JP6729586B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。
本出願は、２０１５年７月１６日出願の日本出願第２０１５−１４２２８８号、２０１６年１月２９日出願の日本出願第２０１６−０１６６８５号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気（酸素）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（以下、ＳＯＦＣと称する）は、反応速度が速いため、有望視されている。ＳＯＦＣには、固体酸化物を含む電解質層が、セラミックス（焼結体）により形成される２枚の電極で挟まれて一体化されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜−電極接合体）が使用される。すなわち、ＭＥＡ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。

通常、大きな電力を得るために、複数のＭＥＡが積層されて配置されている。ＭＥＡ同士の間には、燃料ガスと空気とを分離するインターコネクタ（セパレータ）が配置される。インターコネクタは、発生した電流を外部へ取り出すための集電機能も有する。

燃料電池には、ＭＥＡに燃料ガスあるいは空気を供給するため、ＭＥＡに隣接するガス流路が必要とされる。ガス流路を確保するために、例えば特許文献１では、ＭＥＡとインターコネクタとの間にエキスパンドメタルが配置されている。特許文献２は、インターコネクタに、エッチング等によりガス流路となるディンプルを形成する方法を教示している。

特開２００７−２５０２９７号公報 国際公開第２００３／１２９０３号パンフレット

本発明の一局面は、カソード、アノード、および、前記カソードおよび前記アノードの間に介在する固体電解質層を備えており、前記固体電解質層がイオン伝導性を有する固体酸化物を含む、ＭＥＡと、前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方に隣接し、かつ、三次元網目状の骨格を有する少なくとも１つの第１金属多孔体と、前記第１金属多孔体に隣接して積層され、かつ、三次元網目状の骨格を有する第２金属多孔体と、前記第２金属多孔体に隣接するインターコネクタと、を備え、前記第１金属多孔体の気孔径が、前記第２金属多孔体の気孔径よりも小さい、燃料電池に関する。

本発明の一実施形態に係る燃料電池を模式的に示す断面図である。 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２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。 金属多孔体における電子の流れを説明する模式図である。 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。

［本開示が解決しようとする課題］

ＭＥＡに流れる電子は、アノードおよび／またはカソードに接触する金属材料を経由して集電される。このとき、アノードおよび／またはカソードと接触する金属材料が少ないと、電子が流れにくくなって、抵抗が高くなる。特許文献１の方法では、ガス流路の確保のために配置されるエキスパンドメタルが、集電体としての役割も担う。しかし、エキスパンドメタルは孔径が大きいため、抵抗が高くなり易い。一方、孔径の大きいエキスパンドメタルは、ガス流路としての高い機能を備える。つまり、集電性とガス拡散性とはトレードオフの関係にある。

そこで、集電性を主な役割とする材料と、ガス拡散性を主な役割とする材料とを、それぞれ別に配置することが考えられる。例えば、ＭＥＡとインターコネクタとの間に、集電性を主な役割とする金属材料（集電体）を配置するとともに、特許文献２のように、インターコネクタにディンプル加工によりガス流路を形成する。集電体としては、耐熱性、電気伝導性および適度なガス拡散性（通気性）の観点から、例えば、ニッケル焼結体が用いられる。

抵抗を小さくするためには、集電体と各電極（アノードおよび／またはカソード）との接触性を高めることも重要である。集電体としてニッケル焼結体を用いる場合、集電体の表面には微細な凹凸が形成されている。一方、ＳＯＦＣでは各電極も焼結体であるため、その表面には凹凸が形成されている。凹凸を有し、塑性変形し難い焼結体同士の接触性を高めることは困難である。接触性を高めるために圧力を加えると、電極が損傷する場合がある。

インターコネクタには、優れた耐熱性が求められる。そのため、インターコネクタの材料として、通常、クロム含有率の高いステンレス鋼（クロム基合金）が用いられる。クロム基合金は硬く、加工性が低下し易い。そのため、インターコネクタにディンプル加工を行ってガス流路を形成するには、特殊な設備や条件が必要となり、コストが上昇し、生産効率は低下する。燃料電池は、ＭＥＡとインターコネクタとを含むものを構成単位として、通常、複数（例えば、５０枚以上）を積層することにより構成されている。そのため、インターコネクタ一枚当たりの加工コストの上昇により、燃料電池のコストは大きく上昇する。

本開示の効果

本発明によれば、優れたガス拡散性能および集電性能を有する燃料電池（ＳＯＦＣ）が得られる。

［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）本発明に係る燃料電池は、カソード、アノード、および、前記カソードおよび前記アノードの間に介在する固体電解質層を備えており、前記固体電解質層がイオン伝導性を有する固体酸化物を含むＭＥＡと、前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方に隣接し、かつ、三次元網目状の骨格を有する少なくとも１つの第１金属多孔体と、前記第１金属多孔体に隣接して積層され、かつ、三次元網目状の骨格を有する第２金属多孔体と、前記第２金属多孔体に隣接するインターコネクタと、を備え、前記第１金属多孔体の気孔径が、前記第２金属多孔体の気孔径よりも小さい。これにより、燃料電池のガス拡散性能および集電性能が向上する。

（２）前記第１金属多孔体と前記第２金属多孔体とが接合されており、前記接合する部分において、前記第１金属多孔体の前記骨格と前記第２金属多孔体の前記骨格とは絡み合っている。ガス拡散性および集電性能がさらに向上するためである。さらには、生産性の向上も期待できる。

