(57)【要約】【課題】出力低下を抑制可能な固体アルカリ形燃料電池、固体アルカリ形燃料電池システム及び固体アルカリ形燃料電池の運転方法を提供する。【解決手段】固体アルカリ形燃料電池１０は、カソード１２と、アノード１４と、カソード１２とアノード１４との間に配置され、水酸化物イオン伝導性を有する電解質１６とを有する発電部を備える。固体アルカリ形燃料電池１０について昇温脱離法によってＣＯ２の脱離量を測定した場合、ＣＯ２の最大脱離量の１／１００の脱離量が最初に検出される脱離特性指標温度Ｔ０は、固体アルカリ形燃料電池１０の作動温度以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置され、水酸化物イオン伝導性を有する電解質とを有する発電部を備える固体アルカリ形燃料電池であって、
昇温脱離法によってＣＯ２の脱離量を測定した場合、ＣＯ２の最大脱離量の１／１００の脱離量が最初に検出される温度は、作動温度以下である、
固体アルカリ形燃料電池。
【請求項２】
昇温脱離法によってＣＯ２の脱離量を測定した場合、ＣＯ２の最大脱離量の１／１０の脱離量が最初に検出される温度は、前記作動温度以下である、
請求項１に記載の固体アルカリ形燃料電池。
【請求項３】
前記発電部内に配置される固体塩基材料を備える、
請求項１又は２に記載の固体アルカリ形燃料電池。
【請求項４】
前記固体塩基材料について昇温脱離法によってＣＯ２の脱離量を測定した場合、ＣＯ２の最大脱離量の１／１００の脱離量が最初に検出される温度は、前記作動温度以下である、
請求項１乃至３のいずれかに記載の固体アルカリ形燃料電池。
【請求項５】
前記固体塩基材料について昇温脱離法によってＣＯ２の脱離量を測定した場合、ＣＯ２の最大脱離量の１／１０の脱離量が最初に検出される温度は、前記作動温度以下である、
請求項４に記載の固体アルカリ形燃料電池。
【請求項６】
前記固体塩基材料は、前記カソードに配置される、
請求項１乃至５のいずれかに記載の固体アルカリ形燃料電池。
【請求項７】
前記固体塩基材料は、前記カソードのうち少なくとも前記電解質側の部分に配置される、
請求項６に記載の固体アルカリ形燃料電池。
【請求項８】
前記固体塩基材料は、前記アノードに配置される、
請求項１乃至５のいずれかに記載の固体アルカリ形燃料電池。
【請求項９】
前記固体塩基材料は、前記アノードのうち少なくとも前記電解質側の部分に配置される、
請求項８に記載の固体アルカリ形燃料電池。
【請求項１０】
カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置され、水酸化物イオン伝導性を有する電解質とを有する発電部を備える固体アルカリ形燃料電池と、
前記固体アルカリ形燃料電池の作動温度を制御する作動温度制御部と、
を備え、
前記作動温度制御部は、前記固体アルカリ形燃料電池について昇温脱離法によってＣＯ２の脱離量を測定した場合におけるＣＯ２の最大脱離量の１／１００の脱離量が最初に検出される温度が前記作動温度以下になるように、前記作動温度を制御する、
固体アルカリ形燃料電池システム。
【請求項１１】
カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置され、水酸化物イオン伝導性を有する電解質とを有する発電部を備える固体アルカリ形燃料電池の運転方法であって、
前記固体アルカリ形燃料電池について昇温脱離法によってＣＯ２の脱離量を測定した場合におけるＣＯ２の最大脱離量の１／１００の脱離量が最初に検出される温度が前記固体アルカリ形燃料電池の作動温度以下になるように前記作動温度を制御する、
固体アルカリ形燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体アルカリ形燃料電池、固体アルカリ形燃料電池システム及び固体アルカリ形燃料電池の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
比較的低温（例えば、２５０℃以下）で作動する燃料電池として、アルカリ形燃料電池が知られている。アルカリ形燃料電池は、アノードと、カソードと、アノード及びカソードの間に配置された水酸化物イオン伝導性の電解質とを備える（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
アルカリ形燃料電池では、様々な液体燃料又は気体燃料を使用することができ、例えばメタノールを燃料とした場合には、以下の電気化学反応が生じる。
【０００４】
・アノード：  ＣＨ３ＯＨ＋６ＯＨ−→６ｅ−＋ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ
・カソード：  ３／２Ｏ２＋３Ｈ２Ｏ＋６ｅ−→６ＯＨ−
・全体    ：  ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−０７１９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者等は、アルカリ形燃料電池の作動中、カソードに供給される酸化剤（例えば、空気）にＣＯ２（二酸化炭素）が含まれている場合、ＣＯ２がカソード触媒に吸着すると、ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→ＨＣＯ３＋Ｈ＋の反応によりプロトン（Ｈ＋）が生成されて、カソードにおける電極反応を阻害してしまうため、アルカリ形燃料電池の出力が低下するという知見を得た。
【０００７】
同様に、本発明者等は、アルカリ形燃料電池の作動中、アノードではＣＯ２及びＨ２Ｏが生成されるため、ＣＯ２がアノード触媒に吸着すると、ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→ＨＣＯ３＋Ｈ＋の反応によりプロトンが生成されて、アノードにおける電極反応を阻害してしまうため、アルカリ形燃料電池の出力が低下するという知見を得た。
【０００８】
従って、カソード及びアノードの少なくとも一方における電極反応の阻害を低減させることによって、アルカリ形燃料電池の出力が低下することを抑制したいという要請がある。
【０００９】
本発明は、出力低下を抑制可能な固体アルカリ形燃料電池、固体アルカリ形燃料電池システム及び固体アルカリ形燃料電池の運転方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る固体アルカリ形燃料電池は、カソードと、アノードと、カソードとアノードとの間に配置され、水酸化物イオン伝導性を有する電解質とを有する発電部を備える。固体アルカリ形燃料電池について昇温脱離法によってＣＯ２の脱離量を測定した場合、ＣＯ２の最大脱離量の１／１００の脱離量が最初に検出される温度は、固体アルカリ形燃料電池の作動温度以下である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、出力低下を抑制可能な固体アルカリ形燃料電池、固体アルカリ形燃料電池システム及び固体アルカリ形燃料電池の運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】固体アルカリ形燃料電池の構成を示す模式図
【図２】図１の部分拡大図
【図３】固体アルカリ形燃料電池システムの構成を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（固体アルカリ形燃料電池１０）
以下、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）の一例として、固体アルカリ形燃料電池１０について図面を参照しながら説明する。図１は、実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池１０の構成を模式図である。
