(57)【要約】【課題】出力を向上可能な電気化学セルを提供する。【解決手段】セル１は、金属支持部材４と、金属支持部材４によって支持される第１電極５と、第２電極８と、第１電極５と第２電極８との間に配置される電解質６とを備える。第１電極５は、電解質６側に設けられる第１主面５Ｓと、第１主面５Ｓに設けられる凹凸とを有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属支持部材と、
前記金属支持部材によって支持される第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と第２電極との間に配置される電解質と、
を備え、
前記金属支持部材は、金属材料によって構成される複数の線材を織り込むことによって形成されたメッシュ部材であり、
前記第１電極は、前記電解質側に設けられる主面と、前記主面に設けられる凹凸とを有する、
電気化学セル。
【請求項２】
前記電解質の平均厚みに対する厚みの標準偏差の比は、０．２５以下である、
請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
前記電解質は、前記第２電極側に設けられる主面と、前記主面に設けられる凹凸とを有する、
請求項１又は２に記載の電気化学セル。
【請求項４】
前記金属支持部材の少なくとも一部は、第１電極に埋設される、
請求項１乃至３のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記電解質は、酸素イオン伝導性を有する、
請求項１乃至４のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項６】
前記電解質は、水酸化物イオン伝導性を有する、
請求項１乃至４のいずれか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。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属支持部材と、金属支持部材上に配置される素子部とを備える電気化学セルが知られている（例えば、特許文献１参照）。素子部は、金属支持部材によって支持される第１電極と、第２電極と、第１電極及び第２電極の間に配置される電解質とを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１８／１８１９２６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電気化学セルでは、第１電極における電極反応を向上させることによって、出力を向上させることが期待されている。
【０００５】
本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、出力を向上可能な電気化学セルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る電気化学セルは、金属支持部材と、金属支持部材によって支持される第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極との間に配置される電解質とを備える。金属支持部材は、金属材料によって構成される複数の線材を織り込むことによって形成されたメッシュ部材である。第１電極は、電解質側に設けられる主面と、主面に設けられる凹凸とを有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、出力を向上可能な電気化学セルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池セルの構成を示す断面図
【図２】第１実施形態に係る金属支持部材の構成を示す平面図
【図３】第１実施形態に係る第１電極及び電解質の断面図
【図４】第２実施形態に係る燃料電池セルの構成を示す断面図
【図５】第２実施形態に係る金属支持部材の構成を示す平面図
【図６】第２実施形態に係る第１電極及び電解質の断面図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
１．第１実施形態
（固体酸化物形燃料電池セル１の構成）
固体酸化物形燃料電池セル１は、Ｏ２−（酸素イオン）をキャリアとする。固体酸化物形燃料電池セル１は、本発明に係る「電気化学セル」の一例である。以下の説明では、固体酸化物形燃料電池セルを「セル」と略称する。
【００１０】
図１は、第１実施形態に係るセル１の構成を示す断面図である。セル１は、金属支持部材４、第１電極５、電解質６、反応防止膜７、及び第２電極８を有する。第１電極５、電
解質６、反応防止膜７、及び第２電極８は、セル１の「素子部」を構成する。
【００１１】
［金属支持部材４］
金属支持部材４は、第１電極５、電解質６、反応防止膜７、及び第２電極８を支持する。金属支持部材４は、全体として平板状に形成される。金属支持部材４は、セル１の強度を保つことができればよく、その厚みは特に制限されないが、例えば０．０２ｍｍ〜２．０ｍｍとすることができる。
【００１２】
図２は、金属支持部材４の構成を示す平面図である。金属支持部材４は、複数の線材４１を織り込むことによって形成されたメッシュ部材である。従って、金属支持部材４の電子伝導性が高く、かつ、金属支持部材４が規則構造を有しているため、金属支持部材４における電子の流れを良好かつ均一にすることができる。その結果、第１電極５での電極反応における電子の授受が円滑になり、電極反応を向上させることができる。
【００１３】
金属支持部材４は、全体としてシート状に形成されているが、表面及び裏面は一様な平面ではなく、線材４１の織り込み形状に応じた規則的な凹凸が存在している。
【００１４】
図２では、縦方向及び横方向の両方向に沿って複数の線材４１が垂直に織り込まれているが、各線材４１の配置は適宜変更可能である。従って、メッシュ部材の織り方は、平織り、綾織り、平畳織り、綾畳織り、或いは、他の織り方であってもよい。
