特許 6981524 水素製造装置および水素の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6981524

(24)【登録日】2021年11月22日

(45)【発行日】2021年12月15日

(54)【発明の名称】水素製造装置および水素の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C25B 11/03 20210101AFI20211202BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20211202BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20211202BHJP

   H01M 8/0656 20160101ALN20211202BHJP

【ＦＩ】

   C25B11/03

   C25B1/04

   H01M8/12 101

   !H01M8/0656

【請求項の数】6

【全頁数】30

(21)【出願番号】特願2020-218891(P2020-218891)

(22)【出願日】2020年12月28日

(62)【分割の表示】特願2017-528660(P2017-528660)の分割

【原出願日】2016年7月8日

(65)【公開番号】特開2021-63303(P2021-63303A)

(43)【公開日】2021年4月22日

【審査請求日】2020年12月28日

(31)【優先権主張番号】特願2015-142287(P2015-142287)

(32)【優先日】2015年7月16日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2016-16684(P2016-16684)

(32)【優先日】2016年1月29日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002745

【氏名又は名称】特許業務法人河崎・橋本特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】平岩 千尋

(72)【発明者】

【氏名】真嶋 正利

(72)【発明者】

【氏名】俵山 博匡

(72)【発明者】

【氏名】水原 奈保

(72)【発明者】

【氏名】東野 孝浩

(72)【発明者】

【氏名】野田 陽平

(72)【発明者】

【氏名】宮元 一成

(72)【発明者】

【氏名】吉田 稔浩

【審査官】 中西 哲也

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５６−０９６０８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０６５２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／０２５４４３（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特開２００３−１００３２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３３４７０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５０８３２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−３０５６９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３５８９８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２５Ｂ １／０４

Ｃ２５Ｂ １１／０３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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み、
前記金属多孔体は、異なる気孔率を持つ複数の金属多孔体を組み合わせて、１つの電極を構成する、水素製造装置。

【請求項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み、
前記金属多孔体は、異なる気孔率を持つ複数の金属多孔体を組み合わせて、１つの電極を構成する、水素の製造方法。

【請求項3】

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み、
前記陽極が、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Ｓと、前記金属多孔体Ｓ以外の三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Ｈとを有し、
前記金属多孔体Ｓの気孔率Ｐｓと、前記金属多孔体Ｈの気孔率Ｐｈとが、Ｐｓ＜Ｐｈの関係を満たしており、
前記金属多孔体Ｓが水の供給口に対向するように配置された、水素製造装置。

【請求項4】

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は、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Ｓと、前記金属多孔体Ｓ以外の三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Ｈとを有し、
前記金属多孔体Ｓの気孔率Ｐｓと、前記金属多孔体Ｈの気孔率Ｐｈとが、Ｐｓ＜Ｐｈの関係を満たしている、水素の製造方法。

【請求項5】

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み、
前記少なくとも一方が、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Ｓと、前記金属多孔体Ｓ以外の三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Ｈとを有し、
前記金属多孔体Ｓの気孔率Ｐｓと、前記金属多孔体Ｈの気孔率Ｐｈとが、Ｐｓ＜Ｐｈの関係を満たしており、
前記金属多孔体Ｓが水蒸気の供給口に対向するように配置された、水素製造装置。

【請求項6】

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Ｓと、前記金属多孔体Ｓ以外の三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Ｈとを有し、
前記金属多孔体Ｓの気孔率Ｐｓと、前記金属多孔体Ｈの気孔率Ｐｈとが、Ｐｓ＜Ｐｈの関係を満たしている、水素の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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２０１５−１４２２８７号、２０１６年１月２９日出願の日本出願第２０１６−０１６６８４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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。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である。

【0004】

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。インターコネクタには、通常、ＭＥＡに燃料ガスあるいは空気（以下、まとめて原料ガスと称する）を供給するためのガス供給口、および、未反応の原料ガスを排出するためのガス排出口が形成される。特許文献１のように、一様な気孔率を有するエキスパンドメタルを使用する場合、原料ガスは、ガス供給口からガス排出口へと直線的に流れやすく、ガス拡散性に劣る。

【0005】

特許文献２では、原料ガスの拡散性を高めて、ＭＥＡに均一に原料ガスを供給するため、インターコネクタにエッチング等により、ガス流路となる複雑なディンプルが形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００７−２５０２９７号公報

【特許文献2】国際公開第２００３／１２９０３号パンフレット

【発明の概要】

【0007】

本発明の一局面は、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、水素製造装置に関する。
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対向するように配置される少なくとも１つの第１金属多孔体と、前記第１金属多孔体に対向するように配置され、かつ、ガス供給口およびガス排出口が形成されたインターコネクタと、を備え、前記第１金属多孔体が、前記ガス供給口に対向し、かつ、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Ｓと、前記金属多孔体Ｓ以外の三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Ｈと、を有し、前記金属多孔体Ｓの気孔率Ｐｓと、前記金属多孔体Ｈの気孔率Ｐｈとが、Ｐｓ＜Ｐｈの関係を満たす、燃料電池に関する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】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】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3】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。

【図4】本発明の一実施形態に係るインターコネクタを模式的に示す上面図である。

【図5A】本発明の一実施形態に係る第１金属多孔体の構成を模式的に示す上面図である。

【図5B】本発明の他の一実施形態に係る第１金属多孔体の構成を模式的に示す上面図である。

【図6A】本発明の他の一実施形態に係る第１金属多孔体の構成を模式的に示す上面図である。

【図6B】本発明の他の一実施形態に係る第１金属多孔体の構成を模式的に示す上面図である。

【図7A】本発明の他の一実施形態に係る第１金属多孔体の構成を模式的に示す上面図である。

【図7B】本発明の他の一実施形態に係る第１金属多孔体の構成を模式的に示す上面図である。

【図8】本発明の他の一実施形態に係る第１金属多孔体の構成を模式的に示す上面図である（A、B）。

【図9】直線Ｌ１およびＬ_θを説明する模式図である。

【図10A】本発明の他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。

【図10B】本発明のさらに他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。

【図11】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12】実施例１−１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（A〜D）。

