JPWO2019124318A1 - 固体アルカリ形燃料電池 - Google Patents

Abstract

固体アルカリ形燃料電池（１０）は、酸化剤が供給されるカソード（１２）と、燃料が供給されるアノード（１４）と、水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質体（１６）とを備える。無機固体電解質体（１６）は、カソード側表面（１６Ｓ）の単位面積あたり８０μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ２以上５４００μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ２以下の水を透過可能である。

Description

本発明は、固体アルカリ形燃料電池に関する。

比較的低温（例えば、２５０℃以下）で作動する燃料電池として、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）が知られている。ＡＦＣでは、様々な液体燃料又は気体燃料を使用することができ、例えばメタノールを燃料とした場合には、以下の電気化学反応が起こる。

・アノード： ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→６ｅ⁻＋ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ
・カソード： ３／２Ｏ_２＋３Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻→６ＯＨ⁻
・全体 ： ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ
ここで、特許文献１には、水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質体として、液透過性及び通気性を有さない層状複水酸化物（ＬＤＨ：Ｌａｙｅｒｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）を用いた固体アルカリ形燃料電池が提案されている。

ＬＤＨは、一般式：［Ｍ^２＋ _１−ｘＭ^３＋ _ｘ（ＯＨ）_２］［Ａ^ｎ− _ｘ／ｎ・ｍＨ_２Ｏ］（Ｍ^２＋は２価の陽イオンであり、Ｍ^３＋は３価の陽イオンであり、Ａ^ｎ−はｎ価の陰イオンである。）によって表される。

特開２０１６−０７１９４８号公報

ところで、上記反応式で示したとおり、固体アルカリ形燃料電池では、カソードにおいて酸素（Ｏ_２）とともに水（Ｈ_２Ｏ）が消費されるため、酸素と水とを含む酸化剤（例えば、加湿空気）をカソードに供給する必要がある。

しかしながら、水を含む酸化剤をカソードに供給するには、酸化剤を加湿するための設備（例えば、加湿器や水タンクなど）が必要なだけでなく、酸化剤を加湿するためのエネルギーも消費される。

そのため、カソードに水を効率的に供給するための新たな提案が望まれている。

本発明は、カソードに水を効率的に供給可能な固体アルカリ形燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る固体アルカリ形燃料電池は、酸素を含む酸化剤が供給されるカソードと、水素原子を含む燃料が供給されるアノードと、カソードとアノードとの間に配置され、水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質体とを備える。無機固体電解質体は、カソード側表面の単位面積あたり８０μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以上５４００μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以下の水を透過可能である。

本発明によれば、カソードに水を効率的に供給可能な固体アルカリ形燃料電池を提供することができる。

固体アルカリ形燃料電池の構成を模式的に示す断面図 実施例に係る固体アルカリ形燃料電池の分解斜視図

（固体アルカリ形燃料電池１０）
固体アルカリ形燃料電池１０は、比較的低温で作動するアルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）の一種である。本実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池１０の作動温度は、５０℃〜２５０℃である。固体アルカリ形燃料電池１０は、例えばメタノールによって作動し、以下のような電気化学反応によって発電する。

・カソード１２： ３／２Ｏ_２＋３Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻→６ＯＨ⁻
・アノード１４： ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→６ｅ⁻＋ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ
・全体 ： ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ

図１は、固体アルカリ形燃料電池１０の構成を模式的に示す断面図である。固体アルカリ形燃料電池１０は、カソード１２、アノード１４、及び無機固体電解質体１６を備える。

カソード１２は、一般的に空気極と呼ばれる陽極である。固体アルカリ形燃料電池１０の発電中、カソード１２には、酸化剤供給手段１３を介して、酸素（Ｏ_２）を含む酸化剤が供給される。酸化剤としては、空気を用いることができる。

ここで、本実施形態に係る無機固体電解質体１６は、上述したアノード１４における電気化学反応によって燃料から生成される水（Ｈ_２Ｏ）の少なくとも一部を、カソード１２側に透過（クロスオーバー）可能に構成されている。このように無機固体電解質体１６を介してカソード１２に透過した水は、上述したカソード１２における電気化学反応に利用される。

カソード１２における電気化学反応に必要とされる水の全量が無機固体電解質体１６を介してアノード１４からカソード１２に透過する場合、カソード１２に供給される酸化剤は、実質的に水を含んでいなくてもよい。この場合、酸化剤を加湿するための設備（例えば、加湿器や水タンクなど）を設ける必要がなく、また、酸化剤を加湿するためのエネルギー消費もない。

一方、カソード１２における電気化学反応に必要とされる水の一部のみが無機固体電解質体１６を介してアノード１４からカソード１２に透過する場合、カソード１２に供給される酸化剤は、水を含んでいることが好ましい。この場合、酸化剤を加湿するための設備を設ける必要があるが、設備の小型化を図ることができるとともに、酸化剤を加湿するためのエネルギー消費を低減させることができる。なお、酸素と水を含む酸化剤としては、加湿空気が好適である。

