(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードと、前記カソードに対向しない周縁部を備える、前記カソードより外径の大きなアノードと、前記カソードおよび前記アノードの間に介在するとともに、前記カソードに対向しない周縁部を備え、かつ、固体酸化物を含む電解質層と、を備える、平板状のセル構造体と、
前記カソードの周囲を囲むように配置された、前記カソードより外径の大きな枠状のシール部材と、
前記シール部材を挟持する第１押さえ部材および第２押さえ部材と、
前記カソードに隣接し、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体からなる、平板状のカソード集電体と、を備え、
前記カソード集電体の周縁部は、前記アノードに接触せず、
前記シール部材の前記アノード側の主面の外縁部は、前記第１押さえ部材に接触し、
前記シール部材の前記アノード側の主面の内縁部は、前記電解質層の前記周縁部に接触し、
前記シール部材の前記アノード側の主面とは反対側の主面の外縁部は、前記カソード集電体の前記周縁部に接触するとともに、前記第２押さえ部材に対向し、
前記シール部材の前記アノード側の主面とは反対側の主面の内縁部は、前記カソード集電体の前記周縁部以外の胴体部に接触する、固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
前記カソード集電体を構成する前記金属多孔体の気孔率が、９０％以上９９％以下である、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
前記シール部材の外寸が、前記カソード集電体の外寸以上である、請求項１または請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
前記固体酸化物が、プロトン伝導性を有する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
前記固体酸化物が、ペロブスカイト型構造を有し、かつ下記式（１）：
ＡａＢｂＭｃＯ３−δ
（ただし、元素Ａは、Ｂａ、ＣａおよびＳｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素Ｂは、ＣｅおよびＺｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素Ｍは、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｇｄ、およびＳｃよりなる群から選択される少なくとも一種であり、０．８５≦ａ≦１、０．５≦ｂ＜１、ｃ＝１−ｂ、δは酸素欠損量である）
で表される金属酸化物を含む、請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項６】
前記金属多孔体が、ニッケルと錫との合金を含む、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項７】
前記合金に占める錫の割合が、５〜３０質量％である、請求項６に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項８】
前記シール部材の材料が、ステンレス鋼を含む、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池に関し、特にシール性の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素等の燃料と酸化剤（例えば、空気）との電気化学反応によって発電する装置であり、化学エネルギーを電気に直接変換できるため、発電効率が高い。なかでも、動作温度が１０００℃以下である固体酸化物型燃料電池は、反応速度が速く、セル構造体の構成要素がすべて固体であるため、取り扱いが容易である。
【０００３】
アノードに燃料が供給されると、アノードでは、燃料が酸化されて、プロトンと電子とを放出する酸化反応が起こる。カソードに酸化剤が供給されると、カソードでは、酸素分子が解離されてイオン化する。通常、燃料と酸化剤とが混合しないように、それぞれが供給または排出される流路は、シール部材によって分離されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３１７５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図７に示すように、通常、シール部材１０８は、セル構造体１０４の両側に配置された一対の平板状のインターコネクタ（１２３、１３１）によって挟持されている。インターコネクタ１２３またはインターコネクタ１３１とシール部材１０８との間には、スペーサ（１０９、１２１）や絶縁部材１２２を介在させることもある。インターコネクタ１２３とインターコネクタ１３１との間には、空間が設けられており、この空間に、セル構造体１０４が配置されている。セル構造体１０４と、各インターコネクタ（１２３、１３１）もしくは各スペーサ（１０９、１２１）との間には、通常、隙間が形成される。図７では、隙間１０６ａおよび隙間１０７ａは、それぞれ燃料流路１０６および酸化剤流路１０７に連通している。酸化剤流路１０７には、マニホールド１１１から酸化剤が供給される。燃料流路１０６には、図示しないマニホールドから燃料が供給される。
【０００６】
各インターコネクタ（１２３、１３１）は、外部から押圧されて、シール部材１０８に密着する。これにより、燃料流路１０６と酸化剤流路１０７との分離（シール性）が担保される。また、集電性の観点から、各インターコネクタ（１２３、１３１）とセル構造体１０４との間も密着させる必要がある。そのため、各スペーサ（１０９、１２１）の厚みおよび各インターコネクタ（１２３、１３１）の形状は、セル構造体１０４の厚みを考慮して、厳密に制御されている。
【０００７】
ここで、セル構造体１０４は、例えば、触媒としてのニッケル（Ｎｉ）成分および固体酸化物を含むアノード用材料と、固体酸化物を含む電解質用材料と、金属酸化物を含むカソード用材料とを用いて、複数回の焼成工程を経ることにより形成される。アノードサポート型のセルの場合、酸化ニッケル（ＮｉＯ）および固体酸化物を含むアノード用材料を焼成してアノード１０１を成形した後、その表面に電解質用材料を塗布し、焼成することにより、電解質層１０２とアノード１０１との複合部材を作製する。次に、得られた複合部材の電解質層１０２側にカソード用材料を塗布し、焼成することにより、アノード１０１、電解質層１０２およびカソード１０３がこの順に積層された構造を有するセル構造体１０４が作製される。各材料は、通常、膨張率および収縮率が異なるため、作製されたセル構造体１０４には僅かな反りが生じる。直径１０ｃｍ程度の円形のセル構造体１０４の場合、反りは、例えば数ミリ程度になることがある。図８では、セル構造体１０４は、セル構造体１０４のカソード１０３側の中央部が突出するように反っている。セル構造体１０４の反りの態様は、アノード１０１、電解質層１０２およびカソード１０３を構成する各材料の組み合わせにより異なる。
【０００８】
セル構造体１０４が反ると、無負荷状態では、各インターコネクタ（１２３、１３１）とセル構造体１０４とは、部分的に接触することになる。図８では、セル構造体１０４のカソード１０３側の中央部がインターコネクタ１３１に接触し、セル構造体１０４のアノード１０１側の外縁部がインターコネクタ１２３に接触する。この場合、インターコネクタ１３１は、シール部材１０８と密着することができず、シール性が低下する。
【０００９】
