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公開番号2025167888
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-11-07
出願番号2024072885
出願日2024-04-26
発明の名称電気化学セル
出願人株式会社デンソー
代理人弁理士法人あいち国際特許事務所
主分類H01M 8/126 20160101AFI20251030BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】燃料極層と接する電解質本体層における作動時のクラック発生を抑制することが可能な電気化学セルを提供する。
【解決手段】電気化学セル1は、燃料が供給される電極である燃料極層2と、酸素イオン伝導性を有する固体電解質層3と、燃料極層2と対をなす電極である空気極層4とをこの順に有する。固体電解質層3は、燃料極層2と接する電解質本体層31を有している。電解質本体層31は、蛍石構造を有し、Ce_1-x(RE)_xO_2-x/2(但し、xは0.05以上0.2以下、RE元素はGdおよびSmのうち少なくとも一方)で示される第1の結晶相と、(ZnO)(CeO_2-δ)_y(但し、δ>0、yは0.15以上0.7以下)で示される第2の結晶相とを含む複合酸化物相を有している。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
燃料が供給される電極である燃料極層（２）と、酸素イオン伝導性を有する固体電解質層（３）と、前記燃料極層と対をなす電極である空気極層（４）とをこの順に有する電気化学セル（１）であって、
前記固体電解質層は、前記燃料極層と接する電解質本体層（３１）を有しており、
前記電解質本体層は、
蛍石構造を有し、Ｃｅ
１－ｘ
（ＲＥ）
ｘ
Ｏ
２－ｘ／２
（但し、ｘは０．０５以上０．２以下、ＲＥ元素はＧｄおよびＳｍのうち少なくとも一方）で示される第１の結晶相と、（ＺｎＯ）（ＣｅＯ
２－δ
）
ｙ
（但し、δ＞０、ｙは０．１５以上０．７以下）で示される第２の結晶相とを含む複合酸化物相を有している、
電気化学セル（１）。
続きを表示（約 940 文字）【請求項２】
前記複合酸化物相は、
前記第１の結晶相に含まれるＣｅのモル数に対するＺｎのモル数の割合が、１．１モル％以上である、
請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
前記複合酸化物相は、
前記第１の結晶相に含まれるＣｅのモル数に対するＺｎのモル数の割合が、４．６モル％以下である、
請求項１または請求項２に記載の電気化学セル。
【請求項４】
作動温度が７５５℃以下である、
請求項１または請求項２に記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記燃料極層は、前記複合酸化物相を含む、
請求項１または請求項２に記載の電気化学セル。
【請求項６】
前記燃料極層における前記固体電解質層側とは反対側に前記燃料極層に接する燃料拡散層（５）を有しており、
前記燃料拡散層は、前記複合酸化物相を含む、
請求項１または請求項２に記載の電気化学セル。
【請求項７】
前記燃料極層に含まれる前記複合酸化物相における前記第１の結晶相に含まれるＣｅのモル数に対するＺｎのモル数の割合は、前記電解質本体層に含まれる前記複合酸化物相における前記第１の結晶相に含まれるＣｅのモル数に対するＺｎのモル数の割合よりも少ない、
請求項５に記載の電気化学セル。
【請求項８】
前記燃料拡散層に含まれる前記複合酸化物相における前記第１の結晶相に含まれるＣｅのモル数に対するＺｎのモル数の割合は、前記電解質本体層に含まれる前記複合酸化物相における前記第１の結晶相に含まれるＣｅのモル数に対するＺｎのモル数の割合よりも少ない、
請求項６に記載の電気化学セル。
【請求項９】
前記固体電解質層と前記空気極層との間に中間層（６）を有しており、
前記中間層は、前記複合酸化物相を含む、
請求項１または請求項２に記載の電気化学セル。
【請求項１０】
固体酸化物形燃料電池セルおよび固体酸化物形電解セルのうち少なくとも一方として用いられる、
請求項１または請求項２に記載の電気化学セル。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学セルに関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
