JP2014035823A - 燃料電池用電極、燃料電池用電極の製造方法及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】反応抵抗や電気抵抗を低減して、発電性能を向上させ得る燃料電池用電極、燃料電池用電極の製造方法及び燃料電池。
【解決手段】電解質１１と該電解質１１を狭持する一対の電極１３とを有する単セル１０と、インターコネクタ２０とを備え、該単セル１０と該インターコネクタ２０とが積層された構造を有する燃料電池１に用いられる燃料電池用電極Ａおよび燃料電池用電極Ａを適用した燃料電池１であり、電極１３のインターコネクタ２０側の面上に噴射加工技術により形成した連続した凸形状を有する単数又は複数の導電ライン部材１５を有し、導電ライン部材１５の全部又は一部が、導電性及び多孔性を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池用電極、燃料電池用電極の製造方法及び燃料電池に関する。更に詳細には、本発明は、反応抵抗や電気抵抗を低減して、発電性能を向上させ得る燃料電池用電極、燃料電池用電極の製造方法及び燃料電池に関する。なお、本発明における燃料電池の好適例としては、固体酸化物形燃料電池などの固体電解質型燃料電池を挙げることができる。

固体酸化物形燃料電池においては、電極性能の向上を図るために活性点を増やす場合、細かい電極粒子を用いて、電極表面積を大きくすることが有効であることが知られている。しかしながら、細かい電極粒子を用いて電極表面積を大きくした場合、電極が緻密な構造となり、電極内のガス拡散性が低下し、濃度分極により反応抵抗が生じることも知られている。これに対して、電極を薄くしてガス拡散性の低下を回避することが一般的に行われているが、電極を薄くした場合、電極断面積が減るため、電極面方向の電子パスが減少して、電気抵抗が増加してしまうという問題点があった。

これに対して、従来、燃料極及び空気極と集電体との接触抵抗の増加等による抵抗値の増加を抑え、電池性能が損なわれることを防止可能な固体酸化物形燃料電池が提案されている。この固体酸化物形燃料電池は、電解質を介して、一方面に燃料極、他方面に空気極を配置した構造を持つ電池構造を有し、燃料極上及び空気極上の少なくとも一方に、各々の燃料極及び空気極が露出する露出領域を残しつつ集電体を印刷形成したものである（特許文献１参照。）。

特開２００６−１３９９５５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池にあっては、集電体が電極表面を塞いでしまうため、集電体直下の燃料極や空気極ではガス拡散性が低下して、反応抵抗が生じるという問題点があった。

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る。そして、本発明の目的とするところは、反応抵抗や電気抵抗を低減して、発電性能を向上させ得る燃料電池用電極、燃料電池用電極の製造方法及び燃料電池を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。そして、その結果、燃料電池のインターコネクタ側の面上に、連続した凸形状を有する単数又は複数の導電ライン部材を有し、該単数又は複数の導電ライン部材の全部又は一部が、導電性及び多孔性を有する燃料電池用電極を用いることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の燃料電池用電極は、電解質と該電解質を狭持する一対の電極とを有する単セルと、インターコネクタとを備え、該単セルと該インターコネクタとが積層された構造を有する燃料電池に用いられるものである。
そして、本発明の燃料電池用電極は、上記インターコネクタ側の面上に、連続した凸形状を有する単数又は複数の導電ライン部材を有し、該単数又は複数の導電ライン部材の全部又は一部が、導電性及び多孔性を有する。

また、本発明の燃料電池用電極の製造方法は、上記本発明の燃料電池用電極を製造するに当たり、噴射加工技術を適用する製造方法である。

更に、本発明の燃料電池は、上記本発明の燃料電池用電極を用いたものである。

本発明によれば、燃料電池のインターコネクタ側の面上に、連続した凸形状を有する単数又は複数の導電ライン部材を有し、該単数又は複数の導電ライン部材の全部又は一部が、導電性及び多孔性を有する燃料電池用電極を用いることとした。そのため、反応抵抗や電気抵抗を低減して、発電性能を向上させ得る燃料電池用電極、燃料電池用電極の製造方法及び燃料電池を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用電極の概略を示す斜視図である。 図１に示す燃料電池用電極のＩＩ−ＩＩ線に沿った模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概略を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用電極の概略を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用電極の概略を示す斜視図である。 図５に示す燃料電池用電極のＶ−Ｖ線に沿った模式的な断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用電極の概略を示す斜視図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用電極の概略を示す斜視図である。 図８に示す燃料電池用電極の破線で囲んだ部分の模式的な断面図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用電極の製造方法の要領を示す説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用電極の製造方法によって作製された燃料電池用電極の一例の平面状態を示す走査型電子顕微鏡写真である。 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池用電極の製造方法の要領を示す説明図である。 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池用電極の製造方法によって作製された燃料電池用電極の一例の断面状態を示す走査型電子顕微鏡写真である。

