(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極層を積層して成る電極構造体であって、
各電極層内には、略同一形状を備えた電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相が規則的にパターン成形されており、上記３相が共通の接触点を有していることを特徴とする電極構造体。
【請求項２】
１の電極層内の電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相のうちの任意の１相と、この電極層に接触する他の電極層内の電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相とが接触していることを特徴とする請求項１に記載の電極構造体。
【請求項３】
上記ガス拡散相が、該電極構造体の表面から裏面まで、電極層の積層方向に連通していることを特徴とする請求項１又は２に記載の電極構造体。
【請求項４】
電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相のそれぞれが、略円形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の電極構造体。
【請求項５】
電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相が互いに接した状態にパターン成形されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の電極構造体。
【請求項６】
電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相のそれぞれが、正多角形状であることを特徴とする請求項５に記載の電極構造体。
【請求項７】
電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相のそれぞれが、正六角形状であることを特徴とする請求項５に記載の電極構造体。
【請求項８】
電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相のそれぞれが、正三角形状であることを特徴とする請求項５に記載の電極構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極構造体に係り、更に詳細には、三種の材料をパターン形成して積層することによって、従来の電極より三相界面を増大させた電極構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池用燃料極として、以下のようなものが知られている。
例えば、図１に示すように、金属粉体等３と、該金属粉体等の表面に付着された混合伝導性複合酸化物粉体４とからなる被覆型複合粉体を素材として得られた固体電解質形燃料電池用燃料極２が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特願２００２−３２５７２７号公報
【０００３】
この燃料極２は、金属粒子としてのニッケル（Ｎｉ）粒子同士が互いに接触し合うとともに、Ｎｉ粒子の表面に付着された混合伝導性複合酸化物粒子としてのＳＤＣ粒子同士が互いに接触し合うような組織構造を有する。
【０００４】
また、図２に示すように、酸素イオン導電性を有する酸化物４と電極活性を有する金属３とからなる固体電解質形燃料電池の燃料電極２が提案されており、酸化物４の表面に金属３を吸着している（特許文献２参照）。
【特許文献２】特開平１０−１４４３３７号公報
【０００５】
更に、図３に示すように、酸化物粉末４と同程度の粒径を有する金属（金属酸化物）粉末５とが混合して分散され、酸化物粉末４の表面には該酸化物粉未４よりも粒径の小さい金属（金属酸化物）微粒子３が保持された構造を有する燃料極２が提案されている（特許文献３参照）。
【特許文献３】特開平１１−２１９７１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述のような従来技術の場合は、電子伝導性粒子、イオン伝導性粒子の二相界面は増えるが、気孔は必ずしも二相界面と接触していないため、結果として三相界面の数の増加が確実でなく、効率的なネットワークの作製が困難であった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、６００℃程度の低温域においても、反応場面積及びガス拡散パス、導電特性を十分に確保して十分な電極性能を発揮する電極構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相の３種をより多くの接触点を有するように設けることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、本発明の電極構造体は、複数の電極層を積層して成る電極構造体であって、各電極層内には、略同一形状を備えた電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相が規則的にパターン成形されており、上記３相が共通の接触点を有していることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の電極構造体の好適形態は、１の電極層内の電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相のうちの任意の１相と、この電極層に接触する他の電極層内の電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相のうちの当該任意の１相と異なる２相とが接触していることを特徴とする。
【００１１】
更に、本発明の電極構造体の他の好適形態は、上記ガス拡散相が、該電極構造体の表面から裏面まで、電極層の積層方向に連通していることを特徴とする。
【００１２】
更にまた、本発明の電極構造体の更に他の好適形態は、電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相が、互いに接した状態にパターン成形されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相の３種をより多くの接触点を有するように設けることとしたため、６００℃程度の低温域においても、反応場面積及びガス拡散パス、導電特性を十分に確保して十分な電極性能を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の電極構造体について詳細に説明する。なお、本特許請求の範囲及び本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。
【００１５】
上述の如く、本発明の電極構造体は、複数の電極層を積層して成る。
また、各電極層には、電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相が、共通の接触点を有するように配設されている。例えば、図４に示すように積層することができる。
【００１６】
これより、三種の材料が共通の接触点を有するので、従来の電極より、電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相が接触する三相界面が確実に且つ連続して形成されるので、高性能な電極が構成できる。
【００１７】
ここで、上記電子伝導相の材料としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｒｕなどを使用できる。
また、上記イオン伝導相の材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、サマリウムドップセリア（ＳＤＣ）、スカンジウムドップジルコニア（ＳｃＳＺ）などを使用できる。
