(57)【要約】      （修正有）【課題】電極層間で短絡が発生する可能性を低減する燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池に用いられる膜電極接合体１００ａの２つの電極層１１のうち少なくとも一方を融点又は電子導電率の異なる複数の部材で構成する。電極層と電解質膜との界面における電極層の融点Ｍａが電極層の厚み方向の平均融点Ｍａｖｇより高くなるように配置する。又は、電極層と電解質膜との界面における電極層の電子導電率Ｅａが電極層の厚み方向の平均電子導電率Ｅａｖｇより低くなるように配置する。例えば、カソード電極層１１を２層構造とし、電解質膜１０に接する第１の層１１ａをセラミックス系の部材で構成し、電解質膜１０に接しない第２の層１１ｂを金属系の部材で構成するものとしても良い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜を挟持する第１と第２の電極層と、
を備え、
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、融点の異なる複数の部材を含み、前記第１の電極層と前記電解質膜との界面に、前記燃料電池内に存在する前記第１の電極層全体の平均融点より融点が高くなる高融点部位を有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、前記第１の電極層の厚み方向の融点分布が連続的または段階的に変化していることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、前記複数の部材が積層された多層構造を有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、前記界面と前記第１の電極層の前記電解質膜と接しない外面との間に融点が最も低くなる最低融点部位を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜を挟持する第１と第２の電極層と、
を備え、
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、電子導電率の異なる複数の部材を含み、前記第１の電極層と前記電解質膜との界面に、前記燃料電池内に存在する前記第１の電極層全体の平均電子導電率より電子導電率が低くなる低電子導電率部位を有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池であって、
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、前記第１の電極層の厚み方向の電子導電率分布が連続的又は段階的に変化していることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載の燃料電池であって、
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、電子導電率の異なる複数の部材が積層された多層構造を有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、前記電極膜界面と前記第１の電極層の前記電解質膜と接しない外面との間に電子導電率が最も高くなる最高電子導電率部位を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、セラミックスおよび貴金属を含み、前記界面から離れるに従って前記貴金属の成分割合が高くなることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、前記界面においてセラミックスのみを含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、前記燃料電池の運転状態を継続したときに、前記第１の電極層全体のうち温度が最も高くなる部位に前記高融点部位を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池であって、
前記電解質膜と前記第１と第２の電極層とを含む複数の単セルを備え、
前記燃料電池の運転状態を継続したときに、前記単セルのうち、前記単セルごとの平均作動温度が前記燃料電池全体の平均作動温度より高い単セル内の前記第１の電極層に、前記高融点部位を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
請求項１１または請求項１２に記載の燃料電池であって、
前記電極層のうち少なくとも一方は、セラミックスおよび貴金属を含み、前記燃料電池の運転状態を継続したときに、温度が高い部位ほど前記貴金属の成分割合が低くなっていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記電極層のうちいずれか一方に水素を透過する水素分離膜を備えていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１５】
請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記電解質膜は、固体酸化物であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１６】
