電極接続構造、燃料電池、ガス除害装置、および電極接続構造の製造方法
【課題】 電気化学反応一般において、電極／集電体の電気抵抗の低減、および電極と該気体との良好な接触、を共により一層優れたものとできる、電極接続構造、燃料電池、ガス除害装置、および電極接続構造の製造方法を提供する。
【解決手段】 この電極接続構造では、アノード２は、イオン導電性セラミックスを含んで、多孔質であり、集電体１１ａは金属のメッシュシート１１ａであり、アノード２と金属のメッシュシート１１ａとが、還元接合されていることを特徴とする。
【解決手段】 この電極接続構造では、アノード２は、イオン導電性セラミックスを含んで、多孔質であり、集電体１１ａは金属のメッシュシート１１ａであり、アノード２と金属のメッシュシート１１ａとが、還元接合されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極接続構造、燃料電池、ガス除害装置、および電極接続構造の製造方法に関し、より具体的には、当該電極と気体との接触を十分確保しながら電気抵抗を低くできる電極接続構造、燃料電池、ガス除害装置、および電極接続構造の製造方法に等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アンモニアは農業や工業に不可欠の化合物であるが、ヒトには有害であるので、水中や大気中のアンモニアを分解する方法が、多く開示されてきた。たとえば、高濃度のアンモニアを含む水からアンモニアを分解除去するために、噴霧状のアンモニア水を空気流と接触させて空気中にアンモニアを分離して、次亜臭素酸溶液または硫酸と接触させる方法が提案されている（特許文献１）。また、上記と同じプロセスで空気中にアンモニアを分離して触媒により燃焼させる方法の開示もなされている（特許文献２）。また、アンモニア含有排水を触媒を用いて分解して、窒素と水とに分解する方法が提案されている（特許文献３）。
また、半導体製造装置の廃ガスには、アンモニア、水素等が含まれるのが普通であり、アンモニアの異臭を完全に除去するには、ｐｐｍオーダーにまで除害する必要がある。この目的のために、半導体製造装置の廃ガス放出の際にスクラバーを通して、薬品を含む水に有害ガスを吸収させる方法が多く用いられてきた。一方、エネルギや薬品等の投入なしに、安価なランニングコストを得るために、リン酸型燃料電池でアンモニアを分解する、半導体製造装置の排気ガス処理の提案もされている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−３１９６６号公報
【特許文献２】特開平７−１１６６５０号公報
【特許文献３】特開平１１−３４７５３５号公報
【特許文献４】特開２００３−４５４７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の中和剤などの薬液を用いる方法（特許文献１）、燃焼する方法（特許文献２）、触媒を用いた熱分解反応による方法（特許文献３）などによれば、アンモニアの分解は可能である。しかし、上記の方法では、薬品や外部エネルギ（燃料）を必要とし、さらに触媒の定期的交換を要し、ランニングコストが高いという問題がある。また、装置が大掛かりとなり、たとえば既存の設備に付加的に設ける場合に配置が難しい場合も生じる。
リン酸型燃料電池を、化合物半導体製造の排気中のアンモニアの除害に用いる装置（特許文献４）についても、除害能力の向上を阻害する、電気抵抗の増大、気体と電極との良好な接触、圧力損失などの問題を踏み込んで解決する工夫がなされていない。電気化学反応をアンモニア等の除害に用いる場合、高温環境下での電極／集電体間の電気抵抗の増大、気体と電極との接触効率の向上等を画期的な構造で抑止しない限り、実用レベルの大きな処理能力を得ることができず、アイデアに留まっている状況にある。
ガス除害装置に限らず、ガス分解を伴う電気化学反応装置、たとえば燃料電池等において、電極／集電体の電気抵抗の低減、燃料ガスまたは空気と電極との良好な接触は、その電気化学反応装置の容量または能率を高める上で不可欠である。このため、両方共に、一層向上させる方策が求められている。
【０００５】
本発明は、ガス分解等を伴う電気化学反応一般において、電極／集電体の電気抵抗の低減、および電極と該気体との良好な接触、を共により一層優れたものとできる、電極接続構造、燃料電池、ガス除害装置、および電極接続構造の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電極接続構造は、電気化学反応に用いるための、電極と集電体との接続構造である。この電極接続構造では、電極は、イオン導電性セラミックスを含んで、多孔質であり、集電体は多孔質金属体であり、電極と多孔質金属体とが、還元接合されていることを特徴とする。
還元接合では、所定の温度および酸素分圧下で、金属酸化物は金属に還元され、その還元過程で、金属同士、または金属と酸化物とは、相互に拡散し合って接合する。このため、接合される対象物同士の他に余計な材料は用いられず、その接合部には形状的に相手側の気孔を塞ぐような部分を生じない。このため、電極のそばを通る気体とその電極とは、還元接合された状態で良好な接触を保つことができる。とくに、多孔質金属体を通りながらの電極への良好な接触を得ることができる。
導電性については、間に酸化層等を介在させないので、良好な集電性を得ることができる。還元接合は、接合に際し高エネルギ密度の局在化（細い高エネルギ密度のビームなど）を必要とせず、電極全面にわたって多孔質金属体を接触させておけば、接合が電極全面にわたって緩やかに進行する。この結果、電極と多孔質金属体とは、当該電極の全面にわたって多孔質金属体と導電接続されて、低い電気抵抗の導電接続を実現することができる。
なお、上記の集電体は、単独の部材ではなく、複数の部材が組み合わされて形成されていてもよい。通常、複数の部材が組み合わされており、その場合、上記の多孔質金属体はその複数の部材の１つと考えることができる。
【０００７】
多孔質金属体を金属のメッシュシートとすることができる。金属のメッシュシートは、凹凸がなく平滑な平面または曲面を持ち、還元接合相手の電極とは面的な接触によって良好な導電性を得ることができる。また、気体は、メッシュシートのメッシュを通って多孔質の電極と良好な接触をすることができる。気体は、金属のメッシュシートが沿っているマクロ的な表面だけでなく、多孔質の電極の気孔を通して、侵入と離脱とを自由に行うことで当該電極と接触することができる。
【０００８】
還元接合された接合部および該接合部の周囲に金属粒子が位置する構成とすることができる。この金属粒子は、還元接合の際に金属ペーストの形態で塗布されて還元接合が確実に行われるようにする。すなわち、金属ペーストは、電極と金属のメッシュシート（多孔質金属体）との隙間を充填して導電接続を推進するために用いられる。この金属粒子は、面を覆う形態ではなく、集合状態および個別状態を問わず、離散的に、分布する。このため、高い導電性を得ながら気体と電極との良好な接触を確保することができる。
【０００９】
金属のメッシュシートを、金属の織布、または金属の織布にめっき処理が施されたものとすることができる。金属の織布は、柔軟性に富み、薄いながら厚み方向に弾性を有する。このため、電極の表面に合わせて面的な接触を容易に得ることができる。
【００１０】
金属のメッシュシートおよび／または金属粒子を、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）のいずれかで形成されている構成とすることができる。
上記の（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系）を一種以上含む合金は、触媒作用を有し、ガス分子の分解を促進する。このため、電極に接触する位置または近接する位置に、メッシュシートおよび／または粒子の形態で分布することで、電気化学反応の推進に寄与することができる。