【００１４】
（固体アルカリ形燃料電池１０の特性）
固体アルカリ形燃料電池１０は、ＣＯ２（二酸化炭素）を用いた昇温脱離法によってＣＯ２の脱離量を測定した場合、ＣＯ２の最大脱離量の１／１００の脱離量が最初に検出される温度（以下、「固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０」という。）が、固体アルカリ形燃料電池１０の作動温度以下であるという特性を有する。
【００１５】
固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０は、固体アルカリ形燃料電池１０からのＣＯ２の脱離のし易さを示す指標である。固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０が低いほど、固体アルカリ形燃料電池１０からＣＯ２が脱離し易いことを示す。
【００１６】
固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０が作動温度以下であることによって、固体アルカリ形燃料電池１０の作動中、固体アルカリ形燃料電池１０から外部にＣＯ２を効率的に放出させることができる。よって、カソード１２に供給される酸化剤（例えば、空気）に含まれるＣＯ２が後述するカソード触媒に吸着して、ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→ＨＣＯ３＋Ｈ＋の反応によりプロトン（Ｈ＋）が生成されることを抑制できる。従って、プロトンの生成に伴ってカソード１２のｐＨが低下してカソード１２における電極反応が阻害されることを抑制できるため、固体アルカリ形燃料電池１０の出力が低下することを抑制できる。
【００１７】
固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０は、作動温度よりも低いほど好ましいため、特に下限値に制限はない。固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０は、ＣＯ２の最大脱離量が検出される温度よりも低い温度である。
【００１８】
なお、固体アルカリ形燃料電池１０の作動温度とは、固体アルカリ形燃料電池１０の温度制御のために管理される温度である。作動温度としては、定常的に作動する固体アルカリ形燃料電池１０に近接又は当接する所定位置における温度を用いることができる。定常的に作動するとは、１時間内における温度変化が±５度以内に収まる状態で作動することを意味する。作動温度は特に制限されないが、５０℃〜２５０℃の範囲内に設定することができる。
【００１９】
ここで、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０は、以下の手順に従って、ＣＯ２を用いた昇温脱離法（いわゆる、ＣＯ２−ＴＰＤ）により検出される。
【００２０】
（１）固体アルカリ形燃料電池１０のうち発電部の一部を切り出して試験片を準備し、ＴＰＤ装置（Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ社製  ＡｕｔｏＣｈｅｍ II ２９２０）のサンプルホルダーに試験片を保持する。
【００２１】
（２）Ａｒガス中で試験片を所定温度まで昇温し、３時間保持する。この際、後述する電解質１６が有する多孔質基材２０の耐熱温度と、ＣＯ２を脱離可能な温度とを考慮して、所定温度を適宜設定する。
【００２２】
（３）試験片を室温（５０℃以下）まで冷却する。
【００２３】
（４）室温で試験片にＣＯ２ガスを供給して、試験片にＣＯ２を物理的に吸着させる。
【００２４】
（５）Ａｒガス中に試験片を３０分間パージする。
【００２５】
（６）試験片を室温から所定温度まで１０℃/ｍｉｎの昇温速度で昇温する。この際も、後述する電解質１６が有する多孔質基材２０の耐熱温度と、ＣＯ２を脱離可能な温度とを考慮して、所定温度を適宜設定する。
【００２６】
（７）ガス検出器で検出されるＣＯ２の脱離量の経時変化を示す脱離曲線において、ＣＯ２の最大脱離量（ピーク値）を特定する。この際、脱離曲線において２つのピークが重なり合って存在する場合には、２つのピークを多変量解析で分離して、低温側のピーク値を最大脱離量として採用する。ＣＯ２の脱離量は特に制限されないが、０．５μｍｏｌ-ＣＯ２／ｍ２以上が好ましく、１．５μｍｏｌ-ＣＯ２／ｍ２以上がより好ましい。このＣＯ２の脱離量（μｍｏｌ-ＣＯ２／ｍ２）は、ＢＥＴ比表面積(ｍ２／ｇ)に対してＣＯ２−ＴＰＤにてＣＯ２脱離量を規格化することで算出される。ＣＯ２脱離量の全量は、四重極質量分析器（Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＱＭＳ、Ｐｆｅｉｆｆｅｒ  Ｖａｃｕｕｍ製  ＴｈｅｒｍｏＳｔａｒ  ＧＳＤ３２０）で測定することができる。
【００２７】
（８）脱離曲線において、ＣＯ２の最大脱離量の１／１００の脱離量を最初に示した温度（すなわち、ＣＯ２の脱離量が最大脱離量に向かって徐々に増加する曲線上において、ＣＯ２の最大脱離量の１／１００の脱離量を示す温度）を、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０として特定する。ＣＯ２の最大脱離量の１／１００の脱離量は特に制限されないが、脱離特性指標温度Ｔ０までに脱離するＣＯ２量は０．００５μｍｏｌ-ＣＯ２／ｍ２以上が好ましく０．０１５μｍｏｌ-ＣＯ２／ｍ２以上がより好ましい。
【００２８】
なお、昇温脱離法による脱離特性指標温度の検出方法については、住化分析センター  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｎｅｗｓ  ＴＮ１３６「固体触媒の酸・塩基性測定 （昇温脱離法（ＴＰＤ））」、［平成３０年１１月２２日検索］、インターネット〈URL：https://www.scas.co.jp/technical-informations/technical-news/pdf/tn136.pdf〉に詳細が記載されている。
【００２９】
以上のとおり、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０が、固体アルカリ形燃料電池１０の作動温度以下であることによって、プロトンの生成が抑制される結果、固体アルカリ形燃料電池１０の出力低下を抑制できる。
【００３０】
さらに、固体アルカリ形燃料電池１０は、ＣＯ２を用いた昇温脱離法によってＣＯ２の脱離量を測定した場合、ＣＯ２の最大脱離量の１／１０の脱離量が最初に検出される温度（以下、「固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ１」という。）が、固体アルカリ形燃料電池１０の作動温度以下であるという特性を有することがより好ましい。
【００３１】
固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ１は、上述した脱離特性指標温度Ｔ０と同様、固体アルカリ形燃料電池１０からのＣＯ２の脱離のし易さを示す指標である。固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ１が低いほど、固体アルカリ形燃料電池１０からＣＯ２が脱離し易いことを示す。
【００３２】
従って、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ１が作動温度以下であることにより、固体アルカリ形燃料電池１０の作動中、固体アルカリ形燃料電池１０から外部にＣＯ２をより効率的に放出させることができる。よって、カソード１２におけるプロトンの生成をより抑制できるため、固体アルカリ形燃料電池１０の出力が低下することをより抑制できる。