【００１５】
各線材４１は、金属材料によって構成される。各線材４１を構成する金属材料は特に制限されないが、Ｆｅ−Ｃｒ系合金鋼（ステンレス鋼など）やＮｉ−Ｃｒ系合金鋼などを用いることができる。線材４１におけるＣｒの含有率は特に制限されないが、４〜３０質量％とすることができる。線材４１は、Ｔｉ（チタン）やＡｌ（アルミニウム）を含有していてもよい。線材４１におけるＴｉの含有率は特に制限されないが、０．０１〜１．０ａｔ．％とすることができる。線材４１におけるＡｌの含有率は特に制限されないが、０．０１〜０．４ａｔ．％とすることができる。線材４１は、ＴｉをＴｉＯ２（チタニア）として含有していてもよいし、ＡｌをＡｌ２Ｏ３（アルミナ）として含有していてもよい。線材４１の表面には、酸化クロム膜が形成されていてもよい。
【００１６】
各線材４１の隙間（すなわち、目開き）は、第１電極５に供給される燃料ガス（例えば、水素ガス）の流路として機能する。各線材４１の隙間のサイズ（すなわち、目開き寸法）は特に制限されず、適宜設定すればよい。
【００１７】
本実施形態において、金属支持部材４の一部は、第１電極５に埋設されている。ただし、厚み方向（第１電極５、電解質６、及び第２電極８の積層方向）において、金属支持部材４の全体が第１電極５に埋設されていてもよいし、金属支持部材４は第１電極５に埋設されていなくてもよい。
【００１８】
［第１電極５］
第１電極５は、金属支持部材４によって支持される。本実施形態において、第１電極５は、その内部に一部埋設された金属支持部材４によって支持されている。これにより、第１電極５が金属支持部材４上に配置される場合に比べて、金属支持部材４と第１電極５との間に発生する熱応力によって第１電極５が金属支持部材４から剥離することを抑制できる。ただし、第１電極５は、金属支持部材４上に配置されていてもよい。
【００１９】
第１電極５は、多孔質であることが好ましい。第１電極５の気孔率は特に制限されないが、例えば２０％〜７０％とすることができる。第１電極５の厚みは特に制限されないが、例えば１μｍ〜１００μｍとすることができる。
【００２０】
本実施形態において、第１電極５には燃料ガス（例えば、水素ガス）が供給され、第１電極５は、アノード（燃料極）として機能する。第１電極５は、ＮｉＯ−ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、Ｎｉ−ＧＤＣ、ＮｉＯ−ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））、Ｎｉ−ＹＳＺ、ＣｕＯ−ＣｅＯ２、Ｃｕ−ＣｅＯ２などの遷移金属を含有する複合材料によって構成することができる。
【００２１】
第１電極５の成膜方法は特に制限されず、焼成法、スクリーン印刷法（成形体の焼成条件は、例えば１時間〜１０時間、１０００℃〜１２００℃）、スプレーコーティング法（溶射法、エアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法など）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などにより成膜することができる。
【００２２】
［電解質６］
電解質６は、第１電極５と第２電極８との間に配置される。本実施形態では、セル１が反応防止膜７を有しているため、電解質６は、第１電極５と反応防止膜７との間に介挿されている。
【００２３】
本実施形態において、電解質６は、第１電極５全体を覆うように成膜されており、電解質６の外縁は、金属支持部材４に接合されている。これにより、第１電極５に供給される燃料ガスと第２電極８に供給される酸化剤ガスとの混合を抑制できるため、金属支持部材４と電解質６との間を別途封止する必要がない。
【００２４】
電解質６は、酸化物イオン伝導性を有する。電解質６は、酸化剤ガスと燃料ガスとの混合を抑制できる程度のガスバリア性を有する。電解質６は、複層構造であってもよいが、少なくとも１つの層が緻密層であることが好ましい。緻密層の気孔率は、１０％以下が好ましく、５％以下がより好ましく、２％以下が更に好ましい。
【００２５】
電解質６は、ＹＳＺ、ＧＤＣ、ＳＳＺ、ＳＤＣ、ＬＳＧＭなどによって構成することができる。電解質６の成膜方法は特に制限されず、焼成法、スクリーン印刷法（成形体の焼成条件は、例えば１時間〜１０時間、１０００℃〜１２００℃）、スプレーコーティング法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法などにより成膜することができる。
【００２６】
［反応防止膜７］
反応防止膜７は、電解質６上に配置される。反応防止膜７は、電解質６と第２電極８との間に介挿される。反応防止膜７の厚みは特に制限されないが、例えば１μｍ〜１００μｍとすることができる。反応防止膜７は、第２電極８の構成材料と電解質６の構成材料とが反応して高抵抗層が成膜されることを抑制する。
【００２７】
反応防止膜７は、ＧＤＣ、ＳＤＣなどのセリア系材料によって構成することができる。反応防止膜７の成膜方法は特に制限されず、焼成法、スクリーン印刷法（成形体の焼成条件は、例えば１時間〜１０時間、１０００℃〜１２００℃）、スプレーコーティング法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法などにより成膜することができる。
【００２８】
［第２電極８］
第２電極８は、電解質６を基準として、第１電極５の反対側に配置される。本実施形態では、セル１が反応防止膜７を有しているため、第２電極８は、反応防止膜７上に配置される。
【００２９】
第２電極８は、多孔質であることが好ましい。第２電極８の気孔率は特に制限されないが、例えば２０％〜７０％とすることができる。第２電極８の厚みは特に制限されないが、例えば１μｍ〜１００μｍとすることができる。
【００３０】
