JPWO2017130904A1 - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2017130904A1
JPWO2017130904A1 JP2017564236A JP2017564236A JPWO2017130904A1 JP WO2017130904 A1 JPWO2017130904 A1 JP WO2017130904A1 JP 2017564236 A JP2017564236 A JP 2017564236A JP 2017564236 A JP2017564236 A JP 2017564236A JP WO2017130904 A1 JPWO2017130904 A1 JP WO2017130904A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
region
plate
flow path
gas
diffusion layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2017564236A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6773053B2 (ja
Inventor
千尋 平岩
千尋 平岩
孝浩 東野
孝浩 東野
博匡 俵山
博匡 俵山
真嶋　正利
正利 真嶋
稔浩 吉田
稔浩 吉田
一成 宮元
一成 宮元
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Publication of JPWO2017130904A1 publication Critical patent/JPWO2017130904A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6773053B2 publication Critical patent/JP6773053B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8807—Gas diffusion layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071—Oxides
    • H01M2300/0074—Ion conductive at high temperature
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

第１電極、第２電極、および、電解質層を備えるセル構造体と、第１電極に隣接して配置されるガス拡散層と、ガス拡散層に隣接して配置されるガス流路板とを備え、ガス拡散層は、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体であり、ガス流路板は、第１流路が形成された第１領域、第２流路が形成された第２領域および第３流路が形成された第３領域を備えており、第１流路は、第１領域と第２領域との境界面においてガス流路板の中心から外縁に向かう方向に延出したスリットを含み、前記境界面における前記第１流路の総面積を第１開口面積Ｓ１、第２領域と第３領域との境界面における第２流路の総面積を第２開口面積Ｓ２および第３領域とガス拡散層との境界面における第３流路の総面積を第３開口面積Ｓ３が、Ｓ２＜Ｓ１＜Ｓ３の関係を満たす、燃料電池。

