(57)【要約】【課題】ガス分解装置や燃料電池等の電気化学装置において、供給される燃料ガスの濃度の変化や要求される出力の変化に迅速に対応できる電気化学装置を構成できる集電体を提供する。【解決手段】固体電解質層２と、この固体電解質層の一側に設けられて酸素を含むガスが作用させられる第１の電極層３と、他側に設けられて水素を含むガスが作用させられる第２の電極層４とを備えて構成される電気化学装置１０１の上記第２の電極層に積層される多孔質集電体９ａであって、上記水素を７含むガスを流動させる連続気孔５２を備えるとともに、少なくとも上記各気孔の表面に水素吸蔵層５５を備えて構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層と、この固体電解質層の一側に設けられて酸素を含むガスが作用させられる第１の電極層と、他側に設けられて水素を含むガスが作用させられる第２の電極層とを備えて構成される電気化学装置の上記第２の電極層に積層される多孔質集電体であって、
上記水素を含むガスを流動させる連続気孔を備えるとともに、少なくとも上記各気孔の表面に水素吸蔵層を備える、多孔質集電体。
【請求項２】
上記多孔質集電体は、上記水素を含むガスを上記第２の電極層の面方向に流動させて、上記第２の電極層の各部に供給するガス流路を構成する、請求項１に記載の多孔質集電体。
【請求項３】
上記多孔質集電体は、ニッケル、又は、ニッケルに、クロム、スズ、チタン、コバルト又はタングステンのうち少なくとも一つを添加した合金材料から形成される導電性多孔質体に、上記水素吸蔵層を設けて構成される、請求項１又は請求項２に記載の多孔質集電体。
【請求項４】
上記水素吸蔵層は、水素吸蔵物質を上記連続気孔の表面にコーティングして形成されるとともに、
上記水素吸蔵物質が、パラジウム（Ｐｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン鉄（ＴｉＦｅ）、チタンコバルト（ＴｉＣｏ），チタンクロム（ＴｉＣｒ），ロジウム銀（ＲｈＡｇ）から選ばれた１又は２以上の水素吸蔵成分を含んで構成されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の多孔質集電体。
【請求項５】
上記多孔質集電体は、３０〜９５％の気孔率を備えるとともに、気孔径が２０〜１００μｍである、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の多孔質集電体。
【請求項６】
上記多孔質集電体は、外殻と、中空又は導電性材料の一方又は双方からなる芯部とを有する骨格を備え、上記骨格が一体的に連続する三次元網目構造を備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の多孔質集電体。
【請求項７】
請求項１に記載した多孔質集電体を備える電気化学装置。
【請求項８】
上記電気化学装置は、上記固体電解質層と上記電極層とが積層された平板状の膜電極接合体を複数備えるとともに、各膜電極接合体間に導電性のセパレータが配置されて構成されており、
上記セパレータと各電極表面との間に設定されて、水素を含むガスを面方向に流動させて上記各電極層に作用させるガス流路に上記多孔質集電体を設けた、請求項７に記載の電気化学装置。
【請求項９】
上記電気化学装置が、ガス分解装置又は燃料電池である、請求項７又は請求項８に記載の電気化学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、多孔質集電体及び電気化学装置に関する。詳しくは、水素を含むガスを用いて発電を行う燃料電池等の電気化学装置用の集電体及びこれを備える電気化学装置に関する。
【０００２】
たとえば、アンモニアガスは農業や工業に不可欠の化合物であるが、人には有害であるため、水中や大気中のアンモニアガスを分解する種々の方法が知られている。上記アンモニアガスを分解するガス分解装置として、固体電解質層とこの固体電解質層を内外から挟むように積層形成された第１の電極層及び第２の電極層とを備えて構成された膜電極接合体を備えるガス分解装置が提案されている。上記ガス分解装置においては、アンモニアガスを触媒下において加熱することにより水素ガスを発生させ、上記水素ガスを上記第２の電極層に作用させてこれを分解すると同時に発電を行うように構成されている。