請求項１５に記載の燃料電池であって、
前記電解質膜は、プロトン伝導性を有することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の出力性能および耐久性などの向上の為に種々の電極層、電解質の構成が提案されている（特許文献１等）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１５８３５５
【特許文献２】特開２００５−３２２５４７
【特許文献３】ＵＳ２００２／０００３０８５
【０００４】
燃料電池において、電解質膜を薄膜化することは、膜抵抗を少なくしイオン伝導性を向上し、燃料電池の出力を向上する手段として好ましい。一方で電解質膜の薄膜化は技術的困難を伴い、例えば、電解質膜の成形時に、マイクロクラックやピンホールなどの微細孔を生じる可能性が増す傾向にある。
【０００５】
そうした微細孔を有する電解質膜を用いて燃料電池を構成すると、導電性部材である電極層の構成部材の一部などがその微細孔に入り込み、電極間に短絡が生じる場合があった。しかし、これまでそうした問題に対して充分な工夫がなされてこなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、燃料電池において電極層間で短絡が発生する可能性を低減する技術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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜を挟持する第１と第２の電極層とを備え、前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、融点の異なる複数の部材を含み、前記第１の電極層と前記電解質膜との界面に、前記燃料電池内に存在する前記第１の電極層全体の平均融点より融点が高くなる高融点部位を有していることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、電解質膜に微小穴が存在したとしても、その微小穴に電極層の構成部材の一部が移動する可能性を低減できる。従って、電極層間における短絡の発生の可能性が低減する。
【０００９】
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、前記第１の電極層の厚み方向の融点分布が連続的または段階的に変化しているものとしても良い。
【００１０】
この構成によれば、電極層の厚み方向に融点の異なる部位を設けることができ、界面において平均融点より高い融点を持たせることができる。従って、電極層間における短絡の発生の可能性が低減する。
【００１１】
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、前記複数の部材が積層された多層構造を有しているものとしても良い。
【００１２】
この構成によれば、電極層を構成部材ごとに積層した多層構造によって構成でき、界面に融点の高い部材の層を設けることができる。従って、電極層間における短絡の発生の可能性が低減する。
【００１３】
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、前記界面と前記第１の電極層の前記電解質膜と接しない外面との間に融点が最も低くなる最低融点部位を有するものとしても良い。
【００１４】
この構成によれば、界面において融点が最も高い構成としなくとも電極層間における短絡の発生の可能性を低減できる。
【００１５】
燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜を挟持する第１と第２の電極層とを備え、前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、電子導電率の異なる複数の部材を含み、前記第１の電極層と前記電解質膜との界面に、前記燃料電池内に存在する前記第１の電極層全体の平均電子導電率より電子導電率が低くなる低電子導電率部位を有していることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、例え電解質膜の微小穴に電極層の低電子導電率部位を構成する部材の一部が移動して入り込んでしまい短絡が発生したとしても、その影響を低減することができる。
【００１７】
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、前記第１の電極層の厚み方向の電子導電率分布が連続的又は段階的に変化しているものとしても良い。
【００１８】
この構成によれば、電極層の厚み方向に電子導電率の異なる部位を設けることができ、界面において平均電子導電率より高い電子導電率を持たせることができる。従って、電極層間において短絡が発生したとしても、その影響を低減することができる。
【００１９】
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、電子導電率の異なる複数の部材が積層された多層構造を有しているものとしても良い。
【００２０】
この構成によれば、電極層を構成部材ごとに積層した多層構造によって構成でき、界面に電子導電率の低い部材の層を設けることができる。従って、電極層間における短絡が発生したとしても、その影響を低減することができる。