また、このうち（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｕ系）を一種以上含む、メッシュシートまたはメッシュシートに施されためっき層は、酸素分圧が比較的高くても還元接合しやすい。このため信頼性の高い還元接合部を容易に得ることができる。
【００１１】
集電体が、金属のメッシュシートに導電接続する第２の多孔質金属体を備え、該第２の多孔質金属体は気体が素通りしないように該気体の流れを遮るように位置する構成をとることができる。
上記の構成によれば、気体の圧力損失を低く保ちながら、良好な導電性、および気体と電極との良好な接触を得ることができる。
【００１２】
金属のメッシュシートと第２の多孔質金属体とが、還元接合されているようにできる。これによって、乱流化されたその気体の流れは、金属のメッシュシートと第２の多孔質金属体との接合部を容易に通ることができる。すなわち、上記の還元接合部は、多孔質金属体と電極との間の気体の経路において障害物とならない。すなわち、金属のメッシュシートと第２の多孔質金属体との還元接合部についても、電極と（第１の）多孔質金属体との還元接合部と同じ理由により、良好な、通気性と導電性を得ることができる。
【００１３】
金属のメッシュシートは電極の全面にわたって位置しており、第２の多孔質金属体は、金属のメッシュシートが当該第２の多孔質金属体で接触されない部分があるように、断続的に配置されている構成をとることができる。
上記の構成によって、圧力損失をより一層小さくした上で、良好な導電性、および良好な電極と気体の接触を得ることができる。
【００１４】
第２の多孔質金属体がめっき多孔体であって、該めっき多孔体が、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、金属をめっき層とする複合の金属）のいずれかで形成されているようにできる。
めっき多孔体は、多孔質金属の中で、気孔率が高いことで知られている。このため、気体流れの圧力損失を低くすることができる。そして、上記の金属のめっき多孔体、または上記金属のめっき層を用いることで、これら金属のガス分解に対する触媒作用を得ることができる。さらに、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｕ系、の金属については、還元接合の容易化を得ることができる。
【００１５】
本発明の燃料電池またはガス除害装置は、上記のいずれかの電極接続構造を用いたことを特徴とする。
これによって、電極と集電体との良好な導電性を得ながらその電極と気体との良好な接触を得ることができる。
【００１６】
本発明の電極接続構造の製造方法は、電気化学反応に用いるための、電極と集電体との接続構造を製造する。この製造方法は、電極の全面にわたって金属のメッシュシートを接触させて配置する工程と、少なくとも電極および金属のメッシュシートが位置する空間を、拡散による接合が行われる温度にし、かつその温度でメッシュシートの金属に対して酸化性とならない雰囲気にする工程とを備え、その雰囲気および温度において、電極と金属のメッシュシートとが還元接合する時間、保持することを特徴とする。
上記の方法によって、導電性、および電極と気体の接触に優れた電極接続構造を容易に得ることができる。この場合、上記の空間の酸素分圧を１Ｅ−１４ａｔｍないし１Ｅ−１６ａｔｍ程度以下にする。この場合、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスを主体に流して、アンモニアなどの還元性ガスを混入させて酸素分子と化学反応を生じさせ、二種のガスによって酸素分圧を低くするのがよい。
【００１７】
酸化性とならない雰囲気を実現するために、空間に漏れがあるかリークディテクタで測定することができる。酸素分圧を１Ｅ−１４ａｔｍないし１Ｅ−１６ａｔｍ程度以下の超高真空の雰囲気を得るには、大気からの酸素ガスの侵入（リーク）があると実現しにくい。リークディテクタは、ヘリウムガスを雰囲気空間に流して当該ヘリウムガスの空間外への漏れを測定することで高精度のリーク検出を行うことができる。このリークディテクタを用いることで、不活性ガスおよび／またはアンモニア等の還元性ガスを使いながら、還元接合の雰囲気を容易にかつ確実に得ることができる。
【００１８】
さらに金属のメッシュシートに、電気化学反応に関与するガスの素通りを防止するためのめっき多孔体を接触させて、該めっき多孔体と金属のメッシュシートとを還元接合することができる。
これによって、気体流れの圧力損失を低減しながら、電極と複合された集電体との導電性を良好にし、かつ気体の主流が通るめっき多孔体と電極との間の気体の通路の通りを良くすることができる。
【００１９】
電極と金属のメッシュシートとの還元接合、および金属のメッシュシートとめっき多孔体との還元接合を、同じ機会に並行して進めることができる。これによって、能率よく電極接続構造を製造することができる。
【００２０】
電極と金属のメッシュシートとの接触部分、および／または金属のメッシュシートとめっき多孔体との接触部分に、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系、およびＮｉ−Ｗ系、の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）、のいずれかの金属の粒子を含むペーストを配置して、還元接合を行うことができる。
これによって、アンモニア等のガス分解を促進した上で、金属のメッシュシートを経由するめっき多孔体と電極との間の気体の通路、および電極と複合化された集電体との間の導電性、の両方を確保した電極接続構造を容易に、かつ確実に得ることができる。
【００２１】
電気化学反応は、電極に還元性ガスを含む気体を導入するプロセスを備え、その電気化学反応の装置が未操業のとき電極と金属のメッシュシートとは還元接合されていないで、操業を開始して該電気化学反応の装置に酸化性とならない気体を導入することで前記還元接合を実現することができる。
上記の電気化学反応装置では、最初の操業前は、電極と金属のメッシュシートとは還元接合されていない。力学的に接触しているだけである。最初の操業時にアンモニア等の還元性ガスを、電極と金属のメッシュシートが位置する空間に流すことで、還元接合を実現することができる。これによって、簡単に、かつ安価に電極接続構造を得ることができる。このあとの操業時にも、還元接合された部分は補強されこそすれ、還元接合が解消されることはない。また、操業休止時に空気中の酸素と触れることはあるが、還元接合が解消されるほど高温での経過時間は短いので還元接合は問題なく維持される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の電極接続構造等によれば、ガス分解等を伴う電気化学反応一般において、電極／集電体の電気抵抗の低減、および電極と該気体との良好な接触、を共により一層優れたものとできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１における電極接続構造が用いられたガス分解装置を示す図である。
【図２】固体電解質１が酸素イオン導電性の場合の、図１のガス分解装置における電気化学反応を説明するための図である。
【図３】（ａ）は、金属のメッシュシート１１ａを織布とした場合、（ｂ）は、アノードにおける金属のメッシュシートを示す部分拡大図である。
【図４】固体電解質が酸素イオン導電性の場合における、アノードの材料および電気化学反応を説明するための図である。
【図５】固体電解質が酸素イオン導電性の場合における、カソードの材料および電気化学反応を説明するための図である。