【０００３】
また、上記膜電極接合体は、種々の燃料電池にも利用される。たとえば、固体高分子形燃料電池は、フッソ樹脂等の高分子膜から形成された固体電解質層の一側に酸素を含む気体が作用させられる第１の電極層を設ける一方、他側に水素を含む燃料気体が作用させられる第２の電極層を設けた膜電極接合体を備えて構成される。上記固体高分子形燃料電池は、他の形式の燃料電池に比べて低温で作動するため、自動車用のエネルギ源として期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１８７８８７号公報
【特許文献２】特開２０１３−０９３２７１号公報
【特許文献３】特開２０１３−０７８７１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記ガス分解装置や燃料電池等の出力は、作用させられるガスの濃度や流量等に大きく影響される。たとえば、燃料気体である水素の濃度や流量が低下すると発電性能が低下する。このため、一定の発電性能を維持するには、水素濃度が一定の燃料ガスを、一定の流量で作用させる必要がある。
【０００６】
ところが、特許文献３に記載されているようなガス分解発電システムにおいては、し尿処理工程や堆肥製造工程等において排出されるアンモニアガスから生成される水素を利用しているため、水素濃度が一定の燃料ガスを供給するのは困難である。このため、アンモニアガス等を濃縮して、一定の濃度の水素を含む燃料ガスを生成するためのガス濃縮装置等を設ける必要があり、装置やシステムが大掛かりになるという問題がある。
【０００７】
また、電気自動車においては、走行状態が一定でないためモータに要求される負荷が変動する。たとえば、加速時等において出力の増加が要求される場合、水素ガスの消費量が増大し、燃料極近傍の水素ガスの圧力や濃度が低下する。上記負荷の変動を蓄電池等で吸収することもできるが、モータの負荷に対応した電力を供給できれば、蓄電池や燃料電池システムのエネルギ効率も高まる。ところが、燃料電池内の水素ガスの濃度や流量を、走行状態によって変化する上記モータの負荷に応じて変更するのは非常に困難である。
【０００８】
本願発明は、上記課題を解決し、ガス分解装置や燃料電池等の電気化学装置において、供給される燃料ガスの濃度の変化や要求される出力の変化に迅速に対応できる電気化学装置を構成できる集電体を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明は、固体電解質層と、この固体電解質層の一側に設けられて酸素を含むガスが作用させられる第１の電極層と、他側に設けられて水素を含むガスが作用させられる第２の電極層とを備えて構成される電気化学装置の上記第２の電極層に積層される多孔質集電体であって、上記水素を含むガスを流動させる連続気孔を備えるとともに、少なくとも上記各気孔の表面に水素吸蔵層を備えて構成される。
【発明の効果】
【００１０】
供給される水素ガスの濃度が変化した場合や、要求される出力の変化によって燃料ガスの消費量が変化した場合に、第２の電極層に作用する水素ガス濃度を調節できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池の概略構造を示す断面図である。
【図２】多孔質集電体を構成する導電性多孔質体の一例を示す顕微鏡写真である。
【図３】図２に示す導電性多孔質体を用いて構成した集電体の構造を模式的に示す図である。
【図４】図３におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
【図５】第２の実施形態に係る燃料電池の断面図である。
【図６】従来の集電体及び実施形態に係る集電体を図５に示す燃料電池に装着して、燃料ガスの供給を遮断し、１分後の発電性能を比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
〔本願発明の実施形態の概要〕