【００２１】
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、前記電極膜界面と前記第１の電極層の前記電解質膜と接しない外面との間に電子導電率が最も高くなる最高電子導電率部位を有するものとしても良い。
【００２２】
この構成によれば、界面において電子導電率が最も低い構成としなくとも電極層間における短絡の発生の可能性を低減できる。
【００２３】
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、セラミックスおよび貴金属を含み、前記界面から離れるに従って前記貴金属の成分割合が高くなるものとしても良い。
【００２４】
この構成によれば、セラミックスと貴金属との成分割合によって、電極層の融点を部位毎に変化させることができる。
【００２５】
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、前記界面においてセラミックスのみを含むものとしても良い。
【００２６】
この構成によれば、電解質膜と電極層の界面をセラミックスで構成でき、短絡の発生の可能性を低減し、短絡が発生したとしてもその影響を低減することができる。
【００２７】
前記電極層のうちの少なくとも第１の電極層は、前記燃料電池の運転状態を継続したときに、前記第１の電極層全体のうち温度が最も高くなる部位に前記高融点部位を有するものとしても良い。
【００２８】
この構成によれば、所定の条件下における第１の電極層内の最も温度の高くなる部位に高融点部位を設けることができ、短絡が発生する可能性を低減できる。
【００２９】
前記電解質膜と前記第１と第２の電極層とを含む複数の単セルを備え、前記燃料電池の運転状態を継続したときに、前記単セルのうち、前記単セルごとの平均作動温度が前記燃料電池全体の平均作動温度より高い単セル内の前記第１の電極層に、前記高融点部位を有するものとしても良い。
【００３０】
この構成によれば、燃料電池スタックにおいて、所定の条件下で平均作動温度より高くなる単セルに含まれる電極層を平均作動温度より高い融点の部材で構成でき、燃料電池スタック全体でみたときに短絡が発生する可能性を低減できる。
【００３１】
前記電極層のうち少なくとも一方は、セラミックスおよび貴金属を含み、前記燃料電池の運転状態を継続したときに、温度が高い部位ほど前記貴金属の成分割合が低くなっているものとしても良い。
【００３２】
この構成によれば、電極層の融点を貴金属とセラミックスとの成分割合で変化させることができ、所定の条件下において作動温度が高い部位ほど貴金属成分が少なくなり、その部位における構成部材の平均融点が高くなる。従って、電極間において短絡が発生する可能性が低減する。逆に、作動温度の低い部位ほど貴金属成分が多くなり電極反応が作動温度の低い部位より高活性となる。
【００３３】
前記電解質膜は、固体酸化物であることを特徴とするものとしても良い。
【００３４】
この構成によれば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の電極間において短絡が発生する可能性を低減できる。
【００３５】
前記電解質膜は、プロトン伝導性を有することを特徴とするものとしても良い。
【００３６】
この構成によれば、電解質膜にプロトン伝導性固体酸化物を採用する燃料電池の電極間において短絡が発生する可能性を低減できる。
【００３７】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば燃料電池、その燃料電池を使用した燃料電池システム、その燃料電池を備えた車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．比較例：
Ｂ．第１実施例：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．第３実施例：
Ｅ．第４実施例：
Ｆ．第５実施例：
Ｇ．第６実施例：
Ｈ．第７実施例：
Ｉ．変形例：
【００３９】
Ａ．比較例：
図１は、本発明の比較例として燃料電池に用いられる膜電極接合体１００の構成を示す説明図である。膜電極接合体１００は、電解質膜１０が２つの電極層１１、１２で挟持された構成である。
【００４０】
電解質膜１０は、良好なプロトン伝導性を示すプロトン伝導性固体酸化物からなる薄膜（厚さサブミクロン〜数μｍ程度）である。電解質膜１０としては、例えば、ペロブスカイト型プロトン伝導体（ＢａＣｅ０．８Ｉｎ０．２Ｏ３、ＳｒＣｅ０．８Ｉｎ０．２Ｏ３、ＢａＺｒ０．８Ｉｎ０．２Ｏ３、ＳｒＺｒ０．８Ｉｎ０．２Ｏ３等）を用いることができる。
【００４１】
２つの電極層１１、１２は、酸素が供給されるカソード電極層１１と、水素が供給されるアノード電極層１２とで構成される。２つの電極層１１、１２のそれぞれに燃料ガスが供給されると、電解質膜１０をプロトンが伝導し、酸素と電気化学反応することによって発電する。
【００４２】
２つの電極層１１、１２には電気化学反応を促進するための触媒（例えば白金）が担持されている。また、２つの電極層１１、１２の電解質膜１０に接しない外面（以後単に「外面」と呼ぶ）には、カーボン製の多孔体が設けられ、その厚み方向にガスを拡散することによって２つの電極層１１、１２の全面に燃料ガスを供給するものとしても良い。