【００３３】
また、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ１は、作動温度よりも低いほど好ましいため、特に下限値に制限はない。固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ１は、上述した脱離特性指標温度Ｔ０より高い温度であり、かつ、ＣＯ２の最大脱離量が検出される温度よりも低い温度である。
【００３４】
固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ１は、上述した脱離特性指標温度Ｔ０の検出手法において、ＣＯ２の最大脱離量の１／１０の脱離量を最初に示した温度を特定することによって検出される。
【００３５】
（固体アルカリ形燃料電池１０の構成）
図１に示すように、固体アルカリ形燃料電池１０は、カソード１２、アノード１４、及び電解質１６を備える。カソード１２、アノード１４、及び電解質１６は、本発明に係る「発電部」を構成する。固体アルカリ形燃料電池１０は、後述するように、この発電部内に配置された固体塩基材料をさらに備える。
【００３６】
固体アルカリ形燃料電池１０は、下記の電気化学反応式に基づいて、比較的低温（例えば、５０℃〜２５０℃）で発電する。ただし、下記の電気化学反応式では、燃料の一例としてメタノールが用いられている。
【００３７】
・カソード１２：  ３／２Ｏ２＋３Ｈ２Ｏ＋６ｅ−→６ＯＨ−
・アノード１４：  ＣＨ３ＯＨ＋６ＯＨ−→６ｅ−＋ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ
・全体        ：  ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
【００３８】
（カソード１２）
カソード１２は、電解質１６に接続される。カソード１２は、電解質１６と接触する電解質側表面１２Ｓを有する。カソード１２は、一般的に空気極と呼ばれる陽極である。固体アルカリ形燃料電池１０の発電中、カソード１２には、酸化剤供給手段１３を介して、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。カソード１２は、内部に酸化剤を拡散可能な多孔質体である。カソード１２の気孔率は特に制限されない。カソード１２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。
【００３９】
カソード１２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。
【００４０】
カソード触媒は、担体に担持されていてもよい。担体としては、カーボン粒子が好ましい。カソード１２の構成材料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）などが挙げられる。カソード１２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。
【００４１】
本実施形態に係るカソード１２は、第１層１２ａと第２層１２ｂとを有する。第１層１２ａは、カソード１２のうち電解質１６側の部分である。第１層１２ａは、電解質１６と接触する。第１層１２ａは、カソード１２のうち電解質側表面１２Ｓから５０μｍ以内の領域である。第２層１２ｂは、カソード１２のうち、電解質１６と対向する電解質側表面１２Ｓから５０μｍ超の領域である。第２層１２ｂは、カソード１２のうち第１層１２ａを除いた領域である。第１層１２ａと第２層１２ｂは、一体的に形成されていてもよい。
【００４２】
第１層１２ａは、上述したカソード触媒（所望により担体を含む）に加えて、固体塩基材料を含有していることが好ましい。
【００４３】
固体塩基材料とは、固体状態でその表面が塩基性を示す物質であり、例えば、金属酸化物、金属塩、担持塩基、複合酸化物、ゼオライトなどのうち表面塩基性を示す固体である。固体塩基材料としては、例えば、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、炭酸塩及びリン酸塩、後述する層状複水酸化物、或いは、これらの混合物などが挙げられる。より具体的には、固体塩基材料として、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸水素カリウム、酸化ケイ素−酸化マグネシウム複合酸化物、酸化ケイ素−酸化カルシウム複合酸化物、酸化ケイ素−酸化ストロンチウム複合酸化物、Ｎａイオン交換Ｘ型ゼオライト、Ｋイオン交換Ｙ型ゼオライトなどが挙げられる。
【００４４】
これらの固体塩基材料のうち、酸化マグネシウム、水酸化物マグネシウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、及び酸化バリウム、或いは、これらの混合物が好適であり、酸化マグネシウムが特に好適である。
【００４５】
固体塩基材料として酸化マグネシウムを用いる場合、酸化マグネシウムには酸化ニッケル及びニッケルの少なくとも一方が固溶していることが好ましい。これによって、酸化マグネシウムの過度な水酸化物化を抑制することができるため、後述する固体塩基材料の効果を長期間に渡って維持することができる。
【００４６】
固体塩基材料として酸化マグネシウムを用いる場合、酸化マグネシウムの表面には酸化ニッケル及びニッケルの少なくとも一方が析出していることが好ましい。これによって、析出した酸化ニッケル及びニッケルが電極触媒として機能するとともに、担体として機能する酸化マグネシウムに触媒が固着されて安定するため、長期間に渡って第１層１２ａにおける電極反応の促進効果を維持することができる。
【００４７】
固体塩基材料の形状は特に限られず、例えば球状や立方体状のほか複雑形状とすることができる。固体塩基材料のサイズは特に限られず、担体より小さくても大きくてもよいし、かつ、触媒より小さくても大きくてもよい。また、固体塩基材料は、担体に付着していてもよいし、電解質１６に付着していてもよい。
【００４８】
第１層１２ａにおける固体塩基材料の含有率は、０．１％以上８０％以下とすることができる。第１層１２ａにおける固体塩基材料の含有率は、０．３％以上が好ましく、０．５％以上がより好ましく、１．０％以上が特に好ましい。これによって、第１層１２ａにおける電極反応を更に促進できるため、固体アルカリ形燃料電池１０の出力を更に向上させることができる。第１層１２ａにおける固体塩基材料の含有率は、第１層１２ａの断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）によって撮像した画像（倍率１０００〜２００００倍）において、固体塩基材料の合計面積を固相の全面積で除することによって算出される面積比である。
【００４９】
ここで、第１層１２ａが含有する固体塩基材料についてＣＯ２を用いた昇温脱離法によってＣＯ２の脱離量を測定した場合、ＣＯ２の最大脱離量の１／１００の脱離量が最初に検出される温度（以下、「固体塩基材料の脱離特性指標温度Ｔ２」という。）は、固体アルカリ形燃料電池１０の作動温度以下であることがより好ましい。
【００５０】
これによって、カソード１２における電極反応が阻害されることを抑制できるため、固体アルカリ形燃料電池１０の出力が低下することを抑制できる。また、固体アルカリ形燃料電池１０の作動中、固体塩基材料からＣＯ２を効率的に放出させることができるため、酸化剤に含まれるＣＯ２が固体塩基材料に吸着して、固体塩基材料の活性が低下してしまうことを抑制できる。更に、固体塩基材料が第１層１２ａに配置されることによって、第１層１２ａにおける電極反応自体が促進されるため、水酸化物イオンの生成効率及び伝導効率を向上させることができる。よって、固体アルカリ形燃料電池１０の出力を向上させることができる。