Description

本発明は、燃料電池に関する。
本出願は、２０１６年１月２９日出願の日本出願第２０１６−０１６６８３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と、セラミックス（焼結体）により形成される２枚の電極とが、一体化されたセル構造体が使用される。すなわち、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。
燃料電池には、セル構造体に燃料ガスあるいは空気を供給するため、通常、セル構造体に隣接するインターコネクタにガス流路が形成される。例えば、特許文献１では、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。
国際公開第２００３／１２９０３号パンフレット
本発明の一局面は、第１電極、第２電極、および、前記第１電極および前記第２電極の間に介在する電解質層を備え、前記電解質層がイオン伝導性を有する固体酸化物を含むセル構造体と、互いに対向する一対の主面を有し、前記第１電極に隣接して配置され、かつ、前記一対の主面の一方が前記第１電極に対向し、前記第１電極にガスを供給するガス拡散層と、互いに対向する一対の板面を有し、前記ガス拡散層に隣接して配置され、前記一対の板面の一方が前記ガス拡散層の他方の主面に対向し、前記ガス拡散層に前記ガスを供給するガス流路板と、を備え、前記ガス拡散層は、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体であり、前記ガス流路板は、第１領域、第２領域および第３領域を備え、前記第１領域、前記第２領域および前記第３領域は、前記ガス流路板の他方の板面から前記ガス流路板の前記一方の板面に向かって、厚さ方向に前記第１領域、前記第２領域および前記第３領域の順に位置し、前記第１領域には前記ガス流路板の厚さ方向に前記第１領域を貫く第１流路が形成され、前記第２領域には前記ガス流路板の厚さ方向に前記第２領域を貫く第２流路が形成され、前記第３領域には前記ガス流路板の厚さ方向に前記第３領域を貫く第３流路が形成され、前記第１流路は、前記ガス流路板の前記他方の板面に開口するとともに前記第２流路に連通し、前記第２流路は、前記第３流路に連通し、前記第３流路は、前記ガス流路板の前記一方の板面に開口するとともに前記ガス拡散層に連通し、前記一方の板面の法線方向から見た前記第１流路は、前記第１領域と前記第２領域との境界面において、前記一方の板面の中心から外縁に向かう方向に延出したスリットを含み、前記法線方向から見た前記第１領域と前記第２領域との境界面における前記第１流路の総面積を第１開口面積Ｓ１とし、前記法線方向から見た前記第２領域と前記第３領域との境界面における前記第２流路の総面積を第２開口面積Ｓ２とし、前記法線方向から見た前記第３領域と前記ガス拡散層の前記他方の主面との境界面における前記第３流路の総面積を第３開口面積Ｓ３としたとき、Ｓ２＜Ｓ１＜Ｓ３の関係を満たす、燃料電池に関する。
図１は、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は、本発明の一実施形態に係るガス拡散層およびガス流路板の構成を展開して示す斜視図である。 図３Ａは、本発明の一実施形態に係る第１領域を示す上面図である。 図３Ｂは、本発明の他の一実施形態に係る第１領域を示す上面図である。 図３Ｃは、本発明の他の一実施形態に係る第１領域を示す上面図である。 図４Ａは、本発明の一実施形態に係る第２領域を示す上面図である。 図４Ｂは、本発明の他の一実施形態に係る第２領域を示す上面図である。 図４Ｃは、本発明の他の一実施形態に係る第２領域を示す上面図である。 図５Ａは、本発明の一実施形態に係る第３領域を示す上面図である。 図５Ｂは、本発明の他の一実施形態に係る第３領域を示す上面図である。 図５Ｃは、本発明の他の一実施形態に係る第３領域を示す上面図である。 図６が、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は、実施例１に係るガス流路板の構成を模式的に示す上面図である。 図８は、実施例１に係る燃料電池のガス拡散性の評価結果を示すグラフである。 図９は、実施例２に係るガス流路板の構成を模式的に示す上面図である。 図１０は、実施例２に係る燃料電池のガス拡散性の評価結果を示すグラフである。 図１１は、実施例３に係るガス流路板の構成を模式的に示す上面図である。 図１２は、実施例３に係る燃料電池のガス拡散性の評価結果を示すグラフである。 図１３は、実施例４に係るガス流路板の構成を模式的に示す上面図である。 図１４は、実施例４に係る燃料電池のガス拡散性の評価結果を示すグラフである。 図１５は、実施例５に係るガス流路板の構成を模式的に示す上面図である。 図１６は、実施例５に係る燃料電池のガス拡散性の評価結果を示すグラフである。 図１７は、比較例１に係るガス流路板の構成を模式的に示す上面図である。 図１８Ａは、比較例１に係る燃料電池のガス拡散性の評価結果を示すグラフである。 図１８Ｂは、比較例１に係る燃料電池のガス拡散性の評価結果を示すグラフである。
［本開示が解決しようとする課題］
特許文献１では、ガスは、インターコネクタの中心から外縁に向かって、複雑な流路を経由して流れる。そのため、インターコネクタの外縁にまで到達するまでのガスの圧力損失は大きい。ガスは、流れ易い部分から、集中して流出しようとするため、大部分のガスは、インターコネクタの外縁にまで拡散することなく、中心からセル構造体へと流出する。つまり、ガスは、インターコネクタによって十分拡散されることなく、セル構造体に局所的に供給される。その結果、発電効率が低下する。
また、特許文献１のように、インターコネクタにエッチング等により複雑なガス流路を形成する場合、インターコネクタの生産性は低下する。燃料電池は、セル構造体とインターコネクタとを含むセルを構成単位として、通常、複数（例えば、５０枚以上）のセルを積層することにより構成されている。そのため、インターコネクタの生産性の低下による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を有する固体酸化物型の燃料電池（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）本発明の燃料電池は、第１電極、第２電極、および、前記第１電極および前記第２電極の間に介在する電解質層を備え、前記電解質層がイオン伝導性を有する固体酸化物を含むセル構造体と、互いに対向する一対の主面を有し、前記第１電極に隣接して配置され、かつ、前記一対の主面の一方が前記第１電極に対向し、前記第１電極にガスを供給するガス拡散層と、互いに対向する一対の板面を有し、前記ガス拡散層に隣接して配置され、前記一対の板面の一方が前記ガス拡散層の他方の主面に対向し、前記ガス拡散層に前記ガスを供給するガス流路板と、を備え、前記ガス拡散層は、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体であり、前記ガス流路板は、第１領域、第２領域および第３領域を備え、前記第１領域、前記第２領域および前記第３領域は、前記ガス流路板の他方の板面から前記ガス流路板の前記一方の板面に向かって、厚さ方向に前記第１領域、前記第２領域および前記第３領域の順に位置し、前記第１領域には前記ガス流路板の厚さ方向に前記第１領域を貫く第１流路が形成され、前記第２領域には前記ガス流路板の厚さ方向に前記第２領域を貫く第２流路が形成され、前記第３領域には前記ガス流路板の厚さ方向に前記第３領域を貫く第３流路が形成され、前記第１流路は、前記ガス流路板の前記他方の板面に開口するとともに前記第２流路に連通し、前記第２流路は、前記第３流路に連通し、前記第３流路は、前記ガス流路板の前記一方の板面に開口するとともに前記ガス拡散層に連通し、前記一方の板面の法線方向から見た前記第１流路は、前記第１領域と前記第２領域との境界面において、前記一方の板面の中心から外縁に向かう方向に延出したスリットを含み、前記法線方向から見た前記第１領域と前記第２領域との境界面における前記第１流路の総面積を第１開口面積Ｓ１とし、前記法線方向から見た前記第２領域と前記第３領域との境界面における前記第２流路の総面積を第２開口面積Ｓ２とし、前記法線方向から見た前記第３領域と前記ガス拡散層の前記他方の主面との境界面における前記第３流路の総面積を第３開口面積Ｓ３としたとき、Ｓ２＜Ｓ１＜Ｓ３の関係を満たす、燃料電池である。
ガス流路板は、ガスがガス拡散層に至るまでに、十分に予備拡散させるために配置される。ガス流路板を上記のように構成することで、ガス流路板からガス拡散層へ流出するガスの、面方向における圧力のばらつきを抑制することができる。
（２）前記一方の板面の法線方向から見た前記第２流路は、前記第２領域と前記第３領域との前記境界面においてスポット形状であることが好ましい。これにより、第２開口から第３領域に流出するガスの圧力が高まる。よって、ガス流路板からガス拡散層へ流出するガスの、面方向における圧力のばらつきがさらに抑制される。
（３）前記ガス流路板の前記一方の板面の中心点と外縁とを結ぶ複数の任意の直線を引き、前記直線上にあって前記中心点からの距離が当該直線の１／４である複数の地点を繋いで形成される図形で囲まれた前記中心点を含む領域を中央部としたときの前記中央部の面積に対する、前記第３流路の前記中央部における開口面積の割合をＲｉｎとし、前記ガス流路板の前記一方の板面の前記中央部以外の外縁部の面積に対する、前記第３流路の前記外縁部における開口面積の割合をＲｏｕｔとしたとき、０．８≦Ｒｉｎ／Ｒｏｕｔ≦１．２の関係を満たすことが好ましい。上記一方の板面の全面に、均一に第３開口が形成されることにより、ガスは、十分に予備拡散された状態で、ガス拡散層に供給される。
（４）前記第１領域は第１板状部材であり、前記第２領域は第２板状部材であり、前記第３領域は第３板状部材であり、前記ガス流路板は、前記第１板状部材と前記第２板状部材と前記第３板状部材との積層体であることが好ましい。これにより、各流路が形成し易くなって、加工コストが低減する。
（５）前記金属多孔体の気孔率は、８５体積％以上であることが好ましい。これにより、さらなるガス拡散性の向上が期待できるため、第１電極の全面に、高い均一性でガスを供給することができる。
（６）前記第１電極は、アノードであることが好ましい。アノードでは、燃料ガスの供給により還元反応が起こる。還元反応により、アノードの体積はわずかに収縮する。アノードの収縮の程度にばらつきがあると、アノードの大きく収縮する箇所に応力が集中するため、セル構造体が損傷する場合がある。上記ガス拡散層およびガス流路板をアノードに対向するように配置することにより、ガスがアノード全体に、高い均一性で供給されるため、アノードは、均等に収縮する。その結果、セル構造体の損傷が抑制され易くなる。
［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、本実施形態に係る燃料電池を、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、燃料電池１００は、第１電極１１１、第２電極１１２、および、第１電極１１１および第２電極１１２の間に介在する電解質層１１３を備えるセル構造体１１０と、第１電極１１１に対向するように配置されたガス拡散層１２０と、ガス拡散層１２０に対向するように配置されたガス流路板１３０と、を備える。ここで、図１は、燃料電池１００の一実施態様を模式的に示す断面図である。図２は、ガス流路板１３０およびガス拡散層１２０の構成の一例を示す展開斜視図である。図３Ａ〜図３Ｃ、図４Ａ〜図４Ｃおよび図５Ａ〜図５Ｃは、ガス流路板１３０を、後述する領域ごとに展開して示す上面図である。図中、同じ機能を有する構成要素には、同じ符号を付して示している。