【００４３】
２つの電極層１１、１２は、例えば、金属系の部材やセラミックス系の部材で構成することができる。具体的には、セラミックス系の構成部材としては、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４ＣｏＯ３や、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３や、Ｂａ０．５Ｐｒ０．５ＣｏＯ３等を採用することができる。また、金属系の構成部材としては、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）や、これらの合金などを採用できる。また、これらの金属や合金を担持したカーボンや、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）としても良い。
【００４４】
一般に金属系の部材は、セラミックス系の部材と比較すると融点が低いが、電子導電率が高いと言える。「電子導電率」とは、体積抵抗率の逆数として求めることができる値であり、イオン分による導電性を考慮しない値である。
【００４５】
ここで、２つの電極層１１、１２を金属系の部材のみで構成した場合を考える。例えば低温域（４００℃以下）の温度域で燃料電池が作動している場合、金属系の部材は、セラミックス系の部材よりも電極反応活性が高いため、２つの電極層１１、１２は、金属系の部材で構成されていることが好ましいと言える。しかし次のような欠点もある。
【００４６】
一般に薄膜である電解質膜１０は、その形成過程においてマイクロクラックやピンホールと呼ばれる微小な貫通穴（微小穴）を生じやすい傾向にある。そうした微小穴が存在する電解質膜１０においては、２つの電極層１１、１２の構成部材の一部が前記微小穴に入り込み短絡を生じるおそれがある。
【００４７】
特に２つの電極層１１、１２を金属系の部材で構成した場合、一般に金属系の部材はセラミックス系の部材より融点が低いため、上述の短絡が発生する可能性が高いと言える。また、金属系の部材は電子導電率がセラミックス系の部材よりも高いため、短絡が発生した場合、その影響もセラミックス系の部材を採用した場合より大きくなる。
【００４８】
上記のような問題点をふまえ、以下に本発明の実施例を説明する。
【００４９】
Ｂ．第１実施例：
図２（Ａ）は、第１実施例としての膜電極接合体１００ａの構成を示す概略図である。図２（Ａ）は、２つの電極層１１、１２のうち、カソード電極層１１のみが図示され、アノード電極層１２の図示が省略されている点と、カソード電極層１１の構成が異なる点以外は、図１とほぼ同じである。なお、図示が省略されているアノード電極層１２は、以下に説明するカソード電極層１１の構成と同じであるものとしても良い（以下、第２実施例ないし第５実施例においても同様）。
【００５０】
図２（Ａ）に示すカソード電極層１１は、電解質膜１０に接する第１の層１１ａと、電解質膜１０に接しない第２の層１１ｂとで構成される多層構造を有している。２つの層１１ａ、１１ｂは、それぞれ異なる部材で構成し、第１の層１１ａは、第２の層１１ｂより融点の高い部材で構成する。例えば、第１の層１１ａをセラミックス系の部材で構成し、第２の層１１ｂを金属系の部材で構成しても良い。
【００５１】
図２（Ｂ）は、カソード電極層１１の界面からの距離ｘとカソード電極層１１の構成部材の融点との関係を示すグラフである。ここで、「界面からの距離ｘ」とは、カソード電極層１１と電解質膜１０との界面Ｂ１を「０」としたときのカソード電極層１１の厚み方向への距離をいう。なお、界面Ｂ１から第１の層１１ａと第２の層１１ｂとの界面Ｂ２までの距離をｘ１で示す（図２（Ａ））。
【００５２】
図２（Ｂ）において、界面Ｂ１におけるカソード電極層１１の融点を「Ｍａ」で示し、カソード電極層１１の外面における融点を「Ｍｂ」で示し、カソード電極層１１の厚み方向に融点の平均をとった平均融点を「Ｍａｖｇ」で示している。本実施例においては、融点Ｍａは、第１の層１１ａの構成部材の融点であり、融点Ｍｂは、第２の層１１ｂの構成部材の融点であるため、図２（Ｂ）に示すように、グラフの形状は段差を有する形状となる。また、当然融点Ｍａは、平均融点Ｍａｖｇより高い。
【００５３】
このような構成とすることによって、第２の層１１ｂを構成する金属系部材の一部が電解質膜１０に至る可能性を第１の層１１ａによって低減している。従って、カソード電極層１１が金属系部材のみで構成されている場合より、電解質膜１０の微小穴における短絡の発生の可能性を低減できる。また、燃料電池の作動温度が低温域（４００℃以下）の場合でも、第２の層１１ｂが金属系の構成部材であるため、カソード電極層１１をセラミックス系部材のみで構成した場合より、電極反応は高活性となる。
【００５４】
第１の層１１ａは、第２の層１１ｂより電子導電率の低い部材を採用するものとしても良い。即ち、上述の構成と同様に、第１の層１１ａをセラミックス系の部材で構成し、第２の層１１ｂを金属系の部材で構成した場合にも一般にこのような関係が成り立っている。
【００５５】