以下、本発明の燃料電池用電極、燃料電池用電極の製造方法及び燃料電池について詳細に説明する。

まず、本発明の一実施形態に係る燃料電池用電極について詳細に説明する。本実施形態の燃料電池用電極は、電解質と電解質を狭持する一対の電極とを有する単セルと、インターコネクタとを備え、単セルとインターコネクタとが積層された構造を有する燃料電池に用いられるものである。
そして、本実施形態の燃料電池用電極は、インターコネクタ側の面上に、連続した凸形状を有する単数又は複数の導電ライン部材を有し、単数又は複数の導電ライン部材の全部又は一部が、導電性及び多孔性を有するものである。

このような構成とすることにより、導電ライン部材が導電性を有するため、電極の面方向の導電性を確保して、電気抵抗を低減すると共に、導電ライン部材が多孔性を有するため、導電ライン部材直下における電極内での反応抵抗を低減することができる。

なお、本発明においては、導電ライン部材の導電性は電極の導電性と同等又はそれより高いことが好ましいが、これに限定されるものではない。導電性は、例えば四端子法により得られた抵抗値を基準にして規定してもよい。また、本発明においては、導電ライン部材の多孔性は電極の多孔性と同等又はそれより高いことが好ましいが、これに限定されるものではない。多孔性は、例えばガーレー式透気度試験機などを用いて得られた値を基準に規定してもよい。

また、本実施形態の燃料電池用電極は、導電ライン部材が、インターコネクタ側の面上で、一の導電ライン部材と他の導電ライン部材とが交差する構造を有することが好ましい。

このような構成とすることにより、導電ライン部材の一部に欠損があっても、電極の面方向に導電ライン部材が電気的に接続されているため、導電性を確保することができる。

更に、本実施形態の燃料電池用電極は、導電ライン部材が、第一導電ライン部材と第一導電ライン部材のインタコネクタ側に位置する第二導電ライン部材とからなり、第二導電ライン部材の導電性が、第一導電ライン部材の導電性より高いことが好ましい。、

このような構成とすることにより、電気抵抗を更に低減することができる。

また、本実施形態の燃料電池用電極は、導電ライン部材が、第一導電ライン部材と第一導電ライン部材のインタコネクタ側に位置する第二導電ライン部材とからなり、第二導電ライン部材の導電性が、第一導電ライン部材の導電性より高く、導電ライン部材が、第一導電ライン部材上に第二導電ライン部材が積層された構造を有し、導電ライン部材が、インターコネクタ側の面上で、一の導電ライン部材と他の導電ライン部材とが交差する構造を有することが好ましい。

このような構成とすることにより、第一導電ライン部材の一部に欠損があっても、電極の面方向に導電ライン部材が電気的に接続されているため、導電性を確保することができる。

更に、本実施形態の燃料電池用電極は、導電ライン部材が、第一導電ライン部材と第一導電ライン部材のインタコネクタ側に位置する第二導電ライン部材とからなり、第二導電ライン部材の導電性が、第一導電ライン部材の導電性より高く、導電ライン部材が、第一導電ライン部材のうちの一の第一導電ライン部材と他の第一導電ライン部材とが第二導電ライン部材で接合された構造を有することが好ましい。

このような構成とすることにより、第一導電ライン部材の電極表面に占める割合が少なくなった場合でも、第二導電ライン部材によって、電極の面方向に導電ライン部材が電気的に接続されているため、導電性を担保することができる。また、第二導電ライン部材の間隔を詰めることも可能であるため、電極の面方向における導電性をより担保できる。

次に、本発明の一実施形態に係る燃料電池について詳細に説明する。本実施形態の燃料電池は、上述した本発明の一実施形態に係る燃料電池用電極を用いたものである。なお、本発明において「燃料電池」とは、単セルを１つ有するものや、単セルを複数有するもの（スタック構造体）を含む意味に解釈しなければならない。

このような構成とすることにより、導電ライン部材直下の電極を有効に利用することができ、反応抵抗や電気抵抗を低減して、発電性能を向上させることができる。

次に、本発明の一実施形態に係る燃料電池用電極の製造方法について詳細に説明する。本実施形態の燃料電池用電極の製造方法は、上述した本発明の一実施形態に係る燃料電池用電極を製造するに当たり、噴射加工技術を適用する製造方法である。