本実施形態は、固体電解質層の一側に設けられて酸素を含むガスが作用させられる第１の電極層と、他側に設けられて水素を含むガスが作用させられる第２の電極層とを備えて構成される電気化学装置の上記第２の電極層に積層される多孔質集電体であって、上記水素を含むガスを流動させる連続気孔を備えるとともに、少なくとも上記各気孔の表面に水素吸蔵層を備えて構成される。
【００１３】
本実施形態に係る多孔質集電体は、水素を含むガスを電極層に供給する流路に設置される。上記多孔質集電体は、ガスを流動させる連続気孔を備えるため、上記水素ガスを含む燃料ガスが気孔内部を流動させられ、上記流動する水素ガスの一部が上記水素吸蔵層に吸蔵される。
【００１４】
上記水素吸蔵層における水素の吸蔵量は、温度条件や圧力条件の他に、周囲の水素濃度によっても変化する。このため、温度条件や圧力条件が同一でも、周囲の水素ガス濃度が変化すれば、これに応じて水素ガスが吸蔵あるいは放出される。したがって、上記各条件が一定の場合は、所定量の水素ガスが上記水素吸蔵層に吸蔵された状態となる。一方、燃料電池等に供給される水素ガスの濃度が変化した場合、上記水素吸蔵層から水素ガスが放出されて、第２の電極層近傍の水素ガス濃度の低下が緩和される。このため、燃料ガス中の水素ガスの濃度が急激に低下したり、一時的に水素ガスの供給が停止した場合に、燃料電池の出力の急激な低下を緩和することが可能となる。
【００１５】
また、電気自動車に用いられる燃料電池のように所要の電力が変化する場合、大きな出力が要求されると、上記水素ガスの消費量が増大し、電極層近傍の水素ガスの濃度及び圧力が低下する。この場合にも、上記水素吸蔵層から水素が供給されて、大きな出力に対応することが可能となる。
【００１６】
水素ガスを用いて発電を行うものであれば、上記電気化学装置の種類は特に限定されることはない。たとえば、ガス分解装置や燃料電池に本実施形態に係る多孔質集電体を適用できる。
【００１７】
本実施形態に係る多孔質集電体は、上記水素を含むガスを流動させることができる連続気孔を備えて構成される。上記連続気孔を備えることにより、水素を含むガスを多孔質体内で流動させて水素ガスを吸蔵及び放出させることが可能となる。
【００１８】
また、上記多孔質集電体を、上記水素を含むガスを上記第２の電極層の面方向に流動させて、上記第２の電極層の各部に供給するガス流路を構成するように設定するのが好ましい。これにより、多孔質集電体を利用してガス流路を構成できるとともに、この多孔質集電体内に水素を含むガスを流動させて、上記水素吸蔵層における水素ガスの吸蔵及び放出を効率よく行うことができる。また、第２の電極層の全域に対して水素ガスを均一に供給できるとともに、水素ガスの濃度が変化した場合において、多孔質集電体の全域から水素ガスを放出することが可能となる。
【００１９】
また、本実施形態に係る多孔質集電体は、少なくとも上記各気孔の表面に水素吸蔵層が設けられている。このため、多孔質体内に、大きな表面積を備える水素吸蔵層を形成できる。そして、上記気孔内を流動するガスに含まれる水素を効率よく吸蔵し、また放出することが可能となる。
【００２０】
上記水素吸蔵層を形成する部位は各気孔の表面にのみ限定されることはない。たとえば、多孔質集電体の一部又は全部を導電性の水素吸蔵合金から形成することもできる。また、上記集電体の上記電極層と接する面と反対側の面の近傍では、ガスを流動させる必要は低いため、上記連続気孔を埋めるようにして水素吸蔵層を設けることもできる。
【００２１】
上記多孔質集電体は、種々の導電性多孔質体から形成することができる。たとえば、ニッケル等の種々の導電性金属材料、窒化アルミ、導電性ジルコニア等の導電性セラミック材料を採用できる。導電性多孔質体の形態等は特に限定されることはなく、たとえば所定の厚みを有するシート状の導電性多孔質体を採用できる。上記水素吸蔵層を形成できるとともに、上記第２の電極層に作用させられる水素ガスを含む気体を流動させるために、気孔率を３０％〜９５％に設定するのが好ましい。気孔率が３０％未満の場合、水素吸蔵層を形成するのが困難であるとともに、ガスの流動抵抗が大きくなって充分な量の水素ガスを電極層に供給できない。一方、気孔率が９５％を越えると、集電体としての導電性が低下するとともに機械的強度を確保しにくくなる。また、平均気孔径を１００μｍ〜１０００μｍに設定するのが好ましい。気孔径が１００μｍ未満では、水素吸蔵層を形成するのが困難である、一方、平均気孔径が１０００μｍを越えると、水素ガスを電極層の全域に拡散して供給しにくくなる。