ガス流路板１３０およびガス拡散層１２０は、図示しないマニホールドから供給されるガスを拡散しながら、第１電極１１１に供給する機能を有する。ガス流路板１３０は、ガス拡散層１２０にガスを供給するために、ガス拡散層１２０に対向するように配置されている。ガス拡散層１２０は、第１電極１１１にガスを供給するために、第１電極１１１に対向するように配置されている。
（ガス流路板）
ガス流路板１３０は、ガス拡散層１２０にガスを供給する部材である。ガス流路板１３０は、ガスの圧力損失の増加を抑制しながら、ガス拡散層１２０の面方向（ひいては、燃料電池１００の面方向）に均一に拡散されたガスを、ガス拡散層１２０に供給する。ガス流路板１３０によるガスの圧力損失は、ガス拡散層１２０によるガスの圧力損失よりも小さいことが望ましい。ガス流路板１３０によるガスの圧力損失は、例えば、ガス拡散層１２０の圧力の５０％未満である。また、ガス流路板１３０は、燃料電池１００のインターコネクタとして機能し得る。
ガス流路板１３０は、ガス流路板１３０の厚みを分割するように配置される第１領域１３１と、第２領域１３２と、第３領域１３３とを、ガス拡散層１２０側とは反対の板面１３０Ｂからこの順に備えている。ガス流路板１３０はほぼ一定の厚みを有している。すなわち、ガス流路板１３０のガス拡散層１２０側の板面１３０Ａと、板面１３０Ａに対向する板面１３０Ｂとは、ほぼ平行である。また、板面１３０Ａと板面１３０Ｂとは、互いに全面が対向している。さらに、圧力損失の観点から、板面１３０Ａの法線方向Ｎから見た第１領域１３１と第２領域１３２との境界面１３０Ｘ、および、法線方向Ｎから見た第２領域１３２と第３領域１３３との境界面１３０Ｙは、板面１３０Ａおよび板面１３０Ｂの全体に対向していることが好ましい。
第１領域１３１には第１流路１３１Ａが形成され、第２領域１３２には第２流路１３２Ａが形成され、第３領域１３３には第３流路１３３Ａが形成されている。それぞれの流路は、各領域をガス流路板１３０の厚さ方向に貫いている。また、第１流路１３１Ａは、ガス流路板１３０の板面１３０Ｂに開口するとともに第２流路１３２Ａに連通し、第２流路１３２Ａは第３流路１３３Ａに連通し、第３流路１３３Ａは、ガス流路板１３０の板面１３０Ａに開口するとともにガス拡散層１２０に連通している。よって、マニホールドから供給されたガスは、第１流路１３１Ａを通った後、順次、第２流路１３２Ａおよび第３流路１３３Ａを通って、ガス拡散層１２０に供給される。
上記各流路は、各領域におけるガスの流量およびガスの流れる方向が変化するように、形成されている。このように、ガス流路板１３０を厚み方向に複数の領域に分割し、各領域に異なる機能を有する流路を配置することにより、ガスは、短い経路で板面１３０Ａの全面に高い均一性で拡散される。加えて、板面１３０Ａから流出するガスの面方向における圧力のばらつきが抑制される。この機構については後述する。
境界面１３０Ｘおよび境界面１３０Ｙは、法線方向Ｎから見た各流路の断面の形状や面積等によって決定できる。後述するように、ガス流路板が複数の板状部材によって構成されている場合、板状部材のそれぞれが、ある一つの領域を形成しているとみなすことができる。なお、第１領域１３１に形成されている第１流路１３１Ａの上記断面の形状および面積は、大きくは変化しない。例えば、第１流路１３１Ａの法線方向Ｎから見た断面積の変化率は１０％以下である。第２流路１３２Ａおよび第３流路１３３Ａについても同様である。
各領域は、法線方向Ｎから見た各流路の断面の形状や面積等によって、以下のように決定できる。第１領域１３１と第２領域１３２とでは、流路の上記断面の形状および面積が異なる。そのため、法線方向Ｎから見たとき、板面１３０Ａの中心から外縁に向かう方向に延出したスリットを備える領域は、第１領域１３１であると決定できる。一方、第１領域１３１のガス拡散層１２０側に隣接した領域であって、法線方向Ｎから見たとき、上記スリットを備えない領域は、第２領域１３２であると決定できる。あるいは、第１領域１３１のガス拡散層１２０側に隣接した領域であって、上記断面の面積が第１領域１３１に形成された第１流路１３１Ａの上記断面の面積の６０％よりも小さい流路を持つ領域は、第２領域１３２であると決定できる。これら第１領域１３１と第２領域１３２との板面１３０Ａに平行な境界面を、境界面１３０Ｘとする。
第２領域１３２と第３領域１３３とでは、上記断面の面積が異なる。例えば、ガス流路板１３０に形成された流路の上記断面の面積の変化を、ガス流路板１３０のガス拡散層１２０に対向する面（板面１３０Ａ）から板面１３０Ａとは反対側の面（板面１３０Ｂ）に向かって逐次算出したとき、板面１３０Ａに形成された開口（後述する第３開口１３３ａ）の総面積に対して、上記断面の面積が２０％の割合になった板面１３０Ａに平行な面を、第２領域１３２と第３領域１３３との境界面１３０Ｙと決定できる。この場合、境界面１３０Ｙからガス拡散層１２０までの領域が第３領域１３３であり、境界面１３０Ｙから境界面１３０Ｘまでの領域が第２領域１３２である。
なお、図示例ではガス流路板１３０の板面１３０Ａ、１３０Ｂ、およびガス拡散層１２０の主面の形状が円形である場合を示しているが、これに限定されるものではない。ガス流路板１３０の板面１３０Ａ、１３０Ｂ、およびガス拡散層１２０の主面の形状は、例えば、矩形、楕円形、多角形、不定形等であってもよい。
（第１領域）
第１領域１３１には、マニホールドからガスが供給される。第１領域１３１は、供給されたガスを、第１領域１３１の中央から外縁に、あるいは、第１領域１３１の外縁から中央に強制的に拡散させた状態で、第２領域１３２に供給する役割を有する。つまり、法線方向Ｎから見た第１流路１３１Ａは、第１領域と第２領域との境界面１３０Ｘにおいて、板面１３０Ａの中心から外縁に向かう方向に延出したスリットを含む。言い換えれば、境界面１３０Ｘには、第１流路１３１Ａによって、板面１３０Ａの中心から外縁に向かう方向に延出したスリット形状の開口が少なくとも形成されている。境界面１３０Ｘには、他の形状あるいは上記方向とは異なる方向に延出した開口が形成されていてもよい。以下、板面１３０Ａの中心から外縁に向かう方向に延出したスリット形状の開口と、その他、必要に応じて境界面１３０Ｘに形成された開口とを合わせて、第１開口１３１ａとする。
スリット形状（あるいはスリット）とは、第１開口１３１ａを構成する個々の開口を囲む最少の矩形を想定したとき、当該矩形の任意の一辺とこの一辺と頂点を共有して直交する一辺との長さの比が２を超える場合をいう。この場合、第１開口１３１ａを囲む最少の矩形の長手方向が、板面１３０Ａの中心から外縁に向かう方向である。板面１３０Ａの中心から外縁に向かう方向とは、板面１３０Ａの中心点Ｃを含む中央部に含まれる任意の点と外縁とを結ぶ直線の方向である。このとき、中央部に含まれる任意の点と外縁とを結ぶ直線は、必ずしも中心点Ｃを通らなくてもよい。
板面１３０Ａの中心点Ｃを含む中央部とは、板面１３０Ａの中心点Ｃと外縁とを結ぶ複数の任意の直線を引き、これら直線上にあって、中心点Ｃからの距離が当該直線の１／４である複数の地点を繋いで形成される図形（板面１３０Ａと相似形である）で囲まれた、中心点Ｃを含む領域である。
板面１３０Ａの中心点Ｃは、板面１３０Ａが円形の場合、円の直径の中点であり、板面１３０Ａが楕円形の場合、長径および短径の中点である。また、板面１３０Ａが円および楕円以外の点対称な形状（例えば、矩形）である場合、中心点Ｃは複数の対角線の交点である。板面１３０Ａが上記以外の形状である場合、ガス流路板１３０の密度は一様であると仮定して、中心点Ｃを、ガス流路板１３０の重心Ｇとみなすことができる。
第１開口１３１ａの外形は特に限定されず、矩形であってもよいし、その他の形状であってもよい。例えば、第１開口１３１ａの中心線は、直線であってもよいし、円弧や波型のように曲線であってもよいし、これらの組合せであってもよい。第１開口１３１ａの中心線とは、第１開口１３１ａの短手方向を２等分する線である。また、第１開口１３１ａの短手方向および長手方向の幅は一定であってもよいし、一定でなくてもよい。
第１開口１３１ａの配置は、第１流路１３１Ａと第２流路１３２Ａとが連通し、かつ、板面１３０Ａの中心から外縁に向かう方向に延出している限り、特に限定されない。なかでも、圧力損失の観点から、第１開口１３１ａは、第２流路１３２Ａに対応する位置にあることが好ましい。
第１開口１３１ａを囲む最少の矩形の長手方向（板面１３０Ａの中心と外縁とを結ぶ方向）の長さは、特に限定されない。第１開口１３１ａの上記長手方向の長さは、板面１３０Ａの中心点Ｃから外縁までの長さと同じであってもよいし、これより短くてもよい。また、板面１３０Ａの中心点Ｃから外縁までの長さよりも短い第１開口１３１ａを、板面１３０Ａの中心から外縁までを結ぶ任意の直線上に、複数配置してもよい。なかでも、ガスを板面１３０Ａの外縁にまで拡散させるために、第１開口１３１ａの上記長手方向の長さは、板面１３０Ａの中心点Ｃから外縁までの長さ（板面１３０Ａが円形である場合、その半径）の１／２以上であることが好ましい。
第１開口１３１ａの総面積（第１開口面積Ｓ１）の板面１３０Ａに対する割合は、特に限定されない。なかでも、ガスが板面１３０Ａの外縁全体により均等に拡散される点で、上記割合は、例えば３〜５０％であることが好ましい。
図３Ａおよび図３Ｂに、複数の第１開口１３１ａが、板面１３０Ａの中心から外縁に向かって、放射状に形成されている場合を示す。なお、図中、第１領域１３１の点Ｃ１は、中心点Ｃに対応している。第１開口１３１ａが放射状に複数形成されている場合、近接する複数の第１開口１３１ａを囲む最少の矩形の中心線同士の成す角度θは、１２０度以下であることが好ましい。これにより、ガスは、第２領域１３２を介して第３領域１３３の全面に高い均一性で拡散される。図３Ａでは、角度θが９０度である場合を示しており、図３Ｂでは、角度θが１２０度である場合を示している。図３Ａおよび図３Ｂは、境界面１３０Ｘ側から見た第１領域１３１の上面図を示している。
図３Ａにおいて、第１領域１３１はさらに２つの領域に分かれている。一方の領域は、第１流路１３１Ａが形成されている領域（形成領域１３１１）である。他方の領域は、第１流路１３１Ａを有しない領域（受入領域１３１２）である。受入領域１３１２は、第１領域１３１の第２領域１３２とは反対側に配置され、例えば、マニホールドからのガスを直接的に受け入れる領域である。受入領域１３１２は、受入領域１３１２を貫通する流入口１４０を備えている。流入口１４０と第１流路１３１Ａとは連通しており、第１流路１３１Ａは、流入口１４０を通じて板面１３０Ｂに開口している。流入口１４０と第１流路１３１Ａとは、対応する位置に配置されていてもよい。後述するように、ガス拡散層１２０として用いられる三次元網目状の金属多孔体は、ガスの通る経路が比較的長い。そのため、三次元網目状の金属多孔体は、ガスを第１領域１３１の内部に長く滞留させることができる。よって、流入口１４０が第１流路１３１Ａに対応する位置にある場合であっても、ガスは、板面１３０Ａの外縁方向にまで拡散され易くなる。