一方、各インターコネクタ（１２３、１３１）により、セル構造体１０４をその厚さ方向に強く押圧して、シール性を向上させようとすると、セル構造体１０４が破損する場合がある。固体酸化物として、イットリウムがドープされたセリウム酸バリウム（ＢＣＹ）やイットリウムがドープされたジルコン酸バリウム（ＢＺＹ）を用いる場合、特にセル構造体１０４の破損が生じやすい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一局面は、カソードと、前記カソードに対向しない周縁部を備える、前記カソードより外径の大きなアノードと、前記カソードおよび前記アノードの間に介在するとともに、前記カソードに対向しない周縁部を備え、かつ、固体酸化物を含む電解質層と、を備える、平板状のセル構造体と、前記カソードの周囲を囲むように配置された、前記カソードより外径の大きな枠状のシール部材と、前記シール部材を挟持する第１押さえ部材および第２押さえ部材と、前記カソードに隣接し、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体からなる、平板状のカソード集電体と、を備え、前記カソード集電体の周縁部は、前記アノードに接触せず、前記シール部材の前記アノード側の主面の外縁部は、前記第１押さえ部材に接触し、前記シール部材の前記アノード側の主面の内縁部は、前記電解質層の前記周縁部に接触し、前記シール部材の前記アノード側の主面とは反対側の主面の外縁部は、前記カソード集電体の前記周縁部に接触するとともに、前記第２押さえ部材に対向し、前記シール部材の前記アノード側の主面とは反対側の主面の内縁部は、前記カソード集電体の前記周縁部以外の胴体部に接触する、固体酸化物型燃料電池に関する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、セル構造体に反りがある場合であっても、優れたシール性を有する固体酸化物型の燃料電池（ＳＯＦＣ）が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池の要部の構造を模式的に示す断面図である。
【図２】図１における燃料電池の要部の構造を、拡大して示す断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る燃料電池の要部の構造を模式的に示す断面図である。
【図４】金属多孔体の骨格の一部の構造の一例を示す模式図である。
【図５】図４における骨格の一部の断面を模式的に示す断面図である。
【図６】ＳＯＥＣ方式を用いた水素製造装置の要部の構造を模式的に示す断面図である。
【図７】従来の燃料電池の要部の構造を模式的に示す断面図である。
【図８】従来の他の燃料電池の要部の構造を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
（１）本発明の固体酸化物型燃料電池は、カソードと、前記カソードに対向しない周縁部を備える、前記カソードより外径の大きなアノードと、前記カソードおよび前記アノードの間に介在するとともに、前記カソードに対向しない周縁部を備え、かつ、固体酸化物を含む電解質層と、を備える、平板状のセル構造体と、前記カソードの周囲を囲むように配置された、前記カソードより外径の大きな枠状のシール部材と、前記シール部材を挟持する第１押さえ部材および第２押さえ部材と、前記カソードに隣接し、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体からなる、平板状のカソード集電体と、を備える。前記カソード集電体の周縁部は、前記アノードに接触せず、前記シール部材の前記アノード側の主面の外縁部は、前記第１押さえ部材に接触し、前記シール部材の前記アノード側の主面の内縁部は、前記電解質層の前記周縁部に接触し、前記シール部材の前記アノード側の主面とは反対側の主面の外縁部は、前記カソード集電体の前記周縁部に接触するとともに、前記第２押さえ部材に対向し、前記シール部材の前記アノード側の主面とは反対側の主面の内縁部は、前記カソード集電体の前記周縁部以外の胴体部に接触する。
【００１４】
カソード集電体である金属多孔体は、塑性変形または弾性変形（以下、単に変形と称する）し易い。そのため、カソード集電体は、押さえ部材を介して外部から押圧されることにより、セル構造体の形状に追随して変形する。よって、セル構造体に反りがある場合であっても、セル構造体に負荷をかけることなく、セル構造体とカソード集電体とが密着される。さらに、シール部材は、変形し易いカソード集電体とともに、押さえ部材により挟持されている。そのため、セル構造体の反り量にかかわらず、シール部材は、アノード側の押さえ部材とカソード集電体とで、確実に押圧され、両者に密着する。これにより、集電性およびシール性が向上する。
【００１５】
（２）前記カソード集電体を構成する前記金属多孔体の気孔率は、９０％以上９９％以下であることが好ましい。金属多孔体が、さらに変形し易くなるためである。
【００１６】
（３）前記シール部材の外寸は、前記カソード集電体の外寸以上であることが好ましい。燃料または酸化剤が、電解質層を経由して他方の電極にリークする現象（クロスリーク現象）が抑制され易くなるためである。
【００１７】
（４）前記固体酸化物は、プロトン伝導性を有することが好ましい。プロトン伝導性酸化物型燃料電池（Protonic Ceramic Fuel Cells、ＰＣＦＣ）は、例えば４００〜６００℃の中温域で稼働できる。そのため、金属多孔体の材料として、変形し易い金属種を用いることが可能となる。
【００１８】
（５）前記固体酸化物は、ペロブスカイト型構造を有し、かつ下記式（１）：
ＡａＢｂＭｃＯ３−δ
（ただし、元素Ａは、Ｂａ、ＣａおよびＳｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素Ｂは、ＣｅおよびＺｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素Ｍは、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｇｄ、およびＳｃよりなる群から選択される少なくとも一種であり、０．８５≦ａ≦１、０．５≦ｂ＜１、ｃ＝１−ｂ、δは酸素欠損量である）で表される金属酸化物を含んでいても良い。このような固体酸化物は、比較的強度の低い焼結体を形成するが、上記構造によれば、セル構造体を損傷することなく、シール性を向上させることができる。
【００１９】
（６）前記金属多孔体は、変形しやすい点で、ニッケルと錫との合金を含むことが好ましい。（７）なかでも、変形のし易さおよび強度の観点から、合金に占める錫の割合は５〜３０質量％であることが好ましい。（８）前記シール部材の材料は、ステンレス鋼を含むことが好ましい。
【００２０】
［発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態を具体的に以下に説明する。なお、本発明は、以下の内容に限定されるものではなく、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およ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。
【００２１】
本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池（以下、単に燃料電池と称する）を、図１および２を参照しながら説明する。図１は、燃料電池の一実施態様の要部を模式的に示す断面図である。図２は、図１における要部の構造を、拡大して示す断面図である。なお、燃料電池を構成するセル構造体、インターコネクタ、シール部材および集電体を、セル構造体の厚さ方向から見たときの外形（平面視したときの外形）は特に限定されず、円形、楕円形、矩形、多角形等であっても良い。
【００２２】
（燃料電池）
燃料電池１００は、セル構造体４と、燃料を通過させる燃料流路６と、酸化剤を通過させる酸化剤流路７と、燃料流路６と酸化剤流路７とを分離する枠状のシール部材８と、シール部材８を、直接的または間接的に挟持する一対の押さえ部材（第１押さえ部材２０および第２押さえ部材３０）と、を備える。酸化剤流路７には、マニホールド１１から酸化剤が供給される。燃料流路６には、図示しないマニホールドから燃料が供給される。なお、図１および２では、それぞれの流路の一部のみを図示している。