【００２２】
上記多孔質集電体を、ニッケル、又は、ニッケルに、クロム、スズ、チタン、コバルト又はタングステンのうち少なくとも一つを添加した合金材料から形成される導電性多孔質体に、上記水素吸蔵層を設けて構成することができる。これらの金属材料を採用することにより、電気伝導性が高い多孔質集電体を構成できる。また、ニッケルの合金を採用することにより、耐蝕性を向上させることができる。
【００２３】
連続気孔を備えていれば、上記導電性多孔質体の形態も特に限定されることはない。たとえば、繊維を編成して構成された導電性多孔質体を採用できる。また、上記導電性多孔質体として、外殻と、中空又は導電性材料の一方又は双方からなる芯部とを有する骨格を備え、上記骨格が一体的に連続する三次元網目構造を備えたものを採用できる。三次元編目構造を備える導電性多孔質体を採用することにより、水素を含むガスを円滑に流動させることができるとともに、内部に大きな面積を有する水素吸蔵層を形成することが可能となる。
【００２４】
燃料電池の作動環境に適用できるものであれば、上記水素吸蔵物質として、種々の材料から形成されたものを採用できる。たとえば、種々の水素吸蔵合金材料や、セラミックス材料から形成された水素吸蔵物質を採用できる。
【００２５】
上記水素吸蔵物質を、たとえば、パラジウム（Ｐｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン鉄（ＴｉＦｅ）、チタンコバルト（ＴｉＣｏ），チタンクロム（ＴｉＣｒ），ロジウム銀（ＲｈＡｇ）から選ばれた１又は２以上の水素吸蔵成分を含んで構成することができる。上記水素吸蔵物質は、種々のめっき法や塗着法等を用いて、上記導電性多孔質体の気孔表面にコーティングすることができる。また、上記水素吸蔵物質の粉体を上記連続気孔の表面にコーティングして水素吸蔵層を形成することもできる。さらに、上記導電性多孔質体の少なくとも表面層自体を合金化して水素吸蔵合金層とすることもできる。たとえば、ニッケル、鉄又はコバルトから形成された導電性多孔質体に、チタン、パラジウム又はマグネシウムをめっきし、熱拡散させて合金化することにより、上記導電性多孔質体と一体化された水素吸蔵層を設けることができる。
【００２６】
通常、燃料電池は、上記固体電解質層と上記電極層とが積層された平板状の膜電極接合体を複数備えるとともに、各膜電極接合体間に導電性のセパレータが配置されて構成されている。このため、上記セパレータと各電極表面との間に設定されて、水素を含むガスを面方向に流動させるガス流路に上記多孔質集電体を設けるのが好ましい。
【００２７】
上記ガス流路に、本実施形態に係る多孔質集電体を設けることにより、ガスを面方向に流動させて、第２の電極層に水素ガスを円滑に作用させることができる。しかも、この多孔質集電体に大量の水素を保持させて、供給される水素ガスの濃度が変化した場合等に迅速に放出させることができる。
【００２８】
〔実施形態の詳細〕
以下、本願発明の実施形態の詳細を図に基づいて説明する。
【００２９】
図１に、多孔質集電体が適用される燃料電池のセル構造の一例を示す。なお、図１には、一つのセル構造を示しているが、発電の電圧を高めるため複数のセルが、導電性のセパレータを介して厚み方向に複数積層されて燃料電池が構成される。
【００３０】
燃料電池セル１０１は、固体電解質層２を挟むようにして、空気極としての第１の電極層３と燃料極としての第２の電極層４とが積層形成された膜電極接合体５を備えて構成される。上記固体電解質層２として、たとえば、固体酸化物型燃料電池においては、イットリウム添加ジルコン酸バリウム（ＢＺＹ）や、イットリウム添加バリウムセレイト（ＢＣＹ）等の固体電解質を採用できる。また、固体高分子型燃料電池では、たとえば、ナフィオン等から形成された高分子膜を用いたものを採用できる。
【００３１】
上記第１の電極層３及び上記第２の電極層４は、触媒及び導電性材料等から形成されており、上記固体電解質層に積層して一体形成される。本願発明では、固体電解質層の縁部を除く所定の矩形領域に上記第１の電極層３及び第２の電極層４が形成されている。