【図13】実施例１−２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（A〜D）。

【図14】実施例１−３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（A〜D）。

【図15】実施例１−４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（A〜D）。

【図16】実施例２−１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（A〜D）。

【図17】実施例２−２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（A〜D）。

【図18】実施例２−３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（A〜D）。

【発明を実施するための形態】

【0009】

［本開示が解決しようとする課題］

【0010】

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。例えば、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を行って複雑な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、また、生産効率が低下する。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。
本開示は、水素の新規な製造方法および製造装置を提供することを目的の１つとする。

【0011】

［本開示の効果］
本開示によれば、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。本開示によれば、水素の新規な製造方法および製造装置が得られる。

【0012】

［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）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。
（２）前記金属多孔体は、異なる気孔率を持つ複数の金属多孔体を組み合わせて、１つの電極を構成する、（１）に記載の水素製造装置。
（３）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み、
前記金属多孔体は、異なる気孔率を持つ複数の金属多孔体を組み合わせて、１つの電極を構成する、水素の製造方法。
（４）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。
（５）前記陽極が、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Ｓと、前記金属多孔体Ｓ以外の三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Ｈとを有し、
前記金属多孔体Ｓの気孔率Ｐｓと、前記金属多孔体Ｈの気孔率Ｐｈとが、Ｐｓ＜Ｐｈの関係を満たしており、
前記金属多孔体Ｓが水の供給口に対向するように配置された、（４）に記載の水素製造装置。
（６）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は、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Ｓと、前記金属多孔体Ｓ以外の三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Ｈとを有し、
前記金属多孔体Ｓの気孔率Ｐｓと、前記金属多孔体Ｈの気孔率Ｐｈとが、Ｐｓ＜Ｐｈの関係を満たしている、水素の製造方法。
（７）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。
（８）前記少なくとも一方が、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Ｓと、前記金属多孔体Ｓ以外の三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Ｈとを有し、
前記金属多孔体Ｓの気孔率Ｐｓと、前記金属多孔体Ｈの気孔率Ｐｈとが、Ｐｓ＜Ｐｈの関係を満たしており、
前記金属多孔体Ｓが水蒸気の供給口に対向するように配置された、（７）に記載の水素製造装置。
（９）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Ｓと、前記金属多孔体Ｓ以外の三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Ｈとを有し、
前記金属多孔体Ｓの気孔率Ｐｓと、前記金属多孔体Ｈの気孔率Ｐｈとが、Ｐｓ＜Ｐｈの関係を満たしている、水素の製造方法。
（１）本発明の燃料電池は、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対向するように配置される少なくとも１つの第１金属多孔体と、前記第１金属多孔体に対向するように配置され、かつ、ガス供給口およびガス排出口が形成されたインターコネクタと、を備える。このとき、前記第１金属多孔体は、前記ガス供給口に対向し、かつ、三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Ｓと、前記金属多孔体Ｓ以外の三次元網目状の骨格を有する金属多孔体Ｈと、を有し、前記金属多孔体Ｓの気孔率Ｐｓと、前記金属多孔体Ｈの気孔率Ｐｈとが、Ｐｓ＜Ｐｈの関係を満たす。これにより、ガス拡散性能が向上する。

【0013】

（２）前記金属多孔体Ｓは、さらに前記ガス排出口に対向しており、かつ、前記ガス供給口の中心と前記ガス排出口の中心とを最短距離で結ぶ直線に沿った帯状の形状であっても良い。（３）また、前記金属多孔体Ｓは、前記ガス供給口の中心に対応する中心を有する円形または多角形の形状であっても良い。これにより、ガス拡散性能がさらに向上する。

【0014】

（４）前記気孔率Ｐｓは、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。

【0015】

（５）前記インターコネクタの前記第１金属多孔体に対向する面は、平滑であることが好ましい。インターコネクタの加工コストが削減されるためである。

【0016】

（６）さらに、前記第１金属多孔体に積層され、かつ、三次元網目状の骨格を有する第２金属多孔体を備えていても良い。さらなるガス拡散性の向上、あるいは、集電性の向上が期待できるためである。

【0017】

（７）前記第１金属多孔体と前記第２金属多孔体とは接合されており、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ことが好ましい。生産性の向上が期待できるためである。

【0018】

（８）前記第２金属多孔体は、前記第１金属多孔体と前記カソードまたは前記アノードとの間に介在しており、気孔径が１００〜１０００μｍであることが好ましい。これにより、集電性がさらに向上する。

【0019】

（９）本発明に係る燃料電池は、少なくとも前記アノードに対向する前記第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。
（１０）前記気孔率Ｐｓに対する前記気孔率Ｐｈの割合が１．０５〜２であることが好ましい。これによりガス拡散性能が向上する。
（１１）前記金属多孔体Ｓの気孔径が１００〜１０００μｍであり、前記金属多孔体Ｈの気孔径が３００〜３５００μｍであることが好ましい。これにより圧力損失を低減できることができる。

【0020】

［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。

【0021】

（燃料電池）
以下、本実施形態に係る燃料電池を、図１〜図４、図５Ａおよび図５Ｂ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、一実施形態に係るインターコネクタを模式的に示す上面図である。図５Ａおよび図５Ｂは、一実施形態に係る第１金属多孔体の構成を模式的に示す上面図である。なお、図示例では、ＭＥＡ、インターコネクタおよび第１金属多孔体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。ＭＥＡ１、インターコネクタ３および第１金属多孔体２は、例えば、矩形、楕円形、多角形等であっても良い。

【0022】

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に対向するように、三次元網目状の骨格を有する第１金属多孔体２が配置されている。さらに、第１金属多孔体２に対向するように、インターコネクタ３が配置されている。

【0023】

インターコネクタ３には、ＭＥＡ１に第１金属多孔体２を介して原料ガス（燃料ガスまたは空気）を供給するためのガス供給口４と、未反応の原料ガスを排出するためのガス排出口５ａおよび５ｂ（以下、まとめて単にガス排出口と称する場合がある）とが形成されている。図４では、円形のガス供給口４がインターコネクタ３の中央部に配置され、２つの円形のガス排出口５ａおよび５ｂがインターコネクタ３の外周部に、ガス供給口４と直線状に並ぶように配置されている。ガス供給口４およびガス排出口の数、形状および配置はこれに限定されない。ガス供給口４およびガス排出口の形状は矩形であっても良い。また、ガス供給口４は、例えば、インターコネクタ３の外周部に配置されていても良い。この場合、ガス排出口は、インターコネクタ３のガス供給口４とは反対側の外周部に１つ以上配置されていても良い。