（３）前記第１金属多孔体および前記第２金属多孔体の気孔率は、いずれも８５体積％以上であることが好ましい。ガス拡散性がさらに向上するためである。

（４）前記第１金属多孔体の気孔径は、１００〜１０００μｍであることが好ましい。
集電性能がさらに向上するためである。

（５）本発明に係る燃料電池は、少なくとも前記アノードに隣接する前記第１金属多孔体を備えることが好ましい。さらなる発電効率の向上が期待できるためである。
（６）前記第２金属多孔体の気孔径に対する前記第1金属多孔体の気孔径の比（第1金属多孔体の気孔径／第２金属多孔体の気孔径）は０．０５〜０．８であることが好ましい。この範囲であれば、電気抵抗とガス拡散のバランスが特に良いためである。
（７）前記第２金属多孔体の比表面積は１００〜９０００ｍ^２/ｍ^３であることが好ましい。
（８）前記第２金属多孔体の厚みは０．１〜０．５ｍｍであることが好ましい。この範囲であれば、電気抵抗およびガス拡散性のバランスが特に良いためである。

［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、請求の範囲によって示され、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。

以下、燃料電池を図１〜４を参照しながら説明する。図１は、燃料電池の一実施態様を模式的に示す断面図である。図２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り、図３は、その骨格の一部の断面を模式的に示す断面図である。図４は、金属多孔体における電子の流れを説明する模式図である。

（燃料電池）
図１に示すように、燃料電池１０は、ＭＥＡ１を備える。ＭＥＡ１は、カソード１ｃと、アノード１ａと、カソード１ｃおよびアノード１ａの間に介在し、イオン伝導性を有する固体酸化物を含む固体電解質層（以下、固体電解質層１ｂと称する）と、を備える。アノード１ａに隣接するように、三次元網目状の骨格を有する第１金属多孔体２ａが配置されている。第１金属多孔体２ａに隣接するように、三次元網目状の骨格を有する第２金属多孔体２ｂが配置されている。さらに、第２金属多孔体２ｂに隣接するように、インターコネクタ３ａが配置されている。なお、図示例では、カソード１ｃに隣接するように、ガス流路４を備えるカソード側インターコネクタ３ｂを配置している。

本実施形態では、第１金属多孔体２ａの気孔径Ｄ１を、第２金属多孔体２ｂの気孔径Ｄ２よりも小さくする。気孔径の小さな第１金属多孔体２ａを電極に隣接させることで、電極と接触する金属材料が増えて、抵抗が小さくなる。気孔径の大きな第２金属多孔体２ｂをインターコネクタに隣接させることで、圧力損失が小さくなるとともにガス拡散性能が高められる。すなわち、気孔径の異なる複数の金属多孔体を組み合わせて用いることにより、優れた集電性とガス拡散性とが両立し、燃料電池１０の発電性能が向上する。

燃料ガスの利用率を高めるためには、アノード１ａの表面に均一に燃料ガスを拡散させることが必要である。後述するように、第１金属多孔体２ａおよび第２金属多孔体２ｂは連通孔を有しており、ガス拡散性に優れる。そのため、燃料ガスは、気孔径の大きな第２金属多孔体２ｂ内で均一に拡散された後、第１金属多孔体２ａ内においても均一に拡散する。よって、アノード１ａの表面には、第１金属多孔体２ａから、均一に拡散された燃料ガスが供給される。また、第２金属多孔体２ｂは、第１金属多孔体２ａと同様に、金属製の三次元網目状の骨格を有しているため、電気伝導性にも優れている。

図示例では、アノード１ａに隣接するように第１金属多孔体２ａが配置されているが、これに限定されるものではない。第１金属多孔体２ａは、カソード１ｃに隣接するように配置されても良いし、アノード１ａおよびカソード１ｃに隣接するように、複数の第１金属多孔体２ａが配置されても良い。なかでも、燃料ガスの利用効率が高まることにより、ランニングコストが低減される点で、第１金属多孔体２ａは、少なくともアノード１ａに隣接するように配置されることが好ましい。また、アノード１ａ側は還元雰囲気下であるため、金属多孔体の材料は制限され難い。この点においても、第１金属多孔体２ａをアノード１ａに隣接するように配置することが好ましい。以下、アノード１ａに隣接するように第１金属多孔体２ａが配置される場合を例に挙げて、説明する。

（金属多孔体）
第１金属多孔体２ａおよび第２金属多孔体２ｂは、三次元網目状の骨格を有しており、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。

上記セルの１つは、図２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１０１は、繊維状または棒状の金属部分（繊維部１０２）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１０２が連結することにより形成される。セルには、繊維部１０２により囲まれた略五角形の開口（または窓）１０３が形成されている。隣接するセル同士は、１つの開口１０３を共有しながら、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１０１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１０２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。

図３に示すように、繊維部１０２は、内部に空洞１０２ａ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。

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、メッキ処理法、気相法（蒸着、プラズマ化学気相蒸着、スパッタリングなど）、金属ペーストの塗布など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。なかでも、金属による被覆には、メッキ処理法が好ましく用いられる。

メッキ処理法としては、樹脂製多孔体の表面（内部の空隙の表面も含む）に、金属層を形成できる方法であればよく、公知のメッキ処理方法、例えば、電解メッキ法、溶融塩メッキ法などが採用できる。メッキ処理法により、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。つまり、得られる金属多孔体の気孔径は、上記樹脂製多孔体の気孔径により制御することができる。一方、金属粉末の焼結体の場合、その気孔径は、混合されるバインダ粉末の種類や粒径、混合割合などに影響される。そのため、焼結体の気孔径を制御することは非常に困難である。

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、スパッタリングなどの他、導電剤の塗布など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。

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、樹脂製の不織布などが使用できる。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。樹脂発泡体等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、分解または溶解などにより骨格１０２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、メラミン樹脂などの熱硬化性樹脂；オレフィン樹脂（ポリエチレン、ポリプロピレンなど）、熱可塑性ポリウレタンなどの熱可塑性樹脂などが例示できる。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などを用いることが好ましい。