【図６】酸化還元平衡図（エリンガム・ダイアグラム）を用いて、還元接合を行うための酸素分圧の目安を得る手順を示す図である。
【図７】アノードとアノード集電体とを還元接合するための手順を示すフローチャートである。
【図８】（ａ）は本発明の実施の形態２における電極接続構造を有するガス分解装置の縦断面図、（ｂ）はＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ線に沿う横断面図、である。
【図９】固体電解質１が酸素イオン導電性の場合の、図８のガス分解装置における電気化学反応を説明するための図である。
【図１０】アノードとめっき多孔体との間に介在して、両方に還元接合する金属のメッシュシートを示し、（ａ）は織布のメッシュシート（開口部を誇張してある）、（ｂ）は金属フィルムに打ち抜き加工をして開口部を形成したメッシュシート、である。
【図１１】円筒形ＭＥＡの外側のカソード集電体が配置された外周面を示す図である。
【図１２】銀ペースト塗布部の表面を示すＳＥＭ像を示し、（ａ）は画像データ、（ｂ）はその説明図、である。
【図１３】円筒形ＭＥＡの製造方法の概要を説明するための図である。
【図１４】（ａ）は、本発明の実施の形態３におけるガス分解装置の縦断面図、（ｂ）は、（ａ）におけるＸＩＩＩＢ−ＸＩＩＩＢ線に沿う横断面図、である。
【図１５】本発明の実施の形態４において、燃料電池として機能するシステムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電極接続構造が用いられたガス除害装置１０、とくにアンモニア分解装置１０を示す図である。図１では、固体電解質１を挟んで、上側にアノード２とアノード集電体１１が、また下側にカソード５とカソード集電体１２が、配置されている。これを、一単位として、通常は、複数の単位が積層される。積層は、締結具による押圧、筐体による拘束などによって保持される。
本実施の形態におけるポイントは、ＭＥＡ７における一方の電極であるアノード２と、アノード集電体１１（１１ａ，１１ｓ）との接続構造にある。すなわち、アノード２／金属のメッシュシート（（第１の）多孔質金属体）１１ａ／第２の多孔質金属体（めっき多孔体）１１ｓ、において、アノード２と金属のメッシュシート１１ａとは、還元接合部Ａ１によって導電接続され、また、金属のメッシュシート１１ａとめっき多孔体１１ｓとは、還元接合部Ａ２によって導電接続されている。
還元接合では、接合のための材料は、金属粒子１１ｐを含む金属ペーストを用いる程度で、いずれも多孔質の、アノード２、金属のメッシュシート１１ａ、めっき多孔体１１ｓ、の気孔を塞ぐことはない。また、接合される対象物の間に酸化物等は介在しないので、導電性に優れている。金属粒子１１ｐは、還元接合を確実なものとして、還元接合部Ａ１，Ａ２の電気抵抗を低くするのに非常に効果がある。金属粒子１１ｐの平均径は、１０ｎｍ〜５０００ｎｍ程度とするのがよい。
上記の還元接合によって、多孔質体であるアノード２は、気体と十分に接触することができ、かつ、アノード２と、集電体１１を構成する金属のメッシュシート１１ａ／めっき多孔体１１ｓと、の間の電気抵抗を十分低くすることができる。さらに、還元接合部Ａ１，Ａ２には、気孔を塞ぐおそれのある物は生じないので、圧力損失は、めっき多孔体１１ｓの気孔率等によってほとんど決まり、還元接合部Ａ１，Ａ２が圧力損失を上昇させることはない。むしろ、トレードオフの関係にある、集電体の電気抵抗と圧力損失との関係において、アノード２と金属のメッシュシート１１ａとは非常に低い電気抵抗で還元接合されるので、素通り防止のための第２の多孔質金属体（めっき多孔体）１１ｓの配置を疎らにすることができる。すなわち、第２の多孔質金属体（めっき多孔体）１１ｓを、間隔をあけた断続配置にして圧力損失を小さくしながら、アノード集電体１１の電気抵抗を多少増大させても許容できるようになる。
また、上記第２の多孔質金属体は、圧力損失を小さくするために、めっき多孔体１１ｓとし、とくに、セルメット（登録商標：住友電気工業株式会社）を用いるのがよい。このあと説明するカソード集電体１２におけるめっき多孔体１２ｓについても、やはりセルメット（登録商標）を用いるのがよい。
【００２５】
カソード５の集電体１２は、（金属のメッシュシート１２ａ＋銀粒子１２ｇ）／めっき多孔体１２ｓ、で構成される。カソード５と金属のメッシュシート１２ａとの導電接続、および、金属のメッシュシート１２ａとめっき多孔体１２ｓとの導電接続、はともに、締結具による押圧、筐体による拘束などの力学的な接触部Ｂ１，Ｂ２によって確保されている。カソード５における接触部Ｂ１，Ｂ２については、酸化をできるだけ少なくすることが重要であり、そのために酸素分子を分解する触媒機能が高い銀を用いることが重要である。銀粒子１２ｇは、接触部の酸化防止に寄与しながら、電気抵抗を低くすることにも貢献している。このため、カソード集電体の劣化防止、すなわち耐久性向上に役立つことができる。
【００２６】
アノード２における集電体１１との導電接続を還元接合によって実現し、一方、カソード５における集電体１２との導電接続を接触によって実現するのは、つぎの理由による。燃料電池またはガス除害装置において、アノード２は燃料極と呼ばれ、カソード５は空気極と呼ばれるように、アノード２は、水素、アンモニア、ＶＯＣ(揮発性有機化合物：Volatile Organic Compound)などの還元性ガスと接触してそのガスを分解し、カソード５は、酸素などの酸化性ガスと接触して当該酸素分子を分解する。このため、アノード２では還元接合部Ａ１，Ａ２は、高温での稼働中に安定に維持される。休止中は温度が低いので、酸素と触れることはあっても還元接合が解消されるほど酸化は進行しない。
これに対して、カソード５では、仮に還元接合してもその還元接合は酸化によって解消されてしまい、逆に酸化が進行することになる。このため、還元接合を形成しても、還元接合部は維持されない。このため、カソード５では集電体１２との導電接続を、銀粒子１２ｇ等の酸素を分解する触媒に頼って酸化を防ぎながら、導電性接触を維持する押圧機構、筐体による拘束などを用いるのがよい。このあと説明するように、耐酸化性を向上させるために、金属のメッシュシート１２ａに銀めっき層を形成し、および／または、その金属のメッシュシート１１ａを、酸素分子分解の触媒作用の強い金属で形成することも重要である。
【００２７】
金属のメッシュシート１１ａ，１２ａには、金属の織布を用いるのがよい。金属の織布は、しなやかに変形して、厚み方向にも圧縮しやすい。このため、還元接合だけでなく、カソード５における接触による導電接続においても、面的な接触を十分大きく得ることができ、カソード５とカソード集電体１２との間の電気抵抗を低くすることができる。すなわちめっき多孔体１２ｓとカソード５との間に、金属の織布１２ａを介在させることで、電気抵抗を十分低くすることができる。銀粒子１２ｇが電気抵抗の低減に寄与していることは、上述のとおりである。
【００２８】
図２は、固体電解質１が酸素イオン導電性の場合の、図１のアンモニア分解装置１０における電気化学反応を説明するための図である。
アンモニアを含む気体は、金属メッシュシート１１ａおよびめっき多孔体１１ｓの空隙を通りながら、アノード２と接触して、下記のアンモニア分解反応をする。酸素イオンＯ２−は、カソードでの酸素ガス分解反応によって生じ、固体電解質１を通ってアノード２に到達したものである。すなわち陰イオンである酸素イオンが固体電解質を移動する場合の電気化学反応である。
（アノード反応）：２ＮＨ３＋３Ｏ２−→Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ＋６ｅ−
より詳しくは、一部のアンモニアが、２ＮＨ３→Ｎ２＋３Ｈ２の反応を生じ、この３Ｈ２が酸素イオン３Ｏ２−と反応して３Ｈ２Ｏを生成する。