このような技術を適用することにより、様々な原料を用いて最適な形成を簡素な工程で作製することができる。そのため、製造コストを低減することができる。

以下、本発明の若干の実施形態に係る燃料電池用電極、燃料電池用電極の製造方法及び燃料電池について、燃料電池の一例である固体酸化物形燃料電池の場合を例に挙げて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施形態で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用電極及び燃料電池について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用電極の概略を示す斜視図である。また、図２は、図１に示す燃料電池用電極のＩＩ−ＩＩ線に沿った模式的な断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態の燃料電池用電極Ａは、電解質１１と該電解質１１を狭持する一対の電極１３（他方は図示せず。）とを有する単セルにおける電極の少なくとも一方である。そして、電極１３において、詳しくは後述するインターコネクタ側の面上には、連続した凸形状を有する導電ライン部材１５が形成されている。また、この導電ライン部材１５の全部又は一部は、導電性及び多孔性を有している。

このような導電性を有する導電ライン部材を設けた構造を有することにより、電子は電極１３内だけでなく、導電ライン部材１５内も移動することができるため、電極１３の面方向に移動することが容易になる。すなわち、電子パスの断面積を増加させることによって、電気抵抗の低減が可能になる。

また、このような多孔性を有する導電ライン部材を設けた構造を有することにより、燃料ガスは導電ライン部材１５内を拡散して、導電ライン部材１５直下の電極１３に供給される。すなわち、燃料ガスのガス拡散性の低下や濃度分極発生による反応抵抗を低減することができる。なお、図示しないが、本発明は、酸化剤ガスが供給される電極（カソード）に適用することもでき、燃料ガスが供給される電極（アノード）及び酸化剤ガスが供給される電極（カソード）の双方に適用することもでき、これらのような場合も、本発明の範囲に含まれる。

このように反応抵抗や電気抵抗を低減して、燃料電池の発電性能を向上させ得る燃料電池用電極となる。

このような導電ライン部材は、スクリーン印刷法を適用して作製することが好ましい。例えば、スクリーン印刷法やスラリーコーティング法、テープキャスティング法、ドクターブレード法などの湿式成膜法を適用して、電解質と電解質を狭持する一対の電極を有する単セルを形成し、更に、スクリーン印刷法を適用して、電極上に導電ライン部材を形成すればよい。なお、作製方法としては、スクリーン印刷法に限定されるものではなく、例えば、パウダージェットデポジション法、ウォームスプレー法、サーマルスプレー法、エアロゾルデポジション法、コールドスプレー法などの噴射加工技術を適用して作製することができる。これらの中でも、スクリーン印刷法やエアロゾルデポジション法を適用することが特に好ましい。

ここで、電解質１１としては、電子を通さずにイオンを通す性能を有し、酸化物イオンが発電の導体である場合には、酸化物イオンの導電特性が大きいことが好ましい。また、電解質に要求される特性として、ガス不透過性であることが挙げられる。電解質の材料としては、一般的な、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）や酸化ネオジム（Ｎｄ_２Ｏ_３）、酸化サマリウム（Ｓｍ_２Ｏ_３）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_３）、酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）などを固溶した安定化ジルコニアが用いられる他、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）系固溶体や酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）、ランタンガリウム酸化物（ＬａＧａＯ_３）などの酸化物粒子が用いられる。

また、電極１３のうち、カソードの材料としては、銀（Ａｇ）や白金（Ｐｔ）などの金属系粒子が用いられる場合もあるが、一般的には、ランタンストロンチウムマンガン酸化物（ＬＳＭ）やランタンストロンチウムコバルト酸化物（ＬＳＣ）に代表されるペロブスカイト型酸化物粒子が用いられる。この空気極に要求される特性としては、酸化雰囲気に強く、酸化剤ガスを透過し、電気伝導度が高く、酸素分子を酸素イオンに変換する触媒作用に優れていることが挙げられる。

一方、電極１３のうち、アノードの材料としては、ニッケル（Ｎｉ）やコバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）などの貴金属や、ニッケル（Ｎｉ）と固体電解質のサーメットなどが一般的に用いられる。この燃料極に要求される特性としては、還元雰囲気に強く、燃料ガスを透過し、電気伝導度が高く、水素分子をプロトンに変換する触媒作用に優れていることが挙げられる。