受入領域１３１２には、さらに、ガスを他のマニホールドに排出する排出口１５０が形成されていてもよい。この場合、マニホールドから供給されたガスは、受入領域１３１２、第１流路１３１Ａが形成された形成領域１３１１、第２領域１３２、第３領域１３３およびガス拡散層１２０を経由して、第１電極１１１に供給されて、一部が消費される。消費されなかった残部は、再びガス拡散層１２０、第３領域１３３、第２領域１３２、形成領域１３１１を経由して、受入領域１３１２の排出口１５０から他のマニホールドに排出される。
図３Ｃに、第１開口１３１ａが、点Ｃ１を含むとともに板面１３０Ａの中心から外縁に向かう一方向に延出したスリット１３１１ａに加え、スリット１３１１ａと略平行に延出し、スリット１３１１ａと所定の間隔をあけて配置された複数のスリット１３１１ｂを含む場合を示す。
図３Ｃでは、第１開口１３１ａが板面１３０Ａの一方向にのみ延出している。この場合、第１領域１３１をさらに２つの領域に分ける。一方の領域は、第１流路１３１Ａが形成されている領域（形成領域１３１１）であり、他方の領域は、第１流路１３１Ａに替えて、補助流路１３１３Ａを有する領域（補助領域１３１３）である。補助領域１３１３は、形成領域１３１１の板面１３０B側に配置される。
補助流路１３１３Ａは、形成領域１３１１との境界面に、第１開口１３１ａ（１３１１ａおよび１３１１ｂ）とは異なる方向に延出するスリット状の複数の開口（補助開口１３１３ａ）を形成する。補助流路１３１３Ａと第１流路１３１Ａとは連通しており、第１流路１３１Ａは、補助流路１３１３Ａを通じて板面１３０Ｂに開口している。第１流路１３１Ａを備える形成領域１３１１と補助領域１３１３との境界面において、補助流路１３１３Ａによって形成される補助開口１３１３ａを囲む最少の矩形の中心線と、第１開口１３１ａを囲む最少の矩形の中心線とが成す最少の角度は、３０〜９０度の範囲であることが好ましい。これにより、ガスの拡散方向が一方向に偏ることが抑制されて、ガスは境界面１３０Ｘの外縁全体に拡散され易くなる。
複数の補助開口１３１３ａは、第１開口１３１ａとは異なる方向に、それぞれランダムに延出していてもよいし、図３Ｃに示すように、互いに平行に延出していてもよい。なかでも、ガスの流れを制御し易い点で、複数の補助開口１３１３ａ同士は、互いに平行であることが好ましい。補助領域１３１３は、必要に応じて複数配置してもよい。ただし、その数は少ない（例えば、３層以下）ことが望ましい。燃料電池１００の厚みが大きくなるためである。補助開口１３１３ａの総面積の板面１３０Ａに対する割合は、１０〜５０％であることが好ましく、２０〜４０％であることがより好ましい。
（第２領域）
第２領域１３２は、第１領域１３１により板面１３０Ａの外縁方向にまで拡散されたガスを、第３領域１３３を介して、高い圧力でガス拡散層１２０に供給する役割を有する。
そのため、第２流路１３２Ａによって境界面１３０Ｙに形成された開口（第２開口１３２ａ、図４Ａ〜４Ｃ参照）の総面積（第２開口面積Ｓ２）は、第３流路１３３Ａによって第３領域１３３とガス拡散層１２０との境界面（すなわち、板面１３０Ａ）に形成された開口（第３開口１３３ａ、図５Ａ〜５Ｃ参照）の総面積（第３開口面積Ｓ３）よりも小さい（Ｓ２＜Ｓ３）。上流である第２開口面積Ｓ２が、下流である第３開口面積Ｓ３より小さいため、ガスは、高い圧力で第２領域１３２から、第３領域１３３、さらにはガス拡散層１２０へと流れる。特に、第２開口面積Ｓ２は、第３開口面積Ｓ３の１／５０〜１／５であることが好ましい。図４Ａ〜４Ｃに、境界面１３０Ｙ側から見た第２領域１３２の上面図を示す。図５Ａ〜５Ｃに、板面１３０Ａ側から見た第３領域１３３の上面図を示す。
さらに、第２領域１３２は、ガスを第１領域１３１の内部に長く留める役割を有する。
これにより、第１領域１３１に供給されたガスは、板面１３０Ａの中央から外縁方向にわたって十分に拡散される。そのため、第２開口面積Ｓ２は、第１開口１３１ａの境界面１３０Ｘにおける総面積（第１開口面積Ｓ１）よりも小さい（Ｓ２＜Ｓ１）。下流である第２開口面積Ｓ２が、上流である第１開口面積Ｓ１より小さいため、ガスは、上流側で一旦、滞留させられる。このとき、ガスは、境界面１３０Ｘに形成された第１開口１３１ａに沿って、板面１３０Ａの外縁方向に拡散する。さらに、第１開口１３１ａから流出するガスの圧力が、境界面１３０Ｘ全体で均等化される。特に、第２開口面積Ｓ２は、第１開口面積Ｓ１の１／２０〜１／２であることが好ましい。
第２開口１３２ａの形状は特に限定されないが、第２領域１３２の上記役割を考慮すると、スポット形状であることが好ましい。スポット形状とは、第２開口１３２ａを構成する個々の開口を囲む最少の矩形を想定したとき、当該矩形の任意の一辺とこの一辺と頂点を共有して直交する一辺との長さの比が２以下である場合をいう。第２開口１３２ａの外形は特に限定されず、例えば円形、楕円形、多角形、星形等が挙げられる。
第２開口１３２ａの配置は、第２流路１３２Ａと、第１流路１３１Ａおよび第３流路１３３Ａとが、それぞれ連通する限り、特に限定されない。なかでも、圧力損失の観点から、第２開口１３２ａは、第３流路１３３Ａに対応する位置にあることが好ましい。さらには、ガスが第３領域１３３の全面に拡散し易くなる点で、第２開口１３２ａは、少なくとも境界面２３の点Ｃ２近傍および外縁近傍に配置されることが好ましい。点Ｃ２は、板面１３０Ａの中心点Ｃに対応している。
第２開口１３２ａの好ましい配置を、図４Ａ〜図４Ｃに示す。図４Ａは、スポット形状の第２開口１３２ａが、境界面１３０Ｙ上の点Ｃ２の近傍および外縁の近傍に、十字型の線上に形成されている場合を示す。図４Ａにおいて、第２開口１３２ａは、図３Ａに示す第１開口１３１ａに対応する位置に配置されている。
図４Ｂは、スポット形状の第２開口１３２ａが、境界面１３０Ｙ上の点Ｃ２の近傍および外縁の近傍に、円を三分割するような直線上に形成されている場合を示す。図４Ｂにおいて、第２開口１３２ａは、図３Ｂに示す第１開口１３１ａに対応する位置に配置されている。図４Ｃは、スポット状の第２開口１３２ａが、境界面１３０Ｙの全面に形成されている場合を示す。図４Ｃにおいて、第２開口１３２ａは、図３Ｃに示す第１開口１３１ａ（１３１１ａおよび１３１１ｂ）に対応する位置に配置されている。なお、第２開口１３２ａの配置は、これに限定されない。
第２開口面積Ｓ２の板面１３０Ａに対する割合は、特に限定されないが、ガスの圧力が高まる点、および、ガスが滞留し易くなる点で、例えば０．２〜１５％であることが好ましい。
（第３領域）
第３領域１３３は、ガス拡散層１２０に対向しており、圧力損失の増加を抑制しながら、ガス拡散層１２０の全面に高い均一性でガスを供給する役割を有する。そのため、第３流路１３３Ａによって板面１３０Ａに形成された開口（第３開口１３３ａ）の総面積（第３開口面積Ｓ３）は、第１開口面積Ｓ１および第２開口面積Ｓ２よりも大きい。
第３流路１３３Ａの配置は、第２流路１３２Ａと第３流路１３３Ａ、第３流路１３３Ａとガス拡散層１２０とがそれぞれ連通する限り、特に限定されない。なかでも、第３開口１３３ａは、板面１３０Ａの全面に偏りなく形成されていることが好ましい。すなわち、板面１３０Ａの中央部（１３０Ｃ。図５Ｃ参照）の面積に対する、第３流路１３３Ａの中央部１３０Ｃにおける開口面積の割合をＲｉｎとし、板面１３０Ａの外縁部の面積に対する、第３流路１３３Ａの外縁部における開口面積の割合をＲｏｕｔとしたとき、０．８≦Ｒｉｎ／Ｒｏｕｔ≦１．２の関係を満たすことが好ましい。中央部１３０Ｃとは、板面１３０Ａの中心点Ｃと外縁とを結ぶ複数の任意の直線を引いたとき、これら直線の中点を繋いで形成される図形（板面１３０Ａと相似形である）で囲まれた、中心点Ｃを含む領域である。外縁部とは、板面１３０Ａの中央部１３０Ｃ以外の領域である。
第３開口１３３ａの形状は、例えば、図５Ａおよび図５Ｂに示すようなリング状であってもよい。この場合、リングの本数は特に限定されず、例えば、３〜１５本である。また、第３開口１３３ａの形状は、図５Ｃに示すように市松模様状であってもよい。図中、点Ｃ３は、板面１３０Ａの中心点Ｃに対応している。
第３開口面積Ｓ３の板面１３０Ａの面積に対する割合は、特に限定されないが、ガスの圧力損失が低減される点で、例えば１０〜７５％であることが好ましい。
第３領域１３３は、第３流路１３３Ａが形成された領域以外の領域（拡散領域。図示せず）を備えていてもよい。拡散領域は、第２領域１３２と第３流路１３３Ａが形成された領域との間に配置され得る。拡散領域は拡散流路を備える。拡散領域と第３流路１３３Ａが形成された領域との境界面において、拡散流路の当該境界面に対する開口面積は、第２開口面積Ｓ２よりも大きければよく、第３開口面積Ｓ３よりも小さくてもよいし、同じか、それ以上であってもよい。
第１領域１３１、第２領域１３２および第３領域１３３の厚みは、特に限定されない。
なかでも、ガスの経路が短くなる点で、できる限り薄いことが好ましい。各領域の厚みは、それぞれ同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、各領域の厚みのガス流路板１３０の厚みに対する割合も特に限定されない。例えば、ガス流路板１３０の厚みは、１．５〜５ｍｍであり、各領域の厚みは、０．２〜１．５ｍｍである。
ガス流路板１３０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、ランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３）等のセラミックスが例示できる。プロトン伝導性固体酸化物型燃料電池（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ガス流路板１３０の材料として用いることができる。なお、領域ごとに、異なる材料を用いてもよい。
第１領域１３１、第２領域１３２および第３領域１３３を備えるガス流路板１３０の製造方法は、厚み方向に開口面積が変化するとともに、厚み方向にガスの流れる方向を強制的に変化させるような流路を形成することができる限り、特に限定されない。なかでも、生産性およびコストの点で、複数の板状部材に所定の貫通孔を形成し、これらを積層することにより、ガス流路板１３０を製造することが好ましい。すなわち、ガス流路板１３０は、複数の板状部材の積層体であることが好ましい。
上記の場合、ガス流路板１３０は、例えば、第１板状部材、第２板状部材および第３板状部材を準備する工程と、第１板状部材、第２板状部材および第３板状部材に、それぞれ第１貫通孔、第２貫通孔および第３貫通孔を形成する工程と、各貫通孔が形成された第１板状部材、第２板状部材および第３板状部材を、この順に積層する工程と、を備える方法により製造することができる。
このとき、第１貫通孔を、第１貫通孔によって第１板状部材の第２板状部材に対向する主面に形成される開口として、第１板状部材の当該主面の中心と外縁とを結ぶ方向に延出するスリットを含むように形成する。さらに、各貫通孔を、第１貫通孔によって第１板状部材の上記主面に形成される開口の総面積ｓ１と、第２貫通孔によって第２板状部材の第３板状部材に対向する主面に形成される開口の総面積ｓ２と、第３貫通孔によって第３板状部材の第２板状部材に対向しない主面に形成される開口の総面積ｓ３とが、２×ｓ２＜ｓ１、５×ｓ２＜ｓ３の関係を満たすように、形成する。各貫通孔は、生産性の観点から、プレス加工により形成されることが好ましい。また、各貫通孔は、板状部材の両主面に対して垂直に形成されていてもよいし、非垂直に形成されていてもよい。前者の場合、板状部材の両主面には、形状および大きさが同じ開口が形成される。