【００５１】
固体塩基材料の脱離特性指標温度Ｔ２は、固体塩基材料からのＣＯ２の脱離のし易さを示す指標である。固体塩基材料の脱離特性指標温度Ｔ２が低いほど、固体塩基材料からＣＯ２が脱離し易いことを示す。
【００５２】
固体塩基材料の脱離特性指標温度Ｔ２は、固体塩基材料に含有させる不純物（例えば、ＮｉＯなど）の量を調整することによって制御でき、その結果として、上述した固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０も制御できる。例えば、固体塩基材料における不純物の濃度を大きくするほど、固体塩基材料の脱離特性指標温度Ｔ２（すなわち、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０）を低くすることができる。不純物は、固体塩基材料に固溶した形態で含まれていてもよいし、固体塩基材料の表面に付着した形態で含まれていてもよい。
【００５３】
固体塩基材料の脱離特性指標温度Ｔ２は、作動温度よりも低いほど好ましいため、特に下限値に制限はない。固体塩基材料の脱離特性指標温度Ｔ２は、ＣＯ２の最大脱離量が検出される温度よりも低い温度である。
【００５４】
固体塩基材料の脱離特性指標温度Ｔ２は、以下の手順に従って、ＣＯ２を用いた昇温脱離法により検出される。
【００５５】
（１）カソード１２の第１層１２ａを波長分散型電子線プローブアナライザ（ＥＰＭＡ）で成分分析することで特定された固体塩基材料と同種のサンプルを準備し、ＴＰＤ装置（Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ社製  ＡｕｔｏＣｈｅｍ II ２９２０）のサンプルホルダーに固体塩基材料のサンプルを保持する。
【００５６】
（２）サンプルをＡｒガス中で２５０℃まで昇温し、３時間保持する。
【００５７】
（３）サンプルを室温（５０℃以下）まで冷却する。
【００５８】
（４）室温でサンプルにＣＯ２ガスを供給し、サンプルにＣＯ２を物理的に吸着させる。
【００５９】
（５）Ａｒガス中にサンプルを３０分間パージする。
【００６０】
（６）サンプルを室温から２５０℃まで１０℃/ｍｉｎの昇温速度で昇温する。
【００６１】
（７）ガス検出器で検出されるＣＯ２の脱離量の経時変化を示す脱離曲線において、ＣＯ２の最大脱離量（ピーク値）を特定する。この際、脱離曲線において２つのピークが重なり合って存在する場合には、２つのピークを多変量解析で分離して、低温側のピーク値を最大脱離量として採用する。ＣＯ２の脱離量は特に制限されないが、０．５μｍｏｌ-ＣＯ２／ｍ２以上が好ましく、１．５μｍｏｌ-ＣＯ２／ｍ２以上がより好ましい。このＣＯ２の脱離量の測定方法は、上記脱離特性指標温度Ｔ０の検出方法にて説明したとおりである。
【００６２】
（８）脱離曲線において、ＣＯ２の最大脱離量の１／１００の脱離量を最初に示した温度（すなわち、ＣＯ２の脱離量が最大脱離量に向かって徐々に増加する曲線上において、ＣＯ２の最大脱離量の１／１００の脱離量を示す温度）を、固体塩基材料の脱離特性指標温度Ｔ２として特定する。ＣＯ２の最大脱離量の１／１００の脱離量は特に制限されないが、脱離特性指標温度Ｔ２までに脱離するＣＯ２量は０．００５μｍｏｌ-ＣＯ２／ｍ２以上が好ましく、０．０１５μｍｏｌ-ＣＯ２／ｍ２以上がより好ましい。
【００６３】
脱離特性指標温度Ｔ２が作動温度以下であるという特性を有する固体塩基材料としては、例えば、Ｍｇを含む酸化物、Ｍｇを含む水酸化物、ＭｇとＭｇ以外の元素（例えば、Ｎｉ）を含む酸化物、アルカリ金属（例えば、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋなど）の酸化物、アルカリ金属を含む固溶体酸化物、或いはこれらの組み合わせが挙げられる。特に、耐水性の観点から、固体塩基材料としては、ＭｇＯと、ＮｉＯ等の耐水性を向上させる材料とを組み合わせて用いることが好ましい。
【００６４】
以上のとおり、第１層１２ａに含まれる固体塩基材料の脱離特性指標温度Ｔ２が、固体アルカリ形燃料電池１０の作動温度以下であることによって、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０を簡便に調整することができ、その結果、固体アルカリ形燃料電池１０の出力低下を抑制できる。
【００６５】
さらに、第１層１２ａに含まれる固体塩基材料は、ＣＯ２を用いた昇温脱離法によってＣＯ２の脱離量を測定した場合、ＣＯ２の最大脱離量の１／１０の脱離量が最初に検出される温度（以下、「固体塩基材料の脱離特性指標温度Ｔ３」という。）が、固体アルカリ形燃料電池１０の作動温度以下であるという特性を有することがより好ましい。
【００６６】
このような特性を有する固体塩基材料を第１層１２ａに含有させることによって、上述したように、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ１を簡便に調整することができる。固体塩基材料の脱離特性指標温度Ｔ３（すなわち、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ１）は、上述した固体塩基材料の脱離特性指標温度Ｔ２（すなわち、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０）と同様、固体塩基材料に含有させる不純物（例えば、ＮｉＯなど）の量を調整することによって制御できる。
【００６７】
固体塩基材料の脱離特性指標温度Ｔ３は、上述した脱離特性指標温度Ｔ２の検出手法において、ＣＯ２の最大脱離量の１／１０の脱離量を最初に示した温度を特定することによって検出される。
【００６８】
第２層１２ｂは、上述したカソード触媒（所望により担体を含む）を含有する。第２層１２ｂは、第１層１２ａと同様に固体塩基材料を含有していてもよいし、固体塩基材料を含有していなくてもよい。第２層１２ｂが固体塩基材料を含有する場合、第２層１２ｂが含有する固体塩基材料は、第１層１２ａが含有する固体塩基材料と同じであってもよいし、異なっていてもよい。第２層１２ｂが固体塩基材料を含有する場合、第２層１２ｂにおける固体塩基材料の含有率は、第１層１２ａにおける固体塩基材料の含有率以下であってもよい。
【００６９】
第２層１２ｂが固体塩基材料として酸化マグネシウムを含有する場合、酸化マグネシウムには酸化ニッケル及びニッケルの少なくとも一方が固溶していることが好ましい。第２層１２ｂが固体塩基材料として酸化マグネシウムを含有する場合、酸化マグネシウムの表面には酸化ニッケル及びニッケルの少なくとも一方が析出していることが好ましい。
【００７０】
カソード１２の作製方法は特に限定されないが、例えば、以下の方法を採用することができる。まず、カソード触媒（所望により担体を含む）及び固体塩基材料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に塗布することによって第１層１２ａを形成する。次に、カソード触媒（所望により担体を含む）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第１層１２ａに塗布することによって第２層１２ｂを形成する。第２層１２ｂ用のペースト状混合物には、第１層１２ａ用のペースト状混合物と同様、固体塩基材料を添加してもよい。
【００７１】
（アノード１４）