【００２３】
燃料流路６は、燃料をアノード１に供給し、または、アノード１から未使用の燃料や反応により生成するＮ２またはＣＯ２等を排出する。酸化剤流路７は、酸化剤をカソード３に供給し、または、反応で生成した水や未使用の酸化剤等をカソード３から排出する。また、燃料流路６は、アノード１と第１押さえ部材２０との隙間６ａと連通しており、酸化剤流路７は、カソード集電体５とスペーサ９との隙間７ａと連通している。
【００２４】
セル構造体４は、アノード１と、カソード３と、アノード１およびカソード３の間に介在し、固体酸化物を含む電解質層２と、を備える。アノード１およびカソード３の形状は、それぞれ平板状であり、セル構造体４も平板状の形状を有する。
【００２５】
図１および図２に示すセル構造体４は、いわゆるアノードサポート型である。そのため、図２に示すように、アノード１の周縁部は、カソード３に対向しない第１張出部１ａを形成している。なお、図１および図２において、アノード１の第１張出部１ａと他の部分との境界を、破線Ｌ１で示す。
【００２６】
電解質層２は、アノード１のカソード３に対向する主面のほぼ全面に配置されている。そのため、電解質層２の周縁部は、第１張出部１ａに対向するが、カソード３に対向しない第２張出部２ａを形成している。電解質層２の第２張出部２ａと他の部分との境界は、アノード１の第１張出部１ａと他の部分との境界と同様に、破線Ｌ１で示される。
【００２７】
さらに、カソード３に隣接して、平板状のカソード集電体５が配置される。カソード集電体５には、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体が用いられる。カソード集電体５は、セル構造体４に対して、セル構造体４の面方向に張り出す様に配置される。すなわち、カソード集電体５の主面の大きさを、アノード１の主面の大きさよりも十分に大きくする。これにより、カソード集電体５の周縁部は、アノード１に対向しない第３張出部５ａを形成し、カソード集電体５の中央部は、アノード１に対向する胴体部５ｂを形成する。なお、図２において、カソード集電体５の第３張出部５ａと胴体部５ｂとの境界を、破線Ｌ２で示す。
【００２８】
アノード１に隣接するように、アノード集電体１２を配置しても良い。アノード集電体１２の主面方向における大きさは、特に限定されない。例えば、アノード集電体１２は、アノード１の主面と同じ大きさであっても良いし（平面視したとき、アノード１とアノード集電体１２とがほぼ重なる）、アノード１の主面より小さくても良いし（平面視したとき、アノード１の周縁がアノード集電体１２の周縁よりも外側に張り出している）、アノード１の主面より大きくても良い（平面視したとき、アノード集電体１２の周縁がアノード１の周縁よりも外側に張り出している）。
【００２９】
従来技術に係る燃料電池では、通常、集電体の主面方向の大きさは、電極（アノードおよびカソード）の主面方向の大きさより小さく設定される。集電体が主面方向において電極よりも大きい場合、燃料または酸化剤の流路の総距離が過剰に長くなり、圧力損失が大きくなるためである。
【００３０】
一方、本実施形態では、アノードサポート型のセル構造体４において、カソード３に隣接するカソード集電体５の主面方向の大きさを、敢えてアノード１および電解質層２の主面方向の大きさより大きくすることにより、シール性を担保しようとするものである。なお、本実施形態では、カソード集電体５として、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体を用いる。このような金属多孔体は、高い気孔率（例えば、９０％以上９９％以下）を有するため、カソード集電体５における圧力損失の増加を、燃料電池１００の性能が著しく低下しない程度に抑えることができる。
【００３１】
燃料流路６と酸化剤流路７とを分離するシール部材８は、アノード１に対向する主面が、第２張出部２ａおよび第１押さえ部材２０に対向するように配置される。つまり、シール部材８は、第２張出部２ａおよびアノード１側の第１押さえ部材２０の端面Ｓに跨って配置される。さらに、カソード集電体５は、シール部材８を覆うように配置される。
【００３２】
これにより、シール部材８の外縁部８ａの少なくとも一部は、第３張出部５ａの少なくとも一部とともに、第１押さえ部材２０および第２押さえ部材３０により挟持される。この状態で、第１押さえ部材２０および第２押さえ部材３０が外部からセル構造体４の厚み方向に押圧されるため、シール性が向上する。よって、隙間６ａあるいは隙間７ａにおける、燃料と酸化剤との接触が防止される。なお、第３張出部５ａは、第２押さえ部材３０に直接、接触していても良いし、他の部材を介して、第２押さえ部材３０に接触していても良い。
【００３３】
一方、シール部材８の内縁部８ｂは、アノード側の主面が第２張出部２ａに対向し、アノード側の主面とは反対側の主面がカソード集電体５における胴体部５ｂに対向する。この状態で、第１押さえ部材２０および第２押さえ部材３０が、外部からセル構造体４の厚み方向に押圧されると、第２張出部２ａと胴体部５ｂとが、シール部材８の内縁部８ｂを介して密着される。これにより、クロスリーク現象が抑制される。なお、シール部材８の外縁部８ａと内縁部８ｂとの境界は、破線Ｌ２である。
【００３４】
図３に示すように、セル構造体４が反っている場合であっても、シール部材８は、第１押さえ部材２０の端面Ｓと密着することができる。カソード集電体５は、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体により形成されており、反ったセル構造体４の形状に追随して変形するためである。これにより、シール性が確保される。さらに、カソード３とカソード集電体５との導通も向上する。このとき、アノード集電体１２を、カソード集電体５と同様に三次元網目状の骨格を有する金属多孔体により形成することにより、アノード１の形状に沿ってアノード集電体１２が変形し、アノード１とアノード集電体１２とが大きい面積で接触した状態が保持される。よって、アノード１とアノード集電体１２との導通も向上する。
【００３５】
（集電体）
本実施形態に係るカソード集電体５は、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体である。アノード集電体１２も、カソード集電体５と同様に、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体であることが好ましい。このような金属多孔体は、例えば、不織布状の構造や、スポンジ状の構造を有する。このような構造は、空孔および金属製の骨格を有する。例えば、スポンジ状の構造を有する金属多孔体は、空孔および金属製の骨格を有する複数のセルにより構成される。
【００３６】
上記セルの１つは、図４に示すように、例えば、正十二面体として表わすことができる。空孔５１は、繊維状または棒状の金属部分（繊維部５２）により区画されており、複数が三次元的に連なっている。セルの骨格は、繊維部５２が連結することにより形成される。セルには、繊維部５２により囲まれた略五角形の開口（または窓）５３が形成されている。隣接するセル同士は、１つの開口５３を共有することにより、互いに連通している。すなわち、金属多孔体の骨格は、連続する複数の空孔５１を区画しながら、網目状のネットワークを形成する繊維部５２により形成される。このような構造を有する骨格を、三次元網目状の骨格という。なお、図４は、金属多孔体の骨格の一部の構造の一例を示す模式図である。
【００３７】
図５に示すように、繊維部５２は、内部に空洞５２ａを有していても良く、つまり、中空であっても良い。中空の骨格を有する金属多孔体は、嵩高い三次元構造を有しながらも、極めて軽量である。図５は、図４における骨格の一部の断面を模式的に示す断面図である。