図２（Ｃ）は、界面からの距離とカソード電極層１１の構成部材の電子導電率との関係を示すグラフである。図２（Ｃ）において、界面Ｂ１におけるカソード電極層１１の電子導電率を「Ｅａ」で示し、カソード電極層１１の外面におけるカソード電極層１１の電子導電率を「Ｅｂ」で示し、カソード電極層１１の厚み方向に電子導電率の平均をとった平均電子導電率を「Ｅａｖｇ」で示している。
【００５６】
本実施例においては、電子導電率Ｅａは第１の層１１ａの電子導電率であり、電子導電率Ｅｂは第２の層１１ｂの構成部材の電子導電率であるため、グラフの形状は、段差を有する形状となる。また当然電子導電率Ｅａは、平均電子導電率Ｅａｖｇより低い。
【００５７】
このような構成とすることによって、例え電解質膜１０の微小穴に第１の層１１ａの構成部材の一部が入り込み短絡が発生したとしても、第１の層１１ａの構成部材の電子導電率Ｅａは低いため短絡による影響は低減される。
【００５８】
図２（Ｄ）に金属Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｇの融点と体積抵抗率の値を示す。表の値からも理解できるように、第１の層１１ａの構成部材としてＰｄを採用し、第２の層１１ｂの構成部材としてＡｇを採用したとしても、界面からの距離と融点及び電子導電率の関係は、上述の２つのグラフと同様な傾向を示す。即ち、２つの層１１ａ、１１ｂは、金属系の部材のみで構成されていても良い。このような構成としても、第１の層１１ａにセラミックス系の部材を用いた場合と同様な効果を得ることができる。
【００５９】
なお、カソード電極層１１の構成部材は、図２（Ｂ）に示す融点の傾向を有すれば良く、図２（Ｃ）に示す電子導電率の傾向を有してなくとも良い。逆に、図２（Ｃ）に示す電子導電率の傾向を有していれば図２（Ｂ）に示す融点の傾向を有していなくとも良い。但し、両方の傾向を有する構成であることが最も好ましい。
【００６０】
また、アノード電極層１２に対しても、上述の構成と同様な構成とすれば、同様な効果を得ることができ、２つの電極層１１、１２の双方に同様な構成としたときに最も効果が高い。なお、以下に示す第２実施例ないし第５実施例においても同様である。
【００６１】
Ｃ．第２実施例：
図３（Ａ）は、本発明の一実施例としての膜電極接合体１００ｂの構成を示す概略図である。図３（Ａ）は、カソード電極層１１の構成が異なる点以外は、図２（Ａ）とほぼ同じである。
【００６２】
第２実施例においては、カソード電極層１１は、融点の異なる複数の構成部材を混合し１層構造で構成している。以下において、例えば、セラミックス系の構成部材と金属系の構成部材とからなる２種の構成部材を混合した場合を考える。このような構成とすれば、構成部材同士の膨張率の差によって構成部材同士が剥離することを抑制できる。
【００６３】
図３（Ｂ）は、界面からの距離ｘにおけるカソード電極層１１に占める金属成分の割合（金属濃度）を示したグラフである。図３（Ｂ）のグラフからも理解できるように、カソード電極層１１は、界面Ｂ１から離れた部位ほど金属濃度が高い。即ち、カソード電極層１１は、界面Ｂ１に近い部位ほど金属濃度が低く、セラミックス系の構成部材の占める割合が大きい。
【００６４】
図３（Ｃ）は、界面からの距離ｘとカソード電極層１１の構成部材の融点との関係を示すグラフであり、図２（Ｂ）のグラフに対応している。図３（Ｄ）は、界面からの距離ｘとカソード電極層１１の構成部材の電子導電率との関係を示すグラフであり、図２（Ｃ）のグラフに対応している。
【００６５】
なお、ここで「構成部材の融点」とは「カソード電極層１１に含まれる複数の構成部材の融点の平均値」を意味し、「構成部材の電子導電率」とは「カソード電極層１１に含まれる複数の構成部材の電子導電率の平均値」を意味するものとする。
【００６６】
上述したようにカソード電極層１１は界面Ｂ１に近いほど金属濃度が低いため、カソード電極層１１の融点は、図３（Ｃ）に示すように、界面Ｂ１に近いほどセラミックス系の部材の融点に近づき高くなっている。従って、電解質膜１０の微小穴にカソード電極層１１の構成部材の一部が入り込む可能性が低減し、２つの電極１１、１２の間で短絡が発生する可能性を低減できる。
【００６７】
また、図３（Ｄ）において示すように、カソード電極層１１は、界面Ｂ１に近いほど電子導電率が低くなる。従って、２つの電極間１１、１２において短絡が発生したとしても、その影響は低減される。
【００６８】
なお、カソード電極層１１の構成部材としては、セラミックス系の部材と金属系の部材との組合せに限られなず、融点又は電子導電率の異なる金属系の構成部材同士を混合するものとしても良い。この場合、構成部材同士の融点又は電子導電率の差が大きい方が好ましい。
【００６９】
なお、カソード電極層１１の構成部材は、図３（Ｃ）に示す融点の傾向を有すれば良く、図３（Ｄ）に示す電子導電率の傾向を有してなくとも良い。逆に、図３（Ｄ）に示す電子導電率の傾向を有していれば図３（Ｃ）に示す融点の傾向を有していなくとも良い。但し、両方の傾向を有する構成であることが最も好ましい。
【００７０】
Ｄ．第３実施例：
図４（Ａ）は、本発明の一実施例としての膜電極接合体１００ｃの構成を示す概略図であり、図３（Ａ）とほぼ同じである。図４（Ｂ）〜（Ｄ）は、膜電極接合体１００ｃのカソード電極層１１の構成部材の性質を示すグラフであり、そのグラフの形状が異なる点以外は、図３（Ｂ）〜（Ｄ）とほぼ同じである。
【００７１】