骨格内の樹脂は、加熱処理などにより、分解または溶解され、除去されることが望ましい。加熱処理後、骨格内に残存した成分（樹脂、分解物、未反応モノマー、樹脂に含まれる添加剤など）を洗浄などにより除去してもよい。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、金属被覆処理の後、樹脂を除去すると、金属多孔体の骨格の内部に空洞が形成されて、中空となる。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。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「アルミセルメット」（登録商標）や銅またはニッケルの「セルメット」（登録商標）を用いることができる。

（第１金属多孔体）
第１金属多孔体２ａの気孔径Ｄ１は、第２金属多孔体２ｂの気孔径Ｄ２よりも小さい（Ｄ１＜Ｄ２）。そのため、第１金属多孔体２ａは、ガス拡散性能を備えるとともに、高い集電性能を有する。

気孔径Ｄ（Ｄ１およびＤ２）は、例えば、以下のようにして求められる。まず、金属多孔体が有する開口１０３の中から任意の開口１０３ａを１つ選択し、この開口１０３ａに収容される最大の正円Ｃ（図２参照）の直径Ｄｐと、開口１０３ａを収容することのできる最小の正円の直径とを測定し、これらの平均値を求める。これを開口１０３ａの気孔径Ｄａとする。同様にして、金属多孔体が有する他の任意の複数（例えば、９個）の開口１０３ｂ〜１０３ｊの各気孔径Ｄｂ〜Ｄｊを求め、これら１０個の開口１０３ａ〜１０３ｊの各気孔径Ｄａ〜Ｄｊの平均値を、気孔径Ｄとする。

具体的には、金属多孔体の主面のＳＥＭ写真において、開口１０３の全体が１０個以上含まれる領域Ｒを決める。領域Ｒに含まれる開口１０３のうち、例えば１０個をランダムに選択し、各開口１０３ａ〜１０３ｊについて、上記の方法により気孔径Ｄａ〜Ｄｊを算出する。算出された各開口１０３ａ〜１０３ｊの気孔径Ｄａ〜Ｄｊの平均値を気孔径Ｄとする。

第１金属多孔体２ａおよび第２金属多孔体２ｂの少なくとも一方は、それぞれ複数の金属多孔体を組み合わせて形成されても良い。この場合、第１金属多孔体２ａ全体または第２金属多孔体２ｂ全体の気孔径は、第１金属多孔体２ａまたは第２金属多孔体２ｂを構成する各金属多孔体２_１〜２_ｎの気孔径および体積割合を考慮して求められる。例えば、気孔径Ｄ１は、（金属多孔体２ａ_１の気孔径×金属多孔体２ａ_１の第１金属多孔体２ａに占める体積割合＋_・・・＋金属多孔体２ａ_ｎの気孔径×金属多孔体２ａ_ｎの第１金属多孔体２ａに占める体積割合）により求められる。このようにして算出された第１金属多孔体２ａ全体の気孔径は、第２金属多孔体２ｂ全体の気孔径よりも小さい。第１金属多孔体２ａおよび第２金属多孔体２ｂの少なくとも一方が複数の金属多孔体から構成されている場合、以下の各物性値に関しても、上記のように、各金属多孔体の体積割合を考慮して求める。

電子は電位の低い方から高い方に流れる。そのため、複数のＭＥＡ１が積層されている場合、電子は、アノード１ａから隣接するＭＥＡ１のカソード１ｃに向かう方向、図４ＡおよびＢでは、アノード１ａから第１金属多孔体２ａに向かう方向Ｅに流れる。
一方、電子は、電位の変化の小さい方向Ｈ（図４では、水平方向に近い方向）には流れにくい。すなわち、方向Ｈにおいては、抵抗が大きくなる。

アノード１ａで生成した電子（ｅ⁻）は、図４ＡおよびＢに示すように、アノード１ａと第１金属多孔体２ａの界面Ｉにおいて、第１金属多孔体２ａの骨格を形成する繊維部１０２に移動し、繊維部１０２を通って、隣接するＭＥＡ１のカソード１ｃ（図示せず）に向かう。繊維部１０２は、網目状のネットワークを形成している。そのため、電子は、界面Ｉにおいて、方向Ｅに向かう繊維部１０２に到達するために、電位の変化の小さい方向Ｈに移動しなければならない場合がある。そこで、図４Ａに示すように、気孔径Ｄを小さくして、電子の通り道（繊維部１０２）を増やすことにより、電子の、方向Ｅに向かう繊維部１０２に到達するまでに必要な方向Ｈへの移動距離ＤＨを短くすることができる。これにより、抵抗が小さくなって、集電性が向上する。気孔径Ｄが小さいと、電子が一旦、第１金属多孔体２ａに流れ込んだ後も、方向Ｅに移動するのに必要な方向Ｈへの移動距離ＤＨは短くなる。

一方、図４Ｂのように気孔径が大きい場合、電子は、方向Ｅに向かう繊維部１０２に到達するまで、方向Ｈに大きく移動しなければならず、抵抗が増大する。

また、第１金属多孔体２ａは気孔径が小さいため、表面の凹凸も小さい。そのため、アノード１ａとの接触性を高めることができる。さらに、第１金属多孔体２ａは三次元網目状の骨格を有しているため、塑性変形し易い。そのため、アノード１ａを損傷させることなく、アノード１ａとの接触性を高めることができる。よって、集電性はさらに向上する。

第１金属多孔体２ａの気孔径Ｄ１は、第２金属多孔体２ｂの気孔径Ｄ２よりも小さい限り特に限定されない。なかでも、抵抗や集電性の観点から、気孔径Ｄ１は、１００〜１０００μｍであることが好ましく、１００〜５００μｍであることがより好ましい。