本実施形態において、第２電極８には酸化剤ガス（例えば、空気）が供給され、第２電極８は、カソード（空気極）として機能する。第２電極８は、ＬＳＣＦ、ＬＳＦ、ＬＳＣ、ＬＮＦ、ＬＳＭなどによって構成することができる。特に、第２電極８は、Ｌａ、Ｓｒ、Ｓｍ、Ｍｎ、ＣｏおよびＦｅからなる群から選ばれる２種類以上の元素を含有するペロブスカイト型酸化物を含んでいることが好ましい。
【００３１】
第２電極８の成膜方法は特に制限されず、焼成法、スクリーン印刷法（成形体の焼成条件は、例えば１時間〜１０時間、８００℃〜１０００℃）、スプレーコーティング法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法などにより成膜することができる。
【００３２】
［セル１の動作］
まず、第１電極５に燃料ガスを供給し、かつ、第２電極８に酸化剤ガスを供給しながら、セル１を作動温度（例えば、６００℃〜８５０℃）まで加熱する。すると、第２電極８においてＯ２（酸素）がｅ−（電子）と反応してＯ２−（酸素イオン）が生成される。生成されたＯ２−は、電解質６を通って第１電極５に移動する。第１電極５に移動したＯ２−は、燃料ガスに含まれるＨ２（水素）と反応して、Ｈ２Ｏ（水）とｅ−とが生成される。このような反応によって、第１電極５と第２電極８との間に起電力が発生する。
【００３３】
（第１電極５及び電解質６の断面構造）
次に、第１電極５及び電解質６の断面構造について、図面を参照しながら説明する。図３は、第１電極５及び電解質６の断面図である。図３では、セル１の厚み方向（すなわち、積層方向）に平行な断面が図示されている。
【００３４】
［第１電極５の断面構造］
第１電極５は、電解質６側に設けられる第１主面５Ｓと、第１主面５Ｓの反対側に設けられる第２主面５Ｔとを有する。第１主面５Ｓは、本発明に係る「第１電極の主面」の一例である。
【００３５】
第１主面５Ｓには、凹凸が設けられている。具体的に、第１主面５Ｓには、複数の凸部５１と複数の凹部５２とが形成されている。各凸部５１と各凹部５２は、第１主面５Ｓの全体に形成されていることが好ましいが、第１主面５Ｓの一部に形成されていてもよい。各凸部５１と各凹部５２は、互いに滑らかに連なっていることが好ましい。本実施形態において、第１主面５Ｓの凹凸は、金属支持部材４として用いられるメッシュ部材の織り込み形状を利用して簡便に形成される。
【００３６】
このように、第１主面５Ｓに凹凸が設けられることによって、第１主面５Ｓの少なくとも一部は、波状に形成される。これにより、第１主面５Ｓを一様な平面状に形成する場合に比べて、第１主面５Ｓの平面視における幾何面積当たりの実面積を大きくすることができる。そのため、第１電極５１における電極反応を向上させることができるとともに、第１電極５１の内部に広く燃料ガスを拡散させることができるだけでなく、第１電極５と第１電極５上に成膜される膜（本実施形態では、電解質６）との接合性を向上させることができる。さらに、第１主面５Ｓの少なくとも一部が波状に形成されることによって、第１主面５Ｓ側又は第２主面５Ｔ側に第１電極５１が反ってしまうことを抑制できる。
【００３７】
隣接する２つの凸部５１の間隔（ピッチ）は特に制限されないが、例えば０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることができる。隣接する２つの凹部５１の間隔（ピッチ）は特に制
限されないが、例えば０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることができる。
【００３８】
第２主面５Ｔには、凹凸が設けられていてもよいし、凹凸が設けられていなくてもよい。図３に示すように、金属支持部材４（具体的には、線材４１）は、第２主面５Ｔから露出していてもよいし、第２主面５Ｔの内部に埋まっていてもよい。
【００３９】
［電解質６の断面構造］
電解質６は、第２電極８（図１参照）側に設けられる第１主面６Ｓを有する。第１主面６Ｓは、本発明に係る「電解質の主面」の一例である。
【００４０】
第１主面６Ｓには、凹凸が設けられている。具体的に、第１主面６Ｓには、複数の凸部６１と複数の凹部６２とが形成されている。各凸部６１と各凹部６２は、第１主面６Ｓの全体に形成されていることが好ましいが、第１主面６Ｓの一部に形成されていてもよい。各凸部６１と各凹部６２は、互いに滑らかに連なっていることが好ましい。本実施形態において、第１主面６Ｓの凹凸は、第１電極５の凹凸を利用して簡便に形成される。
【００４１】
このように、第１主面６Ｓに凹凸が設けられることによって、第１主面６Ｓの少なくとも一部は、波状に形成される。これにより、第１主面６Ｓを一様な平面状に形成する場合に比べて、第１主面６Ｓの平面視における幾何面積当たりの実面積を大きくすることができる。そのため、電解質６と電解質６上に成膜される膜（本実施形態では、反応防止膜７）との接合性を向上させることができる。
【００４２】
隣接する２つの凸部６１の間隔（ピッチ）は特に制限されないが、例えば０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることができる。隣接する２つの凹部６１の間隔（ピッチ）は特に制限されないが、例えば０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることができる。
【００４３】
電解質６の平均厚みμは特に制限されないが、例えば１μｍ〜２０μｍとすることができる。電解質６の平均厚みμは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて電解質６の断面を観察して、１０個の凸部６１付近の厚みと１０個の凹部６２付近の厚みとを測定し、それらを算術平均することによって算出される。
【００４４】