更に、導電ライン部材１５の材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）などの金属や酸化物、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）などの酸化物、ランタンカルシウムマンガン酸化物（（Ｌａ，Ｃａ）ＭｎＯ_３））、ランタンストロンチウムマンガン酸化物（（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３）、プラセオジムストロンチウムマンガン酸化物（（Ｐｒ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３）、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物（（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３）、ランタンストロンチウムマンガンコバルト酸化物（（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｍｎ，Ｃｏ）Ｏ_３）、ランタンストロンチウムマンガンクロム酸化物（（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｍｎ、Ｃｒ）Ｏ_３）、ランタンストロンチウムコバルト酸化物（（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３）、ランタンカルシウムコバルト酸化物（（Ｌａ，Ｃａ）ＣｏＯ_３）、プラセオジムコバルト酸化物（ＰｒＣｏＯ_３）、ランタンニッケルビスマス酸化物（Ｌａ（Ｎｉ，Ｂｉ）Ｏ_３）、インジウムスズ酸化物（（Ｉｎ，Ｓｎ）_２Ｏ_３）、インジウムジルコニウム酸化物（（Ｉｎ，Ｚｒ）Ｏ_２）、酸化ルテニウム／酸化ジルコニウム（ＲｕＯ_２／ＺｒＯ_２）などのペロブスカイト型酸化物、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ベリリウム（Ｂｅ）、炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、セシウム（Ｃｓ）、レニウム（Ｒｅ）、銅（Ｃｕ）などの金属、これらの金属の少なくとも１つを含む合金、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、テルル（Ｔｅ）、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、コバルト（Ｃｏ）、ニオブ（Ｎｂ）の少なくとも１つと銀（Ａｇ）との合金、炭化タリウム（ＴａＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、ケイ化チタン（ＴｉＳｉ_２）、ケイ化タングステン（ＷＳｉ_２）、ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）、ホウ化チタン（ＴｉＢ_２）、ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）、ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）などの炭化物や窒化物、ケイ化物、ホウ化物などを挙げることができる。これらは１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概略を示す説明図である。なお、図３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれインターコネクタ、単セル及びインターコネクタの平面状態を示す説明図であり、図３（ｄ）は、燃料電池をインターコネクタ、単セル及びインターコネクタに分解したときの断面状態を示す説明図である。なお、上記実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。

図３に示すように、燃料電池１において、単セル１０とインターコネクタ２０とはスペーサＳを介して積層された構造を有する。なお、単セル１０及びインターコネクタ２０には、燃料ガスや酸化剤ガス、更には必要に応じて用いられる水などの冷媒を通すためのマニホールド（１０ａ、２０ａ）が設けられている。

そして、上述したようにスクリーン印刷法を適用して、電解質１１と該電解質１１を狭持する一対の電極１３（なお、上側がカソード、下側がアノードである。）とを有する単セル１０において、一対の電極１３のインターコネクタ２０側の面上に、連続した凸形状を有する複数の導電ライン部材１５が形成されている。

一方、インターコネクタ２０には、ガス流れ方向と平行に凸部２２が設けられている。なお、このインターコネクタに要求される特性としては、単セルからの出力を取り出すと共に、燃料ガスと酸化剤ガスの分離を行うことができれば、特に限定されるものではない。インターコネクタとしては、従来公知のものを適宜選択して適用することができる。

そして、単セル１０とインターコネクタ２０とがスペーサＳを介して積層されて燃料電池を形成する際に、単セル１０の電極１３における導電ライン部材１５が、インターコネクタ２０の凸部２２と交差するように接触することによって、電子は電極１３の面方向に移動することが容易になり、電気抵抗の低減が可能になる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用電極について図面を参照しながら詳細に説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用電極の概略を示す斜視図である。なお、第２の実施形態に係る燃料電池用電極及び燃料電池においては、電極の構成以外は、第１の実施形態と同様であるので重複する説明は省略する。

図４に示すように、本実施形態の燃料電池用電極Ｂは、導電ライン部材１５が、インターコネクタ（図示せず）側の面上で、一の導電ライン部材１５ａと他の導電ライン部材ｂとが直交や筋交いで交差する構造を有するという相違点を有している。

このような構造を有することにより、導電ライン部材の一部に欠損があっても、電極の面方向に導電ライン部材が電気的に接続されているため、導電性を確保することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用電極について図面を参照しながら詳細に説明する。図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用電極の概略を示す斜視図である。また、図６は、図５に示す燃料電池用電極のＶＩ−ＶＩ線に沿った模式的な断面図である（但し、電気抵抗や反応抵抗の説明のため、複数の導電ライン部材を描いている。）。なお、第３の実施形態に係る燃料電池用電極及び燃料電池においては、電極の構成以外は、第１の実施形態と同様であるので重複説明は省略する。