カソード５には空気、とくに酸素ガスが導入され、カソード５において酸素分子から分解した酸素イオンをアノード２に向かって固体電解質１へと送り出す。カソード反応はつぎのとおりである。
（カソード反応）：Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−
上記の電気化学反応の結果、電力が発生し、アノード２とカソード５との間に電位差を生じ、カソード集電体１２からアノード集電体１１へと電流Ｉが流れる。カソード集電体１２とアノード集電体１１との間に負荷、たとえばこのガス除害装置１０を加熱するためのヒータ４１を接続しておけば、そのための電力を供給することができる。ヒータ４１への上記電力の供給は、部分的であってもよく、むしろ大部分の場合において、自家発電の供給量はヒータ全体に要する電力の半分以下であることが多い。
【００２９】
図３（ａ）は、金属のメッシュシート１１ａを織布とした場合の図である。通常の布に類似したしなやかさを強調するために、少したるませて示している。厚みは、１００μｍ〜５００μｍ程度である。アノード２に接触させるときは、たるみなく配置することは言うまでもない。金属のメッシュシート１１ａは、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系、およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）のいずれかで形成するのがよい。複合の金属としては、たとえば鉄（Ｆｅ）の織布にＮｉめっき処理を施したもの（織布）である。ガス除害装置の製造途中または稼働中の加熱によって合金化してＮｉ−Ｆｅ系の織布になる。
上記のＮｉ系または合金系の織布は、ガス分解に対して触媒作用を有しており、ガス分解を促進することができる。このため、金属のメッシュシート１１ａ、とくに織布は、（Ｅ１）電極接続構造の電気抵抗を低下させるだけでなく、（Ｅ２）電極におけるガス分解を促進することができる（触媒作用）。この結果、ガス分解の処理容量を向上させることができる。アノード２における金属のメッシュシート１１ａには、もう一つの重要な作用があるが、それについては、このあと説明する。
この金属のメッシュシート１１ａと同様のものを、カソード５の集電体１２ａに用いることができるが、カソード５では酸素と接触して酸素分子を分解するので、銀めっき処理を施すのがよい。これによって、銀粒子１２ｇとともに、または銀粒子がなくても、酸素分子の分解を促進することができる。
【００３０】
図３（ｂ）は、アノード２とめっき多孔体１１ｓとの間における金属のメッシュシート１１ａを示す部分拡大図である。金属のメッシュシート１１ａは、気体の素通りを防止するためのめっき多孔体１１ｓとアノード２との間に介在して、両者間の良好な導電接続を実現する。この低い電気抵抗を実現するために、還元接合部Ａ１，Ａ２を形成する。この還元接合Ａ１，Ａ２補助するために、金属粒子１１ｐを含む金属ペーストを用い、焼結後に金属粒子１１ｐが界面およびその付近に分布するようにする。金属粒子１１ｐは、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）のいずれかで形成するのがよい。これによって、金属のメッシュシート１１ａと同様の、ガス分解を促進する触媒作用を得ることができる。
【００３１】
図４は、固体電解質１が酸素イオン導電性の場合における、アノード２の材料および電気化学反応を説明するための図である。アノード２には、アンモニアを含む気体が導入され、気孔２ｈを通って流れる。アノード２は、触媒、すなわち表面酸化されて酸化層を有する合金粒子の連鎖体２１と、酸素イオン導電性のセラミックス２２とを主成分とする焼結体である。ここでは、Ｎｉ−Ｆｅ系の合金粒子の連鎖体２１を用いている。組成としては、たとえばＮｉ６０ａｔ％程度とするのがよい。
さらにＴｉを２〜１００００ｐｐｍ程度の微量含むのがよい。Ｔｉを微量含むことでさらに触媒作用を高めることができる。さらに、このＮｉを酸化させて形成されたニッケル酸化物は、これら金属単味の促進作用をさらに高めることができる。ただし、アンモニアの分解反応（アノード反応）は還元反応なので、使用前の製品には焼結処理等で生じた酸化層がＮｉ粒連鎖体に形成されていたのが、使用によってアノード中の金属粒連鎖体も還元されて酸化層が消失することになる。しかし、Ｎｉ−Ｆｅ合金自体の触媒作用は確実にあり、さらに、酸化層がないことをカバーするために、ＴｉをＮｉ−Ｆｅ系に含有させて触媒作用の低下を補うことができる。
酸素イオン導電性のセラミックス２２としては、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウム安定化セリア）、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）、ＧＤＣ（ガドリア安定化セリア）などを用いることができる。
【００３２】
上記の触媒作用に加えて、アノード２において、酸素イオンを分解反応に参加させている。すなわち、分解を電気化学反応のなかで行う。上記のアノード反応２ＮＨ３＋３Ｏ２−→Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ＋６ｅ−では、酸素イオンの寄与があり、アンモニアの分解速度を大きく向上させる。（３）アノード反応では、自由な電子ｅ−が生じる。電子ｅ−がアノード２に滞留すると、アノード反応の進行は、妨げられる。連鎖体２１は、ひも状に細長く、酸化層２１ｂで被覆された中身２１ａは良導体の金属（Ｎｉ−Ｆｅ合金）である。電子ｅ−は、ひも状の連鎖体の長手方向に、スムースに流れる。このため、電子ｅ−がアノード２に滞留することはなく、連鎖体２１の中身２１ａを通って、外に流れる。連鎖体２１により、電子ｅ−の通りが、非常に良くなる。
なお、アノード２においては還元性ガスであるアンモニアが導入されるので、連鎖体２１の酸化層２１ｂも還元され、設置前に酸化層２１ｂが形成されていても、稼働中に還元されてしまう。このため酸化層２１ｂによるガス分解の触媒作用は期待できないが、その分、逆に、電子等の円滑な流れが補うことができる。また、連鎖体金属２１ａは、ガスに直接接触することで、十分大きいガス分解の触媒作用を発揮することができる。
要約すると、本発明の実施の形態における特徴は、アノードにおける次の（ｅ１）、（ｅ２）および（ｅ３）にある。
（ｅ１）連鎖体３による分解反応の促進（高い触媒機能）
（ｅ２）酸素イオンによる分解促進（電気化学反応の中での分解促進）
（ｅ３）連鎖体３のひも状良導体３ａによる電子の導通性確保（高い電子伝導性）
上記の（ｅ３）の高い電子導電性には、電気化学反応の全体からみれば、アノード２とアノード集電体１１との、またカソード５とカソード集電体１２との、良好な導電性の確保が寄与している。それぞれの集電体１１，１２の中での良好な導電接続の寄与もある。
上記の（ｅ１）、（ｅ２）および（ｅ３）によって、アノード反応は非常に大きく促進される。
温度を上げて、触媒に分解対象ガスを接触させるだけで、その分解対象ガスの分解は進行する。しかし、上記のように、燃料電池等を構成する装置において、カソード５からイオン導電性の固体電解質１を経て、酸素イオンを反応に関与させ、その結果、生じる電子を外に導通させることで、分解反応速度は飛躍的に向上する。
なお、上記は固体電解質１が酸素イオン導電性の場合の説明であるが、固体電解質１はプロトン（Ｈ＋）導電性でもよく、その場合、アノード２におけるイオン導電性セラミックス２２はプロトン導電性のセラミックス、たとえばバリウムジルコネート等を用いる。
【００３３】