（ガス拡散層）
ガス拡散層１２０は、ガス流路板１３０で拡散されたガスをさらに拡散しながら、第１電極１１１に供給する層である。ここで、ガス拡散層１２０によるガスの圧力損失は、ガス流路板１３０よりも大きい。また、ガス拡散層１２０は、燃料電池１００の集電体として機能し得る。
ガス拡散層１２０は、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体である。三次元網目状とは、例えば、棒状や繊維状の金属が相互に三次元的に繋がり合い、ネットワークを形成している構造を指す。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。
ガス拡散層１２０の気孔率は、圧力損失およびガス拡散性の観点から、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。ガス拡散層１２０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％以下であってもよい。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。なお、気孔率（体積％）は、｛１−（ガス拡散層１２０の見掛けの比重／ガス拡散層１２０を構成する金属の真の比重）｝×１００で求められる。
ガス拡散層１２０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、市販の三次元網目状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。
ガス拡散層１２０は、アノードに対向するように配置されることが好ましい。すなわち、第１電極１１１はアノードであることが好ましい。アノードには、通常、触媒成分として酸化ニッケルが含まれている。アノードに燃料ガスが供給されると、酸化ニッケルの還元反応が起こる。この還元反応により、アノードの体積はわずかに収縮する。ここで、アノードに燃料ガスが不均等に供給されると、アノード内で、収縮の程度にばらつきが生じる。このとき、アノードの大きく収縮する箇所に、応力が集中するため、セル構造体が損傷する場合がある。ガス拡散層１２０をアノードに対向するように配置することにより、燃料ガスがアノードの全面に高い均一性で供給される。よって、アノードの収縮のばらつきが抑制されて、セル構造体１１０の損傷が抑制される。
以下、第１電極１１１がアノードであり、第２電極１１２がカソードである場合を例にとって、セル構造体１１０について説明する。
（セル構造体）
セル構造体１１０は、アノード１１１と、カソード１１２と、アノード１１１およびカソード１１２の間に介在する電解質層１１３と、を備える。アノード１１１とカソード１１２と電解質層１１３とは、例えば、焼結により一体化されている。セル構造体１１０は、アノード１１１の厚みがカソード１１２よりも大きい、いわゆるアノードサポート型であってもよい。
（アノード）
アノード１１１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１１１では、図示しないマニホールド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１１１の厚みは、例えば、１０μｍ〜１０００μｍ程度であればよい。
アノード１１１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、以下に例示する固体酸化物と、触媒成分である酸化ニッケル（ＮｉＯ）と、の複合酸化物等が挙げられる。このような複合酸化物を含むアノード１１１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。
上記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）、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。
（カソード）
カソード１１２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１１２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１１２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。
カソード１１２は、ニッケル、鉄、コバルト等の触媒を含んでいてもよい。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１１２の厚みは、特に限定されないが、５μｍ〜１００μｍ程度であればよい。
（電解質層）
電解質層１１３は、イオン伝導性を有する固体酸化物を含む。電解質層１１３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よいし、水素イオン（プロトン）であってもよい。なかでも、電解質層１１３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。イオン伝導性を有する固体酸化物としては、アノード１１１に用いられる固体酸化物として例示した金属酸化物を、同じく例示することができる。プロトン伝導性を有する固体酸化物としては、ＢＺＹ、ＢＣＹ、ＢＺＣＹ等があげられる。
（セル構造体の製造方法）
セル構造体１１０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１１０は、アノード１１１と電解質層１１３とカソード１１２とが一体化されている。
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。
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％以上であってもよいし、６０体積％以上であってもよい。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。
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よい。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。
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よい。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、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、上記範囲であればよい。焼結は、常圧下または加圧下で行うことができる。
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。
（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。
上記金属多孔体を構成する金属は特に限定されず、ガス拡散層１２０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。
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。
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。
（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。
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。
上記金属多孔体を構成する金属は特に限定されず、ガス拡散層１２０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。
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。
（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。
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。
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、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。
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。
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。
上記金属多孔体を構成する金属は特に限定されず、ガス拡散層１２０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。
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。
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。
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２１３を含む構造体２１０と、構造体２１０の各主面にそれぞれ対向する電極２２０Ａおよび２２０Ｂと、電極２２０Ａおよび２２０Ｂの構造体２１０とは反対側の主面にそれぞれ対向する板材２３０Ａおよび２３０Ｂと、図示しない電源とを備える。
電極２２０Ａおよび２２０Ｂ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。板材２３０Ａおよび２３０Ｂ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り、それぞれガス流路（図示せず）を備えている。
水蒸気Ｖは、板材２３０Ａを経由して電極２２０Ａに導入される。すなわち、電極２２０Ａは陽極であり、電極２２０Ｂは陰極である。
ＳＯＥＣ式水素製造装置２００は、電極２２０Ｂ、板材２３０Ｂおよび電源を備える以外、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２１０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２１３と、その各主面に対向するように配置された多孔質層２１１および２１２とを備える。固体酸化物電解質膜２１３は、電解質層１１３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２１１および２１２は、固体酸化物電解質膜２１３をサポートしている。また、陽極（電極２２０Ａ）側に配置された多孔質層２１１は、アノード１１１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２１２は、例えば、カソード１１２で例示したのと同じ化合物により形成される。