【００３８】
このような金属多孔体は、例えば、連通孔を有する樹脂製の多孔体を、金属で被覆することにより形成できる。金属による被覆は、例えば、メッキ処理、気相法（蒸着、プラズマ化学気相蒸着、スパッタリング等）、金属ペーストの塗布等により行うことができる。金属による被覆処理により、三次元網目状の骨格が形成される。これらの被覆方法のうち、メッキ処理が好ましい。
【００３９】
メッキ処理としては、樹脂製多孔体の表面（内部の空隙の表面も含む）に、金属層を形成できればよく、公知のメッキ処理方法、例えば、電解メッキ法、溶融塩メッキ法等が採用できる。メッキ処理により、樹脂製多孔体の形状に応じた、三次元網目状の金属多孔体が形成される。合金の被膜を形成する場合、それぞれの金属を個別にメッキ処理した後、還元性雰囲気中で熱処理することにより、各メッキ層の金属を拡散させて、合金層を形成しても良い。
【００４０】
なお、電解メッキ法によりメッキ処理を行う場合、電解メッキに先立って、導電性層を形成することが望ましい。導電性層は、樹脂製多孔体の表面に、無電解メッキ、蒸着、スパッタリング等の他、導電剤の塗布等により形成してもよく、導電剤を含む分散液に樹脂製多孔体を浸漬することにより形成してもよい。
【００４１】
樹脂製の多孔体としては、連通孔を有する限り特に制限されず、樹脂発泡体、樹脂製の不織布等が使用できる。なかでも、得られる金属多孔体に連通孔が形成され易い点で、樹脂発泡体が好ましい。これらの多孔体を構成する樹脂としては、金属被覆処理後に、金属の三次元網目状骨格の形状を維持した状態で、分解または溶解等により骨格の内部を中空にすることができるものが好ましい。例えば、熱硬化性ポリウレタン、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂；オレフィン樹脂（ポリエチレン、ポリプロピレン等）、熱可塑性ポリウレタン等の熱可塑性樹脂等が例示できる。なかでも、サイズや形状がより均一な空孔が形成されやすい観点から、熱硬化性ポリウレタン等を用いることが好ましい。
【００４２】
骨格内の樹脂は、加熱処理等により、分解または溶解された後、洗浄等により除去されることが好ましい。樹脂は、必要に応じて、適宜電圧を印加しながら加熱処理を行うことにより除去してもよい。また、この加熱処理は、溶融塩メッキ浴に、メッキ処理した多孔体を浸漬した状態で、電圧を印加しながら行ってもよい。このようにして得られる金属多孔体は、樹脂製発泡体の形状に対応する三次元網目構造の骨格を有する。
【００４３】
各集電体を構成する金属は、特に制限されない。このような金属としては、例えば、銅、銅合金（銅と、例えば、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）等との合金）、ＮｉまたはＮｉ合金（Ｎｉと、例えば、錫（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）等との合金）、アルミニウム（Ａｌ）またはＡｌ合金（Ａｌと、例えばＦｅ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｎ等との合金）、ステンレス鋼等が挙げられる。なお、市販の金属多孔体としては、住友電気工業株式会社製の銅またはニッケルの「セルメット」（登録商標）や「アルミセルメット」（登録商標）を用いることができる。
【００４４】
なかでも、カソード集電体５は、変形し易い点で、ＮｉとＳｎとの合金（Ｎｉ−Ｓｎ合金）を含むことが好ましい。合金に占めるＳｎの割合は特に限定されない。なかでも、変形性および強度保持の観点から、合金に占めるＳｎの割合は、５〜３０質量％であることが好ましく、５〜２０質量％であることがより好ましい。Ｎｉ−Ｓｎ合金には、ＮｉおよびＳｎ以外の元素が含まれていても良いが、その含有量はできるだけ少ない（例えば、３質量％以下）ことが好ましい。Ｓｎが上記割合で含まれるＮｉ−Ｓｎ合金は、耐食性の観点から、中温域で稼働されるＰＣＦＣに用いられることが好ましい。アノード集電体１２としては、例えば、Ｎｉにより形成される金属多孔体を用いても良い。
【００４５】
金属多孔体の比表面積（ＢＥＴ比表面積）は、例えば、１００〜９０００ｍ２/ｍ３であり、２００〜６０００ｍ２/ｍ３であることが好ましい。開口５３の密度（セル密度）は、例えば、１０〜１００個／２．５４ｃｍであり、３０〜８０個／２．５４ｃｍであることが好ましい。なお、セル密度とは、金属多孔体の表面に長さ１インチ（＝２．５４ｃｍ）の直線を引いたとき、この直線上に存在する開口５３の数である。繊維部５２の幅Ｗｆは特に限定されない。幅Ｗｆは、例えば、３〜５００μｍであり、１０〜５００μｍであることが好ましい。
【００４６】
金属多孔体の気孔率は特に限定されない。なかでも、カソード集電体５として用いられる金属多孔体の気孔率は、圧力損失が小さく、変形しやすい点で、８０体積％以上であることが好ましく、８５体積％以上であることがより好ましく、９０体積％以上であることが特に好ましい。カソード集電体５の気孔率は、１００体積％未満であり、９９．５体積％以下であっても良く、９９体積％以下であっても良い。これらの下限値と上限値とは任意に組み合わせることができる。なかでも、金属多孔体の気孔率は、９０体積％以上９９体積％以下であることが好ましい。気孔率（体積％）は、｛１−（金属多孔体の見掛けの比重／金属の真の比重）｝×１００で求められる。
【００４７】
カソード集電体５の厚みは、特に限定されない。なかでも、セル構造体の反りが吸収され易い点、および、圧力損失の観点から、カソード集電体５の厚みＴは、０．１〜５ｍｍであることが好ましく、１〜３ｍｍであることがより好ましい。厚みＴは、カソード集電体５の主面の法線方向の厚みを、任意の１０箇所で測定したときの平均値である。アノード集電体１２の厚みは特に限定されず、例えば、０．１〜５ｍｍであれば良い。
【００４８】
（シール部材）
シール部材８は、カソード３を取り囲み、所定の幅および厚みを有する枠状体である。シール部材８の材質は特に限定されないが、燃料電池の動作温度で耐熱性を有し、ガスバリア性に優れる点、および、適度に変形可能（ある程度、弾性変形あるいは塑性変形できる）である点から、ステンレス鋼が好ましい。
【００４９】
シール部材８の大きさは、カソード３、第１押さえ部材２０および第２押さえ部材３０の大きさに応じて適宜設定すれば良い。シール部材８の内寸（内側の開口の大きさ）は、カソード３の全体がシール部材８の内側の開口に収まる程度の大きさであれば良い。なかでも、クロスリーク現象を抑制する観点から、シール部材８の内寸は、シール部材８が第２張出部２ａの大部分（例えば、８０％以上）に対向できるような大きさであることが好ましい。特に、第２張出部２ａ全体と、シール部材８とが対向することが好ましい。また、シール部材８の外寸は、シール部材８をカソード３を囲むように配置したとき、シール部材８の外縁部８ａが、第１押さえ部材２０の端面Ｓに対向できる程度の大きさであれば良い。シール性がさらに向上する点で、シール部材８の外寸は、カソード集電体５と同じか、これよりも大きいことが好ましい。シール部材８の厚みは、カソード３の厚みとほぼ同じになるように適宜設定すれば良い。
【００５０】
（押さえ部材）
第１押さえ部材２０および第２押さえ部材３０は、少なくともシール部材８の一部を挟持できるものであれば、特に限定されない。第１押さえ部材２０および第２押さえ部材３０は、外部からセル構造体４の厚み方向に押圧されて、シール部材８と強く密着する。これにより、燃料流路６と酸化剤流路７とが分離される。
【００５１】