【００３２】
上記膜電極接合体５の一側には、本実施形態に係る第１の多孔質集電体８ａと第１の板状集電体８ｂを備える第１の集電体６が設けられている。一方、他側には、第２の多孔質集電体９ａと第２の板状集電体９ｂとを備える第２の集電体７が設けられている。本実施形態では、上記板状集電体８ｂ，９ｂは、ステンレスやカーボン等の板状導電性材料から形成されており、内面に溝等を形成することにより、ガスを流動させる第１のガス流路１０と第２のガス流路１１がそれぞれ設けられている。
【００３３】
上記多孔質集電体８ａ，９ａは、導電性を有する多孔質体から形成されており、上記ガス流路１０，１１を流れるガスを各電極層３，４に拡散して作用させるとともに、上記各電極層３，４と上記板状集電体８ｂ，９ｂとを電気的に接続して導通させるように構成されている。
【００３４】
上記膜電極接合体５の両側に、上記多孔質集電体８ａ，９ａ及び上記板状集電体８ｂ，９ｂを積層するとともに、電極層が設けられていない周縁部をガスケット１５，１６でシールして、上記燃料電池セル１０１が構成されている。
【００３５】
上記第１のガス流路１０には酸化剤としての酸素を含む空気が導入され、上記第１の電極層３に、上記第１の多孔質集電体８ａを介して酸素が供給される。上記第２のガス流路１１には、燃料として水素を含む燃料ガスが導入され、上記第２の電極層４に上記第２の多孔質集電体９ａを介して水素が供給される。
【００３６】
上記第２の電極層４において、Ｈ2→２Ｈ+ + ２ｅ- の反応が生じる。一方、第１の電極層３においては、１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- →Ｈ2Ｏの反応が生じる。これにより、水素イオンが第２の電極層４から電解質層２を通って第１の電極層３へと移動するとともに、電子が第２の電極層４から上記第２の多孔質集電体９ａ、第２の板状集電体９ｂ、第１の板状集電体８ｂ、第１の多孔質集電体８ａを介して第１の電極層３へと流れ、電力が得られる。なお、上記燃料電池セル１０１は、図示しない加熱装置によって所定温度に加熱される。
【００３７】
図１においては、理解を容易にするため、第１の電極層３及び第２の電極層４の厚みを実際より大きく描いている。また、第１のガス流路１０及び第２のガス流路１１を連続した大きな空間として描いているが、上記板状集電体８ｂ，９ｂの内面に所定幅の溝等を形成して構成されている。
【００３８】
本実施形態に係る上記第１の多孔質集電体８ａ及び第２の多孔質集電体９ａは、図２〜図４に示すように、外殻５０ａと、中空又は導電性材料の一方又は双方からなる芯部５０ｂとを有する骨格５０を備え、上記骨格５０が一体的に連続する三次元網目構造を備えた導電性多孔質体６０を用いて形成されている。上記導電性多孔質体６０は、三角柱状の骨格５０が三次元に連続して連なった形態を備え、上記骨格５０を構成する複数の枝部５１が結節部５３に集合して一体的に連続する形態を備える。上記導電性多孔質体６０は、連続気孔５２を有する多孔質状に形成されているため、上記連続気孔５２内でガスを円滑に流動させて、上記各電極層３，４に作用させることができる。
【００３９】
上記多孔質集電体８ａ，９ａは電極と接して積層されるため、腐食環境におかれる。特に、上記第１の多孔質集電体８ａは、空気極である第１の電極層３に接触して配置されるため、耐蝕性を有する材料から形成する必要がある。このため、本実施形態では、上記導電性多孔質体６０は、ニッケルにクロムを添加した合金から形成されている。以下に、上記多孔質集電体８ａ，９ａを構成する導電性多孔質体６０の製造方法を説明する。
【００４０】
まず、ウレタンシート（市販品：平均孔径５００μｍ、厚み１．４ｍｍ、気孔率９６％）に導電処理を施す。上記導電処理は、ニッケルを無電解めっきし、あるいは、カーボン粒子を塗布等することにより導電性材料を積層して行うことができる。上記導電処理を終えたウレタンシートを、大気中で８００℃で焼却除去した後、還元性雰囲気中で１０００℃で熱処理して還元処理を行い、ニッケル多孔質体を形成する。上記手法によって、目付量が４００ｇ／ｍ2 で、平均孔径５００μｍ、厚み１．４ｍｍのニッケル多孔質体が得られる。