なお、本明細書において、「水（Ｈ_２Ｏ）」は、気体状態の水蒸気、液体状態の水分、及び、水蒸気と水分との気液混合物のいずれであってもよい。

カソード１２は、アルカリ形燃料電池に使用される公知のカソード触媒を含むものであればよく、特に限定されない。カソード触媒の例としては、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）等の第８〜１０族元素（ＩＵＰＡＣ形式での周期表において第８〜１０族に属する元素）、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の第１１族元素（ＩＵＰＡＣ形式での周期表において第１１族に属する元素）、ロジウムフタロシアニン、テトラフェニルポルフィリン、Ｃｏサレン、Ｎｉサレン（サレン＝Ｎ，Ｎ’−ビス（サリチリデン）エチレンジアミン）、銀硝酸塩、及びこれらの任意の組み合わせが挙げられる。カソード１２における触媒の担持量は特に限定されないが、好ましくは０．１〜１０ｍｇ／ｃｍ^２、より好ましくは、０．１〜５ｍｇ／ｃｍ^２である。カソード触媒はカーボンに担持させるのが好ましい。カソード１２ないしそれを構成する触媒の好ましい例としては、白金担持カーボン（Ｐｔ／Ｃ）、パラジウム担持カーボン（Ｐｄ／Ｃ）、ロジウム担持カーボン（Ｒｈ／Ｃ）、ニッケル担持カーボン（Ｎｉ／Ｃ）、銅担持カーボン（Ｃｕ／Ｃ）、及び銀担持カーボン（Ａｇ／Ｃ）が挙げられる。

カソード１２の作製方法は特に限定されないが、例えば、カソード触媒及び所望により担体をバインダーと混合してペースト状にし、このペースト状混合物を無機固体電解質体１６の一方の面に塗布することにより形成すればよい。

アノード１４は、一般的に燃料極と呼ばれる陰極である。固体アルカリ形燃料電池１０の発電中、アノード１４には、燃料供給手段１５を介して、水素原子（Ｈ）を含む燃料が供給される。水素原子を含む燃料は、アノード１４における水酸化物イオン（ＯＨ⁻）と反応して水を生成可能なものであればよい。

このような燃料は、液体燃料及び気体燃料のいずれの形態であってもよい。液体燃料は、燃料化合物そのものが液体であってもよいし、固体の燃料化合物を水やアルコール等の液体に溶解させたものであってもよい。

燃料化合物としては、例えば、（ｉ）ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２）、水加ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２Ｏ）、炭酸ヒドラジン（（ＮＨ_２ＮＨ_２）_２ＣＯ_２）、硫酸ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２ＳＯ_４）、モノメチルヒドラジン（ＣＨ_３ＮＨＮＨ_２）、ジメチルヒドラジン（（ＣＨ_３）_２ＮＮＨ_２、ＣＨ_３ＮＨＮＨＣＨ_３）、及びカルボンヒドラジド（（ＮＨＮＨ_２）_２ＣＯ）等のヒドラジン類、（ｉｉ）尿素（ＮＨ_２ＣＯＮＨ_２）、（ｉｉｉ）アンモニア（ＮＨ_３）、（ｉｖ）イミダゾール、１，３，５−トリアジン、３−アミノ−１，２，４−トリアゾール等の複素環類化合物、（ｖ）ヒドロキシルアミン（ＮＨ_２ＯＨ）、硫酸ヒドロキシルアミン（ＮＨ_２ＯＨ・Ｈ_２ＳＯ_４）等のヒドロキシルアミン類、及びこれらの組合せが挙げられる。

上記燃料化合物のうち炭素を含まない化合物（すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、アンモニア、ヒドロキシルアミン、硫酸ヒドロキシルアミン等）は、一酸化炭素による触媒被毒の問題が無いため耐久性の向上を図ることができるだけでなく、二酸化炭素の排出を無くすこともできる。

上記燃料化合物は、そのまま燃料として用いてもよいが、水及び／又はアルコール（例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの低級アルコール等）に溶解させた溶液として用いてもよい。例えば、上記燃料化合物のうち、ヒドラジン、水化ヒドラジン、モノメチルヒドラジン及びジメチルヒドラジンは液体であるので、そのまま液体燃料として使用可能である。また、炭酸ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、カルボンヒドラジド、尿素、イミダゾール、及び３−アミノ−１，２，４−トリアゾール、及び硫酸ヒドロキシルアミンは固体であるが水に可溶である。１，３，５−トリアジン及びヒドロキシルアミンは固体であるがアルコールに可溶である。アンモニアは気体であるが水に可溶である。このように、固体の燃料化合物は、水又はアルコールに溶解させて液体燃料として使用可能である。燃料化合物を水及び／又はアルコールに溶解させて用いる場合、溶液中の燃料化合物の濃度は、例えば１〜９０重量％であり、好ましくは１〜３０重量％である。