【0024】

また、図１では、アノード１ａに対向するように第１金属多孔体２が配置されているが、これに限定されない。第１金属多孔体２は、カソード１ｃに対向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に対向するように、複数の第１金属多孔体２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２は、少なくともアノード１ａに対向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、金属多孔体の材料が制限されない点においても、上記のように配置されることが好ましい。以下、アノード１ａに対向するように第１金属多孔体２が配置される場合を例に挙げて、説明する。

【0025】

（金属多孔体）
第１金属多孔体２（金属多孔体Ｓ、Ｈ）および後述する第２金属多孔体６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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

なお、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。

【0031】

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。これら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。

【0032】

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、内部の樹脂を除去すると、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。

【0033】

（第１金属多孔体）
第１金属多孔体２は、ＭＥＡ１とインターコネクタ３との間に介在している。第１金属多孔体２は、主に、ガス供給口４から供給された原料ガスを拡散し、ＭＥＡ１に供給する役割を有する。

【0034】

第１金属多孔体２は、気孔率の異なる少なくとも２種類の金属多孔体をそれぞれ所望の形状に切断し、インターコネクタ３の形状に組み合わせることにより構成される。各金属多孔体は、例えばシート状であって、三次元網目状の骨格を有しており、それぞれの気孔率は均一である。金属多孔体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、複数の金属多孔体を同一平面上に隙間なく配置することができる。第１金属多孔体２を構成する複数の金属多孔体は、その骨格同士が絡み合うことにより接合されていても良い。金属多孔体同士の接合（骨格同士の絡み合い）については、後述する。

【0035】

第１金属多孔体２は、少なくともガス供給口４に対向するように配置される金属多孔体Ｓと、上記以外の部分に配置される金属多孔体Ｈとを有している。言い換えれば、第１金属多孔体２のガス供給口４に対向する部分ｓ（図５Ａ参照）に配置される金属多孔体が金属多孔体Ｓであり、第１金属多孔体２を構成する金属多孔体Ｓ以外の金属多孔体が、金属多孔体Ｈである。このとき、金属多孔体Ｓの気孔率Ｐｓと、金属多孔体Ｈの気孔率Ｐｈとは、Ｐｓ＜Ｐｈの関係を満たす。なかでも、気孔率Ｐｓに対するＰｈの割合（Ｐｈ／Ｐｓ）は１．０５〜２であることが好ましい。

【0036】

ガス供給口４から第１金属多孔体２に供給される原料ガスは、ガス供給口４付近に滞留し易い。第１金属多孔体２におけるガス供給口４に対向する部分ｓに配置される金属多孔体Ｓの気孔率を、他の部分より小さくすることにより、原料ガスは、ガス供給口４から離れた気孔率の大きい金属多孔体Ｈへと移動しやすくなる。よって、ガス拡散性が向上し、ガス利用率が向上する。その結果、発電効率が高くなる。以下、第１金属多孔体２のうち、金属多孔体Ｓが占める領域を第１領域ＳＲ、金属多孔体Ｈが占める領域を第２領域ＨＲと称する。

【0037】

第１領域ＳＲを第１金属多孔体２の主面の法線方向からみたときの形状は特に限定されない。例えば、第１領域ＳＲは、図５Ａに示すように、ガス供給口４、さらにはガス排出口５ａおよび５ｂに対向し、ガス供給口４の中心Ｃ_４とガス排出口５（５ａ、５ｂ）の中心Ｃ_５（Ｃ_５ａ、Ｃ_５ｂ）とを最短距離で結ぶ直線ＬＩ（図４参照）に沿った帯状の形状であっても良い。この場合、第２領域ＨＲ（ＨＲ_１およびＨＲ_２）を第１金属多孔体２の主面の法線方向からみたときの形状は、例えば、第１領域ＳＲを挟んで向かい合う略半円形である。

【0038】

第１金属多孔体２に供給された原料ガスは、ガス供給口４付近に滞留するか、あるいは、ガス供給口４からガス排出口５ａおよび５ｂに向かう方向、すなわち直線ＬＩの方向に移動し易い。そのため、原料ガスは、第１金属多孔体２の直線ＬＩに対応する直線Ｌから離れた部分には、特に拡散し難い。直線Ｌを含む第１領域ＳＲの気孔率（金属多孔体Ｓの気孔率Ｐｓと同じ。以下、第１領域ＳＲの気孔率を気孔率Ｐｓと称する場合がある。）を、第２領域ＨＲの気孔率（金属多孔体Ｈの気孔率Ｐｈと同じ。以下、第２領域ＨＲの気孔率を気孔率Ｐｈと称する場合がある。）より小さくすることにより、原料ガスは、第１金属多孔体２の直線Ｌ上から離れた部分にまで拡散し易くなる。

【0039】

第１領域ＳＲの形状は、第１金属多孔体２の主面の法線方向からみたとき、図６Ａに示すように、ガス供給口４の中心Ｃ_４（図４参照）に対応する点Ｃを中心とする円形であっても良い。これにより、ガス供給口４から第１金属多孔体２(２Ｃ）に供給された原料ガスは、点Ｃから、気孔率のより大きな第２領域ＨＲに向かって拡散する。

【0040】

第１領域ＳＲの形状は、第１金属多孔体２の主面の法線方向からみたとき、図７Ａに示すように、ガス供給口４の中心Ｃ_４に対応する点Ｃを中心とする多角形であっても良い。この場合も、上記と同様、ガス供給口４から第１金属多孔体２に供給された原料ガスは、点Ｃから、気孔率のより大きな第２領域ＨＲに向かって拡散する。図７Ａでは、第１領域ＳＲの形状が正多角形（正八角形）である場合を示しているが、第１領域ＳＲの形状は特に限定されず、例えば、３角形〜１２角形であり得る。また、図示例のようにすべての辺の長さが等しい正多角形であっても良いし、辺の長さが同じではない多角形であっても良い。