アノード１４は、電解質１６に接続される。アノード１４は、電解質１６と接触する電解質側表面１４Ｔを有する。アノード１４は、一般的に燃料極と呼ばれる陰極である。固体アルカリ形燃料電池１０の発電中、アノード１４には、燃料供給手段１５を介して、水素原子（Ｈ）を含む燃料が供給される。アノード１４は、内部に燃料を拡散可能な多孔質体である。アノード１４の気孔率は特に制限されない。アノード１４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。
【００７２】
水素原子を含む燃料は、アノード１４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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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、本実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池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。
【００７６】
アノード１４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。アノード１４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。
【００７７】
アノード１４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。
【００７８】
（電解質１６）
電解質１６は、カソード１２とアノード１４との間に配置される。電解質１６は、カソード１２及びアノード１４のそれぞれに接続される。電解質１６は、カソード１２と接触するカソード側表面１６Ｓと、アノード１４と接触するアノード側表面１６Ｔとを有する。電解質１６は、膜状、層状、或いは、シート状に形成される。
【００７９】
図２は、電解質１６の断面を拡大して示す模式図である。電解質１６は、多孔質基材２０と無機固体電解質体２２とを有する。
【００８０】
多孔質基材２０は、三次元網目構造を有する。「三次元網目構造」とは、基材の構成物質が立体的かつ網目状に繋がった構造である。多孔質基材２０は、連続孔２０ａを形成する。連続孔２０ａは、立体的かつ網目状に孔が繋がることによって構成されており、多孔質基材２０の外表面に露出している。連続孔２０ａには、後述する無機固体電解質体２２が含浸されている。
【００８１】
多孔質基材２０は、金属材料、セラミックス材料及び高分子材料から選択される少なくとも１種によって構成することができる。
【００８２】
多孔質基材２０を構成する金属材料としては、ステンレス（Ｆｅ−Ｃｒ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金など）、アルミニウム、亜鉛、ニッケル、又は、チタンなどを用いることができる。このような金属材料は、セラミックス材料や高分子材料に比べて熱伝導性が高いため、多孔質基材２０の放熱効率を向上させることができるとともに、多孔質基材２０内の温度分布を低減させることができる。三次元網目構造を有する限り、多孔質基材２０の形態は特に制限されず、例えば、多孔質金属材料（例えば、発砲金属材料）によって構成されるセル状又はモノリス状の構造物であってもよいし、細線金属材料によって構成されるメッシュ状の塊であってもよい。
【００８３】
また、多孔質基材２０が金属材料によって構成される場合、多孔質基材２０の表面には絶縁膜が形成されていてもよい。絶縁膜は、Ｃｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４などによって構成することができる。多孔質基材２０をステンレスによって構成する場合、ステンレスを酸化処理することにより、絶縁膜としてのＣｒ２Ｏ３膜を簡便に形成することができる。ただし、本実施形態では、後述する第１及び第２膜状部２２ｂ，２２ｃが、カソード１２及びアノード１４それぞれとの間で絶縁膜として機能するため、多孔質基材２０の表面には、絶縁膜が形成されていなくてもよい。
【００８４】
多孔質基材２０を構成するセラミックス材料としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、カルシア、コージェライト、ゼオライト、ムライト、酸化亜鉛、炭化ケイ素、及びこれらの任意の組合せが挙げられる。
【００８５】
多孔質基材２０を構成する高分子材料としては、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂（四フッ素化樹脂：ＰＴＦＥ等）、セルロース、ナイロン、ポリエチレン、ポリイミド及びこれらの任意の組合せが挙げられる。多孔質基材２０をフレキシブル性の高分子材料で構成する場合には、連続孔２０ａの体積を大きくしながら厚さを薄くしやすいため、水酸化物イオン伝導性を向上させることができる。高分子材料によって構成される多孔質基材２０としては、市販の微多孔膜を用いることができる。
【００８６】
多孔質基材２０の厚さは特に制限されないが、例えば、２００μｍ以下とすることができ、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは７５μｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以下、特に好ましくは２５μｍ以下であり、５μｍ以下が最も好ましい。多孔質基材２０の厚さの下限値は、用途に応じて適宜設定すればよいが、ある程度の堅さを確保するには１μｍ以上が好ましく、２μｍ以上がより好ましい。
【００８７】
多孔質基材２０の断面における連続孔２０ａの平均内径は特に制限されないが、例えば、０．００１〜１．５μｍとすることができ、好ましくは０．００１〜１．２５μｍ、より好ましくは０．００１〜１．０μｍ、さらに好ましくは０．００１〜０．７５μｍ、特に好ましくは０．００１〜０．５μｍである。これらの範囲内とすることによって、多孔質基材２０に支持体としての強度を付与しつつ、無機固体電解質体２２の緻密度を向上させることができる。連続孔２０ａの平均内径とは、多孔質基材２０の断面を電子顕微鏡で観察した場合に、観察画像上で無作為に選出した２０箇所における連続孔２０ａの円相当径を算術平均することによって得られる。連続孔２０ａの円相当径とは、観察画像において、連続孔２０ａの断面積と同じ面積を有する円の直径である。なお、電子顕微鏡の倍率は、連続孔２０ａの断面サイズに応じて適宜設定すればよい。
【００８８】
連続孔２０ａの体積率は特に制限されないが、例えば、１０〜６０％とすることができ、好ましくは１５〜５５％、より好ましくは２０〜５０％である。これらの範囲内とすることによって、多孔質基材２０に支持体としての強度を確保しつつ、無機固体電解質体２２の緻密度を向上させることができる。連続孔２０ａの体積率は、アルキメデス法により測定することができる。
【００８９】
また、図２では図示されていないが、多孔質基材２０は、それ自体の内部に複数の細孔を有することが好ましい。複数の細孔は、多孔質基材２０の内部において、互いに繋がっていてもよい。そして、各細孔は多孔質基材２０の表面に開口する開気孔であって、各細孔には無機固体電解質体２２が含浸していることがより好ましい。これによって、連続孔２０ａ→多孔質基材２０内の細孔→連続孔２０ａという短距離イオン伝導パスや、連続孔２０ａ→多孔質基材２０内の細孔→第２膜状部２２ｃ、或いは、第１膜状部２２ｂ→多孔質基材２０内の細孔→第２膜状部２２ｃという長距離イオン伝導パスを形成することができる。その結果、複合部２２ａ内のイオン伝導可能領域が広がるため、電解質１６全体としてのイオン伝導性を向上させることができる。