板材２３０Ａは、上記ガス流路板１３０と同様の構成を備えている。これにより、優れたガス拡散性能を有する水素製造装置が得られる。板材２３０Ｂの構成は特に限定されず、上記ガス流路板１３０と同様の構成を備えていてもよい。電極２２０Ａで発生した酸素および未反応の水蒸気は、板材２３０Ａを経由して取り出されてもよい。同様に、電極２２０Ｂで発生した水素は、板材２３０Ｂを経由して取り出されてもよい。
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
下記の手順でセル構造体を作製した。
まず、ＢＺＹ（ＢａＺｒ０．８Ｙ０．２Ｏ２．９）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（ＢａＺｒ０．８Ｙ０．２Ｏ２．９）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。次いで、１４００℃で加熱処理することにより共焼結し、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（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、セル構造体を作製した。カソードの厚みは１０μｍであった。
（２）ガス流路板の準備
直径１００ｍｍ、厚み０．５ｍｍの円形のステンレス鋼製の板状部材を４枚準備した。
それぞれの板状部材に、プレス加工により、図７（ａ）〜（ｄ）に示すような形状の開口（１３３ａ、１３２ａ、１３１１ａ、１３１１ｂ、１３１３ａ）を備える貫通孔を形成した。図７（ａ）に示す板状部材Ｐ１３３は第３領域１３３を形成し、図７（ｂ）に示す板状部材Ｐ１３２は第２領域１３２を形成する。図７（ｄ）に示す板状部材Ｐ１３１３は補助領域であり、図７（ｃ）に示す板状部材Ｐ１３１１とともに第１領域１３１を形成する。
板状部材Ｐ１３１３およびＰ１３１１には、同じ位置に同じ形状の貫通孔を形成した。
貫通孔によって、板状部材Ｐ１３１３の主面には、スリット状の補助開口１３１３ａが１１本形成され、板状部材Ｐ１３１１の主面には、スリット１３１１ａ、および、その両側に、スリット１３１１ａに平行なスリット１３１１ｂが５本ずつ形成された。すべての開口の長手方向の長さは、端から３４ｍｍ、５０ｍｍ、６６ｍｍ、８２ｍｍ、９４ｍｍ、８２ｍｍ、９４ｍｍ、８２ｍｍ、６６ｍｍ、５０ｍｍ、３４ｍｍであり、短手方向の長さは２ｍｍであった。さらに、板状部材Ｐ１３１１およびＰ１３１３の外縁には、ガスをマニホールドに排出するための貫通孔（排出口１５０）を複数形成した。
板状部材Ｐ１３２の一方の主面には、貫通孔によって、一辺２ｍｍの正方形の第２開口１３２ａが、１５ｍｍ間隔で全体的に形成されていた。板状部材Ｐ１３３の一方の主面には、一辺７ｍｍの正方形の第３開口１３３ａが、１５ｍｍ間隔で市松模様状に形成されていた。
貫通孔が形成された各板状部材を、図７に示された状態でこの順に積層して、ガス流路板を得た。板状部材Ｐ１３１３とＰ１３１１とは、補助開口１３１３ａの中心線とスリット１３１１ａの中心線とが９０度の角度を成すように、積層した。
（３）ガス拡散層の準備
住友電気工業株式会社製のニッケルのセルメット（品番♯８）により形成された、円形の三次元網目状の金属多孔体（厚さ１．４ｍｍ、直径１００ｍｍ）を準備した。
（４）燃料電池の作製
上記で得られたセル構造体のアノードの表面に、順次、ガス拡散層およびガス流路板を積層した。一方、カソードの表面に、ガス流路を有する一枚のステンレス鋼製の板状部材により形成されたカソード側インターコネクタを積層し、図１に示す燃料電池を製作した。
（５）ガス拡散性評価
動作温度を６００℃として、作製された燃料電池のアノードに燃料ガスとして水素を０．３Ｌ／分で流し、カソードに空気を１Ｌ／分で流した時のガス拡散性を評価した。ガス拡散性は、アノードの表面における静圧により評価した。結果を図８に示す。図８は、アノードの表面の１／４の部分における静圧の分布を示している（以下、図１０、図１２、図１４、図１６および図１８Ａについても同様）。
［実施例２］
ガス流路板として、図９（ａ）〜（ｄ）に示すような形状の開口（１３３ａ、１３２ａ、１３１ａ、１４０および１５０）を備える貫通孔が形成された板状部材を使用したこと以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製し、評価した。結果を図１０に示す。
図９（ａ）に示す板状部材Ｐ１３３は第３領域１３３を形成し、図９（ｂ）に示す板状部材Ｐ１３２は第２領域１３２を形成する。図９（ｄ）に示す板状部材Ｐ１３１２は受入領域１３１２であり、図９（ｃ）に示す板状部材Ｐ１３１１とともに第１領域１３１を形成する。
板状部材Ｐ１３１２の一方の主面の中心近傍には、一辺２ｍｍの正方形の流入口１４０が、２箇所形成されていた。流入口１４０同士は、３２ｍｍの間隔をあけて配置されていた。また、板状部材Ｐ１３１２の外縁には、ガスをマニホールドに排出するための貫通孔（排出口）１５０を２箇所、形成した。排出口１５０の中心の板状部材Ｐ１３１２の中心からの距離は、いずれも４７ｍｍとした。
第１開口１３１ａは、流入口１４０に対応する位置に、板状部材Ｐ１３１１を放射状に４分割するように形成されていた。第１開口１３１ａの長手方向の長さは、右回りに４７ｍｍ、３９ｍｍ、４７ｍｍ、３９ｍｍであり、短手方向の長さは、いずれも２ｍｍであった。
板状部材Ｐ１３２の一方の主面には、一辺２ｍｍの正方形の第２開口１３２ａが、図９（ｂ）に示すように、第１開口１３１ａに対応する位置にそれぞれ複数、配置されていた。１つの第１開口１３１ａに対応する位置に配置された第２開口１３２ａ同士の間隔は、２０ｍｍとした。板状部材Ｐ１３３の一方の主面には、リング状の第３開口１３３ａが５本形成されていた。それぞれのリングの内径の半径は、３ｍｍ、１３ｍｍ、２３ｍｍ、３３ｍｍ、４３ｍｍであり、リングの幅は２．４ｍｍであった。なお、プレス加工の工程上、リングには、それぞれ２箇所の不連続部分を設けた。貫通孔が形成された各板状部材を、図９（ａ）〜（ｄ）に示された状態で、この順に積層して、ガス流路板とした。
［実施例３］
ガス流路板として、図１１（ａ）〜（ｄ）に示すような形状の開口（１３３ａ、１３２ａ、１３１ａ、１４０および１５０）を備える貫通孔が形成された板状部材を使用したこと以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製し、評価した。結果を図１２に示す。
図１１（ａ）に示す板状部材Ｐ１３３は第３領域１３３を形成し、図１１（ｂ）に示す板状部材Ｐ１３２は第２領域１３２を形成する。図１１（ｄ）に示す板状部材Ｐ１３１２は受入領域１３１２であり、図１１（ｃ）に示す板状部材Ｐ１３１１とともに第１領域１３１を形成する。
板状部材Ｐ１３１２の一方の主面の中心近傍には、一辺２ｍｍの正方形の流入口１４０が２箇所形成されていた。流入口１４０同士は、２０ｍｍの間隔をあけて配置されていた。また、板状部材Ｐ１３１２の外縁には、ガスをマニホールドに排出するための貫通孔（排出口）１５０を２箇所形成した。排出口１５０の中心の板状部材Ｐ１３１２の中心からの距離は、いずれも４６．２ｍｍとした。
第１開口１３１ａは、流入口１４０に対応する位置に、板状部材Ｐ１３１１を放射状に４分割するように形成されていた。第１開口１３１ａの長手方向の長さは、それぞれ４２ｍｍ、３２ｍｍ、４２ｍｍ、３２ｍｍであり、短手方向の長さは、いずれも２ｍｍであった。
板状部材Ｐ１３２の一方の主面には、一辺２ｍｍの正方形の第２開口１３２ａが、図１１（ｂ）に示すように、第１開口１３１ａに対応する位置にそれぞれ複数、配置されていた。１つの第１開口１３１ａに対応する位置に配置された第２開口１３２ａ同士の間隔は、１０ｍｍとした。板状部材Ｐ１３３の一方の主面には、リング状の第３開口１３３ａが９本形成されていた。それぞれのリングの内径の半径は、４．０ｍｍ、９．０ｍｍ、１４．０ｍｍ、１９．０ｍｍ、２４．０ｍｍ、２９．０ｍｍ、３４．０ｍｍ、３９．０ｍｍ、４４．０ｍｍであり、リングの幅は、いずれも２．４ｍｍであった。なお、プレス加工の工程上、リングには、それぞれ２箇所の不連続部分を設けた。貫通孔が形成された各板状部材を、図１１（ａ）〜（ｄ）の順に積層して、ガス流路板とした。
［実施例４］
受入領域１３１２として、図１３（ｄ）に示すような流入口１４０および排出口１５０を備える板状部材Ｐ１３１２を使用したこと以外は、実施例３と同様にして燃料電池を作製し、評価した。結果を図１４に示す。なお、板状部材Ｐ１３１２の一方の主面の中心近傍には、一辺２ｍｍの正方形の流入口１４０が２箇所、９２．４ｍｍの間隔をあけて形成されていた。排出口１５０の中心の板状部材Ｐ１３１２の中心からの距離は、いずれも４１ｍｍとした。
［実施例５］
受入領域１３１２として、図１５（ｄ）に示すような流入口１４０および排出口１５０を備える板状部材Ｐ１３１２を使用したこと以外は、実施例３と同様にして燃料電池を作製し、評価した。結果を図１６に示す。なお、板状部材Ｐ１３１２の一方の主面の中心近傍には、一辺２ｍｍの正方形の流入口１４０が２箇所、６２ｍｍの間隔をあけて形成されていた。排出口１５０の中心の板状部材Ｐ１３１２の中心からの距離は、いずれも２６．２ｍｍとした。
［比較例１］
ガス流路板として、図１７に示す板状部材Ｐ３００（開口率０．１％、厚み１ｍｍ以下）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製し、評価した。結果を図１８Ａに示す。併せて、図１８Ｂに、アノードの表面の１／４の部分における水素ガスの流線を示す。なお、ガス流入口１４０は、板状部材Ｐ３００の中心に対応する位置に配置されており、排出口１５０は、板状部材Ｐ３００の中心から４７ｍｍ離れた位置に対応する位置に２箇所、配置されていた。
実施例１〜５によれば、ガス流路板に第１領域〜第３領域を設けることにより、ガスは、ガス流路板の外縁にまで拡散することがわかる。また、ガス流路板の面方向における、ガスの圧力差も小さい。さらに、実施例３〜５からわかるように、ガスの流入口１４０や排出口１５０の配置を換えても、ガスはガス流路板の外縁にまで拡散される。実施例１〜５から見積もった静圧はその場所でのガスの流量と相関があり、いずれもガスの流路全域において、比較例より静圧が高い。従って、実施例１〜５は、比較例よりガス流路板の外縁にまで、ガスが拡散していることが分かる。すわなち、本構造を採用した燃料電池は従来構造と比較してセル全域にガスが行き渡るため、発電効率を向上させることが可能である。なお、静圧の単位はPaである。
１００：燃料電池、１１０：セル構造体、１１１：第１電極（アノード）、１１２：第２電極（カソード）、１１３：電解質層、１２０：ガス拡散層、１３０：ガス流路板、１３０Ａ、１３０Ｂ：板面、１３０Ｃ：中央部、１３０Ｘ、１３０Ｙ：境界面、１３１：第１領域、１３１Ａ：第１流路、１３１ａ：第１開口、１３１１：形成領域、１３１１ａ、１３１１ｂ：スリット、１３１２：受入領域、１３１３：補助領域、１３１３Ａ：補助流路、１３１３ａ：補助開口、１３２：第２領域、１３２Ａ：第２流路、１３２ａ：第２開口、１３３：第３領域、１３３Ａ：第３流路、１３３ａ：第３開口、１４０：流入口、１５０：排出口、２００：水素製造装置、２１０：構造体、２１１、２１２：多孔質層、２１３：固体酸化物電解質膜、２２０Ａ、２２０Ｂ：電極、２３０Ａ、２３０Ｂ：板材