【0041】

第２領域ＨＲは、複数の金属多孔体から構成されていても良い。例えば、図５Ｂに示すように、第２領域ＨＲを、第１領域ＳＲに隣接し、直線Ｌに平行な帯状の分割領域ＨＲ_１およびＨＲ_２と、分割領域ＨＲ_１およびＨＲ_２にそれぞれ隣接し、残りの部分を占める分割領域ＨＲ_３およびＨＲ_４とに分割し、複数の金属多孔体を用いて各分割領域ＨＲ_１〜ＨＲ_４を構成しても良い。また、例えば、図６Ｂに示すように、第２領域ＨＲを、円形の第１領域ＳＲを取り囲み、第１領域ＳＲと同心の環状領域である分割領域ＨＲ_１と、分割領域ＨＲ_１を取り囲み、第１領域ＳＲと同心の環状領域である分割領域ＨＲ_２とに分割し、複数の金属多孔体を用いて各分割領域ＨＲ_１およびＨＲ_２を構成しても良い。さらに、図７Ｂに示すように、第２領域ＨＲを、多角形の第１領域ＳＲを取り囲み、第１領域ＳＲと同じ外形を有する多角形の分割領域ＨＲ_１と、分割領域ＨＲ_１を取り囲む分割領域ＨＲ_２とに分割し、複数の金属多孔体を用いて各分割領域ＨＲ_１およびＨＲ_２を構成しても良い。このとき、各分割領域を構成する金属多孔体の気孔率は異なっていても良い。なお、分割領域の形状はこれに限定されない。

【0042】

上記の場合、気孔率Ｐｓが、第２領域ＨＲ全体の気孔率Ｐｈよりも小さくなるように、各分割領域（ＨＲ_１等）を構成する各金属多孔体の気孔率を設定すれば良い。例えば、各分割領域のいずれかは、気孔率が第１領域ＳＲよりも小さい金属多孔体により構成されても良い。すなわち、第２領域ＨＲが複数の金属多孔体から構成される場合、気孔率Ｐｈは、当該複数の金属多孔体の気孔率および体積割合を考慮して求められる。具体的には、気孔率Ｐｈ（体積％）は、分割領域ＨＲ_１の気孔率（体積％）×分割領域ＨＲ_１の第２領域ＨＲに占める体積割合＋・・・＋分割領域ＨＲ_ｎの気孔率（体積％）×分割領域ＨＲ_ｎの第２領域ＨＲに占める体積割合により求められる。各分割領域の気孔率（体積％）は、｛１−（各分割領域の見掛けの比重／各分割領域を構成する金属の真の比重）｝×１００で求められる。

【0043】

図５Ｂに示す金属多孔体２Ｂの場合、ガス拡散性の観点から、各分割領域の気孔率が直線Ｌからの最短距離が遠いほど大きくなるように、各分割領域に気孔率の異なる複数種類の金属多孔体を配置することが好ましい。具体的には、分割領域ＨＲ_１、ＨＲ_３の各気孔率Ｐｈ_１、Ｐｈ_３がＰｈ_１＜Ｐｈ_３の関係を満たし、かつ、分割領域ＨＲ_２、ＨＲ_４の各気孔率Ｐｈ_２、Ｐｈ_４がＰｈ_２＜Ｐｈ_４の関係を満たすように、各分割領域に気孔率の異なる金属多孔体を配置する。気孔率Ｐｈ_１とＰｈ_２、または、気孔率Ｐｈ_３とＰｈ_４とは、同じであっても良いし、異なっていても良い。分割領域ＨＲ_１とＨＲ_３の形状、または、分割領域ＨＲ_２とＨＲ_４の形状とは、同じであっても良いし、異なっていても良い。

【0044】

なお、図５Ｂでは、第２領域ＨＲを４つの金属多孔体で構成する場合を示しているが、これに限定されない。例えば、第２領域ＨＲを３〜７つの金属多孔体で構成しても良い。このとき、各金属多孔体の気孔率は、同じであっても良いし異なっていても良い。第２領域ＨＲを構成する各金属多孔体の形状も特に限定されない。例えば、図５Ａおよび５Ｂに示すように、第２領域ＨＲを構成する各金属多孔体は、第１領域ＳＲ（金属多孔体Ｓ）に平行な帯状の形状であっても良いし、第２領域ＨＲを直線Ｌに垂直な方向に複数に分割したような形状（図示せず）であっても良い。さらに、第２領域ＨＲを構成する各金属多孔体は、これらを組み合わせた形状であっても良い。

【0045】

図６Ｂおよび７Ｂに示す金属多孔体２Ｄおよび２Ｆの場合、ガス拡散性の観点から、分割領域ＨＲ_１およびＨＲ_２の気孔率が、点Ｃからの最短距離が遠いほど大きくなるように、各分割領域に気孔率の異なる複数種類の金属多孔体を配置することが好ましい。具体的には、分割領域ＨＲ_１およびＨＲ_２の各気孔率Ｐｈ_１、Ｐｈ_２がＰｈ_１＜Ｐｈ_２の関係を満たすように、各分割領域として気孔率の異なる金属多孔体を配置する。

【0046】

また、第１領域ＳＲを、複数の金属多孔体から構成しても良い。すなわち、第１領域ＳＲには、部分ｓの一部を含む金属多孔体が複数配置されていても良い。言い換えれば、部分ｓを一部でも含む金属多孔体は、すべて金属多孔体Ｓである。第１領域ＳＲが複数の分割領域（ａ_１、_・・・、ａ_ｎ）を備える場合、気孔率Ｐｓは、各分割領域（ａ_１、_・・・、ａ_ｎ）の気孔率および体積割合を考慮して求められる。すなわち、気孔率Ｐｓ（体積％）は、分割領域ａ_１の気孔率（体積％）×分割領域ａ_１の第１領域ＳＲに占める体積割合＋_・・・＋分割領域ａ_ｎの気孔率（体積％）×分割領域ａ_ｎの第１領域ＳＲに占める体積割合により求められる。