電解質６の平均厚みμに対する標準偏差σの比（すなわち、変動係数σ／μ）は、０．２５以下であることが好ましい。これにより、面方向における電解質６の厚みばらつきを十分小さくすることができるため、第２電極８で生成されたＯ２−（酸素イオン）が電解質６の薄い領域に集中することによって生じる第１電極５における局所的な燃料欠乏を抑制できる。従って、電解質６内のＯ２−伝導性を面方向において均一にできるため、第１電極５における電極反応をより向上させることができる。その結果、セル１の出力が低下することを抑制できる。また、燃料欠乏により生じる第１電極５に含まれる遷移金属の再酸化を抑制することが可能となるため、再酸化による電極剥離およびクラック発生を抑制することができる。
【００４５】
電解質６の平均厚みμに対する標準偏差σの比（変動係数σ／μ）は、０．２０以下がより好ましく、０．１５以下が更に好ましい。
【００４６】
電解質６の平均厚みμに対する標準偏差σの比は、電解質の成膜方法、乾燥速度およびメッシュ部材の目開きの調整等により簡便に制御することができる。例えば、電解質の成膜時に粘度の時間依存（チクソトロピー性）のあるスラリーやペーストを用いて保形性を制御することや成膜後の乾燥速度を速めることで電解質の流動を防止する等の手段により制御が可能である。具体的には、スラリーやペーストの粘度が時間経過とともに高くなるほど、或いは、乾燥速度を速めるほど、変動係数σ／μを小さくすることができる。
【００４７】
２．第２実施形態
（固体アルカリ形燃料電池セル１０の構成）
固体アルカリ形燃料電池セル１０は、ＯＨ−（水酸化物イオン）をキャリアとするアルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）の一種である。固体アルカリ形燃料電池セル１０は、本発明に係る「電気化学セル」の一例である。以下の説明では、固体アルカリ形燃料電池セルを「セル」と略称する。
【００４８】
図４は、第２実施形態に係るセル１０の構成を示す断面図である。セル１０は、金属支持部材１４、第１電極１５、電解質１６、及び第２電極１８を有する。第１電極１５、電解質１６、及び第２電極１８は、セル１０の「素子部」を構成する。
【００４９】
［金属支持部材１４］
金属支持部材１４は、第１電極１５、電解質１６、及び第２電極１８を支持する。金属支持部材１４は、全体として平板状に形成される。金属支持部材１４は、セル１０の強度を保つことができればよく、その厚みは特に制限されないが、例えば０．０２ｍｍ〜２．０ｍｍとすることができる。
【００５０】
図５は、金属支持部材１４の構成を示す平面図である。金属支持部材１４は、複数の線材１４１を織り込むことによって形成されたメッシュ部材である。従って、金属支持部材１４の電子伝導性が高く、かつ、金属支持部材１４が規則構造を有しているため、金属支持部材１４における電子の流れを良好かつ均一にすることができる。その結果、第１電極１５での電極反応における電子の授受が円滑になり、電極反応を向上させることができる。
【００５１】
金属支持部材１４は、全体としてシート状に形成されているが、表面及び裏面は一様な平面ではなく、線材１４１の織り込み形状に応じた規則的な凹凸が存在している。
【００５２】
図５では、縦方向及び横方向の両方向に沿って複数の線材１４１が垂直に織り込まれているが、各線材１４１の配置は適宜変更可能である。従って、メッシュ部材の織り方は、平織り、綾織り、平畳織り、綾畳織り、或いは、他の織り方であってもよい。
【００５３】
各線材１４１は、金属材料によって構成される。各線材１４１を構成する金属材料は特に制限されないが、Ｆｅ−Ｃｒ系合金鋼（ステンレス鋼など）やＮｉ−Ｃｒ系合金鋼などを用いることができる。線材１４１におけるＣｒの含有率は特に制限されないが、４〜３０質量％とすることができる。線材１４１は、Ｔｉ（チタン）やＡｌ（アルミニウム）を含有していてもよい。線材１４１におけるＴｉの含有率は特に制限されないが、０．０１〜１．０ａｔ．％とすることができる。線材１４１におけるＡｌの含有率は特に制限されないが、０．０１〜０．４ａｔ．％とすることができる。線材１４１は、ＴｉをＴｉＯ２（チタニア）として含有していてもよいし、ＡｌをＡｌ２Ｏ３（アルミナ）として含有していてもよい。線材１４１の表面には、酸化クロム膜が形成されていてもよい。
【００５４】
各線材１４１の隙間（すなわち、目開き）は、第１電極１５に供給される燃料（例えば、メタノール）の流路として機能する。各線材１４１の隙間のサイズ（すなわち、目開き寸法）は特に制限されず、適宜設定すればよい。
【００５５】
本実施形態において、金属支持部材１４の一部は、第１電極１５に埋設されている。ただし、厚み方向（第１電極１５、電解質１６、及び第２電極１８の積層方向）において、金属支持部材１４の全体が第１電極１５に埋設されていてもよいし、金属支持部材１４は第１電極１５に埋設されていなくてもよい。
【００５６】
［第１電極１５］
第１電極１５は、一般的に燃料極と呼ばれるアノードである。セル１０の発電中、第１電極１５には、水素原子（Ｈ）を含む燃料が供給される。第１電極１５は、内部に燃料を拡散可能な多孔質体である。第１電極１５の気孔率は特に制限されない。第１電極１５の厚みは特に制限されないが、例えば１０〜５００μｍとすることができる。
【００５７】
水素原子を含む燃料は、第１電極１５において水酸化物イオン（ＯＨ−）と反応可能な燃料化合物を含んでいればよく、液体燃料及び気体燃料のいずれの形態であってもよい。
【００５８】
燃料化合物としては、例えば、（ｉ）ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２）、水加ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・Ｈ２Ｏ）、炭酸ヒドラジン（（ＮＨ２ＮＨ２）２ＣＯ２）、硫酸ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・Ｈ２ＳＯ４）、モノメチルヒドラジン（ＣＨ３ＮＨＮＨ２）、ジメチルヒドラジン（（ＣＨ３）２ＮＮＨ２、ＣＨ３ＮＨＮＨＣＨ３）、及びカルボンヒドラジド（（ＮＨＮＨ２）２ＣＯ）等のヒドラジン類、（ｉｉ）尿素（ＮＨ２ＣＯＮＨ２）、（ｉｉｉ）アンモニア（ＮＨ３）、（ｉｖ）イミダゾール、１，３，５−トリアジン、３−アミノ−１，２，４−トリアゾール等の複素環類化合物、（ｖ）ヒドロキシルアミン（ＮＨ２ＯＨ）、硫酸ヒドロキシルアミン（ＮＨ２ＯＨ・Ｈ２ＳＯ４）等のヒドロキシルアミン類、及びこれらの組合せが挙げられる。これらの燃料化合物のうち炭素を含まない化合物（すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、アンモニア、ヒドロキシルアミン、硫酸ヒドロキシルアミン等）は、一酸化炭素による触媒被毒の問題が無いため特に好適である。