さらに、メタノール、エタノール等のアルコール類やエーテル類を含む炭化水素系液体燃料、メタン等の炭化水素系ガス、或いは純水素などは、そのまま燃料として用いることができる。特に、本実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池１０に用いられる燃料としては、メタノールが好適である。メタノールは、気体状態、液体状態、及び、気液混合状態のいずれであってもよい。

アノード１４は、アルカリ形燃料電池に使用される公知のアノード触媒を含むものであればよく、特に限定されない。アノード触媒の例としては、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｓｎ、及びＰｄ等の金属触媒が挙げられる。金属触媒は、カーボン等の担体に担持されるのが好ましいが、金属触媒の金属原子を中心金属とする有機金属錯体の形態としてもよく、このような有機金属錯体を担体として担持されていてもよい。また、アノード触媒の表面には多孔質材料等で構成された拡散層を配置してもよい。アノード１４ないしそれを構成する触媒の好ましい例としては、ニッケル、コバルト、銀、白金担持カーボン（Ｐｔ／Ｃ）、パラジウム担持カーボン（Ｐｄ／Ｃ）、ロジウム担持カーボン（Ｒｈ／Ｃ）、ニッケル担持カーボン（Ｎｉ／Ｃ）、銅担持カーボン（Ｃｕ／Ｃ）、及び銀担持カーボン（Ａｇ／Ｃ）が挙げられる。

アノード１４の作製方法は特に限定されないが、例えば、アノード触媒及び所望により担体をバインダーと混合してペースト状にし、このペースト状混合物を無機固体電解質体１６のカソード１２と反対側の面に塗布することにより形成すればよい。

無機固体電解質体１６は、カソード１２とアノード１４との間に配置される。無機固体電解質体１６は、カソード側表面１６Ｓとアノード側表面１６Ｔとを有する。カソード側表面１６Ｓは、無機固体電解質体１６の外表面のうちカソード１２が配置される空間に露出する領域であり、カソード１２と対向する。アノード側表面１６Ｔは、無機固体電解質体１６の外表面のうちアノード１４が配置される空間に露出する領域であり、アノード１４と対向する。

無機固体電解質体１６は、水酸化物イオン伝導性を有するセラミックスである。無機固体電解質体１６の水酸化物イオン伝導度は、高ければ高いほど好ましいが、典型的には１０^−４〜１０^−１Ｓ／ｍである。

無機固体電解質体１６は、層状複水酸化物（Ｌａｙｅｒｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ、以下「ＬＤＨ」という。）によって構成することができる。この場合、無機固体電解質体１６は、ＡＥＭ（アニオン交換膜）のような有機系材料を電解質として用いる場合に比べて優れた耐熱性及び耐久性を発揮する。

ＬＤＨは、一般式：［Ｍ^２＋ _１−ｘＭ^３＋ _ｘ（ＯＨ）_２］［Ａ^ｎ− _ｘ／ｎ・ｍＨ_２Ｏ］（式中、Ｍ^２＋は２価の陽イオンであり、Ｍ^３＋は３価の陽イオンであり、Ａ^ｎ−はｎ価の陰イオンであり、ｎは１以上の整数であり、ｘは０．１〜０．４である）によって表される基本組成を有する。

上記一般式において、Ｍ^２＋は、任意の２価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはＭｇ^２＋、Ｃａ^２＋及びＺｎ^２＋が挙げられ、より好ましくはＭｇ^２＋である。Ｍ^３＋は、任意の３価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはＡｌ^３＋又はＣｒ^３＋が挙げられ、より好ましくはＡｌ^３＋である。Ａ^ｎ−は、任意の陰イオンでありうるが、好ましい例としてはＯＨ⁻及びＣＯ_３ ^２−が挙げられる。

従って、上記一般式において、Ｍ^２＋がＭｇ^２＋を含み、Ｍ^３＋がＡｌ^３＋を含み、Ａ^ｎ−がＯＨ⁻及び／又はＣＯ_３ ^２−を含むのが特に好ましい。ｎは、１以上の整数であるが、好ましくは１又は２である。ｘは、０．１〜０．４であるが、好ましくは０．２〜０．３５である。ｍは、任意の実数である。

また、上記一般式においてＭ^３＋の一部または全部を４価以上の価数の陽イオンで置き換えてもよく、その場合は、上記一般式における陰イオンＡ^ｎ−の係数ｘ／ｎは適宜変更されてよい。

本実施形態に係る無機固体電解質体１６は、アノード１４における電気化学反応によって燃料から生成される水の一部をカソード１２側に透過可能に構成されている。無機固体電解質体１６の水透過性（すなわち、水を透過させる度合い）は、カソード側表面１６Ｓの単位面積当たりにおける水の透過量によって規定される。

具体的には、無機固体電解質体１６は、カソード側表面１６Ｓの単位面積あたり８０μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以上５４００μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以下の水を透過可能である。これにより、無機固体電解質体１６を介してカソード１２に効率的に水を供給することができる。