更に、上記ガス拡散相を形成させるための材料（ガス拡散層材料は加熱することよって、消失するため、結果として空孔が形成される）としては、例えば、カーボン、ポリマー系材料などを使用できる。
【００１８】
更にまた、上記ガス拡散相は、１００ｎｍ〜５μｍ程度の細孔を有することが望ましい。
なお、上記三相界面は、厳密には、電極材料（電子伝導相及びイオン伝導相）とガス拡散相を流通するガス（燃料極では水素などの還元性ガス、空気極では酸素などの酸化性ガス）との接触部位である。
【００１９】
本電極構造体は、燃料極、空気極のどちらにも適用できる。特に、空気極に使用するときは、電子伝導相にはイオン伝導材料、イオン伝導相には電子伝導材料を混合することができる。
また、本電極構造体を燃料電池に適用するときは、電解質は特に限定されず、任意の材料を使用できる。
【００２０】
また、本電極構造体においては、電極層の積層は、１の電極層（Ａ）内の電子伝導相（Ａ１）、イオン伝導相（Ａ２）及びガス拡散相（Ａ３）のうちの任意の１相と、この電極層（Ａ）に接触する他の電極層（Ｂ）内の電子伝導相（Ｂ１）、イオン伝導相（Ｂ２）及びガス拡散相（Ｂ３）とが接触していることが好適である。
例えば、上記電極層Ａの電子伝導相Ａ１であれば、上層又は下層である電極層Ｂの電子伝導相Ｂ１、イオン伝導相Ｂ２及びガス拡散相Ｂ３と接触していることになる。
【００２１】
このときは、三相界面が、積層方向における全ての切断面にもれなく形成されることとなるため、三相界面をより増大できる。これより、膜厚方向（積層方向）に三相界面のネットワークをより多く構成できる。言い換えれば、単層時の三相の接触点が拡大されて接触線、接触面がよく多く形成され得る。
【００２２】
このような積層構造を形成するには、下層となる電極層に対して、上層となる電極層を、X軸方向のみ、Ｙ軸方向のみ、又は双方向へ同時に変位させて積層すれば良い。
なお、電極層の各相が必ず上下の電極層の三相（電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相）と部分的に接触している限り、公知のパターン成形法を利用して作製できる。
例えば、インクジェット法、スプレー法、スパッタリング法、スクリーン印刷法などを利用して積層できる。
【００２３】
ここで、上記ガス拡散相は、該電極構造体の表面から裏面まで、電極層の積層方向に連通していることが好適である。
この場合は、電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相が良好な分散性で構成され得るので、膜厚方向へ各相のネットワークが増大し得る。また、電極反応の均一性及び電極構造体の耐久性も良好となり得る。
【００２４】
また、電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相は、略同一形状であり且つ規則的に配設されていることが好適である。
このときは、三相界面の形成が膜厚方向において形成しやすく、電極反応の均一性が良好となり得る。
【００２５】
例えば、電極構造体の各相は、図５のような規則的な配置構成とすることができる。
なお、本発明においては、各相の形状は、三相の共通の接触点が連続的に平面方向、膜厚方向へ繋がるのであれば、相互に異なる形状でもよいことは言うまでもない。
【００２６】
代表的には、電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相のそれぞれが、正多角形状（正三角形、正方形、正五角形、正六角形など）であることが好適である。
【００２７】
特に、積層の簡易性、電極反応の均一性の観点からは、図５に示すように、電子伝導相１、イオン伝導相２及びガス拡散相３のそれぞれが、正六角形状であることが良い。
また、同様の理由から、各相は正三角形状であることが良い。
更に、同様の理由から、図６に示すように、各相は略円形状（正円形に限定されない）であっても良い。
【００２８】
また、本発明の電極構造体は、電子伝導相、イオン伝導相及びガス拡散相を構成する材料の他、バインダー、分散剤、溶剤などを添加できる。
上記バインダーとしては、例えば、メチルセルロース、エチルセルロース、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルブチラールなどを適宜使用できる。
上記分散剤としては、例えば、ポリカルボン酸アンモニウム塩、ポリカルボン酸アミン塩、各種活性剤などを適宜使用できる。
上記溶剤としては、例えば、水などに加え、例えばアルコール、トルエン、キシレン、メチルエチルケトン、テレピン油などの有機溶媒などを適宜使用できる。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳述するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３０】
（実施例１）
図７に示すように、電子伝導相材料を被覆する部位以外にマスキングパターンを施し、スパッタ法によってＳＯＦＣセルの電解質上に電子伝導相を作製した。同様の方法により、図８，９に示すように、イオン伝導相及びガス拡散相を作製し、図１０に示すパターン形状を有する第１の電極層を得た。
【００３１】
各相のパターン形状は、一片の長さが１５μｍの正六角形とし、電極構造体の膜厚は０．１μｍとした。
また、電子伝導相材料にはニッケル（Ｎｉ）を用いた。イオン伝導相材料にはイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた。ガス拡散相系形成材料にはカーボンを用いた。
【００３２】
第１の電極層と同様の操作を繰返して、当該電極層から１５μｍずらした位置に第２の電極層を作製した。
その後、６００℃の熱処理でカーボンの一部を飛ばし、ガス拡散相に気孔を形成し、図１１に示すような電極構造体を得た。
【００３３】
（実施例２）
インクジェット法によって、各相を一片の長さが５μｍの正六角形で形成し、膜厚を０．５μｍとして、第１の電極層を得た。
具体的には、３つのノズルから、それぞれ図１０のパターンになるように、Ｎｉ、ＹＳＺ、カーボンの微粒子からなるインクを吐出し、パターン印刷を行った。
【００３４】
第１の電極層と同様の操作を繰返して、当該電極層から５μｍずらした位置に第２の電極層を作製した。
その後、８００℃の熱処理でカーボンの一部を飛ばし、ガス拡散相に気孔を形成し、図１１に示すような電極構造体を得た。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来の燃料電池用電極の一例を示す断面概略図である。
【図２】従来の燃料電池用電極の他の例を示す断面概略図である。
【図３】従来の燃料電池用電極の更に他の例を示す断面概略図である。
【図４】電極構造体の一例を示す概略図、及びそのＡ−Ａ断面図である。
【図５】電極層の一例を示す概略図である。
【図６】電極層の他の例を示す概略図である。
【図７】Ｎｉ（電子伝導相）の被覆工程を示す概略図である。
【図８】ＹＳＺ（イオン伝導相）の被覆工程を示す概略図である。
【図９】カーボン（ガス拡散相）の被覆工程を示す概略図である。
【図１０】実施例で得た電極層を示す概略図である。
【図１１】２つの電極層から成る電極構造体を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  電子伝導相
２  イオン伝導相
３  ガス拡散相
４  Ｎｉ（電子伝導相）
５  ＹＳＺ（イオン伝導相）
６  カーボン（ガス拡散相）
１０  マスキングパターン
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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