Claims (6)

  1. 第１電極、第２電極、および、前記第１電極および前記第２電極の間に介在する電解質層を備え、前記電解質層がイオン伝導性を有する固体酸化物を含むセル構造体と、
    互いに対向する一対の主面を有し、前記第１電極に隣接して配置され、かつ、前記一対の主面の一方が前記第１電極に対向し、前記第１電極にガスを供給するガス拡散層と、
    互いに対向する一対の板面を有し、前記ガス拡散層に隣接して配置され、前記一対の板面の一方が前記ガス拡散層の他方の主面に対向し、前記ガス拡散層に前記ガスを供給するガス流路板と、
    を備え、
    前記ガス拡散層は、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体であり、
    前記ガス流路板は、第１領域、第２領域および第３領域を備え、
    前記第１領域、前記第２領域および前記第３領域は、前記ガス流路板の他方の板面から前記ガス流路板の前記一方の板面に向かって、厚さ方向に前記第１領域、前記第２領域および前記第３領域の順に位置し、
    前記第１領域には前記ガス流路板の厚さ方向に前記第１領域を貫く第１流路が形成され、
    前記第２領域には前記ガス流路板の厚さ方向に前記第２領域を貫く第２流路が形成され、
    前記第３領域には前記ガス流路板の厚さ方向に前記第３領域を貫く第３流路が形成され、
    前記第１流路は、前記ガス流路板の前記他方の板面に開口するとともに前記第２流路に連通し、
    前記第２流路は、前記第３流路に連通し、
    前記第３流路は、前記ガス流路板の前記一方の板面に開口するとともに前記ガス拡散層に連通し、
    前記一方の板面の法線方向から見た前記第１流路は、前記第１領域と前記第２領域との境界面において、前記一方の板面の中心から外縁に向かう方向に延出したスリットを含み、
    前記法線方向から見た前記第１領域と前記第２領域との境界面における前記第１流路の総面積を第１開口面積Ｓ１とし、
    前記法線方向から見た前記第２領域と前記第３領域との境界面における前記第２流路の総面積を第２開口面積Ｓ２とし、
    前記法線方向から見た前記第３領域と前記ガス拡散層の前記他方の主面との境界面における前記第３流路の総面積を第３開口面積Ｓ３としたとき、Ｓ２＜Ｓ１＜Ｓ３の関係を満たす、燃料電池。
  2. 前記一方の板面の法線方向から見た前記第２流路は、前記第２領域と前記第３領域との前記境界面においてスポット形状である、請求項１に記載の燃料電池。
  3. 前記ガス流路板の前記一方の板面の中心点と外縁とを結ぶ複数の任意の直線を引き、前記直線上にあって前記中心点からの距離が当該直線の１／４である複数の地点を繋いで形成される図形で囲まれた前記中心点を含む領域を中央部としたときの前記中央部の面積に対する、前記第３流路の前記中央部における開口面積の割合をＲｉｎとし、
    前記ガス流路板の前記一方の板面の前記中央部以外の外縁部の面積に対する、前記第３流路の前記外縁部における開口面積の割合をＲｏｕｔとしたとき、
    ０．８≦Ｒｉｎ／Ｒｏｕｔ≦１．２の関係を満たす、請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
  4. 前記第１領域は第１板状部材であり、前記第２領域は第２板状部材であり、前記第３領域は第３板状部材であり、
    前記ガス流路板は、前記第１板状部材と前記第２板状部材と前記第３板状部材との積層体である、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池。
  5. 前記金属多孔体の気孔率が、８５体積％以上である、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。
  6. 前記第１電極がアノードである、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池。
JP2017564236A 2016-01-29 2017-01-23 燃料電池 Active JP6773053B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016016683 2016-01-29
JP2016016683 2016-01-29
PCT/JP2017/002122 WO2017130904A1 (ja) 2016-01-29 2017-01-23 燃料電池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2017130904A1 true JPWO2017130904A1 (ja) 2018-11-22
JP6773053B2 JP6773053B2 (ja) 2020-10-21