本実施例においても第２実施例と同様に、カソード電極層１１の構成部材として、セラミックス系の構成部材と金属系の構成部材を混合したものを用いている。ただし、本実施例においては金属濃度が最も高くなる部位が、界面Ｂ１と外面との間（界面Ｂ１からの距離がｘ２の部位）にある（図４（Ｂ））。従ってその部位において、融点が最も低くなり（図４（Ｃ）；融点Ｍｃ）、電子導電率が最も高くなっている（図４（Ｄ）；電子導電率Ｅｃ）。
【００７２】
このような構成としても、図４（Ｃ）に示すように、界面Ｂ１におけるカソード電極層１１の融点Ｍａは、カソード電極層１１の厚み方向の融点の平均値Ｍａｖｇより高ければ第１実施例および第２実施例と同様の効果が得られる。逆に、図４（Ｃ）に示した融点の傾向とは異なり、例えば、界面Ｂ１以外の部位において融点が最も高くなる部位が存在していても、融点Ｍａが平均融点Ｍａｖｇより高ければ良い。
【００７３】
また、電子導電率が最も高くなる部位ｘ２が存在していても、界面Ｂ１におけるカソード電極層１１の電子導電率Ｅａは、カソード電極層１１の厚み方向の電子導電率の平均値Ｅａｖｇより低くなっているため、第１実施例および第２実施例と同様の効果が得られる。逆に、電子導電率Ｅａより低い電子導電率を有する部位が存在したとしても、電子導電率Ｅａが平均電子導電率Ｅａｖｇより低ければ良い。
【００７４】
さらに、融点Ｍａが平均融点Ｍａｖｇより高くなるような構成部材を採用した場合には、電子導電率Ｅａが平均電子導電率Ｅａｖｇより低くなくとも良い。逆に、電子導電率Ｅａが平均電子導電率Ｅａｖｇより低くなるような構成部材を採用した場合には、融点Ｍａが平均融点Ｍａｖｇより高くなくとも良い。但し、融点Ｍａが平均融点Ｍａｖｇより高く、電子導電率Ｅａが平均電子導電率Ｅａｖｇより低くなる場合が最も好ましい。
【００７５】
Ｅ．第４実施例：
図５（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の一実施例としての膜電極接合体１００ｄを示す概略図である。図５（Ａ）は、膜電極接合体１００ｄをカソード電極層１１側から見たときの全体概略図であり、図５（Ｂ）は図４（Ａ）に示す４Ｂ−４Ｂ切断における断面概略図である。図５（Ｂ）は、カソード電極層１１の構成が異なる点以外は図２（Ａ）とほぼ同じである。
【００７６】
図５（Ａ）において、燃料電池を所定の条件下で使用した際に、カソード電極層１１のうちで最も温度が高くなる部位を「Ｔ高」で示し、最も温度が低くなる部位を「Ｔ低」で示す。本実施例においては、カソード電極層１１の中心からカソード電極層１１の外周縁に向かって（図示する矢印方向）次第に温度が低くなる温度分布を示す燃料電池を想定する。
【００７７】
なお、上記温度分布は上記「所定の条件」で異なってくる。本明細書において「所定の条件」を、燃料電池を室温（２０℃程度）において継続的に作動させ燃料電池全体の平均温度（燃料電池の作動温度）が最も高くなった状態として定義することができる。ただし、この条件はあくまで本明細書中の実施例における条件であり、燃料電池の使用条件を限定するものではない。
【００７８】
カソード電極層１１を温度が高くなる部位（高温部位１１ｃ）と低くなる部位（低温部位１１ｄ）とに区分けし、それぞれ融点の異なる部材で構成する。高温部位１１ｃと低温部位１１ｄとの区分けは、例えば、カソード電極層１１全体の平均温度を基準としても良い。高温部位１１ｃには第１実施例における第１の層１１ａを構成した部材を用い、低温部位１１ｄには第１実施例における第２の層１１ｂを構成した部材を用いる。
【００７９】
このような構成とすれば、短絡の発生する可能性の高い高温部位１１ｃにおいて低温部位１１ｄより融点が高くなるため、短絡の発生する可能性を低減できる。また、高温部位１１ｃにおいて低温部位１１ｄより電子導電率が低くなるため、短絡が発生した場合でもその影響を抑制できる。低温部位１１ｄは、金属系の部材で構成されるため電極反応が高活性となる。
【００８０】
図６（Ａ）、（Ｂ）は、カソード電極層１１の温度分布が異なる点と、カソード電極層１１の構成が異なる点以外は図５（Ａ）、（Ｂ）とほぼ同じである。
【００８１】
膜電極接合体１００ｅは、図５（Ａ）に示すように酸素と水素とが互いに対向する方向から供給される。このような構成においては、カソード電極層１１の所定の条件下における温度分布は、酸素が供給される側から水素が供給される側に向かって温度が低くなることが一般的に知られている。膜電極接合体１００ｅのカソード電極層１１を、酸素が供給される側を高温部位１１ｃとし、水素が供給される側を低温部位１１ｄとして区分けすることができる。
【００８２】
このように、所定の条件下におけるカソード電極層１１の温度分布が予め解っている場合に、そのカソード電極層１１の温度分布に応じて構成部材の配置を任意の基準に従って変えることもできる。
【００８３】
なお、本実施例の構成以外にも、例えば、上述の第１実施例ないし第３実施例に示された構成において、電極層の厚み方向における温度分布に応じて融点の分布や電子導電率の分布を変化させることもできる。
【００８４】
Ｆ．第５実施例：
図７（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の一実施例としての膜電極接合体１００ｆ、１００ｇを示す概略図である。膜電極接合体１００ｆ、１００ｇはチューブ型と呼ばれる燃料電池に使用される膜電極接合体であり、２つの電極層１１、１２のいずれか一方が内側となり他方が外側となるように円筒形状に形成されている。