図５及び図６に示すように、本実施形態の燃料電池用電極Ｃは、導電ライン部材１５が、第一導電ライン部材１７と第一導電ライン部材１７のインタコネクタ（図示せず）側に位置する第二導電ライン部材１９とからなり、第二導電ライン部材１９の導電性が、第一導電ライン部材１７の導電性より高いという関係を有しているという相違点を有している。

このような構造を有することにより、電気抵抗を更に低減することができる。更に、図６に示すように、第一導電ライン部材１７が多孔性を有し、導電ライン部材直下まで燃料ガスが拡散でき、燃料ガスのガス拡散性の低下や濃度分極発生による反応抵抗を低減することができるため、第二導電ライン部材は緻密性を有するもの（緻密体）であってもよい。なお、図示しないが、第二導電ライン部材が多孔性を有するもの（多孔体）であってもよい。このときは、例えばインターコネクト側から単セルに応力が発生した場合、多孔度の高い導電ライン部材が潰れることにより、単セルの破損を抑制できる。このような第二導電ライン部材は、例えば、第一導電ライン部材を構成する材料より導電性が高い材料を用いて、スクリーン印刷法を適用して作製することができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用電極について図面を参照しながら詳細に説明する。図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用電極の概略を示す斜視図である。なお、第４の実施形態に係る燃料電池用電極及び燃料電池においては、電極の構成以外は、第１の実施形態と同様であるので重複説明は省略する。

図７に示すように、本実施形態の燃料電池用電極Ｄは、導電ライン部材１５が、第一導電ライン部材１７と第一導電ライン部材１７のインタコネクタ（図示せず）側に位置する第二導電ライン部材１９とからなり、第一導電ライン部材１７上に第二導電ライン部材１９が積層された構造を有し、第二導電ライン部材１９の導電性が、第一導電ライン部材１７の導電性より高いという関係を有し、インターコネクタ（図示せず）側の面上で、一の導電ライン部材（１７ａ、１９ａ）と他の導電ライン部材（１７ｂ、１９Ｂ）とが交差する構造を有するという相違点を有している。

このような構造を有することにより、導電ライン部材の一部に欠損があっても、電極の面方向に導電ライン部材が電気的に接続されているため、導電性を確保することができると共に、電気抵抗を更に低減することができる。また、燃料ガスや酸化剤ガスのガス流れを乱流とすることができるため、ガス拡散を調整して、熱だまりを抑制し、単セルにおける温度分布を均一化することができる。更に、図７に示すように、第一導電ライン部材１７が多孔性を有し、燃料ガスのガス拡散性の低下や濃度分極発生による反応抵抗を低減することができるため、第二導電ライン部材は緻密性を有するもの（緻密体）であってもよい。なお、図示しないが、第二導電ライン部材が多孔性を有するもの（多孔体）であってもよい。このときは、例えばインターコネクト側から単セルに応力が発生した場合、多孔度の高い導電ライン部材が潰れることにより、単セルの破損を抑制できる。また、本実施形態の燃料電池用電極は、第３の実施形態の燃料電池用電極と同様の工程を経て作製することができる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用電極について図面を参照しながら詳細に説明する。図８は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用電極の概略を示す斜視図である。また、図９は、図８に示す燃料電池用電極の破線で囲んだ部分の模式的な断面図である。なお、第５の実施形態に係る燃料電池用電極及び燃料電池においては、電極の構成以外は、第１の実施形態と同様であるので重複説明は省略する。

図８及び図９に示すように、本実施形態の燃料電池用電極Ｅは、導電ライン部材１５が、第一導電ライン部材１７と第一導電ライン部材１７のインタコネクタ（図示せず）側に位置する第二導電ライン部材１９とからなり、第二導電ライン部材１９の導電性が、第一導電ライン部材１７の導電性より高いという関係を有し、第一導電ライン部材１７のうちの一の第一導電ライン部材１７ａと他の第一導電ライン部材１７ｂとが第二導電ライン部材１９で接合された構造を有するという相違点を有している。

このような構造を有することにより、第一導電ライン部材の電極表面に占める割合が少なくなった場合でも、第二導電ライン部材によって、電極の面方向に導電ライン部材が電気的に接続されているため、導電性を担保することができる。また、第二導電ライン部材の間隔を詰めることも可能であるため、電極の面方向における導電性をより担保できる。更に、燃料ガスや酸化剤ガスのガス流れを層流とすることができるため、ガス拡散を調整して、熱だまりを抑制し、単セルにおける温度分布を均一化することができる。更にまた、図８及び図９に示すように、第一導電ライン部材１７が多孔性を有し、燃料ガスのガス拡散性の低下や濃度分極発生による反応抵抗を低減することができるため、第二導電ライン部材は緻密性を有するもの（緻密体）であってもよい。なお、図示しないが、第二導電ライン部材が多孔性を有するもの（多孔体）であってもよい。このときは、例えばインターコネクト側から単セルに応力が発生した場合、多孔度の高い導電ライン部材が潰れることにより、単セルの破損を抑制できる。また、本実施形態の燃料電池用電極は、後述する第７の実施形態に係る燃料電池用電極の製造方法によって作製することができる。