図５は、固体電解質１が酸素イオン導電性の場合における、カソード５における電気化学反応を説明するための図である。カソード５には、空気とくに酸素分子が導入される。カソード５は、酸素イオン導電性のセラミックス５２を主成分とする焼結体とする。この場合の酸素イオン導電性のセラミックス５２として、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガナイト）、ＬＳＣ（ランタンストロンチウムコバルタイト）、ＳＳＣ（サマリウムストロンチウムコバルタイト）などを用いるのがよい。酸素イオン導電性の固体電解質１を用いる場合、カソード５には、連鎖体は用いなくてもよい。
本実施の形態におけるカソード５では、Ａｇ粒子は銀ペースト塗布部１２ｇの形態で配置される。この中で、Ａｇ粒子はカソード反応Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−を大きく促進させる触媒機能を有する。この結果、カソード反応は非常に大きい速度で進行することができる。Ａｇ粒子の平均径は、１０ｎｍ〜１００ｎｍとするのがよい。
銀は酸素分子の分解を促進する触媒作用を有するので、上記の銀ペースト塗布部１２ｇの他に、金属のメッシュシート１２ａに銀めっき層を形成してもよい。銀めっき層を金属のメッシュシート１２ａに形成することで、さらに酸素分子の分解は促進される。
【００３４】
電解質１には、固体酸化物、溶融炭酸塩、リン酸、固体高分子などを用いることができるが、固体酸化物は小型化でき、取り扱いが容易なので好ましい。固体酸化物１としては、酸素イオン導電性の、ＳＳＺ、ＹＳＺ、ＳＤＣ、ＬＳＧＭ、ＧＤＣなどを用いるのがよい。
また、固体電解質１に、たとえばバリウムジルコネート（ＢａＺｒＯ３）を用いてプロトンをアノード２で発生させて固体電解質１中をカソード５へと移動させる反応も、本発明の望ましい一つの形態である。プロトン導電性の固体電解質１を用いると、たとえばアンモニアを分解する場合、アノード２でアンモニアを分解してプロトン、窒素分子および電子を生じさせて、プロトンを固体電解質１を経てカソード５へと移動させ、カソード５において酸素と反応して水（Ｈ２Ｏ）を生じさせる。プロトンは酸素イオンと比べて小さいので固体電解質中の移動速度は大きい。このため加熱温度を低くしながら実用レベルの分解容量を得ることができる。固体電解質１の厚みも、強度を確保できる厚みとしやすい。
【００３５】
アノード集電体１１の金属のメッシュシート１１ａを、上記の金属で形成することの効果は、上述のように、（Ｅ１）電極接続構造の電気抵抗の低下（良好な導電性）、（Ｅ２）電極におけるガス分解の促進（触媒作用）、があった。アノード集電体１１に用いる金属のメッシュシート１１ａを、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｕ系、の一種以上を含む単相の金属、並びに、これらの系の金属をめっき層とする複合の金属で形成するもう１つの効果は、（Ｅ３）還元接合がし易くなる、または電気抵抗の小さい還元接合部Ａ１，Ａ２を得ることができることである。
図６に、金属の酸化還元平衡図（エリンガム・ダイアグラム）を示す。この図を用いて、還元接合において酸素分圧をどの程度低くすればよいか知ることができる。たとえば、還元接合を８００℃で行い、上記の金属のメッシュシート１１ａおよび金属粒子１１ｐが、Ｎｉ系であった場合、酸素分圧の目安は、次の手順で得ることができる。なお、横軸（温度軸）をＸ軸、縦軸（エネルギ軸）をＹ軸と呼ぶ。
（Ｔ１）温度８００℃からＹ軸に平行に直線を立てる。
（Ｔ２）ＮｉＯの直線（エネルギ−温度曲線）との交点（●）を求める。
（Ｔ３）左の欄外の酸素Ｏマーク）と上記交点●とを直線で結び、延長する。
（Ｔ４）延長した直線と、欄外のＰo２分圧目盛り、との交点が、還元接合で必要とされる酸素分圧の目安である。この酸素分圧以下の酸素分圧であれば、酸化されずに拡散によって還元接合が可能である。この結果、電気抵抗に低い還元接合部Ａ１，Ａ２を得ることができる。
Ｎｉ系の場合、目安の酸素分圧は１Ｅ−１４（ａｔｍ）である。他の系についても、同様の手順で求めることができる。たとえばＦｅ系では、上記酸素分圧は１Ｅ−１６ａｔｍである。合金については、データがないので、Ｎｉ系とＦｅ系との間の酸素分圧１Ｅ−１５ａｔｍ程度とみることができる。
上に挙げた系において、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅについては、比較的高い酸素分圧でも酸化しない（還元接合できる）が、Ｃｒ系では酸素分圧は非常に低くしなければならない。このため、Ｎｉ−Ｃｒ系およびＮｉ−Ｗ系については、還元接合は容易であるとは言いにくい。しかし、酸素分圧を所定レベルまで下げれば、還元接合は可能である。
【００３６】
カソード集電体１１の金属のメッシュシート１２ａについては、次のように考えることができる。金属のメッシュシート１２ａは、酸化性雰囲気に晒される。このため、金属のメッシュシート１１ａには、耐酸化性が求められる。このため、カソード集電体１２の金属のメッシュシート１２ａは、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｗ系で形成することが望ましい。このＮｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｗ系の織布をそのまま用いて、銀粒子１２ｇを触媒として活用することができる。鉄（Ｆｅ）の織布に、Ｎｉ−Ｃｒめっき層、Ｎｉ−Ｗめっき層を形成したものを用いてもよい。
また、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｗ系の織布に銀めっき層を形成したものを用いてもよい。銀めっき層を形成した場合、銀粒子１２ｇは、用いなくてもよいし、用いてもよい。また、銀めっき層を用いる場合、織布の金属（被めっき材）は鉄（Ｆｅ）などであってもよい。銀は、酸素分子を分解しやすく、銀めっき層のみで耐酸化性を大きく向上できるからである。その結果、カソード集電体１２自身の、およびそのカソード集電体１２とカソード５との間の、電気抵抗を低くすることができる。
【００３７】
図７は、アノード２の電極接続構造の製造方法を示す図である。
まず、アノード２／固体電解質１／カソード５、が積層されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）７を準備する。通常、ＭＥＡ７は一体化されている。このアノード２に金属のメッシュシート１１ａを接触させて、金属粒子１１ｐを含む金属ペーストを塗布する。次いで、めっき多孔体１１ｓに金属ペースト塗布した上で、金属のメッシュシート１１ａに重ねて積層する。この積層体、ＭＥＡ７（アノード２）／金属のメッシュシート１１ａ／めっき多孔体１１ｓ、を還元接合の雰囲気中に入れる。少なくとも各層の境界には金属ペーストが配置されているのが望ましい。
還元接合の雰囲気は、図６に示す酸化還元平衡図における酸素分圧程度以下にしておく必要がある。このために、外部からの空気または酸素の侵入がないことを確認するためのリークチェックを行う。そして、上記の低い酸素分圧を実現するために、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス、もしくは水素、アンモニア等の還元性ガス、またはその両方（不活性ガスと還元性ガス）、を十分な量流すのがよい。不活性ガスと還元性ガスの両方を用いる場合、窒素ガスをベースにして、アンモニア等のガスを少量含有させて流すのがよい。たとえば、（３％ＮＨ３＋Ｎ２）を用いることができる。上記の低い酸素分圧の実現を目指しながら、拡散が十分起きる温度、たとえば９５０℃程度に加熱する。そして、十分低い酸素分圧が実現すれば、上記９５０℃で、自ずと還元接合が進行する。９５０℃での保持時間は、たとえば２０分間とするのがよい。これによって、アノード２と分解対象のガスとの良好な接触が可能で、かつ低い電気抵抗の、電極接続構造を得ることができる。
