽極との間に電
流を流すことによって、水素を発生させることができ
た。

【００９２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、い
わゆる平板タイプの電気化学セルにおいて、高温の運転
温度と運転停止時の低温との間の熱サイクルが多数回加
わったときにも、電気化学セルの反り、変形等が生じな
いようにすることができ、また、電極による圧力損失を
減らし、その効率を向上させ得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は支持体１Ａの断面図であり、（ｂ）は
電気化学セル５Ａの断面図である。

【図２】（ａ）は支持体１Ｂの断面図であり、（ｂ）は
電気化学セル５Ｂの断面図である。

【図３】（ａ）は支持体１Ｃの断面図であり、（ｂ）は
電気化学セル５Ｃの断面図である。

【図４】（ａ）は支持体１Ｄの断面図であり、（ｂ）は
電気化学セル５Ｄの断面図である。

【図５】（ａ）は支持体１Ｅの断面図であり、（ｂ）は
電気化学セル５Ｅの断面図である。

【図６】（ａ）は支持体１Ｆの断面図であり、（ｂ）は
電気化学セル５Ｆの断面図である。

【図７】実験Ａにおいて得られたＳＯＦＣの単電池を運
転したときの電流−電圧特性を示すグラフである。

【図８】実験Ｂにおいて得られたＳＯＦＣの単電池を運
転したときの電流−電圧特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ支持体
２、１２、２２、３２Ａ、３２Ｂ、４２Ａ、４２Ｂ、５
２Ａ、５２Ｂインターコネクター層３、１３、
２３、３３、４３、５３固体電解質層５Ａ、５
Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５Ｆ電気化学セル６
一方のガス流路７一方の電極８他方の
電極９他方のガス流路Ａ固体電解質層
の中心面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気化学セル用の支持体であって、気密質
の固体電解質材料からなる固体電解質層と、気密質の電
子伝導性材料からなるインターコネクター層とを備えて
おり、前記固体電解質層と前記インターコネクター層と
が一体化されており、前記支持体中に延びる複数のガス
流路が設けられており、前記複数のガス流路がそれぞれ
前記固体電解質層と前記インターコネクター層とによっ
て包囲されていることを特徴とする、電気化学セル用支
持体。
【請求項２】前記支持体が、前記固体電解質層を一層備
えており、かつ前記インターコネクター層を一層備えて
いることを特徴とする、請求項１記載の電気化学セル用
支持体。
【請求項３】前記支持体が、前記固体電解質層を一層備
えており、かつ前記インターコネクター層を二層備えて
おり、前記固体電解質層の一方の側に一方の前記インタ
ーコネクター層が設けられており、前記固体電解質層と
前記一方のインターコネクター層との間に一方の前記ガ
ス流路が形成されており、前記固体電解質層の他方の側
に他方の前記インターコネクター層が設けられており、
前記固体電解質層と前記他方のインターコネクター層と
の間に他方の前記ガス流路が形成されていることを特徴
とする、請求項１記載の電気化学セル用支持体。
【請求項４】前記固体電解質層の中心面に対して、前記
一方のインターコネクター層と前記他方のインターコネ
クター層とが互いに面対称であることを特徴とする、請
求項３記載の電気化学セル用支持体。
【請求項５】請求項１記載の支持体と、少なくとも前記
固体電解質層の前記ガス流路に面する壁面に形成されて
いる一方の電極と、少なくとも前記固体電解質層の前記
壁面とは反対側の壁面に形成されている他方の電極とを
備えていることを特徴とする、電気化学セル。
【請求項６】前記支持体が、前記固体電解質層を一層備
えておりかつ前記インターコネクター層を一層備えてお
り、前記一方の電極が、少なくとも前記固体電解質層の
前記ガス流路に面する壁面に形成されており、前記他方
の電極が、前記固体電解質層の前記ガス流路に面する前
記壁面とは反対側の壁面に形成されていることを特徴と
する、請求項５記載の電気化学セル。
【請求項７】前記支持体が、前記固体電解質層を一層備
えておりかつ前記インターコネクター層を二層備えてお
り、前記固体電解質層の一方の側に一方の前記インター
コネクター層が設けられており、前記固体電解質層と前
記一方のインターコネクター層との間に一方の前記ガス
流路が形成されており、前記固体電解質層の他方の側に
他方の前記インターコネクター層が設けられており、前
記固体電解質層と前記他方のインターコネクター層との
間に他方の前記ガス流路が形成されており、前記一方の
電極が、少なくとも前記固体電解質層の前記一方のガス
流路に面する壁面に形成されており、前記他方の電極
が、少なくとも前記固体電解質層の前記他方のガス流路
に面する壁面に形成されていることを特徴とする、請求
項５記載の電気化学セル。
【請求項８】請求項５記載の電気化学セルを製造するの
に際して、前記固体電解質層用の坏土と前記インターコ
ネクター層用の坏土とを同時に押出成形することによっ
て、前記支持体の成形体を製造し、この成形体を焼成し
て前記支持体を作製し、次いで少なくとも前記固体電解
質層の前記ガス流路に面する壁面に前記一方の電極を形
成し、少なくとも前記固体電解質層の前記壁面とは反対
側の壁面に前記他方の電極を形成することを特徴とす
る、電気化学セルの製造方法。
【請求項９】請求項５記載の電気化学セルを製造するの
に際して、前記固体電解質層用の坏土と前記インターコ
ネクター層用の坏土とを同時に押出成形することによっ
て、前記支持体の成形体を製造し、少なくとも前記固体
電解質層の前記ガス流路に面する壁面に前記一方の電極
の材料を付着させ、少なくとも前記固体電解質層の前記
壁面とは反対側の壁面に前記他方の電極の材料を付着さ
せ、次いで前記成形体、前記一方の電極の材料および前
記他方の電極の材料を焼成することによって、前記支持
体、前記一方の電極および前記他方の電極を生成させる
ことを特徴とする、電気化学セルの製造方法。