第１押さえ部材２０および第２押さえ部材３０は、例えば、一対のインターコネクタであっても良いし、図１に示すように、スペーサ２１、絶縁部材２２およびインターコネクタ２３を備える第１押さえ部材２０と、インターコネクタ３１である第２押さえ部材３０と、により構成されていても良い。絶縁部材２２は、シール部材８とインターコネクタ２３またはインターコネクタ３１との間に介在させれば良く、図１に示す位置に限定されるものではない。図１の場合、インターコネクタ２３およびインターコネクタ３１を、外部からセル構造体４の厚み方向に押圧することにより、スペーサ２１およびカソード集電体５がシール部材８に密着して、シール性が確保される。
【００５２】
（スペーサ）
スペーサ（２１、９）は、必要に応じて、インターコネクタ２３とシール部材８との間や、カソード集電体５の周囲に配置される、枠状体である。その材質は特に限定されず、例えば、鉄−クロム（ＦｅＣｒ）合金等が挙げられる。スペーサは、シール部材８を挟持する押さえ部材の構成要素の一つとして使用されても良い。
【００５３】
（絶縁部材）
絶縁部材２２は、短絡を防止するために、インターコネクタ同士（２３、３１）の間に介在される、枠状体である。その材質は、絶縁性である限り特に限定されず、例えば、マイカ、酸化アルミニウム等が挙げられる。絶縁部材２２として、枠状に成形された絶縁性材料を用いても良いし、絶縁性材料を含むコーティング材を、図示例の場合、スペーサ２１あるいはインターコネクタ２３の端面に塗布することにより形成されても良い。絶縁部材は、シール部材８を挟持する押さえ部材の構成要素の一つとして使用されても良い。
【００５４】
（インターコネクタ）
インターコネクタ（２３、３１）は、セル構造体４の両側に配置され、集電体としての機能を備える。インターコネクタは、シール部材８を挟持する押さえ部材の構成要素の一つとして使用されても良い。
【００５５】
図１に示すように、インターコネクタ（２３、３１）には、それぞれ燃料流路６および酸化剤流路７が形成されていても良い。この場合、両面にそれぞれ燃料流路６および酸化剤流路７が形成されたインターコネクタを用いて、積層された複数のセル構造体４同士を直列に接続させてもよい。また、インターコネクタ３１に酸化剤流路７を形成せず、マニホールド１１から直接、カソード集電体５に酸化剤を供給しても良い。カソード集電体５は、高い気孔率を有し、ガス拡散性に優れるため、ガス流路として機能する。同様に、インターコネクタ２３に燃料流路６を形成せず、図示しないマニホールドから直接、アノード集電体１２に燃料を供給しても良い。この場合、ガス拡散性の観点から、アノード集電体１２として、カソード集電体５と同様の三次元網目状の骨格を有する金属多孔体を用いることが好ましい。
【００５６】
インターコネクタ（２３、３１）の材料としては、導電性および耐熱性の点で、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の耐熱合金が例示できる。ＰＣＦＣの場合、動作温度が４００〜６００℃程度であるため、安価なステンレス鋼をインターコネクタ（２３、３１）の材料として用いることができる。
【００５７】
（セル構造体）
セル構造体４は、アノード１と、カソード３と、アノード１およびカソード３の間に介在し、固体酸化物を含む電解質層２と、を備える。アノード１とカソード３と電解質層２とは、例えば、焼結により一体化されている。
【００５８】
（電解質層）
電解質層２は、イオン伝導性を有する固体酸化物を含む。電解質層２を移動するイオンとしては特に限定されず、酸化物イオンであっても良いし、水素イオン（プロトン）であっても良い。なかでも、電解質層２は、プロトン伝導性を有することが好ましい。プロトン伝導性の燃料電池（ＰＣＦＣ）は、例えば４００〜６００℃の中温域で稼働できる。そのため、ＰＣＦＣは、多様な用途に使用可能である。
【００５９】
酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物としては、例えば、カルシウム、スカンジウムおよびイットリウムよりなる群から選択される少なくとも１種がドープされた二酸化ジルコニウム（安定化ジルコニア）が挙げられる。なかでも、酸化物イオン伝導性とコストの点で、イットリア安定化ジルコニア（ＺｒＯ2−Ｙ2Ｏ3、ＹＳＺ）が好ましい。
【００６０】
プロトン伝導性を有する固体酸化物としては、例えば、ＡＢＯ３で表わされるペロブスカイト型の結晶構造を有し、かつ、下記式（１）：
ＡａＢｂＭｃＯ３−δ
（ただし、元素Ａは、Ｂａ、ＣａおよびＳｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素Ｂは、ＣｅおよびＺｒよりなる群から選択される少なくとも一種であり、元素Ｍは、Ｙ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｇｄ、およびＳｃよりなる群から選択される少なくとも一種であり、０．８５≦ａ≦１、０．５≦ｂ＜１、ｃ＝１−ｂ、δは酸素欠損量である）で表される金属酸化物が挙げられる。
【００６１】
このような金属酸化物としては、例えば、イットリウムがドープされたジルコン酸バリウム（ＢＺＹ、ＢａＺｒ１−eＹeＯ３−δ、０．０５≦ｅ≦０．２５、δは酸素欠損量である）、イットリウムがドープされたセリウム酸バリウム（ＢＣＹ、ＢａＣｅ１−fＹfＯ３−δ、０．０５≦ｆ≦０．２５、δは酸素欠損量である）、イットリウムがドープされたジルコン酸バリウム／セリウム酸バリウムの混合酸化物（ＢＺＣＹ、ＢａＺｒ１−g―hＣｅgＹhＯ３−δ、０＜ｇ＜１、０．０５≦ｈ≦０．２５、δは酸素欠損量である）等の金属酸化物が挙げられる。
【００６２】
電解質層２として、比較的強度の低い焼結体が形成されるＢＺＹ、ＢＣＹ、ＢＺＣＹを含む場合であっても、カソード集電体５を用いることにより、セル構造体４を損傷することなく、シール性を向上させることができる。電解質層２の厚みは、特に限定されないが、５μｍ〜１００μｍ程度であることが、抵抗が低く抑えられる点で好ましい。
【００６３】
（カソード）
カソード３は、酸素分子を吸着し、解離させてイオン化することができる多孔質の構造を有している。カソード３の材料としては、例えば、燃料電池のカソードとして用いられる公知の材料を用いることができる。カソード３の材料は、例えば、ランタンを含み、ペロブスカイト構造を有する化合物である。具体的には、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ、Ｌａ１ａＳａＦｅ１−ｂＣｏｂＯ３−δ、０．２≦ａ≦０．８、０．１≦ｂ≦０．９、δは酸素欠損量である）、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ、Ｌａ１−ｃＳｃＭｎＯ３−δ、０．２≦ｃ≦０．８、δは酸素欠損量である）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ、Ｌａ１−ＨＲＳＨＲＣｏＯ３−δ、０．２≦ＨＲ≦０．８、δは酸素欠損量である）等が挙げられる。
【００６４】
カソード３は、ニッケル、鉄、コバルト等の触媒を含んでいても良い。触媒を含む場合、カソードは、触媒と上記材料とを混合して、焼結することにより形成することができる。また、カソード３の厚みは、特に限定されないが、５μｍ〜１００μｍ程度であれば良い。
【００６５】
（アノード）
アノード１は、イオン伝導性の多孔質構造を有している。例えば、プロトン伝導性を有するアノード１では、燃料流路６から導入される水素等の燃料を酸化して、プロトンと電子とを放出する反応（燃料の酸化反応）が行われる。アノード１の厚みは、例えば、１０μｍ〜１０００μｍ程度であれば良い。
【００６６】
アノード１の材料としては、例えば、燃料電池のアノードとして用いられる公知の材料を用いることができる。具体的には、電解質層２に用いられる固体酸化物として例示した金属酸化物と、触媒成分である酸化ニッケル（ＮｉＯ）と、の複合酸化物等が挙げられる。このような複合酸化物を含むアノード１は、例えば、ＮｉＯ粉末と粉末状の上記金属酸化物等とを混合し、焼結することにより形成することができる。
【００６７】