【0047】

さらに、第１金属多孔体２において、直線Ｌを含む領域の気孔率が小さくなるとともに、点Ｃから外周部に向かって気孔率が大きくなるように、気孔率の異なる複数の金属多孔体を配置しても良い。ガス拡散性のさらなる向上が期待できるためである。具体的には、例えば図８ＡおよびＢに示すように、第１金属多孔体２Ｇが、点Ｃを中心とする円形の第１領域ＳＲとこれを取り囲む第２領域ＨＲとを含む場合、第１領域ＳＲを放射状に８つに等分する。すなわち、金属多孔体Ｓを、異なる気孔率を有し、点Ｃを頂点とする扇形の複数の金属多孔体ａ_１〜ａ_３により構成する。このとき、金属多孔体ａ_１〜ａ_３は、それぞれ部分ｓの一部を含んでいる。図８では、それぞれ２個の金属多孔体ａ_１〜ａ_３が、第１領域ＳＲに配置されている。この場合、第１領域ＳＲにおいて、直線Ｌを含む分割領域ａ_１の気孔率Ｐａ_１を、他の分割領域ａ_２およびａ_３の気孔率（Ｐａ_２、Ｐａ_３）よりも小さくする（Ｐａ_１＜Ｐａ_２、Ｐａ_３）。さらに、分割領域ａ１に隣接する分割領域ａ_２の気孔率は、分割領域ａ_３よりも小さいことが好ましい（Ｐａ_２＜Ｐａ_３）。

【0048】

さらに、第２領域ＨＲを環状の分割領域ＨＲ_１およびＨＲ_２に分割しても良い。この場合、第１領域ＳＲ全体の気孔率Ｐｓが第２領域ＨＲ全体（ＨＲ_１およびＨＲ_２）の気孔率Ｐｈよりも小さくなるように、分割領域ＨＲ_１およびＨＲ_２の各気孔率を設定すれば良い。

【0049】

分割領域ＨＲ_１およびＨＲ_２をさらに複数の部分（ｂ_１〜ｂ_３、ｃ_１〜ｃ_２）に分割するように、各分割領域を複数の気孔率の異なる金属多孔体により構成しても良い。このとき、分割領域ＨＲ_１およびＨＲ_２についても、直線Ｌあるいはその延長線を含む部分ｂ_１およびｃ_１の気孔率が、他の部分（ｂ_２、ｂ_３およびｃ_２）より小さくなるように、各金属多孔体を配置することが好ましい。図８では、分割領域ＨＲ_１を放射状に８つに等分し、分割領域ＨＲ_２を４つに分割している。分割領域ＨＲ_１において、部分ｂ_１に隣接する部分ｂ_２の気孔率は、部分ｂ_３よりも小さいことが好ましい（Ｐｂ_２＜Ｐｂ_３）。

【0050】

分割領域ＨＲ_１およびＨＲ_２の気孔率の大小関係は、特に限定されない。なかでも、第１金属多孔体２Ｇに点Ｃを中心とする放射状の直線を引いたとき、この直線上において、点Ｃから外周部に向かって気孔率が大きくなる関係、つまり、分割領域ＨＲ_１の気孔率＜分割領域ＨＲ_２の気孔率を満たすことが好ましい。これにより、ガス供給口４から外周部に向かって、さらにガスが拡散し易くなる。

【0051】

分割領域ＨＲ_１およびＨＲ_２をさらに複数の部分に分割する場合、同じ分割領域内における気孔率の分布は特に限定されない。例えば、図９に示すように、点Ｃと、直線Ｌの延長線と第１金属多孔体２の外縁との交点の一方と、を結ぶ直線Ｌ１を引く。直線Ｌ１との成す角度がθ（０°≦θ≦９０°）である直線Ｌ_θを引いた場合、角度θが大きくなるに従い、この直線Ｌ_θ上における気孔率が大きくなることが好ましい。つまり、直線Ｌ１と直線Ｌ_θとが直交（θ＝９０°）する場合、直線Ｌ_θを含む部分の気孔率は、同じ領域の他の部分よりも大きい。これにより、ガス排出口５（５ａ、５ｂ）から離れた外周部にも、ガスが拡散し易くなる。

【0052】

第１領域ＳＲ（金属多孔体Ｓ）の第１金属多孔体２に占める割合Ｒｓは、特に限定されない。なかでも、ガス拡散性の観点から、割合Ｒｓは、１〜２０体積％であることが好ましく、２０〜５０体積％であることがより好ましい。割合Ｒｓは、金属多孔体Ｓの骨格部分（繊維部１０２）および空孔１０１部分の体積の和（金属多孔体Ｓの見掛けの体積）を第１金属多孔体２の見掛けの体積で除したものに１００を掛けて求められる。

【0053】

金属多孔体Ｓの気孔率Ｐｓ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Ｐｓ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Ｐｓは、１００体積％未満であり、９８体積％以下であることが好ましく、９６体積％以下であることがより好ましく、９４体積％以下であることが特に好ましい。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。

【0054】

金属多孔体Ｈの気孔率Ｐｈは、気孔率Ｐｓより大きい限り、特に限定されない。なかでも、ガス拡散性の観点から、気孔率Ｐｈは、８５体積％以上であることが好ましく、８８体積％以上であることがより好ましく、９５体積％以上であることが特に好ましい。気孔率Ｐｈ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。

【0055】

金属多孔体Ｓの気孔径Ｄｓは特に限定されない。金属多孔体Ｓの気孔径Ｄｓは、金属多孔体Ｈの気孔径Ｄｈより小さくても良い。なかでも、圧力損失の観点から、気孔径Ｄｓ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。金属多孔体Ｈの気孔径Ｄｈは特に限定されない。なかでも、圧力損失の観点から、気孔径Ｄｈは、１００〜５０００μｍであることが好ましく、２５０〜１７００μｍであることがより好ましい。

【0056】

気孔径Ｄｓは、例えば、以下のようにして求められる。まず、金属多孔体Ｓから任意の開口１０３ａを１つ選択する。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、同じ開口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のすべての平均値を、気孔径Ｄｓとする。