【００５９】
燃料化合物は、そのまま燃料として用いてもよいが、水及び／又はアルコール（例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの低級アルコール等）に溶解させた溶液として用いてもよい。例えば、上記燃料化合物のうち、ヒドラジン、水化ヒドラジン、モノメチルヒドラジン及びジメチルヒドラジンは液体であるので、そのまま液体燃料として使用可能である。また、炭酸ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、カルボンヒドラジド、尿素、イミダゾール、及び３−アミノ−１，２，４−トリアゾール、及び硫酸ヒドロキシルアミンは固体であるが水に可溶である。１，３，５−トリアジン及びヒドロキシルアミンは固体であるがアルコールに可溶である。アンモニアは気体であるが水に可溶である。このように、固体の燃料化合物は、水又はアルコールに溶解させて液体燃料として使用可能である。燃料化合物を水及び／又はアルコールに溶解させて用いる場合、溶液中の燃料化合物の濃度は、例えば３０〜９９．９重量％であり、好ましくは６６〜９９．９重量％である。
【００６０】
また、メタノール、エタノール等のアルコール類やエーテル類を含む炭化水素系液体燃料、メタン等の炭化水素系ガス、或いは純水素などは、そのまま燃料として用いることができる。特に、本実施形態に係るセル１０に用いられる燃料としては、メタノールが好適である。メタノールは、気体状態、液体状態、及び、気液混合状態のいずれであってもよい。
【００６１】
第１電極１５は、ＡＦＣに使用される公知のアノード触媒を含むものであればよく、特に限定されない。アノード触媒の例としては、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｓｎ、及びＰｄ等の金属触媒が挙げられる。金属触媒は、カーボン等の担体に担持されるのが好ましいが、金属触媒の金属原子を中心金属とする有機金属錯体の形態としてもよく、この有機金属錯体を担体として担持されていてもよい。また、アノード触媒の表面には多孔質材料等で構成された拡散層を配置してもよい。第１電極１５及びそれを構成する触媒の好ましい例としては、ニッケル、コバルト、銀、白金担持カーボン（Ｐｔ／Ｃ）、白金ルテニウム担持カーボン（ＰｔＲｕ／Ｃ）、パラジウム担持カーボン（Ｐｄ／Ｃ）、ロジウム担
持カーボン（Ｒｈ／Ｃ）、ニッケル担持カーボン（Ｎｉ／Ｃ）、銅担持カーボン（Ｃｕ／Ｃ）、及び銀担持カーボン（Ａｇ／Ｃ）が挙げられる。
【００６２】
第１電極１５の作製方法は特に限定されないが、例えば、アノード触媒及び所望により担体をバインダーと混合してペースト状にし、このペースト状混合物を電解質１６のアノード側表面１６Ｔに塗布することにより形成することができる。
【００６３】
［電解質１６］
電解質１６は、第１電極１５と第２電極１８との間に配置される。電解質１６は、第１電極１５及び第２電極１８のそれぞれに接続される。電解質１６は、膜状、層状、或いは、シート状に形成される。
【００６４】
電解質１６は、水酸化物イオン伝導性を有する。セル１０の発電中、電解質１６は、第２電極１８側から第１電極１５側に水酸化物イオン（ＯＨ−）を伝導させる。電解質１６の水酸化物イオン伝導率は特に制限されないが、０．１ｍＳ／ｃｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５ｍＳ／ｃｍ以上、さらに好ましくは１．０ｍＳ／ｃｍ以上である。電解質１６の水酸化物イオン伝導率は、高いほど好ましく、その上限値は特に制限されないが、例えば１０ｍＳ／ｃｍである。
【００６５】
電解質１６は、緻密であることが好ましい。アルキメデス法で算出される電解質１６の相対密度は特に制限されないが、９０％以上が好ましく、より好ましくは９２％以上、さらに好ましくは９５％以上である。電解質１６は、例えば水熱処理によって緻密化することができる。
【００６６】
電解質１６は、水酸化物イオン伝導性を有するセラミックス材料によって構成することができる。このようなセラミックス材料としては、水酸化物イオン伝導性を有する周知のセラミックスを用いることができるが、以下に説明する層状複水酸化物（ＬＤＨ：Ｌａｙｅｒｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）が特に好適である。
【００６７】
ＬＤＨは、Ｍ２＋１−ｘＭ３＋ｘ（ＯＨ）２Ａｎ−ｘ／ｎ・ｍＨ２Ｏ（式中、Ｍ２＋は２価の陽イオン、Ｍ３＋は３価の陽イオンであり、Ａｎ−はｎ価の陰イオン、ｎは１以上の整数、ｘは０．１〜０．４、ｍは水のモル数を意味する任意の整数である）の一般式で示される基本組成を有する。Ｍ２＋の例としてはＭｇ２＋、Ｃａ２＋、Ｓｒ２＋、Ｎｉ２＋、Ｃｏ２＋、Ｆｅ２＋、Ｍｎ２＋、及びＺｎ２＋が挙げられ、Ｍ３＋の例としては、Ａｌ３＋、Ｆｅ３＋、Ｔｉ３＋、Ｙ３＋、Ｃｅ３＋、Ｍｏ３＋、及びＣｒ３＋が挙げられ、Ａｎ−の例としてはＣＯ３２−及びＯＨ−が挙げられる。Ｍ２＋及びＭ３＋としては、それぞれ１種単独で又は２種以上を組み合わせて用いることもできる。
【００６８】