第１金属多孔体２ａの気孔率Ｐ１は特に限定されない。なかでも、ガス拡散性の観点から、気孔率Ｐ１は、７０体積％以上であることが好ましく、８０体積％以上であることがより好ましく、８５体積％以上であることが特に好ましい。気孔率Ｐ１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。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。

第１金属多孔体２ａにおける空孔１０１の径（セル径）Ｖ１は、特に限定されない。セル径Ｖ１は、例えば、１００〜１５００μｍであっても良く、２００〜１０００μｍであっても良い。セル径Ｖ１は、例えば、以下のようにして求められる。まず、金属多孔体における空孔１０１の中から任意の空孔１０１ａを１つ選択し、この空孔１０１ａに収容される最大の球体の直径と、空孔１０１ａを収容することのできる最小の球体Ｓ（図２参照）の直径とを測定し、これらの平均値を求める。これを空孔１０１ａのセル径Ｖａとする。同様にして、金属多孔体が有する他の任意の複数（例えば、９個）の空孔１０１ｂ〜１０１ｊの各セル径Ｖｂ〜Ｖｊを求め、これら１０個の空孔１０１ａ〜１０１ｊの各セル径Ｖａ〜Ｖｊの平均値を、セル径Ｖ１とする。

具体的には、金属多孔体の主面のＳＥＭ写真において、空孔１０１の全体が１０個以上含まれる領域Ｖを決める。領域Ｖに含まれる空孔１０１のうち、例えば１０個をランダムに選択し、各空孔１０１ａ〜１０１ｊについて、上記の方法によりセル径Ｖａ〜Ｖｊを算出する。算出された各空孔１０１ａ〜１０１ｊのセル径Ｖａ〜Ｖｊの平均値をセル径Ｖ１とする。

第１金属多孔体２ａを構成する金属は、使用環境に応じて適宜選択すれば良い。例えば、第１金属多孔体２ａがアノード１ａに隣接するように配置される場合、金属の種類は特に制限されない。上記金属としては、例えば、銅（Ｃｕ）、Ｃｕ合金（銅と、例えば鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ケイ素（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。第１金属多孔体２ａがカソード１ｃに隣接するように配置される場合、第１金属多孔体２ａは、Ｃｒなどの高い耐酸化性を有する金属とＮｉとの合金により構成されることが好ましい。

第１金属多孔体２ａの比表面積（ＢＥＴ比表面積）も特に限定されない。第１金属多孔体２ａの比表面積は、例えば、１００〜９０００ｍ^２/ｍ^３であっても良く、２００〜６０００ｍ^２/ｍ^３であっても良い。

第１金属多孔体２ａにおける開口１０３の密度Ｃ１も特に限定されない。なかでも、抵抗の観点から、密度Ｃ１は、１０〜１００個／２．５４ｃｍであることが好ましく、３０〜８０個／２．５４ｃｍであることがより好ましい。なお、密度Ｃ１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１０３の数である。

第１金属多孔体２ａの繊維部１０２の幅Ｗｆ１も特に限定されない。なかでも、集電性の観点から、幅Ｗｆ１は３〜５００μｍであることが好ましく、１０〜５００μｍであることがより好ましい。

第１金属多孔体２ａの厚みＴ１も特に限定されない。なかでも、電気抵抗およびガス拡散性のバランスの点で、厚みＴ１は、０．１〜５ｍｍであることが好ましく、０．５〜２ｍｍであることがより好ましい。厚みＴ１は、例えば、第１金属多孔体２ａの任意の１０箇所の厚みの平均値である。

（第２金属多孔体）
第２金属多孔体２ｂの気孔径Ｄ２は、第１金属多孔体２ａよりも大きい限り特に限定されない。なかでも、ガス拡散性の観点から、気孔径Ｄ２は、５００〜３０００μｍであることが好ましく、５００〜１５００μｍであることがより好ましい。なかでも、電気抵抗およびガス拡散性のバランスの点で、第１金属多孔体２ａの気孔径Ｄ１と第２金属多孔体２ｂの気孔径Ｄ２との比（気孔径Ｄ１／気孔径Ｄ２）は、０．０５〜０．８であることが好ましく、０．３〜０．６であることがより好ましい。気孔径Ｄ２は、気孔径Ｄ１と同様にして求められる。

第２金属多孔体２ｂの気孔率Ｐ２も特に限定されないが、ガス拡散性の観点から、第１金属多孔体２ａ以上であることが好ましい。気孔率Ｐ２は、例えば、８５体積％以上、好ましくは９０体積％以上、さらに好ましくは９５体積％以上である。気孔率Ｐ２は、１００体積％未満であり、９９．５体積％以下であっても良いし、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。

第２金属多孔体２ｂにおける空孔１０１のセル径Ｖ２も特に限定されないが、ガス拡散性の観点から、第１金属多孔体２ａよりも大きいことが好ましい。セル径Ｖ２は、５００〜３０００μｍであることが好ましく、５００〜１５００μｍであることがより好ましい。セル径Ｖ２は、セル径Ｖ１と同様にして求められる。

第２金属多孔体２ｂにおける開口１０３の密度Ｃ２は、特に限定されない。なかでも、ガス拡散性および圧力損失の観点から、密度Ｃ２は、５〜５０個／２．５４ｃｍであることが好ましく、１０〜４０個／２．５４ｃｍであることがより好ましい。

第２金属多孔体２ｂを構成する金属は、使用環境に応じて適宜選択すれば良い。また、第１金属多孔体２ａおよび第２金属多孔体２ｂを構成する金属は、同じであっても良いし、異なっていても良い。上記金属としては、第１金属多孔体２ａで例示したものと同じ金属が例示される。