【0057】

具体的には、金属多孔体Ｓ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のすべての平均値を気孔径Ｄｓとする。

【0058】

金属多孔体Ｓが複数の金属多孔体から構成されている場合、上記の方法により、各金属多孔体の気孔径を求め、各金属多孔体の気孔径に金属多孔体Ｓに占める各金属多孔体の体積割合を掛けた数値の和を、金属多孔体Ｓ全体の気孔径Ｄｓとする。気孔径Ｄｈも上記と同様にして求められる。以下の各物性値に関しても、金属多孔体Ｓおよび／または金属多孔体Ｈが複数の金属多孔体から構成されている場合、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ことができる。

【0059】

金属多孔体Ｓにおける空孔１０１の径（セル径）Ｖｓは、特に限定されない。なかでも、圧力損失の観点から、セル径Ｖｓ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。金属多孔体Ｈのセル径Ｖｈは特に限定されない。なかでも、圧力損失の観点から、セル径Ｖｈは、３００〜３５００μｍであることが好ましく、５００〜３２００μｍであることがより好ましい。金属多孔体Ｓのセル径Ｖｓは、金属多孔体Ｈのセル径Ｖｈより小さくても良い。

【0060】

セル径Ｖｓは、例えば、以下のようにして求められる。まず、金属多孔体Ｓにおける空孔１０１の中から任意の空孔１０１ａを１つ選択する。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Ｖｓａとする。同様にして、金属多孔体Ｓにおける他の任意の複数（例えば、９個）の空孔１０１ｂ〜１０１ｊの各セル径Ｖｓｂ〜Ｖｓｊを求め、これら１０個の空孔１０１ａ〜１０１ｊの各セル径Ｖｓａ〜Ｖｓｊのすべての平均値を、セル径Ｖｓとする。

【0061】

具体的には、金属多孔体Ｓの主面のＳＥＭ写真から、外縁の明瞭な空孔１０１を１０個、ランダムに選択する。この１０個の空孔１０１ａ〜１０１ｊについて、上記の方法によりセル径Ｖｓａ〜Ｖｓｊを算出する。算出された各空孔１０１ａ〜１０１ｊのセル径Ｖｓａ〜Ｖｓｊの平均値をセル径Ｖｓとする。セル径Ｖｈも上記と同様にして求められる。

【0062】

第１金属多孔体２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２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２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２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。金属多孔体Ｓを構成する金属と金属多孔体Ｈを構成する金属とは、同じであっても良いし、異なっていても良い。

【0063】

金属多孔体Ｓおよび金属多孔体Ｈの比表面積（ＢＥＴ比表面積）も特に限定されない。上記比表面積は、例えば、それぞれ１００〜９０００ｍ^２/ｍ^３であっても良く、２００〜６０００ｍ^２/ｍ^３であっても良い。金属多孔体Ｓの比表面積は、金属多孔体Ｈの比表面積より大きくても良い。

【0064】

金属多孔体Ｓおよび金属多孔体Ｈにおける開口１０３の密度（セル密度）は、特に限定されない。なかでも、ガス拡散性の観点から、セル密度は、それぞれ５〜１００個／２．５４ｃｍであることが好ましく、５〜７０個／２．５４ｃｍであることがより好ましい。なお、セル密度とは、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。金属多孔体Ｓのセル密度は、金属多孔体Ｈのセル密度より大きくても良い。

【0065】

金属多孔体Ｓおよび金属多孔体Ｈの骨格（繊維部１０２）の幅Ｗｆも特に限定されない。幅Ｗｆは、例えば、それぞれ３〜５００μｍであっても良く、１０〜５００μｍであっても良い。金属多孔体Ｓの幅は、金属多孔体Ｈの幅より大きくても良い。

【0066】

金属多孔体Ｓおよび金属多孔体Ｈの厚みも特に限定されない。なかでも、ガス拡散性の観点から、第１金属多孔体２全体の厚み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２の任意の１０箇所の厚みの平均値である。

【0067】

（第２金属多孔体）
第１金属多孔体２に、三次元網目状の骨格を有する第２金属多孔体６を積層しても良い。第２金属多孔体６の気孔率Ｐ２は特に限定されず、配置場所および目的等に応じて適宜設定すれば良い。第２金属多孔体６も、複数の金属多孔体を組み合わせて形成されても良い。

【0068】

第２金属多孔体６は、例えば図１０Ａに示すように、第１金属多孔体２とインターコネクタ３との間に配置しても良い。この場合、第２金属多孔体６の気孔率Ｐ２は、第２領域ＨＲの気孔率Ｐｈよりも大きいことが好ましい。これにより、圧力損失が低下し、ガス拡散性がさらに向上する。気孔率Ｐ２は、気孔率Ｐｓと同様にして求められる。

【0069】

第２金属多孔体６は、例えば図１０Ｂに示すように、第１金属多孔体２とＭＥＡ１のいずれかの電極（図１０Ｂではアノード１ａ）との間に配置しても良い。この場合、第２金属多孔体６の気孔率Ｐ２は特に限定されない。第２金属多孔体６の気孔径Ｄ２は、集電性の観点から、第１金属多孔体２全体（金属多孔体Ｓおよび金属多孔体Ｈ）の気孔径Ｄ１よりも小さいことが好ましく、金属多孔体Ｓの気孔径Ｄｓ以下であることがより好ましい。気孔径が小さい場合、その表面の凹凸は小さくなる。そのため、第２金属多孔体６の気孔径Ｄ２が小さいほど、電極（アノード１ａ）との接触性が向上し易い。よって、抵抗が小さくなる。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２全体の気孔径Ｄ１と第２金属多孔体６の気孔径Ｄ２との比（Ｄ１／Ｄ２）は、１．２〜１０であることが好ましく、１．５〜５であることがより好ましい。気孔径Ｄ２は、気孔径Ｄｓと同様にして求められる。

【0070】

第２金属多孔体６のセル径、セル密度、ＢＥＴ比表面積、骨格１０２の幅Ｗｆは特に限定されず、配置場所および目的等に応じて適宜設定すれば良い。各数値範囲としては、金属多孔体Ｓまたは金属多孔体Ｈで例示したのと同じ数値範囲が例示できる。