（セル構造体の製造方法）
セル構造体４の製造方法は、特に限定されず、従来公知の方法を用いることができる。例えば、アノード用材料をプレス成形する工程と、得られたアノード成形体の片面に、固体酸化物を含む電解質用材料を積層し、焼結する工程と、焼結された電解質用材料の表面に、カソード用材料を積層し、焼結する工程と、を備える方法により、製造することができる。このようにして製造されたセル構造体４は、アノード１と電解質層２とカソード３とが一体化されている。
【００６８】
電解質用材料を積層する工程は、例えば、電解質用材料の粉末と水溶性のバインダ樹脂とを混合したペーストを、アノード成形体の片面にスクリーン印刷、スプレー塗布、スピンコート、ディップコート等により付与することにより行われる。カソード用材料も同様にして、電解質の表面に積層することができる。
【００６９】
電解質用材料の焼結は、アノード成形体と電解質用材料との積層体を、酸素雰囲気下で、例えば１３００〜１５００℃に加熱することにより行われる。焼結の雰囲気中の酸素含有量は、特に限定されず、５０体積％以上であっても良いし、６０体積％以上であっても良い。加熱温度は、１３５０〜１４５０℃であることが好ましい。焼結は、常圧下または加圧下で行うことができる。
【００７０】
電解質用材料を積層する前に、アノード用材料を仮焼結しても良い。仮焼結は、アノード用材料が焼結される温度よりも低い温度（例えば、９００〜１１００℃）で行えばよい。仮焼結を行うことにより、電解質用材料が積層され易くなる。
【００７１】
電解質用材料を焼結する前に、各材料に含まれるバインダ等の樹脂成分を除去しても良い。すなわち、カソード用材料を積層した後、大気中で５００〜８００℃程度の比較的低い温度に加熱して、各材料に含まれる樹脂成分を除去する。その後、酸素雰囲気下で、積層体を１３００〜１５００℃に加熱して、各材料を焼結させてもよい。
【００７２】
カソード用材料の焼結は、電解質層が形成されたアノード成形体とカソード用材料との積層体を、酸素雰囲気下で、例えば８００〜１１００℃で焼結することにより行われる。焼結の雰囲気中の酸素含有量は、特に限定されず、例えば、上記範囲であれば良い。焼結は、常圧下または加圧下で行うことができる。
【００７３】
ここで、上記のような三次元網目状の骨格を有する金属多孔体は、燃料電池以外に、水の電気分解（電解）による水素の製造にも好適に使用できる。水素の製造方式には、大きく分けて（１）アルカリ性水溶液を用いるアルカリ水電解方式、（２）ＰＥＭ方式（polymer electrolyte membrane：高分子電解質膜方式）、（３）ＳＯＥＣ方式（Solid Oxide Electrolysis Cell：固体酸化物形電解セル方式）があり、いずれの方式にも、上記金属多孔体を用いることができる。
【００７４】
（１）アルカリ水電解方式では、アルカリ性水溶液（好ましくは強アルカリ性水溶液）に陽極および陰極を浸漬し、陽極と陰極との間に電圧を印加することにより、水を電気分解する方式である。この場合、少なくとも陽極として上記金属多孔体を使用する。すなわち、アルカリ水電解方式を用いる水素製造装置は、アルカリ性水溶液を収容する電解槽と、電解槽に浸漬される陽極および陰極と、陽極と陰極との間に電圧を印加する電源と、を備え、陽極および陰極の少なくとも一方が三次元網目状の骨格を有する金属多孔体を含む。この水素製造装置において、陽極では、水酸化イオンが酸化されて、酸素と水が生成される。陰極では、水素イオンが還元されて、水素が発生する。上記金属多孔体は表面積が大きいため、各イオンと金属多孔体との接触面積が大きく、水の電解効率が向上する。また、上記金属多孔体は良好な電気伝導性を備えているため、水の電気分解の効率はより向上する。さらに、上記金属多孔体は気孔率が高いため、発生した水素および酸素が速やかに脱離できる。この点においても、水の電解効率の向上が期待できる。
【００７５】
上記金属多孔体を構成する金属は特に限定されず、上記の各集電体を構成する金属として例示したものと同じ金属を例示することができる。なかでも、安価であり、水素発生反応に対して良好な触媒能を有している点で、陰極に用いられる上記金属多孔体は、ＮｉまたはＮｉ合金を含むことが好ましい。触媒活性の点で、陽極に用いられる上記金属多孔体は、プラチナを含むことが好ましい。
【００７６】
上記金属多孔体の孔径は、１００μｍ以上、５０００μｍ以下が好ましい。上記金属多孔体の孔径が上記範囲であれば、各電極で発生した水素または酸素が速やかに脱離できるため、電解効率がさらに向上するとともに、各電極と水素イオンまたは水酸化イオンとの十分な接触面積が確保できる。同様の観点から、上記金属多孔体の孔径は４００μｍ以上、４０００μｍ以下が好ましい。なお、気泡の脱離性と接触面積の確保とを両立するために、異なる孔径を持つ複数の上記金属多孔体を組み合わせて、各電極として使用してもよい。さらに、他の金属製の多孔体を上記金属多孔体と組み合わせて用いてもよい。上記金属多孔体の厚さおよび単位面積当たりの質量（金属量）は、製造装置の規模によって適宜設定すればよい。例えば、撓み等が生じないように、各電極の主面の面積に応じて、厚さや単位面積当たりの質量等を設定すればよい。
【００７７】
発生した水素と酸素との混合を防止するために、陽極と陰極との間にセパレータを配置することが好ましい。セパレータの材質は特に限定されず、湿潤性、イオン透過性、耐アルカリ性、非導電性、非通気性、熱安定性等を有していればよい。このようなセパレータの材質としては、チタン酸カリウムが含浸されたフッ素樹脂、ポリアンチモン酸、ポリスルホン、親水化ポリフェニレンスルフィド、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。陽極と陰極とセパレータとからなる複数のセルをスタックして用いる場合、短絡防止の観点から、セル同士の間にも上記したようなセパレータを配置することが好ましい。
【００７８】
アルカリ性水溶液の溶質も特に限定されず、例えば、アルカリ金属（リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウム）あるいはアルカリ土類金属（カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウム）の水酸化物等が挙げられる。なかでも、強アルカリ性の水溶液が得られる点で、アルカリ金属の水酸化物（特に、ＮａＯＨ、ＫＯＨ）が好ましい。アルカリ性水溶液の濃度も特に限定されず、電解効率の観点から、２０〜４０質量％であればよい。動作温度は、例えば６０〜９０℃程度であり、電流密度は、例えば０．１〜０．３Ａ／ｃｍ２程度である。
【００７９】
（２）ＰＥＭ方式は、高分子電解質膜を用いて水を電気分解する方法である。具体的には、ＰＥＭ方式では、高分子電解質膜の両面に陽極と陰極とをそれぞれ配置し、陽極に水を導入するとともに、陽極と陰極との間に電圧を印加することにより、水を電気分解する。この場合、少なくとも陽極として、上記金属多孔体を用いる。すなわち、ＰＥＭ方式を用いる水素製造装置（ＰＥＭ式水素製造装置）は、陽極と、陰極と、陽極と陰極との間に介在する高分子電解質膜と、陽極と陰極との間に電圧を印加する電源と、を備え、少なくとも陽極が三次元網目状の骨格を有する金属多孔体を含む。ＰＥＭ方式では、高分子電解質膜によって陽極側と陰極側とが完全に分離されているため、（１）のアルカリ電解方式と比較して、純度の高い水素を取り出せる利点がある。また、上記金属多孔体は、表面積が大きく良好な電気伝導性を備えている。そのため、上記金属多孔体は、ＰＥＭ式水素製造装置の陽極として、好適に使用できる。
【００８０】