【００４１】
次に、上記ニッケル多孔質体にクロマイジング処理を行うことにより耐蝕性を付与する。たとえば、クロム粉末とハロゲン化物、アルミナを混合した浸透材（クロム９０％、ＮＨ4 Ｃｌ：１％、Ａｌ2 Ｏ3 ：９％）を、上記ニッケル多孔質体に充填し、水素ガス等の還元性雰囲気下で８００℃に加熱することにより、ニッケル多孔質体にクロムを添加して合金化する。上記加熱時間を調節することにより、クロム含有量を調節することができ、所要の耐蝕性を有するニッケル−クロム合金製の金属多孔質体を得ることができる。
【００４２】
たとえば、クロムの添加量を、１０〜５０重量％に設定することができる。また、クロムの添加量は、３〜４０重量％に設定するのが好ましく、さらに、２０〜４０重量％に設定するのがより好ましい。クロムの添加量が少なすぎると耐蝕性が低下する。一方、クロムの添加量が多すぎると、ニッケルとの間で金属間化合物が形成されて強度が低下する。
【００４３】
なお、本実施形態では、導電性多孔質体６０に、ニッケル−クロム合金から形成された金属多孔質体を採用したが、ニッケルに、スズ、チタン、コバルト、鉄、タングステンのうち少なくとも一つを添加して形成される金属多孔質体を採用することもできる。
【００４４】
上記構造の金属多孔質体は、樹脂多孔質体から形成することができるため、所要の気孔率や所要の孔径を備えるものを容易に形成することができる。また、骨格が三次元網目構造に形成されているため、気孔率の大きな金属多孔質体を形成することができる。しかも、各気孔の孔径をほぼ一定に形成することができるため、ガスの拡散性が高く、電極層３，４に対してガスを均一に作用させることができる多孔質集電体８ａ，９ａを構成することができる。
【００４５】
上記導電性多孔質体６０から形成された多孔質集電体８ａ，９ａは、耐蝕性を備えるとともに、電気抵抗率が従来のカーボンシートに比べて小さくなる。このため、各電極層３，４と各板状集電体８ｂ，９ｂとの間の電気抵抗を低減させることができ、発電効率を高めることができる。
【００４６】
また、上記導電性多孔質体６０では、従来のカーボンシートより気孔率を大きく設定できるため、各電極層３，４に作用させるガスの流量を増大させることができる。しかも、各気孔の径をカーボンシートより均一に設定できるため、ガスを電極層に対して均一に作用させることができる。このため、発電効率を高めることができる。
【００４７】
なお、上記導電性多孔質体の気孔率は、３０〜９５％に設定することができる。また、気孔率を、４０〜９６％に設定するのが好ましく、さらに、５０〜９２％に設定するのがより好ましい。気孔率が低い場合、ガス拡散性が低下し、ガスを電極層に対して均一に作用させることができない。一方、気孔率が大きすぎると、金属多孔質層の強度が低下する。
【００４８】
上記導電性多孔質体６０の目付量は、３００〜１０００ｇ／ｍ2 に設定することができる。また、目付量を、３５０〜８００ｇ／ｍ2 に設定するのが好ましく、さらに、４００〜７５０ｇ／ｍ2
に設定するのがより好ましい。目付量が小さいと、強度が低くなるとともに、電気伝導率も低くなるため、電極層と集電体間の電気抵抗が大きくなり、集電効率が低下する。一方、目付量が大きすぎると、気孔率が小さくなってガスの流動抵抗が大きくなり、電極層にガスを十分作用させることができなくなる。
【００４９】
上記導電性多孔質体６０の厚みは、燃料電池の形態等によって設定することができる。第１の電極層３に対するガスの拡散性を確保するために、１００〜１０００μｍの厚みに設定することができる。また、導電性多孔質体６０の厚みを１２０〜９００μｍに設定するのがより好ましく、１５０〜８００μｍに設定するのがさらに好ましい。多孔質集電体の厚みが小さすぎると、ガスの拡散性が低下して、ガスを均一に電極層３，４に作用させることができない。一方、厚みが大きすぎると、セルの大きさが大きくなるため、燃料電池の体積エネルギ密度が低下する。
【００５０】