第２金属多孔体２ｂの比表面積（ＢＥＴ比表面積）も特に限定されない。第１金属多孔体２ａおよび第２金属多孔体２ｂの比表面積は同じであっても良いし、異なっていても良い。第２金属多孔体２ｂの比表面積は、例えば、１００〜９０００ｍ^２/ｍ^３であっても良く、２００〜６０００ｍ^２/ｍ^３であっても良い。

第２金属多孔体２ｂの繊維部１０２の幅Ｗｆ２も特に限定されない。なかでも、圧力損失の観点から、幅Ｗｆ２は５〜５０μｍであることが好ましく、１０〜３０μｍであることがより好ましい。第１金属多孔体２ａおよび第２金属多孔体２ｂの骨格１０２の幅Ｗｆは、同じであっても良いし、異なっていても良い。

第２金属多孔体２ｂの厚みＴ２も特に限定されない。なかでも、電気抵抗およびガス拡散性のバランスの点で、厚みＴ２は、０．１〜５ｍｍであることが好ましく、０．５〜２．５ｍｍであることがより好ましい。また、同様の観点から、第１金属多孔体２ａの厚みＴ１と第２金属多孔体２ｂの厚みＴ２との比（Ｔ１／Ｔ２）は、０．２〜１であることが好ましく、０．４〜０．８であることがより好ましい。

集電性およびガス拡散性、さらには生産性の観点から、第１金属多孔体２ａと第２金属多孔体２ｂとは、その骨格同士が絡み合うことにより接合されていることが好ましい。骨格同士が絡み合っているとは、例えば、第１金属多孔体２ａの端部近傍に存在する開口１０３に、第２金属多孔体２ｂの繊維部１０２の端部近傍が入り込んだ状態であり得る。また、各金属多孔体の端部近傍に存在する繊維部１０２が塑性変形して、係合している状態であり得る。これにより、第１金属多孔体２ａと第２金属多孔体２ｂとは、接着剤を介在させることなく、互いの主面近傍で強固に接合される。そのため、第１金属多孔体２ａと第２金属多孔体２ｂとは、電気的に接続し、かつ、連通する。

第１金属多孔体２ａと第２金属多孔体２ｂとが接合された複合材料は、第１金属多孔体２ａの前駆体（第１前駆体）と第２金属多孔体２ｂの前駆体（第２前駆体）とを積層し、例えば、プレス加工することにより得ることができる。プレス加工により、各前駆体の気孔率、気孔径およびセル径は、例えば、それぞれ２〜１０％減少しうる。そのため、各前駆体の気孔率、気孔径およびセル径は、プレス加工後の第１金属多孔体２ａおよび第２金属多孔体２ｂの気孔率、気孔径およびセル径が所望の範囲となるように、適宜設定されることが好ましい。なお、前駆体の気孔率、気孔径およびセル径は、第１金属多孔体２ａの気孔率、気孔径およびセル径と同様にして求められる。

プレス加工の方法は特に限定されず、例えば、ロールプレス、平板プレス等が挙げられる。プレス加工は、加熱下で行っても良い。なかでも、コストおよび生産効率の観点から、第１前駆体と第２前駆体とは、常温下でロールプレスにより接合されることが好ましい。プレス圧は特に限定されず、適宜設定すれば良い。プレス圧は、例えば、０．１〜５ＭＰａであっても良いし、１〜５ＭＰａであっても良い。

（ＭＥＡ）
ＭＥＡ１は、カソード１ｃと、アノード１ａと、カソード１ｃおよびアノード１ａの間に介在し、イオン伝導性を有する固体電解質層１ｂと、を備える。カソード１ｃと、アノード１ａと、固体電解質層１ｂとは、例えば、焼結により一体化されている。

（カソード）
カソード１ｃ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１ｃの材料としては、例えば、燃料電池、ガス分解装置または水素製造装置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１ｃ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、Ｌａ_１−ａＳｒ_ａＦｅ_１−ｂＣｏ_ｂＯ_３−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、Ｌａ_１−ｃＳｒ_ｃＭｎＯ_３−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、Ｌａ_１−ｄＳｒ_ｄＣｏＯ_３−δ、０．２≦ｄ≦０．８、δは酸素欠損量である）等が挙げられる。

カソード１ｃ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１ｃ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。カソード１ｃの厚みは、特に限定されないが、５μｍ〜１００μｍ程度であれば良い。

（アノード）
アノード１ａ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１ａでは、後述する流路から導入される水素などの燃料を酸化して、水素イオン（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１ａの材料としては、例えば、燃料電池、ガス分解装置または水素製造装置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、触媒成分である酸化ニッケル（ＮｉＯ）と、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ、ＺｒＯ_２−Ｙ_２Ｏ_３）、イットリウムがドープされたジルコン酸バリウム（ＢＺＹ、ＢａＺｒ_１−eＹ_eＯ_３−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、ＢａＣｅ_１−fＹ_fＯ_３−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、ＢａＺｒ_１−g―hＣｅ_gＹ_hＯ_３−δ、０＜ｇ＜１、０．０５≦ｈ≦０．２５、δは酸素欠損量である）等の固体酸化物と、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１ａは、例えば、ＮｉＯ粉末と粉末状の上記固体酸化物等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。

アノード１ａの厚みは、例えば、１０μｍ〜１０００μｍ程度であれば良い。アノード１ａは、その厚みを大きくして、ＭＥＡ１の支持体として機能させても良い。図１は、アノード１ａの厚みをカソード１ｃよりも大きく示し、アノード１ａがＭＥＡ１の支持体として機能する場合を示している。アノード１ａの厚みは、これに限定されるものではなく、例えば、カソード１ｃと同じ厚みであっても良い。