【００９０】
無機固体電解質体２２は、水酸化物イオン伝導性を有する。固体アルカリ形燃料電池１０の発電中、無機固体電解質体２２は、カソード１２側からアノード１４側に水酸化物イオン（ＯＨ−）を伝導させる。無機固体電解質体２２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。無機固体電解質体２２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。
【００９１】
無機固体電解質体２２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無機固体電解質体２２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。無機固体電解質体２２は、例えば水熱処理によって緻密化することができる。
【００９２】
無機固体電解質体２２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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
本実施形態において、無機固体電解質体２２は、複合部２２ａ、第１膜状部２２ｂ、及び第２膜状部２２ｃを有する。
【００９９】
複合部２２ａは、第１膜状部２２ｂと第２膜状部２２ｃとの間に配置される。複合部２２ａは、多孔質基材２０の連続孔２０ａ内に配置される。複合部２２ａは、連続孔２０ａ内に含浸されており、多孔質基材２０と一体化している。このように、無機固体電解質体２２を多孔質基材２０で支持することによって、無機固体電解質体２２の強度を向上できるため、無機固体電解質体２２を薄くすることができる。その結果、電解質１６の低抵抗化を図ることができる。
【０１００】
本実施形態において、複合部２２ａは、多孔質基材２０の連続孔２０ａ内の略全域に広がっているが、無機固体電解質体２２が第１膜状部２２ｂ及び第２膜状部２２ｃの少なくとも一方を有さない場合、複合部２２ａは、多孔質基材２０の一部にのみ含浸されていてもよい。
【０１０１】
第１膜状部２２ｂは、複合部２２ａのカソード１２側に連なる。第１膜状部２２ｂは、膜状に形成される。第１膜状部２２ｂは、複合部２２ａと一体的に形成される。第２膜状部２２ｃは、複合部２２ａのアノード１４側に連なる。第２膜状部２２ｃは、膜状に形成される。第２膜状部２２ｃは、複合部２２ａと一体的に形成される。第１膜状部２２ｂ及び第２膜状部２２ｃそれぞれは、水酸化物イオン伝導性セラミックス成分によって構成される。第１膜状部２２ｂ及び第２膜状部２２ｃそれぞれの厚さは特に制限されないが、例えば、１０μｍ以下とすることができ、好ましくは７μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下である。第１膜状部２２ｂ及び第２膜状部２２ｃそれぞれは、一様な平面状に形成されていてもよいし、縞状など所望の平面形状にパターン化されていてもよい。
【０１０２】
電解質１６の作製方法は特に限定されないが、例えば、以下の手法を採用することができる。まず、アルミナ及びチタニアの混合ゾルを調製し、この混合ゾルを多孔質基材２０内部の全体又は大部分に浸透させる。次に、混合ゾルが浸透した多孔質基材２０を熱処理（大気雰囲気、５０〜１５０度、１〜３０分）することによって、多孔質基材２０の各孔内にアルミナ・チタニア層を形成する。次に、ニッケルイオン（Ｎｉ２＋）及び尿素を含む原料水溶液に多孔質基材２０を浸漬させる。次に、原料水溶液中で多孔質基材２０を水熱処理する。この際、水熱処理条件（１００〜１５０度、１０〜１００時間）を適宜調整することによって、多孔質基材２０内に複合部２２ａが形成されるとともに、多孔質基材２０の両主面に第１膜状部２２ｂ及び第２膜状部２２ｃが形成されて電解質１６となる。
【０１０３】
（固体アルカリ形燃料電池システム１００）
以下、固体アルカリ形燃料電池システム１００について図面を参照しながら説明する。図３は、実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池システム１００の構成を示す模式図である。
【０１０４】
固体アルカリ形燃料電池システム１００は、上述した固体アルカリ形燃料電池１０と、作動温度制御部１１とを備える。
【０１０５】
作動温度制御部１１は、固体アルカリ形燃料電池１０の作動温度を制御する。具体的には、作動温度制御部１１は、固体アルカリ形燃料電池１０の運転中、上述した固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０が作動温度以下になるように、固体アルカリ形燃料電池１０の作動温度を制御する。
【０１０６】
これによって、固体アルカリ形燃料電池１０から外部にＣＯ２を効率的に放出させることができるため、電極（本実施形態では、カソード１２）における電極反応が阻害されることを抑制できる。従って、固体アルカリ形燃料電池１０の出力が低下することを抑制できる。
【０１０７】
また、作動温度制御部１１は、固体アルカリ形燃料電池１０の運転中、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ１が作動温度以下になるように、固体アルカリ形燃料電池１０の作動温度を制御することが好ましい。
【０１０８】
これによって、固体アルカリ形燃料電池１０から外部にＣＯ２をより効率的に放出させることができるため、固体アルカリ形燃料電池１０の出力が低下することをより抑制できる。
【０１０９】
なお、作動温度制御部１１は、例えば、ヒーターによる外部加熱量、発電量による内部加熱量、空冷または水冷等による冷却量などを調整することによって、固体アルカリ形燃料電池１０の作動温度を制御することができる。図３において、作動温度制御部１１は、カソード１２に近接する位置の温度を測定するように構成されているが、固体アルカリ形燃料電池１０に近接又は当接する所定位置における温度を測定できるように構成されていればよい。
【０１１０】
また、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０や脱離特性指標温度Ｔ１は、固体アルカリ形燃料電池１０を作動させる前に予め測定しておけばよい。
【０１１１】
（実施形態の変形例）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【０１１２】
［変形例１］
上記実施形態では、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０や脱離特性指標温度Ｔ１を作動温度以下とするために、脱離特性指標温度Ｔ２や脱離特性指標温度Ｔ３が作動温度以下である固体塩基材料を発電部（カソード１２、アノード１４及び電解質１６）のうちカソード１２内に配置することとしたが、これに限られない。
【０１１３】
固体塩基材料は、発電部のうち電解質１６内に配置されていてもよい。この場合であっても、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０や脱離特性指標温度Ｔ１を簡便に作動温度以下にできる。また、電解質１６内における水酸化物イオンの移動速度を向上させることができるため、固体アルカリ形燃料電池１０の出力を向上させることができる。特に、固体塩基材料は、電解質１６のうち少なくともカソード１２側の部分（具体的には、カソード側表面１６Ｓから５０μｍ以内の領域）に配置されることが好ましい。これによって、電解質１６内における水酸化物イオンの移動速度を向上させることができるだけでなく、第１層１２ａにおける電極反応も促進できるため、固体アルカリ形燃料電池１０の出力を更に向上させることができる。固体塩基材料を電解質１６内に配置するには、例えば、固体塩基材料としてＭｇＯを含有させる場合であれば、多孔質基材２０上に硝酸Ｍｇ水溶液を含浸し、中和滴定を行うことで多孔質基材２０上に水酸化マグネシウムを得ることができ、無機固体電解質体２２を合成した後に２５０℃以上での熱処理を行うことで、電解質１６内にＭｇＯを分散させることができる。