水の透過量を単位面積あたりにおける８０μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以上とすることによって、無機固体電解質体１６を透過した水をカソード１２に供給できるため、定格負荷（０．３Ａ／ｃｍ^２、空気利用率Ｕａ５０％）で発電している場合に、加湿器を出力低下（または、停止）させても固体アルカリ形燃料電池１０の出力が低くなることを抑制できる。また、水の透過量を単位面積あたり５４００μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以下とすることによって、無機固体電解質体１６の特性が低下すること抑制できるため、定格負荷で発電している場合に、固体アルカリ形燃料電池１０の出力が低くなることを抑制できる。

そして、水の透過量を単位面積あたり３２０μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以上とすることによって、更に、水の透過量を単位面積あたり１３００μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以上とすることによって、定格負荷で発電している場合に、加湿器を出力低下（または、停止）させても固体アルカリ形燃料電池１０の出力が低くなることをより抑制できる。

また、水の透過量を単位面積あたり５０００μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以下とすることによって、更に、水の透過量を単位面積あたり４０００μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以下とすることによって、無機固体電解質体１６の特性が低下すること更に抑制できるため、定格負荷で発電している場合に、固体アルカリ形燃料電池１０の出力が低くなることをより抑制できる。

カソード側表面１６Ｓの単位面積あたりにおける水の透過量は、以下のように得られる。まず、完成品の固体アルカリ形燃料電池１０からカソード１２、アノード１４及び無機固体電解質体１６を取り出す。次に、カソード１２及びアノード１４を除去することによって、無機固体電解質体１６単体の状態にする。次に、無機固体電解質体１６のアノード側表面１６Ｔに６２℃、２２ｋＰａの水蒸気を供給しながら、カソード側表面１６Ｓに水を含まない窒素ガスを循環させる。次に、カソード側表面１６Ｓを通過した窒素ガス（水蒸気を含む）を全量回収して０℃まで冷却させることによって、窒素ガスに含まれる水蒸気を液体状の水にして分離する。分離された水の質量をカソード側表面１６Ｓの面積と試験時間とで除することによって、カソード側表面１６Ｓの単位面積あたりにおける水の透過量が算出される。

水透過機能を無機固体電解質体１６に付与するには、例えば、下記の第１手法、第２手法、又は、第１手法と第２手法との組み合わせのいずれかの手法を採用することができる。

水透過機能を付与する第１手法は、無機固体電解質体１６に貫通孔を設ける手法である。貫通孔は、アノード側表面１６Ｔからカソード側表面１６Ｓまで無機固体電解質体１６の内部を貫通するように形成される。貫通孔の内径及び本数は、カソード側表面１６Ｓの単位面積あたり８０μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以上５４００μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以下の水が透過するように適宜設定すればよい。貫通孔は、無機固体電解質体１６のうち酸化剤供給手段１３の供給口近くに配置されることが好ましい。これによって、貫通孔からカソード１２に流出した水を、酸化剤とともにカソード１２全体に行き渡らせることができる。

水透過機能を付与する第２手法は、無機固体電解質体１６に気孔を設ける手法である。気孔は、アノード側表面１６Ｔからカソード側表面１６Ｓまで無機固体電解質体１６の内部を連なるように形成されることが好ましい。気孔の形状は特に制限されるものではなく、不定形状、或いは網の目状などであってもよい。気孔は、無機固体電解質体１６の全体に広く形成されていてもよいし、無機固体電解質体１６の一部のみに形成されていてもよい。気孔の内径、長さ、及び本数は、カソード側表面１６Ｓの単位面積あたり８０μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以上５４００μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以下の二酸化炭素がカソード１２で生成されるように適宜設定すればよい。

ただし、無機固体電解質体１６が後述する基材を含む場合、上記第２手法は、基材が焼成温度（例えば、４００℃以上）に耐えられる材料で構成されているときにのみ採用することができる。無機固体電解質体１６の製造方法については後述する。

無機固体電解質体１６は、水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質を含む粒子群のみによって構成されていてもよいが、この粒子群の緻密化や硬化を助ける補助成分を含んでいてもよい。

また、無機固体電解質体１６は、基材としての開気孔性の多孔質体と、この多孔質体の孔を埋めるように孔中に析出及び成長させた無機固体電解質（例えばＬＤＨ）との複合体であってもよい。多孔質体は、アルミナ及びジルコニアなどのセラミックス材料や、発泡樹脂又は繊維状物質からなる多孔性シート等の絶縁性材料によって構成することができる。

無機固体電解質体１６は、板状、膜状及び層状のいずれの形態であってもよい。無機固体電解質体１６が膜状又は層状である場合、無機固体電解質体１６は、膜状又は層状の無機固体電解質体が多孔質基材上又は多孔質基材中に形成されたものであってもよい。無機固体電解質体１６が膜状又は層状である場合、無機固体電解質体１６の厚さは、１００μｍ以下とすることができ、好ましくは７５μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下、さらに好ましくは２５μｍ以下、特に好ましくは５μｍ以下である。無機固体電解質体１６を薄くすることによって、無機固体電解質体１６の抵抗を低減できる。無機固体電解質体１６の厚さの下限値は、用途に応じて設定可能であるが、ある程度の堅さを確保するには１μｍ以上が好ましく、２μｍ以上がより好ましい。無機固体電解質体１６が板状である場合、無機固体電解質体１６の厚さは、０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍとすることができ、好ましくは０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍであり、より好ましくは０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍである。