【００８５】
図７（Ａ）の膜電極接合体１００ｆは、カソード電極層１１が円筒外側に設けられており、アノード電極層１２が円筒内側に設けられている。従って、円筒外側に酸素が供給され、円筒の一方の開口部から他方の開口部に向かって円筒内側に水素が供給される。こうした構成においては、図７（Ａ）に示すように、水素の供給方向に向かって温度が低くなることが一般に知られている。
【００８６】
従って、カソード電極層１１の水素の供給される側を高温部位１１ｃとし、水素の排出される側を低温部位１１ｄとして区分けし、それぞれの部位に第４実施例と同様に構成部材を用いることができる。
【００８７】
図７（Ｂ）の膜電極接合体１００ｇは、カソード電極層１１が円筒内側に設けられており、アノード電極層１２が円筒外側に設けられている。従って、円筒外側に水素が供給され、円筒の一方の開口部から他方の開口部に向かって円筒内側に酸素が供給される。こうした構成においては、図７（Ｂ）に示すように、酸素の供給方向に向かって温度が低くなることが一般に知られている。
【００８８】
従って、カソード電極層１１の酸素の供給される側を高温部位１１ｃとし、酸素の排出される側を低温部位１１ｄとして区分けし、それぞれの部位に第４実施例と同様に構成部材を用いることができる。
【００８９】
Ｇ．第６実施例：
図８（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の一実施例として燃料電池スタックの構成を示す概略図である。
【００９０】
図８（Ａ）は、膜電極接合体１００ｈがセパレータＳＰで挟持された単セル８０ａを示している。膜電極接合体１００ｈは、図１に示す膜電極接合体１００の２つの電極層１１、１２をセラミックス系の部材で構成したものである。なお、その外周縁はシールガスケットが成形されているものとしても良い。セパレータＳＰは、３枚の薄い金属板で構成された３層型のセパレータであり、集電機能、燃料ガス供給機能、冷却機能を実現している。なお、セパレータＳＰとしては３層型以外の構成としても良い。
【００９１】
図８（Ｂ）は、膜電極接合体１００ｉがセパレータＳＰで挟持された単セル８０ｂを示しており、膜電極接合体１００ｉの２つの電極層１１、１２が金属系の部材で構成されている点以外は、図８（Ａ）とほぼ同じである。
【００９２】
単セル８０ａの２つの電極層１１、１２は、第１実施例において第１の層１１ａの構成部材によって構成され、単セル８０ｂの２つの電極層１１、１２は、第１実施例において第２の層１１ｂの構成部材によって構成されるものとしても良い
【００９３】
図８（Ｃ）は、単セル８０ａ、８０ｂを積層した燃料電池スタック８０ｃを示しており、図５（Ａ）と同様の表記法で所定の条件下における燃料電池の温度分布を示している。なお、「所定の条件」は第４実施例における定義と同じとしても良い。
【００９４】
一般に燃料電池スタックにおいては、図８（Ｃ）に示すように、スタックの中央位置する単セルの温度（単セル全体の平均温度）が最も高く、スタックの上下端部に近い単セルほど温度が低くなる傾向にあることが知られている。
【００９５】
従って、本実施例においては、燃料電池スタック８０ｃの上から１／４の単セル群と下から１／４の単セル群とを低温単セル群８０ｃｂとし（図８（Ｃ）のハッチングを付した単セル群）、残り１／２の中央部にある単セル群を高温単セル群８０ｃａとして区分けしている。低温部８０ｃｂと高温部８０ｃａとの区分けする基準としては、例えば、燃料電池スタック８０ｃ全体の平均温度を基準に区分けするものとしても良い。
【００９６】
燃料電池スタック８０ｃは、高温単セル群８０ｃａの単セルには単セル８０ａを用い、低温単セル群８０ｃｂの単セルには単セル８０ｂを用いている。このような構成としても、高温単セル群８０ｃａにおいては電極間における短絡の発生の可能性を低減でき、低温単セル群８０ｃｂにおいては２つの電極１１、１２は反応活性が高い状態になる。従って、燃料電池スタック８０ｃ全体として見たときに効果がある。
【００９７】
Ｈ．第７実施例：
図９は、本発明の一実施例として水素透過膜を用いた燃料電池（水素分離膜電池）の構成を示す概略図である。
【００９８】
水素分離膜電池９０は、第１実施例の膜電極接合体１００ａのアノード電極層１２に水素を選択透過する水素分離膜９１を配置した膜電極接合体１００ｊによって構成されている。水素分離膜９１は電解質膜１０と接しない外面に水素を通過させるための複数の貫通孔９２ｈを設けた板状の支持部材９２が配置されている。
【００９９】
膜電極接合体１００ｊは、その両側からセパレータＳＰ１、ＳＰ２で挟持されている。セパレータＳＰ１はカソード電極層１１側に配置されており、酸素を供給するためのカソードガス流路９３ｃが設けられている。セパレータＳＰ２は水素分離膜９１側に支持部材９２と接するように配置されており、水素を供給するためのアノードガス流路９３ａが設けられている。
【０１００】
水素分離膜９１としては、ＰｄやＰｄ合金（例えば、Ｐｄ／Ａｇ合金、Ｐｄ／Ａｇ／Ａｕ合金、Ｐｄ／Ｇｄ合金、Ｐｄ／Ｃｕ合金等）を採用することができる。なお、水素分離膜９１は、上述の支持部材９２を設けた支持膜として形成しても良いし、支持部材９２を設けない自立膜として形成しても良い。