【０１１４】
また、固体塩基材料は、発電部のうちアノード１４内に配置されていてもよい。この場合であっても、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０や脱離特性指標温度Ｔ１を簡便に作動温度以下にできるため、固体アルカリ形燃料電池１０の作動中、固体アルカリ形燃料電池１０から外部にＣＯ２を効率的に放出させることができる。よって、アノードで生成されたＣＯ２がアノード触媒に吸着して、ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→ＨＣＯ３＋Ｈ＋の反応によりプロトンが生成されることを抑制できる。従って、プロトンの生成に伴ってアノード１４のｐＨが低下してアノード１４における電極反応が阻害されることを抑制できるため、固体アルカリ形燃料電池１０の出力が低下することを抑制できる。
【０１１５】
また、固体アルカリ形燃料電池１０の作動中、固体塩基材料からＣＯ２を効率的に放出させることができるため、アノード１４において生成されるＣＯ２が固体塩基材料に吸着して、固体塩基材料の活性が低下してしまうことを抑制できる。更に、固体塩基材料がアノード１４に配置されることによって、アノード１４における電極反応自体が促進されるため、水酸化物イオンの伝導効率を向上させることができる。よって、固体アルカリ形燃料電池１０の出力を向上させることができる。
【０１１６】
なお、固体塩基材料は、アノード１４のうち少なくとも電解質１６側の部分（具体的には、電解質側表面１４Ｔから５０μｍ以内の領域）に配置されることが好ましい。これによって、アノード１４の電極反応を担う領域において電極反応が阻害されることを抑制できる。固体塩基材料をアノード１４内に配置するには、固体塩基材料をカソード１２内に配置するのと同様、アノード触媒に固体塩基材料を添加してアノード１４を形成すればよい。
【０１１７】
［変形例２］
上記実施形態において、カソード１２は、第１層１２ａと第２層１２ｂとを有する２層構造であることとしたが、これに限られない。カソード１２は、１層構造であってもよい。この場合、上述した固体塩基材料を全体に含有していてもよい。また、カソード１２は、３層以上の多層構造であってもよい。この場合、少なくとも１つの層に固体塩基材料を含有していてもよいし、いずれの層にも固体塩基材料を含有していなくてもよい。
【０１１８】
［変形例３］
上記実施形態において、電解質１６は、図２に示す構成を有することとしたが、これに限られない。例えば、電解質１６は、無機固体電解質体２２を支持する多孔質基材２０を有することとしたが、多孔質基材２０を有していなくてもよい。この場合、電解質１６は、板状に形成された無機固体電解質体によって構成することができる。また、電解質１６は、第１膜状部２２ｂ及び第２膜状部２２ｃの少なくとも一方を有していなくてもよい。
【０１１９】
また、電解質１６は、水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質体２２を膜状に形成することによって形成してもよい。さらに、電解質１６は、水酸化物イオン伝導性材料粉末とバインダー材料粉末との混合粉末を圧粉成形することによって形成してもよい。
【実施例】
【０１２０】
以下、本発明の実施例について説明する。以下の実施例では、上記実施形態にて説明した固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０、脱離特性指標温度Ｔ１及び作動温度それぞれの相対的な上下関係が固体アルカリ形燃料電池１０の出力低下に与える影響を評価した。
【０１２１】
（固体アルカリ形燃料電池１０の作製）
実施例１〜５及び比較例１〜５に係る固体アルカリ形燃料電池１０を次の通り作製した。
【０１２２】
まず、ＬＤＨ粉末を金型一軸プレスで圧粉成形することによって電解質を形成した。
【０１２３】
次に、実施例１〜５及び比較例４，５では、表１に示す固体塩基材料と、カソード触媒としてのＰｔ／Ｃ（Ｐｔ担持量５０ｗｔ％（田中貴金属工業(株)社製ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）と、バインダーとしてのＰＶＤＦ粉末と混合したカソードペーストを、電解質の一方の主面に印刷してカソードを形成した。表１に示すように、実施例１〜３では固体塩基材料としてＭｇＯを用い、実施例４，５では固体塩基材料としてＭｇＯとＮｉＯとの混合物を用い、比較例４，５では固体塩基材料としてＣａＯを用いた。実施例４，５では、ＭｇＯに対するＮｉＯの量を制御することによって、表１に示すように、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０及び脱離特性指標温度Ｔ１を調整した。
【０１２４】
一方、比較例１〜３では、カソード触媒としてのＰｔ／Ｃ（Ｐｔ担持量５０ｗｔ％（田中貴金属工業(株)社製ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）と、バインダーとしてのＰＶＤＦ粉末と混合したカソードペーストを、電解質の一方の主面に印刷してカソード１２を形成した。比較例１〜３では、カソード１２に固体塩基材料を添加しなかった。
【０１２５】
次に、アノード触媒としてのＰｔ−Ｒｕ／Ｃ（Ｐｔ−Ｒｕ担持量５４ｗｔ％（田中貴金属工業(株)社製ＴＥＣ６１Ｅ５４）と、バインダーとしてのＰＶＤＦ粉末とを混合したアノードペーストを、電解質の他方の面に印刷してアノード１４を形成した。本実施例では、実施例１〜５及び比較例１〜５のアノードに固体塩基材料を添加しなかった。
【０１２６】
次に、Ｎ２雰囲気中において１８０℃で４時間熱処理した。
【０１２７】
その後、実施例１〜５及び比較例１〜５それぞれの固体アルカリ形燃料電池１０について、上記実施形態にて説明した昇温脱離法による脱離特性指標温度の検出方法を用いて脱離特性指標温度Ｔ０及び脱離特性指標温度Ｔ１を測定した。測定結果を表１にまとめて示す。
【０１２８】
なお、実施例１〜５及び比較例４，５のカソード１２に添加した固体塩基材料についても、上記実施形態にて説明した昇温脱離法による脱離特性指標温度の検出方法を用いて脱離特性指標温度Ｔ２及び脱離特性指標温度Ｔ３を測定して、脱離特性指標温度Ｔ０及び脱離特性指標温度Ｔ１と同じであることを別途確認した。
【０１２９】
（出力試験）
以下のように、実施例１〜５及び比較例１〜５に係る固体アルカリ形燃料電池１０の初期出力と２４時間運転後の出力とを測定した。なお、アノード１２におけるＣＯ２の生成が出力に与える影響を排除するために、今回の出力試験では燃料として水素を用いた。
【０１３０】
まず、固体アルカリ形燃料電池１０のアノード１４側に３０℃の加湿水素を供給し、かつ、カソード１２側に３０℃の加湿空気を供給しながら、作動温度制御部１１において外部ヒーターの加熱量を調整することによって、固体アルカリ形燃料電池１０を表１に示す作動温度まで昇温した。
【０１３１】
そして、作動温度に到達した後、アノード１４側に５０℃の加湿水素を供給し、かつ、カソード１２側に５０℃の加湿空気を供給して、電流密度０．１Ａ／ｃｍ２の条件にて運転しながら電圧値を読みとり、それを電力量に換算して初期出力値を算出した。