（固体電解質層）
固体電解質層１ｂは、イオン伝導性を有する固体酸化物を含む。固体電解質層１ｂ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、プロトンであっても良い。なかでも、固体電解質層１ｂは、プロトン伝導性を有することが好ましい。プロトン伝導型酸化物型燃料電池（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、ＰＣＦＣは、多様な用途に使用可能である。

固体電解質層１ｂの材料としては、例えば、アノード１ａの材料として例示した固体酸化物が同じく例示される。固体電解質層１ｂ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。

（ＭＥＡの製造方法）
ＭＥＡ１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、固体酸化物を含む固体電解質用材料を積層し、焼結する工程と、焼結された固体電解質の表面に、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ＭＥＡ１において、アノード１ａと固体電解質層１ｂとカソード１ｃとは一体化されている。

固体電解質用材料を積層する工程は、例えば、アノード成形体の片面に、固体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、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、固体電解質の表面に積層することができる。

固体電解質用材料の焼結は、アノード成形体と固体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。

固体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、固体電解質用材料が積層され易くなる。

固体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。

カソード用材料の焼結は、固体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。

（インターコネクタ）
インターコネクタ３ａおよび３ｂは、燃料ガスと空気とを分離する。ＭＥＡ１と各金属多孔体２（２ａ、２ｂ）とインターコネクタ３ａおよび３ｂとが組み合わされて、一つの構成単位が形成される。燃料電池１０が、積層された複数の上記構成単位を含む場合、インターコネクタの一方の面を第２金属多孔体２ｂに接触させ、他方の面をＭＥＡ１の一方の面に接触させても良い。

インターコネクタ３ａおよび３ｂ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の材料として用いることができる。インターコネクタ３ａおよび３ｂの材料は、同じであっても良いし、異なっていても良い。

第２金属多孔体２ｂは優れたガス拡散性を有するため、第２金属多孔体２ｂに隣接するインターコネクタ３ａの第２金属多孔体２ｂに対向する面には、ガス流路を形成することを要せず、当該面は平滑であっても良い。平滑とは、ガス流路としての機能を発揮する程度の凹凸を有していないことをいう。

これにより、インターコネクタ３ａとして加工性の低いクロム基合金を用いる場合であっても、エッチングを施すことなくインターコネクタとして使用することができる。そのため、生産性が向上するとともに、コストが低減する。なお、燃料電池１０が、積層された複数の上記セルを含む場合、インターコネクタの第２金属多孔体２ｂに接触しない面（ＭＥＡ１に接触する面）には、ガス流路が形成されていても良い。

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。なお、上記金属多孔体には、第１金属多孔体２ａ、第２金属多孔体２ｂ、その他の三次元網目状の骨格を有する金属多孔体、あるいは、これら２種以上の組み合わせが含まれる（以下、同じ）。

（１）アルカリ水電解方式は、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、少なくともいずれか一方の電極に上記金属多孔体を使用する。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、水の電解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。

上記金属多孔体を構成する金属は特に限定されず、第１金属多孔体２ａまたは第２金属多孔体２ｂ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。

上記金属多孔体の気孔径は、１００μｍ以上、５０００μｍ以下が好ましい。上記金属多孔体の気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、上記金属多孔体の気孔径は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、異なる気孔径を持つ複数の上記金属多孔体（例えば、第１金属多孔体２ａおよび第２金属多孔体２ｂ）を積層して、１つの電極を構成してもよい。この場合、積層された複数の金属多孔体同士は、その界面で互いの骨格が絡み合うことにより接合されていることが好ましい。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。

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ものを構成単位として複数スタックして用いる場合、短絡防止の観点から、各構成単位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。

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／ｃｍ^２程度である。

（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および陰極をそれぞれ配置し、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。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）アルカリ水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方式を用いる水素製造装置（ＰＥＭ式水素製造装置）の陽極として、好適に使用できる。

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って陰極へと移動し、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、全く逆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。

上記金属多孔体を構成する金属は特に限定されず、第１金属多孔体２ａまたは第２金属多孔体２ｂ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。

上記金属多孔体の気孔径は、１００μｍ以上、５０００μｍ以下が好ましい。上記金属多孔体の気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、上記金属多孔体の気孔径は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、異なる気孔径を持つ複数の上記金属多孔体を積層して、1つの電極を構成してもよい。なかでも、陽極は、第１金属多孔体２ａと第２金属多孔体２ｂとを積層して、構成されることが好ましい。この場合、第１金属多孔体２ａを高分子電解質膜側に配置する。これにより、水の電解効率はさらに向上する。また、積層された複数の金属多孔体同士は、その界面で互いの骨格が絡み合うことにより接合されていることが好ましい。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、高分子電解質膜と電極として用いられる上記金属多孔体とは、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、上記金属多孔体の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は、４００ｇ／ｍ^２以上が好ましい。

（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および陰極をそれぞれ配置し、いずれかの電極に水蒸気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、水蒸気を電気分解する。

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が生成される。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。

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。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、水蒸気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。

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、陰極もまた上記金属多孔体を含むことが好ましい。

ＳＯＥＣ方式を用いる水素製造装置（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、全く逆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。

上記金属多孔体を構成する金属は特に限定されず、第１金属多孔体２ａまたは第２金属多孔体２ｂ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、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。

上記金属多孔体の気孔径は、１００μｍ以上、５０００μｍ以下が好ましい。上記金属多孔体の気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、上記金属多孔体の気孔径は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、異なる気孔径を持つ複数の上記金属多孔体を積層して、1つの電極を構成してもよい。なかでも、水蒸気が導入される電極は、第１金属多孔体２ａと第２金属多孔体２ｂとを積層して、構成されることが好ましい。この場合、第１金属多孔体２ａを固体酸化物電解質膜側に配置する。これにより、水蒸気の電解効率はさらに向上する。また、積層された複数の金属多孔体同士は、その界面で互いの骨格が絡み合うことにより接合されていることが好ましい。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蒸気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電極として用いられる上記金属多孔体とは、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、上記金属多孔体の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は、４００ｇ／ｍ^２以上が好ましい。