（無機固体電解質体１６の製造方法）
無機固体電解質体１６の製造方法の一例について説明する。以下に説明する製造方法は、ハイドロタルサイトに代表されるＬＤＨのＬＤＨ粉末を成形及び焼成して酸化物焼成体とし、これをＬＤＨへ再生した後、余剰の水分を除去することにより行われる。この製造方法によれば、緻密な無機固体電解質体１６を簡便かつ安定的に製造できる。

１．ＬＤＨ粉末の準備
上述した一般式：［Ｍ^２＋ _１−ｘＭ^３＋ _ｘ（ＯＨ）_２］［Ａ^ｎ− _ｘ／ｎ・ｍＨ_２Ｏ］（式中、Ｍ^２＋は２価の陽イオン、Ｍ^３＋は３価の陽イオンであり、Ａ^ｎ−はｎ価の陰イオン、ｎは１以上の整数、ｘは０．１〜０．４である）によって表される基本組成を有するＬＤＨ粉末を準備する。このようなＬＤＨ粉末は市販品であってもよいし、硝酸塩や塩化物を用いた液相合成法等の公知の方法にて作製した原料であってもよい。

ＬＤＨ粉末の粒径は特に限定されないが、体積基準Ｄ５０平均粒径は、０．１μｍ〜１．０μｍが好ましく、０．３μｍ〜０．８μｍがより好ましい。ＬＤＨ粉末の粒径が細かすぎると粉末が凝集して成形時に気孔が残留しやすく、ＬＤＨ粉末の粒径が大きすぎると成形性が悪くなりやすい。

ＬＤＨ粉末は、仮焼によって酸化物粉末としてもよい。この際の仮焼温度は、原料粒径が大きく変化しない温度範囲に設定することができ、例えば５００℃以下が好ましく、３８０℃〜４６０℃がより好ましい。

２．成形体の作製工程
次に、ＬＤＨ粉末を成形して成形体を得る。この成形は、成形体の相対密度が４３％〜６５％、より好ましくは４５％〜６０％、さらに好ましくは４７％〜５８％になるように、例えば加圧成形により行われるのが好ましい。加圧成形には、金型一軸プレス、冷間等方圧加圧（ＣＩＰ）、スリップキャスト、或いは押出成形など公知の手法を用いることができる。ただし、ＬＤＨ粉末を仮焼して酸化物粉末とした場合は、乾式成形法に限られる。

上述した第２手法（気孔を設ける手法）によって無機固体電解質体１６に水透過機能を付与する場合には、ＬＤＨ粉末に造孔材（例えば、アクリル系ポリマー、メチルセルロースなど）を添加して成形体を形成する。この造孔材が後述する焼成工程で焼成除去されることによって、酸化物焼成体の内部に気孔が形成される。気孔の内径、長さ及び本数は、造孔材の粒径及び量によって調整可能である。

成形体の相対密度は、成形体の寸法及び重量から密度を算出し、理論密度で除して求められる。成形体の重量は吸着水分の影響を受けるため、一義的な値を得るために、室温、相対湿度２０％以下のデシケータ内で２４時間以上保管したＬＤＨ粉末を用いた成形体か、もしくは成形体を前記条件下で保管した後に相対密度を測定するのが好ましい。

ただし、ＬＤＨ粉末を仮焼して酸化物粉末とした場合には、成形体の相対密度が２６％〜４０％、より好ましくは２９〜３６％にする。酸化物粉末を用いる場合の相対密度は、ＬＤＨを構成する各金属元素が仮焼により各々酸化物に変化したと仮定して、各酸化物の混合物として求めた換算密度を分母として求める。

３．焼成工程
次に、成形体を焼成して酸化物焼成体を得る。この焼成は、酸化物焼成体が、成形体の重量の５７％〜６５％の重量、及び／又は、成形体の体積の７０％〜７６％の体積となるように行われるのが好ましい。

酸化物焼成体の重量を、成形体の重量の５７％以上とすることで、後工程のＬＤＨへの再生時に再生できない異相が生成されにくくなり、成形体の重量の６５％以下とすることで、焼成が十分に行われて後工程で十分に緻密化する。また、酸化物焼成体の体積を、成形体の体積の７０％以上とすることで、後工程のＬＤＨへの再生時に異相が生成にくくなるとともに、クラックも生じにくくなり、成形体の体積の７６％以下とすることで、焼成が十分に行われて後工程で十分に緻密化する。

ただし、ＬＤＨ粉末を仮焼して酸化物粉末とした場合は、酸化物焼成体が、成形体の重量の８５％〜９５％、及び／又は、成形体の体積の９０％以上の体積となるように焼成されるのが好ましい。