（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用電極の製造方法について図面を参照しながら詳細に説明する。図１０は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用電極の製造方法の要領を示す説明図である。また、図１１は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用電極の製造方法によって作製された燃料電池用電極の一例の平面状態を示す走査型電子顕微鏡写真である。なお、本実施形態の燃料電池用電極の製造方法は、上記本発明の第１〜４の実施形態に係る燃料電池用電極の製造方法の一例である。

図１０に示すように、減圧された状態ないし真空状態の雰囲気下、エアロゾルデポジション装置の噴射ノズル５０から電極構成粒子３１を電解質１１上に噴射する（図１０（ａ）参照。）。次いで、更に導電ライン部材構成粒子３３又は電極構成粒子３１を電解質１１上に形成された電極１３上に噴射する。このとき、ノズルの出口幅を狭くする（図１０（ｂ）参照。）。このようにして、本発明の一実施形態に係る燃料電池用電極を得ることができる（図１０（ｃ）参照。）。また、図示しないが、導電ライン部材が第一導電ライン部材と第二導電ライン部材とから構成される場合は、更にこの操作を繰り返すことによって、所望の燃料電池用電極を得ることができる。また、このような操作を複数回繰り返す、又は複数箇所で同時に行うことなどにより、所定の燃料電池用電極を得ることができる。更に、形成された導電ライン部材において、剛性が要求される場合には、更に焼成処理を実施してもよい。

このように、電極構成粒子や導電ライン部材構成粒子を電解質に噴射することなどによって、所定の燃料電池用電極を形成することにより、０．１μｍ以上１０００μｍ以下のようなμｍ単位の微細な構造を有する燃料電池用電極を作製することができる。

なお、エンドミルやスパッタリング、放電加工等の研磨や研削によって、μｍ単位の微細な構造を有する燃料電池用電極を作製することは困難である。一方、上記のように、電極構成粒子や導電ライン部材構成粒子を噴射することとすれば、比較的簡素な工程により、燃料電池用電極を作製することができる。

電極構成粒子や導電ライン部材構成粒子を噴射する際には、これらをヘリウム（Ｈｅ）や窒素（Ｎ_２）などのキャリアガスと混合して最適な流速を持たせて、不活性雰囲気や真空雰囲気などの適切な雰囲気下、電解質に噴射するガスデポジション法を適用することが好ましい。なお、電極構成粒子や導電ライン部材構成粒子の噴射に際して適用するこのようなガスデポジション法としては、エアロゾルデポジション法、パウダーデポジション法、ウォームスプレー法、サーマルスプレー法、コールドスプレー法などがある。

（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池用電極の製造方法について図面を参照しながら詳細に説明する。図１２は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池用電極の製造方法の要領を示す説明図である。また、図１３は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池用電極の製造方法によって作製された燃料電池用電極の一例の断面状態を示す走査型電子顕微鏡写真である。なお、本実施形態の燃料電池用電極の製造方法は、上記本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用電極の製造方法の一例である。

図１２に示すように、減圧された状態ないし真空状態の雰囲気下、電解質１１と所定の間隙αを設けて導電ライン形成用部材４０を配置し、ガスデポジション装置の噴射ノズル５０から電極構成粒子３１、必要に応じて途中から導電ライン部材構成粒子を電解質１１上に噴射する（図１２（ａ）参照。）。このようにして、本発明の一実施形態に係る燃料電池用電極を得ることができる（図１２（ｂ）参照。）。ここで、所定の間隔αは、導電ライン形成用部材の一例であるワイヤ直径と同等又はそれより大きくすることが好ましい。また、導電ライン部材が第一導電ライン部材と第二導電ライン部材とから構成される場合は、途中で更に導電ライン部材構成粒子の種類を変更することによって、所望の燃料電池用電極を得ることができる。また、このような操作を複数回繰り返す、又は複数箇所で同時に行うことなどにより、所定の触媒構造体を得ることができる。なお、同時に行う場合には、導電ライン形成用部材としてメッシュ状のものを適用することもできる。更に、形成された導電ライン部材において、剛性が要求される場合には、更に焼成処理を実施してもよい。