本実施形態では、厚み１．４ｍｍの導電性多孔質体６０から形成される多孔質集電体８ａ，９ａを電極層３，４と板状集電体８ｂ，９ｂの内面との間で挟圧して一部を圧縮変形させ、これら部材の表面に密着させることにより、これら部材と電気的に接続している。このため、上記電極層３，４と上記板状集電体８ｂ，９ｂとの間の接触抵抗も大幅に低減させることができる。
【００５１】
上記第１の電極層３に積層される第１の多孔質集電体８ａとして、上記導電性多孔質体６０をそのまま採用することができる。
【００５２】
一方、本実施形態では、第２の電極層４に積層される第２の多孔質集電体９ａとして、図３及び図４に示すように、上記導電性多孔質体６０の各連続気孔５２の表面に、パラジウムから形成された水素吸蔵層５５を設けたものを採用している。上記水素吸蔵層５５は、以下に説明する無電解めっきを用いて形成することができる。
【００５３】
上記導電性多孔質体６０を、６５℃の脱脂液（奥野製薬製ＯＰＣ−３７０  コンデクリーンＭ  １００ｍｌ／Ｌ）に５分間浸漬して、汚れ等を除去する。次に、脱イオン水で洗浄後、室温においてプレディップ液（奥野製薬製ＯＰＣ−ＳＡＬ  プレディップ剤  １７０ｇ／Ｌ、塩酸１０ｍｌ／Ｌ）に３分間浸漬する。
【００５４】
その後、洗浄せずに、触媒付与液（奥野製薬製ＯＰＣ−８０  キャタリスト  ５０ｍｌ／Ｌ、奥野製薬製ＯＰＣ−ＳＡＬ  プレディップ剤  １７０ｇ／Ｌ、塩酸３０ｍｌ／Ｌ）に６分間浸漬する。次に脱イオン水を用いて洗浄後、３０℃の活性化処理液（奥野製薬製ＯＰＣ−５５５  アクセレータＭ  １００ｍｌ／Ｌ）に５分間浸漬する。
【００５５】
上記工程によって処理した導電性多孔質体６０を、６０℃に加熱したパラジウム（Ｐｄ）めっき液（奥野製薬製パラトップＡ  １００ｍｌ／Ｌ）に浸漬することにより、上記水素吸蔵層５５を備える第２の多孔質集電体９ａを形成した。
【００５６】
上記手法を採用することにより、上記導電性多孔質体６０の気孔表面に、パラジウム（Ｐｄ）から形成された厚みが約１０μｍの水素吸蔵層５５を形成することができる。パラジウム（Ｐｄ）は、自己の体積の約９００倍以上の水素を吸蔵することができる。また、パラジウムは、貴金属であるため、水蒸気等の不純物ガスと反応しにくく、水素を選択的に吸蔵することができる。
【００５７】
上記第２の多孔質集電体９ａを採用することにより、図１に示すように、上記多孔質集電体９ａ内を電極に向かって流動する水素ガスの一部が、上記水素吸蔵層５５に吸蔵させることができる。
【００５８】
上記水素吸蔵層において、供給される水素ガスの濃度、温度及び圧力が一定であれば、一定量の水素ガスが吸蔵された状態で燃料電池の運転が行われる。一方、上記燃料電池１０１に供給される燃料ガスの水素濃度が低下すると、上記水素吸蔵層５５から水素ガスが放出される。このため、供給される水素ガスの濃度が急変したり、水素ガスの供給が停止した場合に、出力が急激に低下するのを緩和することが可能となる。
【００５９】
また、電気自動車等において、要求される出力が急激に増加した場合、水素ガスの消費量が増加し、燃料極近傍の水素ガス濃度が低下する。この場合においても、上記水素吸蔵層５５から水素ガスが放出されて、上記出力の増加に対応することが可能となる。
【００６０】
図５に、第２の実施形態に係る燃料電池のセル２０１の構造の断面図を示す。なお、図５に示す第１の多孔質集電体２８ａ及び第２の多孔質集電体２９ａの基本的構成は、第１の実施形態のものと同様であるので説明は省略する。なお、図５においては、上記固体電解質層と上記第１の電極層２３と上記第２の電極層２４とを一体のものとして表わしている。
【００６１】
本実施形態では、多孔質集電体２８ａ，２９ａが、各電極層２３，２４と、各板状集電体２８ｂ，２９ｂの内面との間に設定された空間に充填されており、多孔質集電体２８ａ，２９ａ自体がガス流路２０，２１を構成している。このため、第１の板状集電体２８ｂ及び第２の板状集電体２９ｂの内面に、ガス流路を構成する溝を形成する必要がない。このため、板状集電体２８ｂ，２９ｂの製造工程を削減することができ、製造コストを低減させることができる。
【００６２】
しかも、上記第２の多孔質集電体２９ａの内部には、水素を含むガスが流動させられるため、水素ガスを吸蔵する水素吸蔵層の面積を大きく設定することが可能となり、大量の水素を吸蔵することも可能となる。
【００６３】