ここで、ＰＥＭ式水素製造装置により発生したプロトンは、高分子電解質膜を通して陰極へと移動し、陰極側で水素として取り出される。つまり、ＰＥＭ式水素製造装置は、水素および酸素を反応させて発電し、水を排出する固体高分子型燃料電池とは、全く反対の反応を利用するものでありながら、同様の構成を有している。ＰＥＭ式水素製造装置の動作温度は１００℃程度である。高分子電解質膜としては、体高分子型燃料電池あるいはＰＥＭ式水素製造装置に従来使用されている、パーフルオロスルホン酸ポリマー等のプロトン伝導性の高分子が使用できる。なお、発生した水素が速やかに脱離できる点で、陰極もまた、上記金属多孔体を含むことが好ましい。
【００８１】
上記金属多孔体を構成する金属は特に限定されず、上記の各集電体を構成する金属として例示したものと同じ金属を例示することができる。なかでも、安価であり、水素発生反応に対して良好な触媒能を有している点で、陽極に用いられる上記金属多孔体は、ＮｉまたはＮｉ合金を含むことが好ましい。触媒活性の点で、陰極に用いられる上記金属多孔体は、ロジウムを含むことが好ましい。
【００８２】
上記金属多孔体の孔径は、１００μｍ以上、５０００μｍ以下が好ましい。上記金属多孔体の孔径が上記範囲であれば、各電極で発生した水素または酸素が速やかに脱離できるため、電解効率がさらに向上するとともに、保水性が高まる。特に陽極の保水性が小さいと、水が陽極と十分に反応する前に通り抜けてしまうため、電解効率が低下し易くなる。同様の観点から、上記金属多孔体の孔径は４００μｍ以上、４０００μｍ以下が好ましい。なお、気泡の脱離性、保水性および電気的接続を考慮して、異なる孔径を持つ複数の上記金属多孔体を組み合わせて、各電極として使用してもよい。さらに、他の金属製の多孔体を上記金属多孔体と組み合わせて用いてもよい。
【００８３】
上記金属多孔体の厚さおよび単位面積当たりの質量は、製造装置の規模によって適宜設定すればよい。なかでも、上記金属多孔体の気孔率が３０％以上となるように、厚さと単位面積当たりの質量とを調整することが好ましい。上記金属多孔体の気孔率が３０％より小さくなると、上記金属多孔体の内部に水を流す際の圧力損失が大きくなるためである。また、本方式において、高分子電解質膜と各電極とは、圧着されることにより導通する。そのため、両者を圧着する際の各電極の変形およびクリープによる電気抵抗増加が実用上問題ない範囲になるように、単位面積当たりの質量を調節することが好ましい。上記金属多孔体の単位面積当たりの質量としては４００ｇ／ｍ２以上が好ましい。
【００８４】
（３）ＳＯＥＣ方式（水蒸気電解方式ともいう）は、固体酸化物電解質膜を用いて水蒸気を電気分解する方法である。具体的には、ＳＯＥＣ方式では、固体酸化物電解質膜の両面に陽極と陰極とをそれぞれ配置し、いずれかの電極に水蒸気を導入しながら、陽極と陰極との間に電圧を印加することにより、水を電気分解する。
【００８５】
ＳＯＥＣ方式では、固体酸化物電解質膜がプロトン伝導性であるか酸化物イオン伝導性であるかによって、水蒸気を導入する電極が異なる。固体酸化物電解質膜が酸化物イオン伝導性である場合、水蒸気は陰極に導入される。水蒸気は陰極で電気分解されて、プロトンおよび酸化物イオンを生成する。生成したプロトンは、そのまま陰極で還元されて水素として取り出される。酸化物イオンは固体酸化物電解質膜を通過して陽極へと移動した後、陽極で酸化されて、酸素として取り出される。一方、固体酸化物電解質膜がプロトン伝導性である場合、水蒸気は陽極に導入される。水蒸気は陽極で電気分解されて、プロトンおよび酸化物イオンが生成される。生成したプロトンは固体酸化物電解質膜を通って陰極へと移動した後、陰極で還元されて水素として取り出される。酸化物イオンは、そのまま陽極で酸化されて、酸素として取り出される。
【００８６】
ＳＯＥＣ方式では、水蒸気が導入される電極として、上記金属多孔体を用いる。すなわち、ＳＯＥＣ方式を用いる水電解装置（ＳＯＥＣ式水素製造装置）は、陽極と、陰極と、陽極と陰極との間に介在する固体酸化物電解質膜と、陽極と陰極との間に電圧を印加する電源と、を備え、少なくとも水蒸気が導入される電極が三次元網目状の骨格を有する金属多孔体を含む。上記金属多孔体は表面積が大きいため、水蒸気と電極との接触面積も大きくなり、水の電解効率が向上する。さらに、上記金属多孔体は良好な電気伝導性を備えているため、水蒸気の電解効率はより向上する。
【００８７】
高純度の水素が得られ易い点で、固体酸化物電解質膜はプロトン伝導性であることが好ましい。固体酸化物電解質膜がプロトン伝導性である場合、水蒸気が導入される電極と水素が取り出される電極とが異なるためである。この場合、上記金属多孔体は、陽極に用いられる。なお、発生した水素が速やかに脱離できる点で、上記の場合、陰極もまた上記金属多孔体を含むことが好ましい。
【００８８】
ＳＯＥＣ式水素製造装置と、水素および酸素を反応させて発電し、水を排出する固体酸化物型燃料電池とは、全く反対の反応を利用するものでありながら、同様の構成を有している。ＳＯＥＣ式水素製造装置の動作温度は６００℃〜８００℃程度であり、陽極では酸素が発生する。そのため、陽極は高温の酸化雰囲気に置かれる。上記金属多孔体は、高い耐酸化性および耐熱性を備えているため、ＳＯＥＣ式水素製造装置の特に陽極として好適に使用できる。
【００８９】
上記金属多孔体を構成する金属は特に限定されず、上記の各集電体を構成する金属として例示したものと同じ金属を例示することができる。なかでも、酸化雰囲気となる陽極は、クロム（Ｃｒ）などの高い耐酸化性を有する金属を、３〜３０質量％含有するＮｉ合金を含む上記金属多孔体を用いることが好ましい。電気抵抗の点で、陰極に用いられる上記金属多孔体は、Ｓｎを含むことが好ましい。
【００９０】
上記金属多孔体の孔径は、１００μｍ以上、５０００μｍ以下が好ましい。上記金属多孔体の孔径が上記範囲であれば、水蒸気の圧力損失が適切な範囲になって、電解効率が高まる。また、上記金属多孔体を陰極に用いた場合、発生した水素も速やかに脱離することができる。同様の観点から、上記金属多孔体の孔径は４００μｍ以上、４０００μｍ以下が好ましい。なお、気泡の脱離性、水蒸気の通気性および電気的接続を考慮して、異なる孔径を持つ複数の上記金属多孔体を組み合わせて、各電極として使用してもよい。さらに、他の金属製の多孔体を上記金属多孔体と組み合わせて用いてもよい。
【００９１】
上記金属多孔体の厚さおよび単位面積当たりの質量は、水素製造装置の規模によって適宜設定すればよい。なかでも、上記金属多孔体の気孔率が３０％以上となるように、厚さと単位面積当たりの質量とを調整することが好ましい。上記金属多孔体の気孔率が３０％より小さくなると、上記金属多孔体の内部に水を流す際の圧力損失が大きくなるためである。また、本方式において、固体酸化物電解質膜と各電極とは、圧着されることにより導通する。そのため、両者を圧着する際の各電極の変形およびクリープによる電気抵抗増加が実用上問題ない範囲になるように、単位面積当たりの質量を調節することが好ましい。上記金属多孔体の単位面積当たりの質量としては４００ｇ／ｍ２以上が好ましい。
【００９２】
図６に、プロトン伝導性の固体酸化物電解質膜を用いたＳＯＥＣ式水素製造装置２００の要部の断面図を模式的に示す。なお、図６では、電源を省略している。水素製造装置２００は、固体酸化物電解質膜２０２を含む構造体２０４と、構造体２０４の各主面にそれぞれ対向する電極２０５および２１２と、電極２０５および２１２の構造体２０４とは反対側の主面にそれぞれ対向する板状部材２３１および２２３と、図示しない電源とを備える。
【００９３】
電極２０５および２１２はいずれも、上記したような三次元網目状の骨格を有する金属多孔体である。板状部材２３１および２２３は、水蒸気および酸素と水素とが混合しないように配置されたインターコネクタであり、それぞれガス流路２０７および２０６を備えている。水蒸気Ｖは、板状部材２２３のガス流路２０６から電極２１２に導入される。発生した水素はガス流路２０７から排出される。すなわち、電極２１２は陽極であり、電極２０５は陰極である。
【００９４】