図５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２０の要部の断面を模式的に示す。なお、図５では、電源を省略している。水素製造装置２０は、固体酸化物電解質膜２１ｂを含む構造体２１と、構造体２１の各主面にそれぞれ対向する陽極２２Ａおよび陰極２２Ｂと、陽極２２Ａの構造体２１とは反対側の主面に対向する板状部材２３Ａと、陰極２２Ｂの構造体２１とは反対側の主面に対向する板状部材２３Ｂと、図示しない電源と、を備える。水蒸気Ｖは陽極２２Ａに導入される。

陽極２２Ａおよび陰極２２Ｂ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。さらに、陽極２２Ａは、互いに異なる気孔径を持つ金属多孔体２２ａおよび金属多孔体２２ｂにより構成されている。ここで、金属多孔体２２ａの気孔径は、金属多孔体２２ｂの気孔径よりも小さい。板状部材２３Ａおよび２３Ｂ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セパレータである。

ＳＯＥＣ式水素製造装置２０は、陰極２２Ｂおよび電源を備える以外、図１に示す燃料電池１０と同様の構成を有している。すなわち、金属多孔体２２ａは第１金属多孔体２ａに対応し、金属多孔体２２ｂは第２金属多孔体２ｂに対応する。構造体２１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２１ｂと、その各主面に対向するように配置された多孔質層２１ａおよび２１ｃとを備える。多孔質層２１ａおよび２１ｃは、固体酸化物電解質膜２１ｂをサポートしている。固体酸化物電解質膜２１ｂは、固体電解質層１ｂ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。また、陽極２２Ａ側に配置された多孔質層２１ａは、アノード１ａ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２１ｃは、例えば、カソード１ｃで例示したのと同じ化合物により形成される。

板状部材２３Ａおよび２３Ｂの構成は、それぞれインターコネクタ３ａおよび３ｂに対応している。陰極２２Ｂに隣接する板状部材２３Ｂには、ガス流路２４が形成されていてもよい。この場合、陰極２２Ｂで発生した水素は、ガス流路２４を経由して取り出すことができる。

［付記］
上記アルカリ水電解方式を用いる水素製造装置に関し、以下の付記１−１を開示する。
（付記１−１）
アルカリ性水溶液を収容する電解槽と、
前記アルカリ性水溶液に浸漬される陽極および陰極と、
前記陽極と前記陰極との間に電圧を印加する電源と、を備え、
前記陽極および前記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、水素製造装置。

上記アルカリ水電解方式を用いる水素の製造方法に関し、以下の付記１−２を開示する。
（付記１−２）
陽極、陰極およびアルカリ性水溶液を、それぞれ準備する工程と、
前記アルカリ性水溶液に、前記陽極および前記陰極を浸漬する工程と、
前記陽極と前記陰極との間に電圧を印加する工程と、を備え、
前記陽極および前記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、水素の製造方法。

上記ＰＥＭ方式を用いる水素製造装置に関し、以下の付記２−１を開示する。
（付記２−１）
陽極と、
陰極と、
前記陽極と前記陰極との間に介在する高分子電解質膜と、
前記陽極と前記陰極との間に電圧を印加する電源と、を備え、
少なくとも前記陽極が、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体を含む、水素製造装置。

上記ＰＥＭ方式を用いる水素の製造方法に関し、以下の付記２−２を開示する。
（付記２−２）
陽極、陰極、および、前記陽極と前記陰極との間に介在する高分子電解質膜を準備する工程と、
前記陽極に水を導入する工程と、
前記陽極と前記陰極との間に電圧を印加する工程と、を備え、
少なくとも前記陽極が、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体を含む、水素の製造方法。

上記ＳＯＥＣ方式を用いる水素製造装置に関し、以下の付記３−１を開示する。
（付記３−１）
陽極と、
陰極と、
前記陽極と前記陰極との間に介在する固体酸化物電解質膜と、
前記陽極と前記陰極との間に電圧を印加する電源と、を備え、
前記陽極および前記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、水素製造装置。

上記ＳＯＥＣ方式を用いる水素の製造方法に関し、以下の付記３−２を開示する。
（付記３−２）
陽極、陰極、および、前記陽極と前記陰極との間に介在する固体酸化物電解質膜を準備する工程と、
前記陽極または前記陰極に水蒸気を導入する工程と、
前記陽極と前記陰極との間に電圧を印加する工程と、を備え、
前記陽極および前記陰極のうち、少なくとも前記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、水素の製造方法。

三次元網目状の骨格を有する金属多孔体は、表面積が大きく、高い気孔率を備えているとともに、電気伝導性に優れる。付記で開示された水素製造装置および水素の製造方法によれば、陽極および陰極の少なくとも一方の電極に上記金属多孔体が含まれるため、水（水蒸気）の電解効率が向上する。特に、ＰＥＭ方式およびＳＯＥＣ方式において、陽極および陰極のうち、水あるいは水蒸気が導入される電極が、異なる気孔径を持つ複数の上記金属多孔体を含む場合、水の電解効率はさらに向上する。このとき、気孔径のより小さい上記金属多孔体を、高分子電解質膜側あるいは固体酸化物電解質膜側に配置する。

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］
下記の手順で燃料電池を作製した。
（１）第１金属多孔体の前駆体（第１前駆体）の準備
第１金属多孔体の前駆体（第１前駆体Ａ）として、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を準備した。