ＬＤＨは、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。中間層は、陰イオン及びＨ２Ｏで構成される。水酸化物基本層は、例えば金属ＭがＮｉ、Ａｌ、Ｔｉの場合には、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を含む。以下、ＬＤＨの水酸化物基本層がＮｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を含む場合について説明する。
【００６９】
ＬＤＨ中のＮｉはニッケルイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のニッケルイオンは典型的にはＮｉ２＋であると考えられるが、Ｎｉ３＋等の他の価数もありうるため、特に限定されない。ＬＤＨ中のＡｌはアルミニウムイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のアルミニウムイオンは典型的にはＡｌ３＋であると考えられるが、他の価数もありうるため、特に限定されない。ＬＤＨ中のＴｉはチタンイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のチタンイオンは典型的にはＴｉ４＋であると考えられるが、Ｔｉ３＋等の他の価数もありうるため、特に限定されない。水酸化物基本層は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を主要構成要素とし
て含むのが好ましいが、他の元素ないしイオンを含んでいてもよいし、不可避不純物を含んでいてもよい。不可避不純物は、製法上不可避的に混入されうる任意元素であり、例えば原料や基材に由来してＬＤＨ中に混入しうる。
【００７０】
ＬＤＨの中間層は、陰イオン及びＨ２Ｏで構成される。陰イオンは１価以上の陰イオン、好ましくは１価又は２価のイオンである。好ましくは、ＬＤＨ中の陰イオンはＯＨ−及び／又はＣＯ３２−を含む。
【００７１】
上記のとおり、Ｎｉ、Ａｌ及びＴｉの価数は必ずしも定かではないため、ＬＤＨを一般式で厳密に特定することは非実際的又は不可能である。仮に水酸化物基本層が主としてＮｉ２＋、Ａｌ３＋、Ｔｉ４＋及びＯＨ基で構成されるものと想定した場合、ＬＤＨは、一般式：Ｎｉ２＋１−ｘ−ｙＡｌ３＋ｘＴｉ４＋ｙ（ＯＨ）２Ａｎ−（ｘ＋２ｙ）／ｎ・ｍＨ２Ｏ（式中、Ａｎ−はｎ価の陰イオン、ｎは１以上の整数、好ましくは１又は２であり、０＜ｘ＜１、好ましくは０．０１≦ｘ≦０．５、０＜ｙ＜１、好ましくは０．０１≦ｙ≦０．５、０＜ｘ＋ｙ＜１、ｍは０以上、典型的には０を超える又は１以上の実数である）なる基本組成で表すことができる。もっとも、上記一般式はあくまで「基本組成」と解されるべきであり、Ｎｉ２＋、Ａｌ３＋、Ｔｉ４＋等の元素がＬＤＨの基本的特性を損なわない程度に他の元素又はイオン（同じ元素の他の価数の元素又はイオンや製法上不可避的に混入されうる元素又はイオンを含む）で置き換え可能なものとして解されるべきである。
【００７２】
［第２電極１８］
第２電極１８は、一般的に空気極と呼ばれるカソードである。セル１０の発電中、第２電極１８には、酸素（Ｏ２）を含む酸化剤が供給される。酸化剤としては、空気を用いるのが好ましく、空気は加湿されていることがより好ましい。第２電極１８は、内部に酸化剤を拡散可能な多孔質体である。第２電極１８の気孔率は特に制限されない。第２電極１８の厚みは特に制限されないが、例えば１０〜２００μｍとすることができる。
【００７３】
第２電極１８は、ＡＦＣに使用される公知のカソード触媒を含むものであればよく、特に限定されない。カソード触媒の例としては、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）等の第８〜１０族元素（ＩＵＰＡＣ形式での周期表において第８〜１０族に属する元素）、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の第１１族元素（ＩＵＰＡＣ形式での周期表において第１１族に属する元素）、ロジウムフタロシアニン、テトラフェニルポルフィリン、Ｃｏサレン、Ｎｉサレン（サレン＝Ｎ，Ｎ’−ビス（サリチリデン）エチレンジアミン）、銀硝酸塩、及びこれらの任意の組み合わせが挙げられる。第２電極１８における触媒の担持量は特に限定されないが、好ましくは０．０５〜１０ｍｇ／ｃｍ２、より好ましくは、０．０５〜５ｍｇ／ｃｍ２である。カソード触媒はカーボンに担持させるのが好ましい。第２電極１８ないしそれを構成する触媒の好ましい例としては、白金担持カーボン（Ｐｔ／Ｃ）、白金コバルト担持カーボン（ＰｔＣｏ／Ｃ）、パラジウム担持カーボン（Ｐｄ／Ｃ）、ロジウム担持カーボン（Ｒｈ／Ｃ）、ニッケル担持カーボン（Ｎｉ／Ｃ）、銅担持カーボン（Ｃｕ／Ｃ）、及び銀担持カーボン（Ａｇ／Ｃ）が挙げられる。
【００７４】
第２電極１８の作製方法は特に限定されないが、例えば、カソード触媒及び所望により担体をバインダーと混合してペースト状にし、このペースト状混合物を電解質１６のカソード側表面１６Ｓに塗布することにより形成することができる。
【００７５】
［セル１０の動作］
まず、第１電極１５に燃料を供給し、かつ、第２電極１８に酸化剤を供給しながら、セル１０を作動温度（例えば、５０℃〜２５０℃）まで加熱する。すると、第２電極１８に
おいてＯ２（酸素）が水及びｅ−（電子）と反応してＯＨ−（水酸化物イオン）が生成される。生成されたＯＨ−は、電解質１６を通って第１電極１５に移動する。第１電極１５に移動したＯＨ−は、燃料と反応して、Ｈ２Ｏ（水）とＣＯ２（二酸化炭素）とｅ−とが生成される。このような反応によって、第１電極１５と第２電極１８との間に起電力が発生する。
【００７６】
（第１電極１５及び電解質１６の断面構造）
次に、第１電極１５及び電解質１６の断面構造について、図面を参照しながら説明する。図６は、第１電極１５及び電解質１６の断面図である。図６では、セル１０の厚み方向（すなわち、積層方向）に平行な断面が図示されている。
【００７７】
［第１電極１５の断面構造］