【０１０１】
また、水素分離膜９１としては、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）のうちのいずれかとニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）のうちのいずれかとの合金によって形成した薄膜を、上述のＰｄ合金で両側から挟持したサンドイッチ膜として形成することも可能である。
【０１０２】
水素分離膜電池９０のカソード電極層１１の構成としては、第１実施例の構成以外にも第２実施例ないし第５実施例のいずれかに示された構成を採用することができる。また、第６実施例における単セル８０ａ、８０ｂのアノード電極層１２を水素分離膜９１に置換することによって燃料電池スタック８０ｃを水素分離膜電池スタックとして実現することもできる。
【０１０３】
Ｉ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１０４】
Ｉ１．変形例１：
上記実施例では、電解質膜としてプロトン伝導性の固体酸化物を用いていたが、本発明では他の種類の電解質膜を利用した燃料電池にも適用可能である。例えばプロトン伝導性ではなく、酸化物イオン伝導性の電解質膜を利用することも可能である。また、固体酸化物ではなく、フッ素樹脂系のイオン交換膜の電解質膜を利用することも可能である。但し、固体酸化物の電解質膜を利用した燃料電池は、一般的に高温（例えば１０００℃程度）で稼働させるため、電解質膜の微小穴に電極層の構成部材の一部が入り込むことによる短絡の発生する可能性が高い。そのため本発明を適用すれば、短絡の発生の可能性をより低減し、かつ、電極層に導電性の高い部材を採用することができるという利点がある。
【０１０５】
Ｉ２．変形例２：
上記第１実施例において、カソード電極層１１は、第１の層１１ａと第２の層１１ｂの２層で構成されていたが、さらに複数の構成部材を用いた多層構造としても良い。このような構成であっても、融点Ｍａが平均融点Ｍａｖｇより高くなっているか、又は、電子導電率Ｅａが平均電子導電率Ｅａｖｇより低くなっていれば良い。
【０１０６】
Ｉ３．変形例３：
上記第２実施例において、２種類の構成部材を混合していたが、さらに多種の構成部材を混合するものとしても良い。このような構成であっても、融点Ｍａが平均融点Ｍａｖｇより高くなっているか、又は、電子導電率Ｅａが平均電子導電率Ｅａｖｇより低くなっていれば良い。
【０１０７】
Ｉ４．変形例４：
上記第４実施例ないし第６実施例において、カソード電極層１１を高温部位１１ｃと低温部位１１ｄとの２つに区分していたが、さらに温度に応じて複数の区分に分け、それぞれの区分に応じて異なる構成部材を用るものとしても良い。
【０１０８】
Ｉ５．変形例５：
上記第４実施例ないし第６実施例において、カソード電極層１１の温度分布に応じて異なる構成部材を用いていたが、第２実施例および第３実施例のように複数の構成部材を混合し、温度分布に応じてその構成部材の濃度分布を変えるものとしても良い。即ち、温度が高い部位ほど、融点の高い構成部材の濃度が高くなるように構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】比較例における膜電極接合体の構成を示す概略図。
【図２】第１実施例におけるカソード電極層の構成を示す説明図。
【図３】第２実施例におけるカソード電極層の構成を示す説明図。
【図４】第３実施例におけるカソード電極層の構成を示す説明図。
【図５】第４実施例におけるカソード電極層の構成を示す説明図。
【図６】第４実施例におけるカソード電極層の構成を示す説明図。
【図７】第５実施例におけるチューブ型膜電極接合体の構成を示す概略図。
【図８】第６実施例における燃料電池スタックの構成を示す概略図。
【図９】第７実施例における水素分離膜電池の構成を示す概略図。
【符号の説明】
【０１１０】
１０…電解質膜
１１…カソード電極層
１１ａ…第１の層
１１ｂ…第２の層
１１ｃ…高温部位
１１ｄ…低温部位
１２…アノード電極層
８０ａ、８０ｂ…単セル
８０ｃ…燃料電池スタック
８０ｃａ…高温単セル群
８０ｃｂ…低温単セル群
９０…水素分離膜電池
９１…水素分離膜
９２…支持部材
９２ｈ…貫通孔
９３ａ…アノードガス流路
９３ｃ…カソードガス流路
１００…膜電極接合体
１００ａ〜ｊ…膜電極接合体
Ｂ１…電極層と電解質膜との界面
Ｂ２…第１の層と第２の層との界面
Ｅａ…界面における電子導電率
Ｅａｖｇ…平均電子導電率
Ｅｂ…外面における電子導電率
Ｅｃ…最も高い電子導電率
Ｍａ…界面における融点
Ｍａｖｇ…平均融点
Ｍｂ…外面における融点
Ｍｃ…最も高い融点
ＳＰ、ＳＰ１、ＳＰ２…セパレータ
【図１】
2008034293.tif 000003
【図２】
2008034293.tif 000004
【図３】
2008034293.tif 000005
【図４】
2008034293.tif 000006
【図５】
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【図６】
2008034293.tif 000008
【図７】
2008034293.tif 000009
【図８】
2008034293.tif 000010
【図９】
2008034293.tif 000011