（２）第２金属多孔体の前駆体（第２前駆体）の準備
第２金属多孔体の前駆体（第２前駆体Ａ）として、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＃４を準備した。

（３）複合材料の作製
第１前駆体Ａと第２前駆体Ａとを積層して、１ＭＰａの荷重でロールプレスを行い、第１金属多孔体Ａと第２金属多孔体Ａとが接合された複合材料Ａを作製した。第１金属多孔体Ａにおいて、気孔径Ｄ１は４５０μｍ、気孔率Ｐ１は９５体積％、平均セル径Ｖ１は５００μｍ、密度Ｃ１は６０個／２．５４ｃｍ、厚みは１．４ｍｍμｍであった。第２金属多孔体Ａにおいて、気孔径Ｄ２は９００μｍ、気孔率Ｐ２は９５体積％、平均セル径Ｖ２は１２００μｍ、密度Ｃ２は３０個／２．５４ｃｍ、厚みは２．０ｍｍであった。

（４）ＭＥＡの作製
下記の手順でＭＥＡを作製した。
まず、ＢＺＹ（ＢａＺｒ_０．８Ｙ_０．２Ｏ_２．９）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、得られた混練物をプレス成形して、アノードを構成する成形体（厚さ５５０μｍ）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、ＢＺＹ（ＢａＺｒ_０．８Ｙ_０．２Ｏ_２．９）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。続いて、酸素雰囲気下、１４００℃で共焼成させることにより、アノードと固体電解質層（厚さ１０μｍ）とを形成した。

続いて、固体電解質層の表面に、カソードの材料であるＬＳＣＦ（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３−δ）の粉末とエチルセルロースとを混合したＬＳＣＦペーストをスクリーン印刷し、酸素雰囲気下、１０００℃で２時間の焼成を行うことにより、ＭＥＡを作製した。カソードの厚みは１０μｍであった。

（５）燃料電池の作製
複合材料Ａを、上記で得られたＭＥＡのアノードの表面に、アノードに第１金属多孔体が対向するように積層し、さらに、平滑な表面を有するステンレス鋼製のアノード側インターコネクタを積層した。一方、カソードの表面に、ガス流路を有するステンレス鋼製のカソード側インターコネクタを積層して、図１に示す燃料電池Ａを製作した。アノード側インターコネクタおよびカソード側インターコネクタのそれぞれに、リード線の一方の端部を接合した。各リード線の他方の端部は、燃料電池の外部に引き出し、各リード線の間の電流値および電圧値を計測できるように、計測器に接続した。

（６）発電性能評価
動作温度を６００℃として、作製された燃料電池Ａのアノードに燃料ガス（水素）を０．３Ｌ／分で流し、カソードに空気を１．０Ｌ／分で流した時の最大の出力密度を求めた。結果を表１に示す。

（７）圧力損失評価
複合材料Ａを、第２金属多孔体が上流側になるように微差圧計（０〜２．０ＫＰａ）にセットして、上流側の空気圧Ｐ_０および下流側の空気圧Ｐ_１を測定し、圧力損失（＝Ｐ_０−Ｐ_１）を算出した。結果を表１に示す。

［比較例１］
複合材料Ａに替えて、ニッケル焼結体（気孔径２００μｍ）を使用したこと以外は、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。

ニッケル焼結体を用いた燃料電池Ｂは、圧力損失が非常に大きく、発電性能に劣っていることがわかる。一方、気孔径の異なる２種の金属多孔体を用いた燃料電池Ａは、圧力損失が小さく、発電性能に優れる。

１：ＭＥＡ、１ａ：アノード、１ｂ：固体電解質層、１ｃ：カソード、２ａ：第１金属多孔体、２ｂ：第２金属多孔体、３ａ、３ｂ：インターコネクタ、４：ガス流路、１０：燃料電池、１０１：空孔、１０２：繊維部、１０２ａ：空洞、１０３：開口、２０：水素製造装置、２１：構造体、２１ａ、２１ｃ：多孔質層、２１ｂ：固体酸化物電解質膜、２２Ａ：陽極、２２Ｂ：陰極、２２ａ、２２ｂ：金属多孔体、２３Ａ、２３Ｂ：板状部材、２４：ガス流路

Claims (7)

1. カソード、アノード、および、前記カソードおよび前記アノードの間に介在する固体電解質層を備えており、前記固体電解質層がイオン伝導性を有する固体酸化物を含むＭＥＡと、
   前記カソードおよび前記アノードの少なくとも一方に隣接し、かつ、三次元網目状の骨格を有する少なくとも１つの第１金属多孔体と、
   前記第１金属多孔体に隣接して積層され、かつ、三次元網目状の骨格を有する第２金属多孔体と、
   前記第２金属多孔体に隣接するインターコネクタと、を備え、
   前記第１金属多孔体の気孔径が、前記第２金属多孔体の気孔径よりも小さく、
   前記第１金属多孔体と前記第２金属多孔体とが接合されており、
   前記接合する部分において、前記第１金属多孔体の前記骨格と前記第２金属多孔体の前記骨格とが絡み合っている、燃料電池。
2. 前記第１金属多孔体および前記第２金属多孔体の気孔率が、いずれも８５体積％以上である、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第１金属多孔体の気孔径が、１００〜１０００μｍである、請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
4. 少なくとも前記アノードに隣接する前記第１金属多孔体を備える、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池。
5. 前記第２金属多孔体の気孔径に対する前記第1金属多孔体の気孔径の比は０．０５〜０．８である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。
6. 前記第２金属多孔体の比表面積は１００〜９０００ｍ^２／ｍ^３である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池。
7. 前記第２金属多孔体の厚みは０．１〜０．５ｍｍである、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池。

Images