このように、電解質に対して所定の間隙を設けて導電ライン形成用部材を配置し、更に所定の位置から電極構成粒子、必要に応じて途中から導電ライン部材構成粒子を噴射することなどによって、所定の燃料電池用電極を形成することにより、０．１μｍ以上１０００μｍ以下のようなμｍ単位の微細な構造を有する燃料電池用電極を作製することができる。

以下、本発明を若干の実施例により更に詳細に説明する。

（実施例１）
噴射加工技術を用いて連続した凸形状をした導電ライン部材を作製した。以下に作製手順を示す。本例においては、電解質として酸化イットリウムで安定化した酸化ジルコニウム（ＹＳＺ）板を用い、電極構成粒子としては、ペロブスカイト型酸化物を用いた。

電解質を真空チャンバに入れ、チャンバ内を減圧して、減圧された状態ないし真空状態にした後、ガスデポジション装置の噴霧ノズルを電解質の上部に移動させ、ペロブスカイト型酸化物の粒子を、高速のヘリウム（Ｈｅ）ガス流れに乗せて噴射することにより、電極を作製した。

次いで、導電ライン部材を作製するため、噴霧ノズル条件を変更し、導電ライン部材が多孔性、且つライン状になるように電極へ噴霧を実施した。

噴霧後、チャンバ内を常圧に戻して、本例の燃料電池用電極を得た。断面を観察することによって、導電ライン部材は多孔性であることを確認した。また、得られた燃料電池用電極は、電極の表面に連続した凸形状を有する導電ライン部材が形成されている（図１１参照。）。

このような導電性を有する導電ライン部材を設けた構造を有することにより、電子は電極内だけでなく、導電ライン部材内も移動することができるため、電極の面方向に移動することが容易になる。すなわち、電子パスの断面積を増加させることによって、電気抵抗の低減が可能になる。また、このような多孔性を有する導電ライン部材を設けた構造を有することにより、燃料ガスは導電ライン部材内を拡散して、導電ライン部材直下の電極に供給される。すなわち、燃料ガスのガス拡散性の低下や濃度分極発生による反応抵抗を低減することができる。このように反応抵抗や電気抵抗を低減して、燃料電池の発電性能を向上させ得る燃料電池用電極となる。更に、導電ライン部材は、インターコネクタを接触させて集電を行うが、インターコネクタからセル方向に応力が発生した場合、導電ライン部材が潰れてセル破損を回避することができるという利点もある。

（実施例２）
実施例１で作製した燃料電池用電極を用いて、本例の燃料電池を作製した（図３参照。）。

単セルとインターコネクタとがスペーサを介して積層して燃料電池を形成する際に、単セルの電極における導電ライン部材とインターコネクタの凸部とを交差するように接触させることによって、電子は電極の面方向に移動することが容易になり、電気抵抗の低減が可能になる。

（実施例３）
導電ライン部材を直交又は筋交いで交差させた構造としたこと以外は、実施例１と同様の操作により、本例の燃料電池用電極を得た（図４参照。）。

電子パスを電極の表面に二次元的に設置することにより、導電ライン部材が潰れても電極の面方向の導電パスを保つ事ができる。また、導電ライン部材の一部に欠損があっても、電極の面方向に導電ライン部材が電気的に接続されているため、導電性を確保することができる。

（実施例４）
本例は、第一導電ライン部材とインターコネクタとの間に、第一導電ライン部材の導電性より高い導電性を有する第二導電ライン部材を配設することによって、電極の面方向の電子移動量を増加させて、電気抵抗の低減を図った例である。以下に作製手順を示す。本例においては、電解質として酸化イットリウムで安定化した酸化ジルコニウム（ＹＳＺ）板を用い、電極構成粒子としてはペロブスカイト型酸化物の粒子を用いた。更に、第二導電ライン部材となる導電ライン形成用部材としてステンレスワイヤを用いた。

電解質上に第二導電ライン部材となるステンレスワイヤを間隙を設けて設置した。電解質とステンレスワイヤの間隙は、少なくてもワイヤ直径と同等か、それ以上の高さとした。

これらを真空チャンバに入れ、チャンバ内を減圧して、減圧された状態ないし真空状態にした後、ガスデポジション装置の噴霧ノズルを電解質と導電ライン形成用部材の上部に移動させ、ペロブスカイト型酸化物の粒子を、高速のヘリウム（Ｈｅ）ガス流れに乗せて噴射することにより電解質と導電ライン形成用部材の間隙に多孔性の第一導電ライン部材を作製した。