また、ＬＤＨ粉末を仮焼したか否かに関わらず、焼成は、酸化物焼成体の相対密度が、酸化物換算で２０％〜４０％になるように行われるのが好ましく、より好ましくは２０％〜３５％であり、さらに好ましくは２０％〜３０％である。酸化物換算での相対密度とは、ＬＤＨを構成する各金属元素が焼成により各々酸化物に変化したと仮定し、各酸化物の混合物として求めた換算密度を分母として求めた相対密度である。

成形体の焼成温度は４００℃〜８５０℃とすることができ、７００℃〜８００℃が好ましい。焼成工程は、１時間以上、好ましくは３時間〜１０時間の間、上記焼成温度で保持する工程を含むのが好ましい。また、急激な昇温により水分や二酸化炭素が放出して成形体が割れるのを防ぐため、上記焼成温度に到達するまでの昇温速度は１００℃／ｈ以下が好ましく、５℃／ｈ〜７５℃／ｈがより好ましく、１０℃／ｈ〜５０℃／ｈがさらに好ましい。従って、昇温から降温（１００℃以下）に至るまでの全焼成時間は、２０時間以上が好ましく、３０時間〜７０時間がより好ましく、３５時間〜６５時間がさらに好ましい。

なお、上述した成形体の作製工程において成形体に造孔材を添加した場合には、この焼成工程において造孔材が焼成除去されることによって、酸化物焼成体の内部に気孔が形成される。

４．ＬＤＨへの再生工程
次に、酸化物焼成体を上述したｎ価の陰イオン（Ａ^ｎ−）を含む水溶液中又はその直上に保持してＬＤＨへと再生し、それにより水分に富むＬＤＨ固化体を得る。すなわち、この製法により得られるＬＤＨ固化体は必然的に余分な水分を含んでいる。

なお、水溶液中に含まれる陰イオンはＬＤＨ粉末中に含まれる陰イオンと同種の陰イオンとしてよいし、異なる種類の陰イオンとしてもよい。

酸化物焼成体の水溶液中又は水溶液直上での保持は、密閉容器内で水熱合成の手法により行われるのが好ましい。密閉容器の例としては、テフロン（登録商標）製の密閉容器が挙げられる。密閉容器の外側には、ステンレス製等のジャケットを設けることが好ましい。

ＬＤＨ化は、酸化物焼成体を２０℃以上２００℃未満で、少なくとも酸化物焼成体の一面が水溶液に接する状態に保持することにより行われるのが好ましく、より好ましい温度は５０℃〜１８０℃であり、さらに好ましい温度は１００℃〜１５０℃である。このようなＬＤＨ化温度で、酸化物焼結体は１時間以上保持されるのが好ましく、２時間以上保持されるのがより好ましく、５時間以上保持されるのがさらに好ましい。これによって、十分にＬＤＨへの再生を進行させて異相が残るのを抑制できる。なお、保持時間は、長すぎても特に問題はないが、効率性を重視して適宜設定すればよい。

ＬＤＨへの再生に使用するｎ価の陰イオンを含む水溶液の陰イオン種として空気中の二酸化炭素（炭酸イオン）を利用する場合、イオン交換水を用いることができる。なお、密閉容器内の水熱処理の際には、酸化物焼成体を水溶液中に水没させてもよいし、治具を用いて少なくとも一面が水溶液に接する状態で処理を行ってもよい。少なくとも一面が水溶液に接する状態で処理した場合、完全水没と比較して余分な水分量が少ないので、その後の工程が短時間で済む場合がある。ただし、水溶液が少なすぎるとクラックが発生しやすくなるため、焼成体重量と同等以上の水分を用いるのが好ましい。

なお、酸化物焼成体の内部に気孔が形成されている場合、この再生工程後であっても、ＬＤＨ固化体の内部には気孔が残される。

５．脱水工程
次に、ＬＤＨ固化体から余剰水分を除去することによって、無機固体電解質体１６を得る。余剰水分を除去する工程は、３００℃以下、除去工程の最高温度での推定相対湿度２５％以上の環境下で行われるのが好ましい。ＬＤＨ固化体からの急激な水分の蒸発を防ぐため、室温より高い温度で脱水する場合はＬＤＨへの再生工程で使用した密閉容器中に再び封入して行うことが好ましい。その場合の好ましい温度は５０℃〜２５０℃であり、さらに好ましくは１００℃〜２００℃である。また、脱水時のより好ましい相対湿度は２５％〜７０％であり、さらに好ましくは４０％〜６０％である。脱水を室温で行ってもよく、その場合の相対湿度は通常の室内環境における４０％〜７０％の範囲内であればよい。

上述した第１手法（貫通孔を設ける手法）によって無機固体電解質体１６に水透過機能を付与する場合には、余剰水分が除去された後の無機固体電解質体１６に貫通孔を直接形成する。貫通孔は、レーザーを用いて無機固体電解質体１６の厚み方向に孔をあけることで形成することができる。貫通孔の内径は、レーザー出力、照射時間を変更することによって調整可能である。