第１電極１５は、電解質１６側に設けられる第１主面１５Ｓと、第１主面１５Ｓの反対側に設けられる第２主面１５Ｔとを有する。第１主面１５Ｓは、本発明に係る「第１電極の主面」の一例である。
【００７８】
第１主面１５Ｓには、凹凸が設けられている。具体的に、第１主面１５Ｓには、複数の凸部１５１と複数の凹部１５２とが形成されている。各凸部１５１と各凹部１５２は、第１主面１５Ｓの全体に形成されていることが好ましいが、第１主面１５Ｓの一部に形成されていてもよい。各凸部１５１と各凹部１５２は、互いに滑らかに連なっていることが好ましい。本実施形態において、第１主面１５Ｓの凹凸は、金属支持部材１４として用いられるメッシュ部材の織り込み形状を利用して簡便に形成される。
【００７９】
このように、第１主面１５Ｓに凹凸が設けられることによって、第１主面１５Ｓの少なくとも一部は、波状に形成される。これにより、第１主面１５Ｓを一様な平面状に形成する場合に比べて、第１主面１５Ｓの平面視における幾何面積当たりの実面積を大きくすることができる。そのため、第１電極１５における電極反応を向上させることができるとともに、第１電極１５の内部に広く燃料ガスを拡散させることができるだけでなく、第１電極１５と第１電極１５上に成膜される膜（本実施形態では、電解質１６）との接合性を向上させることができる。さらに、第１主面１５Ｓの少なくとも一部が波状に形成されることによって、第１主面１５Ｓ側又は第２主面１５Ｔ側に第１電極１５が反ってしまうことを抑制できる。
【００８０】
隣接する２つの凸部１５１の間隔（ピッチ）は特に制限されないが、例えば０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることができる。隣接する２つの凹部１５１の間隔（ピッチ）は特に制限されないが、例えば０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることができる。
【００８１】
第２主面１５Ｔには、凹凸が設けられていてもよいし、凹凸が設けられていなくてもよい。図６に示すように、金属支持部材１４（具体的には、線材１４１）は、第２主面１５Ｔから露出していてもよいし、第２主面１５Ｔの内部に埋まっていてもよい。
【００８２】
［電解質１６の断面構造］
電解質１６は、第２電極１８（図４参照）側に設けられる第１主面６Ｓを有する。第１主面６Ｓは、本発明に係る「電解質の主面」の一例である。
【００８３】
第１主面１６Ｓには、凹凸が設けられている。具体的に、第１主面１６Ｓには、複数の凸部１６１と複数の凹部１６２とが形成されている。各凸部１６１と各凹部１６２は、第１主面１６Ｓの全体に形成されていることが好ましいが、第１主面１６Ｓの一部に形成されていてもよい。各凸部１６１と各凹部１６２は、互いに滑らかに連なっていることが好ましい。本実施形態において、第１主面１６Ｓの凹凸は、第１電極１５の凹凸を利用して
簡便に形成される。
【００８４】
このように、第１主面１６Ｓに凹凸が設けられることによって、第１主面１６Ｓの少なくとも一部は、波状に形成される。これにより、第１主面１６Ｓを一様な平面状に形成する場合に比べて、第１主面１６Ｓの平面視における幾何面積当たりの実面積を大きくすることができる。そのため、電解質１６と電解質１６上に成膜される膜（本実施形態では、第２電極１８）との接合性を向上させることができる。
【００８５】
隣接する２つの凸部１６１の間隔（ピッチ）は特に制限されないが、例えば０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることができる。隣接する２つの凹部１６１の間隔（ピッチ）は特に制限されないが、例えば０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることができる。
【００８６】
電解質１６の平均厚みμは特に制限されないが、例えば１μｍ〜２０μｍとすることができる。電解質１６の平均厚みμは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて電解質１６の断面を観察して、１０個の凸部１６１付近の厚みと１０個の凹部１６２付近の厚みとを測定し、それらを算術平均することによって算出される。
【００８７】
電解質１６の平均厚みμに対する標準偏差σの比（すなわち、変動係数σ／μ）は、０．２５以下であることが好ましい。これにより、面方向における電解質１６の厚みばらつきを十分小さくすることができるため、第２電極１８で生成されたＯＨ−（水酸化物イオン）が電解質１６の薄い領域に集中することによって生じる第１電極１５における局所的な燃料欠乏を抑制できる。従って、電解質１６内のＯＨ−伝導性を面方向において均一にできるため、第１電極１５における電極反応をより向上させることができる。その結果、セル１０の出力が低下することを抑制できる。また、燃料欠乏により生じる局所的な高電位化による金属触媒の溶出やカーボン担体の腐食を抑制することが可能となるため、それらによる出力低下を抑制することができる。
【００８８】
電解質１６の平均厚みμに対する標準偏差σの比（変動係数σ／μ）は、０．２０以下がより好ましく、０．１５以下が更に好ましい。
【００８９】
電解質１６の平均厚みμに対する標準偏差σの比は、電解質１６の成膜方法、乾燥速度およびメッシュ部材の目開きの調整等により簡便に制御することができる。例えば、電解質１６の成膜時に粘度の時間依存（チクソトロピー性）のあるスラリーやペーストを用いて保形性を制御することや成膜後の乾燥速度を速めることで電解質１６の流動を防止する等の手段により制御が可能である。具体的には、スラリーやペーストの粘度が時間経過とともに高くなるほど、或いは、乾燥速度を速めるほど、変動係数σ／μを小さくすることができる。
【００９０】
（他の実施形態）
本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
【００９１】
［変形例１］