【００３８】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２における電極接続構造を有するガス除害装置１０を示す図である。分解対象のガスはアンモニアである。図８（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）はＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ線に沿う横断面図である。これら図に示すように、本実施の形態におけるガス分解装置１０は、円筒形ＭＥＡ７（１，２，５）を用いて製造されている。
円筒形の固体電解質１の内面を覆うようにアノード２が設けられ、また外面を覆うようにカソード５が設けられている。上述のように、アノード２は燃料極、カソード５は空気極と呼ばれる。円筒形ＭＥＡの内径は、たとえば２０ｍｍ程度であるが、適用する装置に応じて、変えるのがよい。円筒形のＭＥＡ７の内筒中に、アノード集電体１１が配置されている。また、カソード５の外面に巻き付くようにカソード集電体１２が配置されている。
【００３９】
各集電体は次のとおりである。
＜アノード集電体１１＞：金属のメッシュシート１１ａ／めっき多孔体１１ｓ／中心導電棒１１ｋ
金属のメッシュシート１１ａは、円筒ＭＥＡ７の内面のアノード２と還元接合されて還元接合部Ａ１を形成している。さらに、その金属のメッシュシート１１ａは、めっき多孔体１１ｓと還元接合されて還元接合部Ａ２を形成している。めっき多孔体１１ｓは中心導電棒１１ｋに巻き回されて、両者の間に導電接続が実現されている。したがって、アノード２／金属のメッシュシート１１ａ／めっき多孔体１１ｓ／中心導電棒１１ｋ、が導電接続されている。めっき多孔体１１ｓは、後述するアンモニアを含む気体の圧力損失を低くするために、気孔率を高くすることができる上記セルメット（登録商標）を用いるのがよい。円筒ＭＥＡの内面側では、複数の部材で形成される集電体１１の全体の電気抵抗を低くしながら、アノード側への気体導入の圧力損失を低くすることが重要なポイントである。本実施の形態では、上記のセルメット（登録商標）を用いながら、さらに、全長にわたってめっき多孔体を配置しないで、間をあけて断続的に配置して圧力損失の低下をはかっている。めっき多孔体１１ｓを、間隔をあけて断続的に配置することで、圧力損失は低下するが、アノード集電体１１の電気抵抗は増大する。しかし、金属のメッシュシート１１ａを用い、金属粒子を含む金属ペーストを用い、還元接合部Ａ１，Ａ２を形成することで、間隔をあけて断続的に配置しても、電気抵抗は、実用上、問題のないレベル以下に抑えることができる。
中心導電棒１１ｋは、円筒形ＭＥＡを用いて内面側にアンモニア等の気密性を要するガスを流す場合、小型で簡単な構造によって、外部配線と導電接続をとることを可能にする。また、中心導電棒１１ｋを少し延ばすことで、ヒータの加熱の影響が小さい領域で導電接続構造を形成することができ、特殊な耐熱性シールを必要としない。このため経済性にも優れている。
【００４０】
＜カソード集電体１２＞：銀ペースト塗布部１２ｇ＋金属のメッシュシート１２ａ
カソード５では、金属のメッシュシート１２ａが、円筒ＭＥＡ７の外面に接触して、外部配線へと導電する。銀ペースト塗布部１２ｇは、カソード５における酸素ガスを酸素イオンに分解するのを促進する触媒として作用する銀粒子を含み、かつカソード集電体１２の電気抵抗を低くする。カソード５に銀粒子を含ませることも可能であるが、カソード集電体１２に、所定の性状の銀ペースト塗布部１２ｇは、酸素分子を通しながら銀粒子がカソード５に接触して、カソード５内に含まれる銀粒子と同等の触媒作用を発現する。しかも、カソード５に含ませるより安価である。金属のメッシュシート１２ａに銀めっき処理を施して銀めっき層を形成してもよい。
【００４１】
図９は、固体電解質が酸素イオン導電性である場合における、図８のガス分解装置１０の電気配線系統を示す図である。アノード集電体１１は外部配線１１ｅと、またカソード集電体１２は外部配線１２ｅと、導電接続し、負荷のプラス側とマイナス側に配線される。負荷は、ＭＥＡ７を加熱するためのヒータ４１等とすることができ、これによって、実施の形態１と同様に、エネルギ効率を高めることができる。
アンモニアを含む気体は、気密性を厳格にして円筒ＭＥＡ７の内筒、すなわちアノード集電体１２が配置されている空間に導入される。円筒ＭＥＡ７を用いた場合、内面側に気体を通すことから、めっき多孔体１１ｓの使用は不可欠である。圧力損失を低くする点から、上述のように気孔率の高いめっき多孔体を用いることが重要である。アンモニアを含む気体は、金属のメッシュシート１１ａおよびめっき多孔体１１ｓの空隙を通りながら、アノード２と接触して、上述の電気化学反応に与る。
【００４２】
アノード２およびカソード５において生起する電気化学反応は、実施の形態１におけるものと同じである。ＭＥＡ７中の固体電解質１が、酸素イオン導電性のものであっても、またはプロトン導電性のものであってもよいことも、実施の形態１と共通する。ＭＥＡを構成する材料についても同じである。ヒータ４１に自家発電の電力を供給できることも、上記のとおり同じである。
なお、固体電解質１が、図示するように酸素イオン導電性の場合、アノード２において水（Ｈ２Ｏ）を生じる。ＭＥＡ７の中央では、１００℃以上に加熱されているので水は気体（水蒸気）であるが、出口付近では温度が下がり、水蒸気は水滴となり、めっき多孔体１１ｓに付着して気孔を塞ぎ、圧力損失を増大させるおそれがある。これに対して、固体電解質１がプロトン導電性の場合、アノード２でアンモニア分解が生じて、プロトンがカソード５に向かい、カソード５において酸素と反応して水を発生する。カソード５は円筒形ＭＥＡの外周側にあり、開放されている。このため、ＭＥＡ出口の付近（外周）で水滴になっても、問題を生じることはない。固体電解質１をプロトン導電性とした場合、電気化学反応の進行を促進したり加熱温度を低くできたりする効果に加えて、上記の水滴の無害性の効果も得ることができる。
【００４３】
図１０は、アノード２とめっき多孔体１１ｓとの間に介在して、両方に還元接合する金属のメッシュシート１１ａを示し、図１０（ａ）は織布のメッシュシート（開口部を誇張してある）を、また（ｂ）は金属フィルムに打ち抜き加工をして開口部を形成したメッシュシートである。しなやかさという点では図１０（ａ）の織布のメッシュシートが優れているが、金属フィルムの性状を選べば打ち抜き加工で開口部を形成したメッシュシートも十分高いしなやかさを有する。これらのいずれかの金属のメッシュシート１１ａは、円筒形ＭＥＡの内面という点が異なるが、図７に示す手順でアノード２に接触するように配置する。このとき、金属粒子１１ｐを含む金属ペーストを塗布しておくのがよい。このあと、図７に示すように、金属のメッシュシート１１ａの内側にめっき多孔体１１ｓを装入して配置する。圧力損失を抑制するために、断続的に、すなわち間をあけて飛び飛びに配置するのがよい。アノード集電体１２では、めっき多孔体１１ｓは中心導電棒１１ｋに巻き回されているので、めっき多孔体１１ｓは予め中心導電棒１１ｋに巻き回しておき、中心導電棒１１ｋごと、円筒形ＭＥＡの中に装入する。めっき多孔体１１ｓをセルメットで形成する場合、気孔サイズが異なる各種仕様があり、シート状である。このため、たとえばアンモニアを含む気体の主流が流れる部分には気孔サイズが大きいセルメットシートを用い、アノード２に接する部分では小さい気孔サイズのセルメットシートを用いるのがよい。これによって、気体流れの圧力損失を小さくしながら電気抵抗の低い還元接合部Ａ２を得ることができる。
このあとの還元接合の条件は、実施の形態１と同じである。
異なる点は、製造方法に選択枝が増えることである。円筒形ＭＥＡの内面側にアノード集電体１１を形成するので、いくつかのバリエーションが出てくる。上記の手順の他に、次の方法を採用することができる。