以下において本発明の実施例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例には限定されない。

（固体アルカリ形燃料電池１０の作製）
（１）無機固体電解質体１６の作製
まず、原料粉末として、市販の層状複水酸化物であるハイドロタルサイト粉末（ＤＨＴ−４Ｈ、協和化学工業株式会社製）を用意した。この原料粉末の組成はＭｇ^２＋ _０．６８Ａｌ^３＋ _０．３２（ＯＨ）_２ＣＯ_３ ^２− _０．１６・ｍＨ_２Ｏであった。直径２０ｍｍの円板状の金型に原料粉末を充填して、５００ｋｇｆ／ｃｍ^２の成形圧で一軸プレス成形することによって、相対密度５３％、直径２０ｍｍ、厚さ約０．８ｍｍの成形体を得た。なお、この相対密度の測定は、室温、相対湿度２０％以下で２４時間保管した成形体について行った。

次に、得られた成形体をアルミナ鞘中で焼成した。この焼成は、急激な昇温により水分や二酸化炭素が放出して成形体が割れるのを防ぐため、１００℃／ｈ以下の速度で昇温を行い、７５０℃の最高温度に達した時点で５時間保持した後、冷却することにより行った。この昇温から降温（１００℃以下）に至るまでの全焼成時間は６２時間であった。

次に、外側にステンレス製ジャケットを備えたテフロン（登録商標）製の密閉容器に焼成体を入れ、大気中でイオン交換水と共に封入した。そして、１００℃で５時間保持する再生条件で焼成体に水熱処理を施した後、厚みが０．３ｍｍになるよう研磨し、ろ紙で焼成体表面の水分を拭き取った。こうして得られた焼成体を２５℃、相対湿度が５０％程度の室内で自然脱水（乾燥）することによって、無機固体電解質体１６を形成した。

次に、実施例１〜９及び比較例２，３では、レーザーを用いて、無機固体電解質体１６を厚み方向に貫通する貫通孔を形成した。この際、レーザー出力及び照射時間の制御により貫通孔の内径を調整することによって、無機固体電解質体１６を透過する燃料量を調整した。これにより、表１に示すように、無機固体電解質体１６のカソード側表面１６Ｓの単位面積あたりにおける水の透過量をサンプルごとに変更した。

なお、無機固体電解質体１６のカソード側表面１６Ｓの単位面積あたりにおける水の透過量は、以下のように測定した。まず、無機固体電解質体１６のアノード側表面１６Ｔに６２℃、２２ｋＰａの水蒸気を供給しながら、カソード側表面１６Ｓに水を含まない窒素ガスを循環させた。次に、カソード側表面１６Ｓを通過した窒素ガス（水蒸気を含む）を全量回収して０℃まで冷却させることによって、窒素ガスに含まれる水蒸気を液体状の水にして分離した。分離された水の質量をカソード側表面１６Ｓの面積と試験時間とで除することによって、カソード側表面１６Ｓの単位面積あたりにおける水の透過量を算出した。

（２）カソード１２及びアノード１４の作製
Ｐｔ担持量５０ｗｔ％（田中貴金属工業(株)社製ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）の白金担持カーボン（以下、「Ｐｔ／Ｃ」という。）と、バインダーであるＰＶＤＦ粉末（以下、「ＰＶＤＦバインダー」という。）とを準備した。そして、（Ｐｔ／Ｃ触媒）：（ＰＶＤＦバインダー）：（水）の重量比が９ｗｔ％：０．９ｗｔ％：９０ｗｔ％の比率となるように、Ｐｔ／Ｃ、ＰＶＤＦバインダー及び水を混合してペースト化することによってカソード用ペーストを作製した。

また、Ｐｔ−Ｒｕ担持量５４ｗｔ％（田中貴金属工業(株)社製ＴＥＣ６１Ｅ５４）の白金ルテニウム担持カーボン（以下、「Ｐｔ−Ｒｕ／Ｃ」という。）と、ＰＶＤＦバインダーとを準備した。そして、（Ｐｔ−Ｒｕ／Ｃ触媒）：（ＰＶＤＦバインダー）：（水）の重量比が９ｗｔ％：０．９ｗｔ％：９０ｗｔ％の比率となるように、Ｐｔ−Ｒｕ／Ｃ、ＰＶＤＦバインダー及び水を混合してペースト化することによってアノード用ペーストを作製した。

次に、カソード用ペーストを無機固体電解質体１６の一方の面に印刷し、アノード用ペーストを無機固体電解質体１６の他方の面に印刷した後、Ｎ_２雰囲気中において１８０℃で４時間熱処理することによって、カソード１２／無機固体電解質体１６／アノード１４の接合体を得た。