【０１３２】
続いて、アノード１４側に５０℃の加湿水素を供給し、かつ、カソード１２側に５０℃の加湿空気を供給しながら２４時間運転した後、電流密度０．１Ａ／ｃｍ２の条件にて運転しながら電圧値を読みとり、それを電力量に換算して２４時間運転後の出力値を算出した。
【０１３３】
表１に初期出力値及び２４時間運転後の出力値とその評価結果とを示す。
【０１３４】
表１では、実施例１〜５及び比較例４〜５それぞれの初期出力値として、比較例１〜３それぞれの初期出力値を基準値“１”として規格化した値が示されている。具体的には、作動温度が７０℃である実施例１の初期出力値については作動温度が７０℃である比較例１の初期出力値を基準値として規格化し、作動温度が８０℃である実施例２，４及び比較例４の初期出力値については作動温度が８０℃である比較例２の初期出力値を基準値として規格化し、作動温度が１５０℃である実施例３，５及び比較例５の初期出力値については作動温度が１５０℃である比較例３の初期出力値を基準値として規格化した。また、表１では、基準値に比べて１０％以上出力が高かった場合を〇、基準値に比べて５％以上１０％未満出力が高かった場合を△、基準値に比べて５％以上出力が高くなかった場合を×と評価した。
【０１３５】
また、表１では、２４時間運転後の出力について、実施例１〜５及び比較例１〜５それぞれの初期出力値を１として２４時間運転後の出力値を規格化した場合に、出力維持率が９８％以上であった場合を◎、出力維持率が９５％以上９８％未満であった場合を○、出力維持率が９５％未満であった場合を×と評価した。
【０１３６】
さらに、表１では、総合評価として、初期出力の評価が○であり、かつ、２４時間運転後の出力の評価が◎であった場合を◎、初期出力及び２４時間運転後の出力の両方の評価が○であった場合を○、初期出力及び２４時間運転後の出力のいずれかで評価×があった場合を×と評価した。
【０１３７】
【表１】
2020098784.tif 000003
【０１３８】
表１に示すように、カソード１２に固体塩基材料を添加しなかった比較例１〜３では、作動温度に関わらず、初期出力及び２４時間運転後の出力の両方が低かった。また、カソード１２に固体塩基材料を添加したものの、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０が作動温度より高かった比較例４，５では、固体塩基材料の添加効果により初期出力は高まったものの、空気に含まれるＣＯ２がカソード触媒に吸着して電極反応が阻害されたため、２４時間運転後には出力が低下してしまった。
【０１３９】
一方、カソード１２に固体塩基材料を添加し、かつ、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０が作動温度以下であった実施例１〜５では、固体塩基材料の添加効果により初期出力が高く、かつ、ＣＯ２の効率的な放出効果により２４時間運転後においても出力を維持できた。
【０１４０】
特に、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ１が作動温度以下であった実施例２，３，５では、ＣＯ２の効率的な放出効果を更に高めることができたため、２４時間運転後の出力維持率を更に向上できた。
【０１４１】
以上より、固体アルカリ形燃料電池１０の脱離特性指標温度Ｔ０、脱離特性指標温度Ｔ１及び作動温度それぞれの相対的な上下関係を適切にすることによって、固体アルカリ形燃料電池１０の出力低下を抑制できることが確認された。
【０１４２】
具体的には、脱離特性指標温度Ｔ０や脱離特性指標温度Ｔ１が作動温度以下であるという特性を固体アルカリ形燃料電池１０に持たせることによって、或いは、脱離特性指標温度Ｔ０や脱離特性指標温度Ｔ１が作動温度以下になるように運転することによって、初期出力向上と長期間運転後の出力維持率向上とを両立できることが確認された。
【符号の説明】
【０１４３】
１０    固体アルカリ形燃料電池
１１    作動温度制御部
１２    カソード
１２Ｓ  電解質側表面
１４    アノード
１４Ｔ  電解質側表面
１６    電解質
１６Ｓ  カソード側表面
１６Ｔ  アノード側表面
２０    多孔質基材
２２    無機固体電解質体
２２ａ  複合部
２２ｂ  第１膜状部
２２ｃ  第２膜状部
【図１】
2020098784.tif 000004
【図２】
2020098784.tif 000005
【図３】
2020098784.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】令和2年5月12日(2020.5.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置され、水酸化物イオン伝導性を有する電解質とを有する発電部を備える固体アルカリ形燃料電池であって、
前記発電部について昇温脱離法によってＣＯ２の脱離量を測定した場合、ＣＯ２の最大脱離量の１／１００の脱離量が最初に検出される温度は、作動温度以下である、
固体アルカリ形燃料電池。
【請求項２】
前記発電部について昇温脱離法によってＣＯ２の脱離量を測定した場合、ＣＯ２の最大脱離量の１／１０の脱離量が最初に検出される温度は、前記作動温度以下である、
請求項１に記載の固体アルカリ形燃料電池。
【請求項３】
前記発電部内に配置される固体塩基材料を備える、
請求項１又は２に記載の固体アルカリ形燃料電池。
【請求項４】
前記固体塩基材料について昇温脱離法によってＣＯ２の脱離量を測定した場合、ＣＯ２の最大脱離量の１／１００の脱離量が最初に検出される温度は、前記作動温度以下である、
請求項３に記載の固体アルカリ形燃料電池。
【請求項５】
前記固体塩基材料について昇温脱離法によってＣＯ２の脱離量を測定した場合、ＣＯ２の最大脱離量の１／１０の脱離量が最初に検出される温度は、前記作動温度以下である、
請求項４に記載の固体アルカリ形燃料電池。
【請求項６】
前記固体塩基材料は、前記カソードに配置される、
請求項３乃至５のいずれかに記載の固体アルカリ形燃料電池。
【請求項７】
前記固体塩基材料は、前記カソードのうち少なくとも前記電解質側の部分に配置される、
請求項６に記載の固体アルカリ形燃料電池。
【請求項８】
前記固体塩基材料は、前記アノードに配置される、
請求項３乃至５のいずれかに記載の固体アルカリ形燃料電池。
【請求項９】
前記固体塩基材料は、前記アノードのうち少なくとも前記電解質側の部分に配置される、
請求項８に記載の固体アルカリ形燃料電池。
【請求項１０】
カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置され、水酸化物イオン伝導性を有する電解質とを有する発電部を備える固体アルカリ形燃料電池と、
前記固体アルカリ形燃料電池の作動温度を制御する作動温度制御部と、
を備え、
前記作動温度制御部は、前記発電部について昇温脱離法によってＣＯ２の脱離量を測定した場合におけるＣＯ２の最大脱離量の１／１００の脱離量が最初に検出される温度が前記作動温度以下になるように、前記作動温度を制御する、
固体アルカリ形燃料電池システム。
【請求項１１】
カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードとの間に配置され、水酸化物イオン伝導性を有する電解質とを有する発電部を備える固体アルカリ形燃料電池の運転方法であって、
前記発電部について昇温脱離法によってＣＯ２の脱離量を測定した場合におけるＣＯ２の最大脱離量の１／１００の脱離量が最初に検出される温度が前記固体アルカリ形燃料電池の作動温度以下になるように前記作動温度を制御する、
固体アルカリ形燃料電池の運転方法。