【0071】

第２金属多孔体６の厚みＴ２も特に限定されない。なかでも、抵抗またはガス拡散性の観点から、厚みＴ２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。また、同様の観点から、第１金属多孔体２の厚みＴ１と第２金属多孔体６の厚みＴ２との比（Ｔ１／Ｔ２）は、１〜１０であることが好ましく、１〜５であることがより好ましい。

【0072】

第２金属多孔体６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。第１金属多孔体２および第２金属多孔体６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２で例示したものと同じ金属が例示される。

【0073】

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２と第２金属多孔体６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。金属多孔体Ｓおよび金属多孔体Ｈも同様に、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２（あるいは、金属多孔体Ｓ）の端部近傍に存在する開口１０３に、第２金属多孔体６（あるいは、金属多孔体Ｈ）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２と第２金属多孔体６（あるいは、金属多孔体Ｓと金属多孔体Ｈ）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２と第２金属多孔体６（あるいは、金属多孔体Ｓと金属多孔体Ｈ）とは、電気的に接続し、かつ、連通する。

【0074】

例えば、第１金属多孔体２と第２金属多孔体６とが接合された複合材料は、第１金属多孔体２の前駆体（第１前駆体）と第２金属多孔体６の前駆体（第２前駆体）とを積層し、プレス加工することにより得ることができる。なお、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２および第２金属多孔体６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、適宜設定する。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２の気孔率、気孔径およびセル径と同様にして求められる。

【0075】

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。

【0076】

（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。

【0077】

（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−ａＳ_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−ｃＳ_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−ＨＲＳ_ＨＲＣｏＯ_３−δ、０．２≦ＨＲ≦０．８、δは酸素欠損量である）等が挙げられる。

【0078】

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。

【0079】

（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。

【0080】

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。

【0081】

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。

【0082】

（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。

【0083】

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。

【0084】

（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用材料の表面に、カソード用の材料を積層し、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。

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

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、固体電解質用材料を積層し易くなる。

【0088】

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。

【0089】

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。

【0090】

（インターコネクタ）
インターコネクタ３は、燃料ガスと空気とを分離する。ＭＥＡ１と金属多孔体２とインターコネクタ３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３の一方の面を第１金属多孔体２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。

【0091】

インターコネクタ３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。

【0092】

第１金属多孔体２は優れたガス拡散性を有するため、第１金属多孔体２に隣接するインターコネクタ３の第１金属多孔体２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。

【0093】

これにより、インターコネクタ３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構成単位を含む場合、インターコネクタ３の第１金属多孔体２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。

【0094】

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、金属多孔体Ｓ、金属多孔体Ｈ、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）。

【0095】

（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。

【0096】

上記金属多孔体を構成する金属は特に限定されず、金属多孔体Ｓまたは金属多孔体Ｈ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。

【0097】

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、異なる気孔率を持つ複数の上記金属多孔体（例えば、金属多孔体Ｓおよび金属多孔体Ｈ）を組み合わせて、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。

【0098】

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。

【0099】

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。

【0100】

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。

【0101】

（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。

【0102】

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。

【0103】

上記金属多孔体を構成する金属は特に限定されず、金属多孔体Ｓまたは金属多孔体Ｈ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。

【0104】

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、異なる気孔率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、金属多孔体Ｓおよび金属多孔体Ｈを組み合わせて、構成されることが好ましい。この場合、金属多孔体Ｓを水の供給口に対向するように配置する。これにより、水の電解効率はさらに向上する。また、組み合わ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。

【0105】

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。

【0106】

（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。

【0107】

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。

【0108】

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。

【0109】

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。

【0110】

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。

【0111】

上記金属多孔体を構成する金属は特に限定されず、金属多孔体Ｓまたは金属多孔体Ｈ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。

【0112】

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、金属多孔体Ｓおよび金属多孔体Ｈを組み合わせて、構成されることが好ましい。この場合、金属多孔体Ｓを水蒸気の供給口に対向するように配置する。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。

【0113】

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。

【0114】

図１１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１１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。陽極２２Ａ側の板状部材２３Ａには、水蒸気供給口２４およびガス排出口２５ａ、２５ｂが形成されている。水蒸気Ｖは、水蒸気供給口２４から陽極２２Ａに導入され、陽極２２Ａで発生した酸素あるいは未反応の水蒸気は、ガス排出口２５ａ、２５ｂから系外に排出される。

【0115】

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、金属多孔体Ｓおよび金属多孔体Ｈにより構成されている。金属多孔体Ｓは、少なくとも板状部材２３Ａに形成された水蒸気供給口２４に対向するように配置されている。陽極２２Ａの金属多孔体Ｓ以外の部分には、金属多孔体Ｈが配置されている。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。

【0116】

ＳＯＥＣ式水素製造装置２０は、陰極２２Ｂ、板状部材２３Ｂ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。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。

【0117】

板状部材２３Ａの構成はインターコネクタ３に対応している。板状部材２３Ｂの構成は特に限定されず、例えば、燃料電池に用いられるインターコネクタと同様の構成を有している。陰極２２Ｂに隣接する板状部材２３Ｂには、図示しないガス流路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、このガス流路を経由して取り出すことができる。

【0118】

［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。

【0119】

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。

【0120】

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。

【0121】

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。

【0122】

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。

【0123】

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。

【0124】

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、異なる気孔率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、気孔率のより小さい上記金属多孔体を、水あるいは水蒸気の供給口に対向するように配置する。

【0125】

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。

【0126】

［製造例ａ〜ｇ］
気孔率の異なる７種類の金属多孔体の前駆体（前駆体ａ〜ｇ）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＃１〜＃６および＃８を準備した。
前駆体ａ〜ｇの気孔率等を表１に示す。