噴霧後、チャンバ内を常圧に戻して、本例の燃料電池用電極を得た。得られた燃料電池用電極の断面を観察することにより、第一導電ライン部材が多孔性であると判断した（図１３参照。）。また、第二導電ライン部材はステンレスワイヤであり、第一導電ライン部材より導電性が高く、電極の面方向の電子移動量を増加させて電気抵抗を低減することができる。

更に、図１２に示すように、第二導電ライン部材はステンレスワイヤであるため緻密体であるが、第一導電ライン部材が多孔性であるために、第二導電ライン部材直下の電極面に燃料ガスや酸化剤ガスを供給することができるため、燃料ガスや酸化剤ガスのガス拡散性の低下による反応抵抗を抑制できる。

（実施例５）
導電ライン部材を直交又は筋交いで交差させた構造としたこと以外は、実施例４と同様の操作により、本例の燃料電池用電極を得た（図７参照。）。

このような構成とすることにより、第一導電ライン部材の一部に欠損があっても、電極の面方向に導電ライン部材が電気的に接続されているため、導電性を確保することができる。

（実施例６）
導電ライン部材において、第一導電ライン部材のうちの一の第一導電ライン部材と他の第一導電ライン部材とが第二導電ライン部材で接合された構造を有するとしたこと以外は、実施例３と同様の操作により、本例の燃料電池用電極を得た（図８参照。）。

第二導電ライン部材の下であって、第一導電ライン部材の間に、ガス流路を設けることができるため、発電条件によって、ガス流路の間隔を調整し、ガス流れを層流又は乱流にさせることで、ガス拡散を調整して、熱溜りを防ぎ、温度分布を均一化できる。

以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

上述した各実施形態においては、単セル形状が矩形の場合を例に挙げて説明したが、セル形状が円形の場合も本発明を適用することができる。このとき、図示しないが、導電ライン部材を電極の表面に同心状に設置することが好ましい。この場合、電極は外側に向かって表面積が大きくなるため、単セル面内の電子移動量を均一化するためには、導電ライン部材の間隔を外側に行くほど狭めることが望ましい。なお、図示しないが、セル形状が円形の場合にも、同心状に配置された導電ライン部材に対して交差する別の導電ライン部材を配置することもできる。

例えば、上述した各実施形態に記載した構成は、各実施形態毎に限定されるものではなく、例えば基板と線状突起形成用部材の組合せや、突起における基部や先端部の構成材料の組合せなどの細部を変更したり、各実施形態の構成を上述した各実施形態以外の組合せにしたりすることができる。

１ 燃料電池
１０ 単セル
１０ａ マニホールド
１１ 電解質
１３ 電極
１５，１５ａ，１５ｂ 導電ライン部材
１７，１７ａ，１７ｂ 第一導電ライン部材
１９，１９ａ，１９ｂ 第二導電ライン部材
２０ インターコネクタ
２０ａ マニホールド
２２ 凸部
３１ 電極構成粒子
３３ 導電ライン部材構成粒子
４０ 導電ライン形成用部材
５０ 噴射ノズル
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ 燃料電池用電極
Ｓ スペーサ
α 間隔

Claims (7)

1. 電解質と該電解質を狭持する一対の電極とを有する単セルと、
   インターコネクタと、を備え、
   上記単セルと上記インターコネクタとが積層された構造を有する燃料電池に用いられる燃料電池用電極であって、
   上記インターコネクタ側の面上に、連続した凸形状を有する単数又は複数の導電ライン部材を有し、
   上記単数又は複数の導電ライン部材の全部又は一部が、導電性及び多孔性を有する
   ことを特徴とする燃料電池用電極。
2. 上記導電ライン部材が、上記インターコネクタ側の面上で、一の導電ライン部材と他の導電ライン部材とが交差する構造を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極。
3. 上記導電ライン部材が、第一導電ライン部材と該第一導電ライン部材の上記インタコネクタ側に位置する第二導電ライン部材とからなり、
   上記第二導電ライン部材の導電性が、上記第一導電ライン部材の導電性より高い、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用電極。
4. 上記導電ライン部材が、上記第一導電ライン部材上に上記第二導電ライン部材が積層された構造を有し、
   上記導電ライン部材が、上記インターコネクタ側の面上で、一の導電ライン部材と他の導電ライン部材とが交差する構造を有する
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用電極。
5. 上記導電ライン部材が、上記第一導電ライン部材のうちの一の第一導電ライン部材と他の第一導電ライン部材とが上記第二導電ライン部材で接合された構造を有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用電極。
6. 請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の燃料電池用電極を用いたことを特徴とする燃料電池。
7. 請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の燃料電池用電極を製造するに当たり、
   噴射加工技術を適用することを特徴とする燃料電離用電極の製造方法。

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