従来、酸素イオン伝導性を有する固体電解質層を電解質層とする電気化学セルが知られている。この種の電気化学セルとしては、固体酸化物形燃料電池セル（Solid Oxide Fuel Cell：以下、ＳＯＦＣということがある。）や固体酸化物形電解セル（Solid Oxide Electrochemical Cell：以下、ＳＯＥＣということがある。）などが挙げられる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、セリア系母材の表面に、ＭＣｅ（１－ｘ）Ｒ（ｘ）Ｏ（３－α）（Ｍはアルカリ土類元素を表し、Ｒは希土類元素又はＺｎ、Ｍｎ又はＩｎを表す。また０．０５≦ｘ≦０．２０である。）のペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物層が形成されてなるセリア系固体電解質を用いたＳＯＦＣが開示されている。同文献には、上記セリア系固体電解質を用いることにより、還元性ガスにさらされた特に過酷な環境下である燃料極側においてセリウムの還元が抑制される点が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２００５－２４３４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術には、次の課題がある。特許文献１において、ペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物層中のＣｅは４価であり、このＣｅ原子は高温・還元雰囲気にさらされると３価に変化する。そのため、特許文献１の技術では、固体電解質層の還元膨張抑制効果が十分ではなく、作動時のクラック発生を抑制することが困難である。また、本材料は、プロトン導電体としても知られており、水和反応によって化学膨張することが知られている。そのため、Ｈ
２
Ｏを含んだ還元性ガスにさらされた場合は、より作動時のクラックを抑制することは困難である。
【０００６】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、燃料極層と接する電解質本体層における作動時のクラック発生を抑制することが可能な電気化学セルを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、
燃料が供給される電極である燃料極層（２）と、酸素イオン伝導性を有する固体電解質層（３）と、前記燃料極層と対をなす電極である空気極層（４）とをこの順に有する電気化学セル（１）であって、
前記固体電解質層は、前記燃料極層と接する電解質本体層（３１）を有しており、
前記電解質本体層は、
蛍石構造を有し、Ｃｅ
１－ｘ
（ＲＥ）
ｘ
Ｏ
２－ｘ／２
（但し、ｘは０．０５以上０．２以下、ＲＥ元素はＧｄおよびＳｍのうち少なくとも一方）で示される第１の結晶相と、（ＺｎＯ）（ＣｅＯ
２－δ
）
ｙ
（但し、δ＞０、ｙは０．１５以上０．７以下）で示される第２の結晶相とを含む複合酸化物相を有している、
電気化学セル（１）にある。
【発明の効果】
【０００８】
上記電気化学セルは、上記構成を有する。そのため、上記電気化学セルは、その作動時に、燃料極層と接する電解質本体層が高温、還元性雰囲気にさらされた場合であっても、電解質本体層の還元膨張を低減することができる。それ故、上記電気化学セルは、電解質本体層における作動時のクラック発生を抑制することができる。
【０００９】
なお、特許請求の範囲および課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
図１は、実施形態に係る電気化学セルの積層構造の一例を模式的に示した説明図である。
図２は、実施形態に係る電気化学セルの積層構造の別の一例を模式的に示した説明図である。
図３は、実験例にて作製した電気化学セルの積層構造を示したＳＥＭ像である。
図４は、図３に示したＳＥＭ像の一部を拡大して示した拡大図である。
図５は、実験例１において得られた、電解質本体層の結晶相同定結果を示した図である。
図６は、実験例１において得られた、複合酸化物相におけるＺｎモル割合（対Ｃｅ比）（横軸）と、電解質本体層の線膨張係数（×１０
－６
／Ｋ、４体積％Ｈ
２
、温度６５０℃）（縦軸）との関係を示した図である。
図７は、実験例１において得られた、複合酸化物相におけるＺｎモル割合（対Ｃｅ比）（横軸）と、電解質本体層の酸素イオン伝導率（×１０
－２
Ｓ／ｃｍ、温度６５０℃）（縦軸）との関係を示した図である。
図８は、実験例２において得られた、温度（℃）（横軸）と、電解質本体層の線膨張係数（×１０
－６
／Ｋ、４体積％Ｈ
２
）（縦軸）との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
（【００１１】以降は省略されています）

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