Family

ID=59397859

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017564236A Active JP6773053B2 (ja) 2016-01-29 2017-01-23 燃料電池

Country Status (6)

Country Link
US (2) US10693143B2 (ja)
EP (1) EP3410522B1 (ja)
JP (1) JP6773053B2 (ja)
KR (1) KR20180103901A (ja)
CN (1) CN108604690B (ja)
WO (1) WO2017130904A1 (ja)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10601074B2 (en) * 2011-06-29 2020-03-24 Space Charge, LLC Rugged, gel-free, lithium-free, high energy density solid-state electrochemical energy storage devices
US11527774B2 (en) 2011-06-29 2022-12-13 Space Charge, LLC Electrochemical energy storage devices
US11996517B2 (en) 2011-06-29 2024-05-28 Space Charge, LLC Electrochemical energy storage devices
JP7349660B2 (ja) * 2019-08-16 2023-09-25 東京瓦斯株式会社 蓄エネルギー装置
CN115663211B (zh) * 2022-11-11 2023-09-29 上海氢晨新能源科技有限公司 气体扩散层及燃料电池

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5770327A (en) * 1997-08-15 1998-06-23 Northwestern University Solid oxide fuel cell stack
WO2003012903A1 (fr) * 2001-07-31 2003-02-13 Sumitomo Precision Products Co., Ltd Pile a combustible
JP2003100323A (ja) * 2001-09-27 2003-04-04 Mitsubishi Materials Corp 集電体とその製造方法及び固体電解質型燃料電池
JP2005228734A (ja) * 2004-01-16 2005-08-25 Mitsubishi Materials Corp 燃料電池用セパレータおよび固体酸化物形燃料電池
JP2007329063A (ja) * 2006-06-09 2007-12-20 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> セパレータおよび平板型固体酸化物形燃料電池
JP2008235060A (ja) * 2007-03-22 2008-10-02 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 燃料電池セパレータ
JP2012174626A (ja) * 2011-02-24 2012-09-10 Honda Motor Co Ltd 燃料電池
WO2014045530A1 (ja) * 2012-09-21 2014-03-27 住友精密工業株式会社 燃料電池

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5186124B2 (ja) * 2006-05-26 2013-04-17 本田技研工業株式会社 燃料電池用セパレータ
FR2938270B1 (fr) * 2008-11-12 2013-10-18 Commissariat Energie Atomique Substrat en metal ou alliage metallique poreux, son procede de preparation, et cellules d'eht ou de sofc a metal support comprenant ce substrat
US9136552B2 (en) * 2010-06-07 2015-09-15 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Gas decomposition component, ammonia decomposition component, power generation apparatus, electrochemical reaction apparatus, and method for producing gas decomposition component
JP2012014626A (ja) * 2010-07-05 2012-01-19 Ricoh Co Ltd 画面情報出力装置、画面情報出力方法及び画面記述情報
BR112015027576A2 (pt) * 2013-05-02 2017-09-19 Haldor Topsoe As Entrada de gás para unidade de soec

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5770327A (en) * 1997-08-15 1998-06-23 Northwestern University Solid oxide fuel cell stack
WO2003012903A1 (fr) * 2001-07-31 2003-02-13 Sumitomo Precision Products Co., Ltd Pile a combustible
JP2003100323A (ja) * 2001-09-27 2003-04-04 Mitsubishi Materials Corp 集電体とその製造方法及び固体電解質型燃料電池
JP2005228734A (ja) * 2004-01-16 2005-08-25 Mitsubishi Materials Corp 燃料電池用セパレータおよび固体酸化物形燃料電池
JP2007329063A (ja) * 2006-06-09 2007-12-20 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> セパレータおよび平板型固体酸化物形燃料電池
JP2008235060A (ja) * 2007-03-22 2008-10-02 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 燃料電池セパレータ
JP2012174626A (ja) * 2011-02-24 2012-09-10 Honda Motor Co Ltd 燃料電池
WO2014045530A1 (ja) * 2012-09-21 2014-03-27 住友精密工業株式会社 燃料電池

Also Published As

Publication number Publication date
EP3410522A4 (en) 2018-12-19
CN108604690B (zh) 2020-11-10
JP6773053B2 (ja) 2020-10-21
US10847809B2 (en) 2020-11-24
KR20180103901A (ko) 2018-09-19
US10693143B2 (en) 2020-06-23
EP3410522A1 (en) 2018-12-05
WO2017130904A1 (ja) 2017-08-03
EP3410522B1 (en) 2019-08-14
US20200266451A1 (en) 2020-08-20
US20190006681A1 (en) 2019-01-03
CN108604690A (zh) 2018-09-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6981524B2 (ja) 水素製造装置および水素の製造方法
JP6578970B2 (ja) 固体酸化物型燃料電池
US10847809B2 (en) Solid-oxide-electrolysis-cell-type hydrogen production apparatus
EP3324471B1 (en) Fuel cell
EP2701225B1 (en) Fuel cell and fuel cell stack
JP7152142B2 (ja) 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック
JP5334559B2 (ja) 燃料電池
JP7349846B2 (ja) 電気化学セル、電気化学反応セルスタック
JP7349847B2 (ja) 電気化学セル、電気化学反応セルスタック
KR20180006778A (ko) 기체 확산층 및 이의 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190722

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200901

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200914

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6773053

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250