【0127】

【表1】

【0128】

［製造例Ａ〜Ｆ］
得られた前駆体ａ〜ｇを所望の形状に切断し、組み合わせて、第１前駆体を形成した。
別途、前駆体ａ〜ｇのうちの１種類を第１前駆体と同じ大きさに切断し、第２前駆体を形成した。第１前駆体と第２前駆体とを積層し、１ＭＰａの荷重でロールプレスを行って、第１前駆体と第２前駆体とを接合した。得られた複合材料Ａ〜Ｆの構成を表２および３に示す。なお、第１金属多孔体および第２金属多孔体に含まれる各金属多孔体の気孔率、気孔径およびセル径は、前駆体ａ〜ｇよりもそれぞれ５％減少していた。以下に、各複合材料について詳述する。

【0129】

（１）複合材料Ａ〜Ｃ
複合材料Ａ〜Ｃは、いずれも同じ構成の第１前駆体と、異なる種類の第２前駆体とを接合して形成した。第１前駆体は、第１領域ＳＲ（金属多孔体Ｓ）に１種類の前駆体を用い、第２領域ＨＲ（金属多孔体Ｈ）に以下に示す複数の前駆体を用いた。第１前駆体は、図５Ｂに示す分割領域ＨＲ_１〜ＨＲ_４に替えて、分割領域ＨＲ_１〜ＨＲ_６に分割された構成とした。具体的には、図５Ｂに示す分割領域ＨＲ_３の外側に分割領域ＨＲ_５をさらに配置し、分割領域ＨＲ_４の外側に分割領域ＨＲ_６をさらに配置した。プレス加工後の金属多孔体Ｓの幅（直線Ｌに垂直な方向の長さ）は１２ｍｍであり、金属多孔体Ｈを構成する各金属多孔体（ＨＲ_１〜ＨＲ_６）の幅はそれぞれ２４ｍｍであり、第１金属多孔体および第２金属多孔体の厚みはいずれも１ｍｍであった。複合材料Ａ〜Ｃに使用された前駆体の種類およびその配置、並びにプレス加工後の各気孔率を、表２に示す。

【0130】

【表2】

【0131】

（２）複合材料Ｄ〜Ｆ
複合材料Ｄ〜Ｆは、いずれも同じ構成の第１前駆体と、異なる種類の第２前駆体とを接合して形成した。第１前駆体は、第１領域ＳＲ（金属多孔体Ｓ）に１種類の前駆体を用い、第２領域ＨＲ（金属多孔体Ｈ）に以下に示す複数の前駆体を用いた。第１前駆体は、図７Ｂに示す分割領域ＨＲ_１、ＨＲ_２に替えて、分割領域ＨＲ_１〜ＨＲ_４に分割された構成とした。具体的には、図７Ｂに示す環状の分割領域ＨＲ_２の外側にさらに環状の分割領域ＨＲ_３を配置し、分割領域ＨＲ_３の外側にさらに環状の分割領域ＨＲ_４を配置した。プレス加工後の金属多孔体Ｓの幅（直線Ｌに垂直な方向の長さ）は１０ｍｍであり、環状の金属多孔体Ｈを構成する各金属多孔体（ＨＲ_１〜ＨＲ_４）の幅（（外径−内径）／２）はそれぞれ１０ｍｍであり、第１金属多孔体および第２金属多孔体の平均の厚みはいずれも１ｍｍであった。複合材料Ｄ〜Ｆに使用された前駆体の種類とその配置、並びにプレス加工後の各気孔率を、表３に示す。

【0132】

【表3】

【0133】

［実施例１−１］
複合材料Ａを用いて、以下の手順で、燃料電池を作製した。

【0134】

（１）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。

【0135】

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_０．６ＨＲ_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、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。

【0136】

（２）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、図１０Ａに示す燃料電池Ａを製作した。

【0137】

（３）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壁せん断応力、静圧、ガスの流線、ガスの速度ベクトルにより評価した。結果を図１２に示す。図１２は、アノードの表面の１／４の部分における、A壁せん断応力の分布、B静圧の分布、C水素ガスの流線、D水素ガスの速度ベクトルを示している（以下、図１３〜１８についても同じ）。図中、白く見えている部分はシールされている部分であり、図１２CおよびDにおいて、右下にある半円は、排出口の一部を示している（以下、図１３〜１８についても同じ）。

【0138】

［実施例１−２］
複合材料Ａを、アノードに第２金属多孔体が対向するように積層したこと以外は、実施例１と同様にして、図１０Ｂに示す燃料電池Ｂを作製し、評価した。結果を図１３に示す。

【0139】

［実施例１−３］
複合材料Ｂを用い、アノードに第２金属多孔体が対向するように積層したこと以外は、実施例１と同様にして、図１０Ｂに示す燃料電池Ｃを作製し、評価した。結果を図１４に示す。

【0140】

［実施例１−４］
複合材料Ｃを用い、アノードに第２金属多孔体が対向するように積層したこと以外は、実施例１と同様にして、図１０Ｂに示す燃料電池Ｄを作製し、評価した。結果を図１５に示す。

【0141】

［実施例２−１］
複合材料Ｄを用いたこと以外は、実施例１と同様にして、図１０Ａに示す燃料電池Ｅを
作製し、評価した。結果を図１６に示す。

【0142】

［実施例２−２］
複合材料Ｅを用いたこと以外は、実施例１と同様にして、図１０Ａに示す燃料電池Ｆを作製し、評価した。結果を図１７に示す。

【0143】

［実施例２−３］
複合材料Ｆを用いたこと以外は、実施例１と同様にして、図１０Ａに示す燃料電池Ｇを作製し、評価した。結果を図１８に示す。

【0144】

図１２〜１８に示されるように、複合材料Ａ〜Ｆを用いた燃料電池Ａ〜Ｇはガス拡散性能に優れる。

【産業上の利用可能性】

【0145】

本開示は、水素製造装置および水素の製造方法に利用できる。

【符号の説明】

【0146】

１：ＭＥＡ、１ａ：アノード、１ｂ：固体電解質層、１ｃ：カソード、２、２Ａ〜２Ｆ：第１金属多孔体、３：インターコネクタ、４：ガス供給口、５ａ、５ｂ：ガス排出口、６：第２金属多孔体、１０、１０Ａ、１０Ｂ：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、２３Ａ、２３Ｂ：板状部材、２４：水蒸気供給口、２５ａ、２５ｂ：ガス排出口

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】