（３）固体アルカリ形燃料電池１０の組み立て
図２は、本実施例で作製した固体アルカリ形燃料電池１０の分解斜視図である。

まず、固体電解質体１６を、電解質固定用治具２１８の円形の開口部（直径２０ｍｍ）に嵌め、中央に直径１９ｍｍの円形の開口部２２０ａが形成されたＰＴＦＥテープ２２０を用いて固定した。なお、カソード１２及びアノード１４は、無機固体電解質体１６の両面に印刷されているが、図２では固体電解質体１６から分離して表示されている。

次に、アノード１４／無機固体電解質体１６／カソード１２の積層物のカソード１２側に、開口部２２２ａが形成されたガスケット２２２（ＰＴＦＥ製）、加湿空気を供給するための空気供給部材２１３（カーボン製）及び集電板２２６（金メッキした銅製）を積層した。空気供給部材２１３は、加湿空気を通すための流路２１３ａと、加湿空気をカソード１２に供給するためのスリット（不図示）とを備える。

次に、アノード１４／無機固体電解質体１６／カソード１２の積層物のアノード１４側に、開口部２２４ａが形成されたガスケット２２４（ＰＴＦＥ製）、燃料を供給するための燃料供給部材２１５（カーボン製）及び集電板２２８（金メッキした銅製）を積層した。燃料供給部材２１５は、燃料を通すための流路２１５ａと、燃料を燃料極に供給するためのスリット２１５ｂとを備える。

以上の積層物を、２枚の集電板２２６，２２８の四隅に形成されたネジ穴２２６ａ，２２８ａに挿入したネジ２３０で締結することによって、固体アルカリ形燃料電池１０を完成させた。

（固体アルカリ形燃料電池１０の運転実験）
まず、固体アルカリ形燃料電池１０を１２０℃に加熱した。

次に、コンプレッサーを用いて、露点０℃以下の乾燥空気を空気供給部材２１３に供給し、カソード１２における空気利用率が５０％となるように調整した。また、気化させたメタノールを燃料供給部材２１５に供給し、アノード１４における燃料利用率が５０％となるように調整した。そして、空気供給部材２１３及び燃料供給部材２１５それぞれの排出路に取り付けた排圧調整弁（不図示）を用いて、アノード１４に供給される燃料の圧力が、カソード１２に供給される空気の圧力より大きくなるよう調整した。

次に、定格負荷（０．３Ａ／ｃｍ^２）で発電させたときの固体アルカリ形燃料電池１０の出力を測定した。固体アルカリ形燃料電池１０の出力は、定格負荷での発電に必要な水量を気化させて投入した場合における、固体アルカリ形燃料電池１０の出力を１００％として規格化した値である。なお、表１では、固体アルカリ形燃料電池１０の出力が最大出力の９５％以上となった場合を◎と評価し、９０％以上９５％未満となった場合を○と評価し、８０％以上９０％未満となった場合を△と評価し、８０％未満となった場合を×と評価した。

表１に示すように、無機固体電解質体１６に貫通孔を形成しなかった比較例１と、単位面積あたりの水の透過量を５０μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２とした比較例２では、定格負荷における固体アルカリ形燃料電池１０の出力は最大出力の８０％未満であった。このような結果が得られたのは、カソード１２に十分な量の水を供給できなかったためと考えられる。また、単位面積あたりの水の透過量を６５００μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２とした比較例３でも、定格負荷における固体アルカリ形燃料電池１０の出力は最大出力の８０％未満であった。このような結果が得られたのは、無機固体電解質体１６に対して貫通孔が占める割合が大きかったため、無機固体電解質体１６自体の特性が低下したためと考えられる。

一方、単位面積あたりの水の透過量を８０μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以上５４００μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以下とした実施例１〜９では、定格負荷において固体アルカリ形燃料電池１０の出力を最大出力の８０％以上とすることができた。特に、単位面積あたりの水の透過量を３２０μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以上５４００μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以下とした実施例２〜８では、定格負荷において固体アルカリ形燃料電池１０の出力を最大出力の９０％以上とすることができた。更に、単位面積あたりの水の透過量を１３００μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以上４０００μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以下とした実施例５〜７では、定格負荷において固体アルカリ形燃料電池１０の出力を最大出力の９５％以上とすることができた。

１０ 固体アルカリ形燃料電池
１２ カソード
１４ アノード
１６ 無機固体電解質体
１６Ｓ カソード側表面
１６Ｔ アノード側表面

Claims (3)

1. 酸素を含む酸化剤が供給されるカソードと、
   水素原子を含む燃料が供給されるアノードと、
   前記カソードと前記アノードとの間に配置され、水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質体と、
   を備え、
   前記無機固体電解質体は、カソード側表面の単位面積あたり８０μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以上５４００μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以下の水を透過可能である、
   固体アルカリ形燃料電池。
2. 前記無機固体電解質体は、カソード側表面の単位面積あたり３２０μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以上の水を透過可能である、
   請求項１に記載の固体アルカリ形燃料電池。
3. 前記無機固体電解質体は、前記カソード側表面の単位面積あたり１３００μｇ／ｍｉｎ・ｃｍ^２以上の水を透過可能である、
   請求項１に記載の固体アルカリ形燃料電池。

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