特に、第２の実施形態においては、水素を含む燃料ガスが導入口から導入され、上記ガス流路２１内を各電極層２３，２４の面方向に流動しながら、各電極層２３，２４に作用させられる。すなわち、本実施形態では、上記金属多孔質層２８が、従来のガス流路とガス拡散手段とを兼用するように設けられている。このため、ガスを各電極に円滑に供給できるとともに、第２の多孔質集電体２９ａにおいて、水素ガスを効率よく水素吸蔵層に吸蔵させ、また、放出させることができる。
【００６４】
〔水素吸蔵層の性能試験〕
上記第２の実施形態に係る燃料電池を用いて、従来の集電体を備えた第２の多孔質集電体と、水素吸蔵層を設けた第２の多孔質集電体を用いて、比較試験を行った。
【００６５】
〔膜電極接合体の構成〕
固体電解質層：イットリウム添加ジルコン酸バリウム（ＢＺＹ）
第１の電極層（空気極）：ランタンコバルトセリア系材料（ＬＳＣＦ）
第２の電極層（燃料極）：Ｎｉ−ＢＺＹ
【００６６】
〔導電性多孔質体の構成〕
導電性多孔質体として図２〜図４に示す三次元編目構造を備える金属多孔質体を用いた。金属多孔質体の形態は下記のとおりである。この導電性多孔質体を、そのまま第１の多孔質集電体２８ａとして採用する一方、この導電性多孔質体の連続気孔の表面に水素吸蔵層を形成したものを第２の多孔質集電体２９ａとして採用した。
金属多孔質体：ニッケル多孔質体に厚み１０μｍのＡｇめっきを施したもの
気孔率：９５％
平均気孔径：４５０μｍ
厚み：１．４ｍｍ
【００６７】
〔水素吸蔵層の構成〕
第１の実施形態において説明した手法によって、パラジウムから形成された１０μｍの厚みを有する水素吸蔵層５５を、第２の多孔質集電体２９ａを構成する導電性多孔質体の連続気孔の表面に形成した。
【００６８】
〔性能試験の概要〕
燃料電池セルを６００℃に加熱した状態で、空気を１００ｃｃ／ｍｉｎの流量で第１の多孔質集電体２８ａを介して第１の電極層２３に作用させるとともに、水素ガスの濃度１００％の燃料ガスを、１００ｃｃ／ｍｉｎの流量で、上記第２の多孔質集電体２９ａを介して第２の電極層２４に作用させた。そして、定常状態における発電性能をそれぞれ測定した。この結果、初期の発電性能は、いずれの多孔質集電体を装着した場合においても、２５４ｍＷ／ｃｍ2 であった。
【００６９】
次に水素ガスを遮断し、１分後の燃料電池の出力をそれぞれ計測した。図６に示すように、水素吸蔵層５５を設けた第２の多孔質集電体２９ａを備える燃料電池では、出力の低下割合が低くなり、水素吸蔵層の効果が実証された。
【００７０】
本願発明の範囲は、上述の実施形態に限定されることはない。今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものでないと考えられるべきである。本願発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
供給される水素ガスの濃度や要求される出力が変化しても、水素ガスの供給量を調節できる燃料電池を構成できる。
【符号の説明】
【００７２】
２  固体電解質層
３  第１の電極層（空気極）
４  第２の電極層（燃料極）
５  膜電極接合体
６  第１の集電体（空気極側）
７  第２の集電体（燃料極側）
８ａ  第１の多孔質集電体
８ｂ  第１の板状集電体
９ａ  第２の多孔質集電体
９ｂ  第２の板状集電体
１０  第１のガス流路
１１  第２のガス流路
１５  ガスケット
１６  ガスケット
２０  第１のガス流路
２１  第２のガス流路
２３  第１の電極層
２４  第２の電極層
２５  膜電極接合体
２６  第１の集電体
２７  第２の集電体
２８ａ  第１の多孔質集電体
２８ｂ  第１の板状集電体
２９ａ  第２の多孔質集電体
２９ｂ  第２の板状集電体
５０  骨格
５０ａ  外殻
５０ｂ  芯部
５１  枝部
５２  連続気孔
５３  結節部
５５  水素吸蔵層
６０  導電性多孔質体
１０１  燃料電池セル
２０１  燃料電池セル
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図２】
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