上記第１実施形態では、電気化学セルの一例として、Ｏ２−（酸素イオン）をキャリアとする固体酸化物形燃料電池セル１について説明した。また、上記第２実施形態では、電気化学セルの一例として、ＯＨ−（水酸化物イオン）をキャリアとする固体アルカリ形燃料電池セル１０について説明した。しかしながら、電気化学セルとは、電気エネルギーを化学エネルギーに変えるため、全体的な酸化還元反応から起電力が生じるように一対の電極が配置された素子と、化学エネルギーを電気エネルギーに変えるための素子との総称である。従って、電気化学セルには、例えば、プロトンをキャリアとする燃料電池や、水蒸
気から水素と酸素を生成する電解セルなどが含まれる。
【００９２】
［変形例２］
上記第１及び第２実施形態において、金属支持部材４，１４の線材４１，１４１は、基材及び酸化クロム膜によって構成されることとしたが、金属支持部材４，１４の最表面には被覆膜が形成されていてもよい。被覆膜を構成する材料としては、セラミックス材料及び金属材料などを用いることができる。
【００９３】
［変形例３］
上記第１実施形態において、セル１０は、反応防止膜７を含むこととしたが、反応防止膜７を含んでいなくてよい。
【００９４】
［変形例４］
上記第１及び第２実施形態において、第１電極５，１５はアノードとして機能し、第２電極８，１８はカソードとして機能することとしたが、第１電極５，１５がカソードとして機能し、第２電極８，１８がアノードとして機能してもよい。この場合、第１電極５，１５と第２電極８，１８の構成材料を入れ替えるとともに、第１電極５，１５に燃料を供給するとともに、第２電極８，１８に酸化剤を供給すればよい。
【実施例】
【００９５】
本発明の実施例について説明する。以下の実施例では、金属支持部材としてメッシュ部材を用いることにより、第１電極の主面に規則的な凹凸を設けた場合に、電解質の平均厚みに対する厚みの標準偏差の比（変動係数）が出力及び電極剥離に与える影響を確認する。ただし、本発明は以下に説明する実施例には限定されない。
【００９６】
（実施例１〜６及び比較例１〜３の燃料電池セル）
まず、金属支持部材として用いる金属メッシュ（メッシュ数５００、線径０．０２５ｍｍ、目開き０．０２６ｍｍ）を準備した。
【００９７】
次に、スクリーン印刷法を用いて、金属支持部材上にＮｉＯ−ＹＳＺを塗布することにより、燃料極（第１電極）の成形体を形成した。
【００９８】
次に、スクリーン印刷法を用いて、燃料極の成形体上にＹＳＺを塗布することにより、電解質の成形体を形成した。この際、塗布厚を調整することによって、表１に示すように、電解質の平均厚みをサンプルごとに調整した。具体的には、実施例１，２及び比較例１における電解質の平均厚みを１μｍとし、実施例３，４及び比較例２における電解質の平均厚みを５μｍとし、実施例５，６及び比較例３における電解質の平均厚みを２０μｍとした。また、ペーストのチクソトロピー性や乾燥速度を調整することによって、表１に示すように、電解質の平均厚みに対する標準偏差の比（すなわち、変動係数）をサンプルごとに調整した。
【００９９】
次に、スクリーン印刷法を用いて、電解質の成形体上にＧＤＣを塗布することにより、反応防止膜の成形体を形成した。
【０１００】
次に、スクリーン印刷法を用いて、反応防止膜の成形体上にＬＳＣＦを塗布することにより、空気極（第２電極）反応防止膜の成形体を形成した。
【０１０１】
次に、各成形体を焼成することによって、燃料電池セルを作製した。
【０１０２】
（評価方法）
以上のようにして作製した実施例１〜６及び比較例１〜３について、７００℃、１０００時間の発電評価を行った。燃料極には水素ガスを供給し、空気極には空気を供給した。
【０１０３】
そして、実施例１〜６及び比較例１〜３について、発電試験開始時の初期出力と１０００時間発電した時点での最終出力とを測定し、最終出力を初期出力で除すことによって、出力低下率を算出した。
【０１０４】
また、発電試験終了後に燃料電池セルを厚み方向に切断して、金属支持部材と燃料極との界面に剥離が生じているか否かを確認した。
【０１０５】
表１では、出力低下率が２%以上であり、２０μｍ以上の剥離が観察されたサンプルは「×」と評価され、出力低下率が２%未満であり、２０μｍ未満の微小な剥離が観察されたサンプルは○と評価され、出力低下率が２%未満であり、剥離が観察されなかったサンプルは◎と評価されている。
【０１０６】
【表１】
2020155338.tif 000003
【０１０７】
表１に示すように、変動係数が０．２５超の比較例１〜３では、出力低下率が２％以上で、かつ、第１電極の剥離も観察された。
【０１０８】
一方、変動係数を０．２５以下とした実施例１〜６では、電解質の厚みの大小に関わりなく、出力の低下を抑制するとともに、第１電極の剥離を抑制することができた。このような結果が得られたのは、電解質の厚みばらつきを小さくすることで、第１電極における局所的な燃料欠乏が抑制された結果、電解質内のＯ２−伝導性が均一になるとともに、燃料極に含まれる遷移金属の再酸化を抑制できたからである。
【０１０９】
また、表１に示すように、変動係数を０．２０以下とした実施例２，４，６では、出力の低下を更に抑制するとともに、第１電極の剥離を更に抑制することができた。
【符号の説明】
【０１１０】
１，１０      セル
４，１４      金属支持部材（メッシュ部材）
４１，１４１  線材
５，１５      第１電極
５Ｓ，１５Ｓ  第１主面
５１，１５１  凸部
５２，１５２  凹部
６，１６      電解質
６Ｓ，１６Ｓ  第１主面
６１，１６１  凸部
６２，１６２  凹部
７            反応防止膜
８，１８      第２電極
【図１】
2020155338.tif 000004
【図２】
2020155338.tif 000005
【図３】
2020155338.tif 000006
【図４】
2020155338.tif 000007
【図５】
2020155338.tif 000008
【図６】
2020155338.tif 000009