ＳＯＥＣ式水素製造装置２００は、電源を備える以外、図１に示す燃料電池１００と同様の構成を有している。すなわち、構造体２０４は、プロトン伝導性を有する固体酸化物を含む固体酸化物電解質膜２０２と、その各主面に対向するように配置された多孔質層２０１および２０３とを備える。固体酸化物電解質膜２０２は、電解質層２として例示したのと同じプロトン伝導性を有する固体酸化物を含む。多孔質層２０１および２０３は、固体酸化物電解質膜２０２をサポートしている。さらに、多孔質層２０１は多孔質層２０３よりも大きな外径を備えており、多孔質層２０１は構造体２０４全体をサポートする。
【００９５】
陽極（電極２１２）側に配置された多孔質層２０１は、アノード１と同様、上記固体酸化物と触媒成分である酸化ニッケル（ＮｉＯ）との複合酸化物により形成されている。そのため、電解効率がさらに高まる。多孔質層２０３は、例えば、カソード３で例示したのと同じ化合物により形成される。
【００９６】
ガス流路２０６と２０７とは、シール部材２０８によって分離されている。シール部材２０８は、スペーサ２２１と絶縁部材２２２と板状部材２２３とを含む押さえ部材２２０と電極２０５とにより挟持されている。これにより、シール性が向上する。このとき、電極２０５は、カソード集電体５において例示したＮｉ−Ｓｎ合金を含むことが好ましい。
【００９７】
板状部材２２３および２３１の構成は、図１に示すインターコネクタ２３および３１にそれぞれ対応しており、スペーサ２０９の構成は、図１に示すスペーサ９に対応している。その他、図６に示された構成部材の構成は、それぞれ図１に対応する箇所の構成部材に対応している。
【００９８】
次に、実施例に基づいて、本発明をより具体的に説明する。ただし、以下の実施例は、本発明を限定するものではない。
［実施例１］
以下の手順で、燃料電池を作製した。
（１）セル構造体の作製
まず、下記の手順でセル構造体を作製した。
ＢＣＹ（ＢａＣｅ０．８Ｙ０．２Ｏ２．９）に、Ｎｉ（触媒成分）を７０体積％含むようにＮｉＯを混合し、ボールミルによって粉砕混練した。次いで、プレス成形により、アノードを構成する円形の成形体（厚さ約６００μｍ）を形成し、１０００℃で仮焼結した。続いて、上記成形体の一方の面に、ＢＣＹと水溶性バインダ樹脂（エチルセルロース）とを混合したペーストをスクリーン印刷によって塗布した後、７５０℃で水溶性バインダ樹脂を除去した。次いで、１４００℃で加熱処理することにより共焼結し、円形のアノードと固体酸化物層（厚さ３０μｍ、直径１００ｍｍ）との積層体を形成した。
【００９９】
続いて、固体酸化物層の表面に、カソードの材料であるＬＳＣＦ（Ｌａ０．６ＨＲ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３−δ）の粉末と上記有機溶媒とを混合したＬＳＣＦペーストをスクリーン印刷し、１０００℃で２時間の焼成を行うことにより、セル構造体Ａ（厚さ６５０μｍ）を作製した。カソードの厚みは５０μｍであり、直径は９０ｍｍであった。得られたセル構造体Ａの反り量は、０．８５ｍｍであった。なお、反り量は、セル構造体を、水平面にセル構造体の凸部が上になるようにして載置し、水平面と凸部の最も高い地点との最短距離として求めた。
【０１００】
（２）カソード集電体の準備
住友電気工業株式会社製のセルメット（登録商標）の品番＃８（気孔率：９５％）に相当し、Ｎｉ−Ｓｎ合金（Ｓｎ含有量：１０質量％）により形成された、円形の金属多孔体（単位当たりの質量：７００ｇ／ｍ２、厚さ１．５ｍｍ、外寸１２７ｍｍ）を準備した。
【０１０１】
（３）シール部材の準備
外寸１２７ｍｍ、内寸９６ｍｍ、厚さ５０μｍのフェライト系ステンレス鋼からなる円形リングを準備した。
【０１０２】
（４）燃料電池の作製
上記で得られたセル構造体Ａ、カソード集電体およびシール部材と、アノード集電体（住友電気工業株式会社製のニッケルのセルメット（登録商標）、品番♯８、厚さ１．４ｍｍ、気孔率：９５％）と、ガス流路を備えるステンレス鋼製の一対のインターコネクタと、スペーサ（材質：ＦｅＣｒ合金）と、絶縁部材（マイカ）とを用いて、図１に示す燃料電池Ａを製作した。このようにして得られた燃料電池Ａをアノード側を下にして静置し、カソード側から４０ｋＰａの荷重をかけた状態で、開回路電圧（ＯＣＶ）を測定した。結果を表１に示す。
【０１０３】
［実施例２］
反り量が０．７８ｍｍであるセル構造体Ｂを用いたこと以外は、実施例１と同様にして、燃料電池Ｂを作製し、評価した。結果を表１に示す。
【０１０４】
［実施例３］
反り量が０．８３ｍｍであるセル構造体Ｃを用いたこと以外は、実施例１と同様にして、燃料電池Ｃを作製し、評価した。結果を表１に示す。
【０１０５】
［実施例４］
反り量が０．７５ｍｍであるセル構造体Ｄを用いたこと、および、Ｓｎ含有量が３０質量％であるＮｉ−Ｓｎ合金からなるカソード集電体を用いたこと以外は、実施例１と同様にして、燃料電池Ｄを作製し、評価した。結果を表１に示す。
【０１０６】
［比較例１］
反り量が０．８８ｍｍであるセル構造体ａを用いたこと、カソード側のスペーサおよびカソード集電体を用いなかったこと以外は、実施例１と同様にして、燃料電池ａを作製し、評価した。結果を表１に示す。
【０１０７】
［比較例２］
反り量が０．７５ｍｍであるセル構造体ｂを用いたこと以外は、比較例１と同様にして、燃料電池ｂを作製し、評価した。結果を表１に示す。
【０１０８】
［比較例３］
反り量が０．９５ｍｍであるセル構造体ｃを用いたこと以外は、比較例１と同様にして、燃料電池ｃを作製し、評価した。結果を表１に示す。
【０１０９】
【表１】
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【０１１０】
ＯＣＶは、ガスリークおよびセル構造体の損傷によって低下する。カソード集電体を用いなかった燃料電池ａ〜ｃは、ＯＣＶが小さく、ガスリークまたはセル構造体の損傷、あるいはその両方が疑われる。一方、燃料電池Ａ〜Ｄは、いずれもＯＣＶが大きく、ガスリークおよびセルの損傷がないことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明の燃料電池は、シール性に優れるため、様々な用途に適用することができる。
【符号の説明】
【０１１２】
１：アノード、１ａ：第１張出部、２：電解質層、２ａ：第２張出部、３：カソード、４：セル構造体、５：カソード集電体、５ａ：第３張出部、５ｂ：胴体部、６：燃料流路、６ａ：隙間、７：酸化剤流路、７ａ：隙間、８：シール部材、８ｂ：シール部材の内縁部、８ａ：シール部材の外縁部、９、２１：スペーサ、１１：マニホールド、１２：アノード集電体、２０：第１押さえ部材、２２：絶縁部材、２３、３１：インターコネクタ、３０：第２押さえ部材、５１：空孔、５２：繊維部、５２ａ：空洞、５３：開口、１００：燃料電池、１０１：アノード、１０２：電解質層、１０３：カソード、１０４：セル構造体、１０６：燃料流路、１０６ａ：隙間、１０７：酸化剤流路、１０７ａ：隙間、１０８：シール部材、１０９、１２１：スペーサ、１１１：マニホールド、１２２：絶縁部材、１２３、１３１：インターコネクタ、１１０：燃料電池、２００：水素製造装置、２０１、２０３：多孔質層、２０２：固体酸化物電解質膜、２０４：構造体、２０５、２１２：電極、２０６、２０７：ガス流路、２０８：シール部材、２０９、２２１：スペーサ、２２０：押さえ部材、２２２：絶縁部材、２３１、２２３：板状部材
【図１】
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【図２】
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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７】
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【図８】
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