（Ｖ１）金属のメッシュシート１１ａをアノード２に、一度、還元接合する。その後、中心導電棒１１ｋに巻き回しためっき多孔体１１ａを装入して、もう一度、還元接合を行う。
（Ｖ２）金属のメッシュシート１１ａと、中心導電棒１１ｋに巻き回しためっき多孔体１１ｓとを、予め、還元接合しておく。その還元接合されたアノード集電体１１を、ＭＥＡ７の内面側に装入して、アノード２と金属のメッシュシート１１ａとの還元接合を行う。
装入物の加工精度（とくに外径など）、装入物と円筒形ＭＥＡとの力学的な摩擦、等を考慮して、円筒形の内面に集電体１１の全部または一部をどのような状態で装入するか、バリエーションを選択すればよい。
【００４４】
アノード２と還元接合される金属のメッシュシート１１ａは、実施の形態１と同様に、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）のいずれかで形成するのがよい。複合の金属としては、たとえば鉄（Ｆｅ）の織布にＮｉめっき処理を施したもの（織布）である。ガス除害装置の製造途中または稼働中の加熱によって合金化してＮｉ−Ｆｅ系の織布になる。
また、還元接合を確実に実現するために用いられる金属ペーストに含まれる金属粒子１１ｐについても、金属のメッシュシート１１ａと同じ金属とするのがよい。金属のメッシュシート１１ａおよび金属粒子１１ｐを、上記の金属によって形成することで、次の作用効果を得ることができる。
（Ｅ１）電極接続構造の電気抵抗の低下（良好な導電性）
（Ｅ２）電極におけるガス分解の促進（触媒作用）
さらに、Ｎｉ系、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、およびＮｉ−Ｃｕ系に限れば、次の（Ｅ３）を得ることができる。
（Ｅ３）還元接合の容易化または低い電気抵抗の還元接合部の形成
【００４５】
図１１は、円筒形ＭＥＡ７の外側のカソード集電体１２が配置された外周面を示す図である。カソード５には、金属のメッシュシート１２ａが銀ペースト塗布部１２ｇを伴って導電接続されている。
カソード５には銀粒子を配置して、銀粒子の触媒作用によって酸素分子の分解速度を向上させることができる。しかし、カソード５に銀粒子を含ませる構造では、カソード５の価格が高くなり、経済性を低下させる。カソード５に銀粒子を含有させる代わりに、カソード５の外周面において、銀ペースト塗布部１２ｇの形態で銀粒子を配置することができる。その結果、図５に示すように、カソード５において、銀粒子は触媒として機能する。この銀ペーストにおいて重要なのは、乾燥後または焼結後に、気孔率の高い多孔質にすることである。
図１２は銀ペースト塗布部１２ｇの表面を示すＳＥＭ(Scanning Electron Microscopy)像を示し、（ａ）は画像データであり、（ｂ）はその説明図である。塗布し乾燥（焼結）した後に多孔質になる銀ペーストは市販されており、たとえば京都エレックス株式会社製のＤＤ−１２４０などを用いることができる。銀ペースト塗布部１２ｇを多孔質にすることの重要性はつぎの理由に基づく。
カソード５には酸素分子Ｏ２をできるだけ多く供給するのがよく、しかも銀ペーストに含まれる銀粒子は、カソード５におけるカソード反応を促進する触媒作用を有する（図５参照）。銀ペースト塗布部１２ｇをカソード５に配置することで、カソード中の酸素イオンを通すＬＳＭなどの金属酸化物と、銀粒子と、酸素分子Ｏ２とが接触する箇所（接触箇所）が高密度で生じる。銀ペースト塗布部１２ｇを多孔質にすることで、多くの酸素分子Ｏ２が、多孔質の気孔中に入って上記の接触箇所に触れ、カソード反応を生じやすくなる。
さらに、銀粒子を含む銀ペースト塗布部１２ｇは、導電性が高いので、金属のメッシュシート１２ａを補助してカソード集電体１２における電気抵抗を低くする。このために、銀ペースト塗布部１２ｇは、上記のように、格子状（母線方向、環状方向）に連続するように設けるのがよい。金属のメッシュシート１２ａは、この銀ペースト塗布部１２ｇに接触して導通するようにカソード５に巻き付けられる。
上記のように、銀は酸素分子の分解を強力に推進するので、金属のメッシュシート１２ａに対して銀めっき処理を施して、銀めっき層を形成してもよい。金属のメッシュシート１２ａに銀めっき層を形成することで、銀ペーストの塗布量を減らすことができる。
【００４６】
カソード集電体１２の金属のメッシュシート１２ａについて、アノード集電体１１にはない重要な要素は、酸化による劣化である。カソード５には、高温で酸素が導入されるので、耐酸化性の金属で形成された金属のメッシュシートを用いるのがよい。たとえば、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）のメッシュシートとするのがよい。とくに、Ｎｉ−Ｃｒ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上の単相の金属、並びにこれら金属をめっき層とする複合の金属、を用いることで、カソード集電体１２の耐酸化性を向上させることができる。この結果、電気抵抗の低い、カソード集電体１２自身、およびそのカソード集電体１２とカソード５との導電接続を得ることができる。
【００４７】
図１３により、本実施の形態における円筒形ＭＥＡ７の製造方法の概要について説明する。図１３には、アノード２、およびカソード５ごとに、焼結を行う工程を示す。まず、市販されている円筒形固体電解質１を購入して準備する。次いで、カソード５を形成する場合は、所定の流動性を持つようにカソード構成材料を溶媒に溶かした溶液を調整して、円筒形固体電解質の外面に均等になるように塗布する。次いで、カソード５に適切な焼結条件で焼結する。このあとアノード２の形成に移る。図１３に示す製造方法の他に、多くのバリエーションがある。焼結回数を１回ですます場合で、図１３に示すように、各部分ごとに焼結を行うのではなく、塗布状態のまま、各部分を形成して、最後に、各部分の最大公約数的な条件で焼結を行う。この他、多くのバリエーションがあり、各部分を構成する材料と、目標とする分解効率と、製造経費等を総合的に考えて製造条件を決めることができる。
【００４８】
（実施の形態３）
図１４（ａ）は、本発明の実施の形態３におけるガス分解装置１０の縦断面図であり、また図１４（ｂ）は、（ａ）におけるＸＩＶＢ−ＸＩＶＢ線に沿う断面図である。本実施の形態では、金属粒子１１ｐの材料である金属ペーストを分厚く塗布することで、めっき多孔体１１ｓが、直接、アノード２に還元接合されている点に特徴を有する。すなわち金属のメッシュシートは省略されて、多孔質金属体であるめっき多孔体１１ｓが、アノード２に還元接合されている。このため、アノード集電体１１は、（金属粒子１１ｐ＋めっき多孔体１１ｓ）／中心導電棒１１ｋ、によって形成される。
めっき多孔体１１ｓ、たとえばセルメット（登録商標）は、上述のように、仕様によって気孔の大きさが変化したシートの形態で市販されている。気孔の大きさが異なる複数の種類のシートを用い、中心導電棒１１ｋに最初に巻き回す部分は気孔の大きいセルメットを用い、外周においてアノード２に接する部分は気孔の細かいセルメットを用いるのがよい。これによって、アノード２から中心導電棒１１ｋに到る箇所の電気抵抗を低くしながら、アノード２とガスとの良好な接触を確保し、かつ円筒形ＭＥＡ７の中を流れるガスを含む気体の圧力損失を小さくすることができる。金属のメッシュシートを省略できる利点も得ることができる。
【００４９】
めっき多孔体１１ｓは、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）のいずれかで形成されているのがよい。また、金属粒子１１ｐについても、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）のいずれかで形成されていることが望ましい。
金属粒子１１ｐは、実施の形態１〜３において、アノード２に接触する箇所またはその付近に配置する場合には、上記のめっき多孔体１１ｓに用いる金属で形成するのが好ましい。
めっき多孔体１１ｓについては、実施の形態１および２におけるように、金属のメッシュシート１１ｓがアノード２との間に介在する場合、めっき多孔体１１ｓには、とくに触媒作用を高める機能は要求されない。しかし、本実施の形態のように、直接、アノード２に接触する場合、上記の金属で形成されることが望ましい。通常、セルメット１１ｓは、Ｎｉで形成されるので、上記の条件は満たしている。より触媒作用を高める場合は、他の金属（Ｎｉ−Ｆｅ等）で形成するのがよい。
カソード５およびカソード集電体１２については、実施の形態２と同じであり、耐酸化性がポイントになる。全般に、アノード２における金属のメッシュシートを省略して、アノード２とめっき多孔体１１ｓとを、直接、還元接合した点を除けば、実施の形態２と同じである。
【００５０】
（実施の形態４）
図１５は、本発明の実施の形態４における、燃料電池として機能するシステムを示す図である。この燃料電池５０では、水素源から、アンモニア、トルエン、キシレン等の、水素を含む分子である水素源を供給され、実施の形態１〜３に示したいずれかのガス分解装置１０または発電セル１０のアノード２において分解する。カソード５には空気すなわち酸素が導入され、分解される。この結果、電気化学反応が進行して電力を生じる。この電力の一部は、ガス分解能力または発電能力を向上させるための加熱装置（ヒータ）４１に用いられる。余剰の電力は、インバータ７１によって交直変換や、昇圧などされて、外部装置に適合する電力形態に変換される。これによって、本実施の形態の燃料電池システムは、糖類などの有機物を含む多様な水素源を用いて、ＰＣや携帯端末等の電子機器の電源、より電力消費の多い電気機器の電源に利用されることができる。
分解されて、発電セル１０またはガス分解装置１０から排気される気体は、後処理装置（センサー内蔵）７５によって残留成分濃度を検出して、安全なように処理する。この場合、残留成分濃度によっては元に戻して循環させることができる。
燃料電池システム５０では、ガス除害を目的とする、実施の形態２等の場合のように、ＭＥＡ７の出口でガス成分の濃度を極端に低くする必要がなく、高いガス成分濃度において分解の電気化学反応を行うことで、高い発電能力を得ることができる。
【００５１】
（その他の燃料電池またはガス分解装置）
表１は、本発明の電極接続構造等を適用できる他のガス分解反応を例示する表である。ガス分解反応Ｒ１は、実施の形態１、２等で詳しく説明したアンモニア／酸素の分解反応である。その他、ガス分解反応Ｒ２〜Ｒ２０のどの反応に対しても本発明の電極接続構造等は用いることができる。すなわち、アンモニア／水、アンモニア／ＮＯｘ、水素／酸素／、アンモニア／炭酸ガス、ＶＯＣ（揮発性有機化合物:volatile organic compounds）／酸素、ＶＯＣ／ＮＯｘ、水／ＮＯｘ、などに用いることができる。
【００５２】
【表１】
【００５３】
表１は、多くの電気化学反応の一部を例示したにすぎない。本発明の電極接続構造は、その他の多くの反応に適用可能である。たとえば表１は酸素イオン導電性の固体電解質の反応例に限定しているが、上述のように固体電解質をプロトン（Ｈ＋）導電性とする反応例も本発明の有力な実施の形態例である。固体電解質をプロトン導電性としても、固体電解質を透過するイオン種はプロトンになるが表１に示すガスの組み合わせにおいて、結果的にガス分子の分解を実現することは可能である。たとえば（Ｒ１）の反応において、プロトン導電性の固体電解質の場合、アンモニア（ＮＨ３）はアノードで窒素分子、プロトン、および電子に分解し、プロトンは固体電解質中をカソードへと移動する。電子は外部回路をカソードへと移動する。そしてカソードにおいて酸素分子と、電子と、プロトンとが水分子を生成する。結果的にアンモニアが酸素分子と組み合わされて分解されるという点において、固体電解質が酸素イオンである場合と同じである。
上記の電気化学反応はガス除害、燃料電池等を目的としたガス分解反応である。しかし、その他の目的に用いられる場合であってもよい。
【００５４】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の電極接続構造等によれば、ガス分解等を伴う電気化学反応一般において、電極／集電体の電気抵抗の低減、および電極と該気体との良好な接触、を共により一層優れたものとできる。さらに、上記の電気抵抗の低減により、ガスの素通りを防止する多孔質金属体を疎な配置にすることができ、ガス流れの圧力損失を小さくすることができる。
【符号の説明】
【００５６】
１ 固体電解質、２ アノード、２ｈ アノード中の気孔、５ カソード、１０ ガス分解装置、１１ アノード集電体、１１ａ 金属のメッシュシート、１１ｅ アノード外部配線、１１ｋ 中心導電棒、１１ｐ 金属ペースト層、１１ｓ 多孔質金属体（金属めっき体）、１２ カソード集電体、１２ａ 金属のメッシュシート、１２ｅ カソード外部配線、１２ｇ 銀ペースト塗布部、２１ 金属粒連鎖体、２１ａ 金属粒連鎖体の芯部（金属部）、２１ｂ酸化層、２２ アノードのイオン導電性セラミックス、４１ ヒータ、５０ ガス分解システム、５２ カソードのイオン導電性セラミックス、７１ インバータ、７５ 後処理装置、Ａ１ アノードと金属のメッシシートとの還元接合部、Ａ２ 金属のメッシュシートと第２の多孔質金属体（めっき多孔体）との還元接合部、Ｂ１，Ｂ２ 接触部（導電接続部）、Ｓ 空気スペース。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極接続構造、燃料電池、ガス除害装置、および電極接続構造の製造方法に関し、より具体的には、当該電極と気体との接触を十分確保しながら電気抵抗を低くできる電極接続構造、燃料電池、ガス除害装置、および電極接続構造の製造方法に等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アンモニアは農業や工業に不可欠の化合物であるが、ヒトには有害であるので、水中や大気中のアンモニアを分解する方法が、多く開示されてきた。たとえば、高濃度のアンモニアを含む水からアンモニアを分解除去するために、噴霧状のアンモニア水を空気流と接触させて空気中にアンモニアを分離して、次亜臭素酸溶液または硫酸と接触させる方法が提案されている（特許文献１）。また、上記と同じプロセスで空気中にアンモニアを分離して触媒により燃焼させる方法の開示もなされている（特許文献２）。また、アンモニア含有排水を触媒を用いて分解して、窒素と水とに分解する方法が提案されている（特許文献３）。
また、半導体製造装置の廃ガスには、アンモニア、水素等が含まれるのが普通であり、アンモニアの異臭を完全に除去するには、ｐｐｍオーダーにまで除害する必要がある。この目的のために、半導体製造装置の廃ガス放出の際にスクラバーを通して、薬品を含む水に有害ガスを吸収させる方法が多く用いられてきた。一方、エネルギや薬品等の投入なしに、安価なランニングコストを得るために、リン酸型燃料電池でアンモニアを分解する、半導体製造装置の排気ガス処理の提案もされている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−３１９６６号公報
【特許文献２】特開平７−１１６６５０号公報
【特許文献３】特開平１１−３４７５３５号公報
【特許文献４】特開２００３−４５４７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の中和剤などの薬液を用いる方法（特許文献１）、燃焼する方法（特許文献２）、触媒を用いた熱分解反応による方法（特許文献３）などによれば、アンモニアの分解は可能である。しかし、上記の方法では、薬品や外部エネルギ（燃料）を必要とし、さらに触媒の定期的交換を要し、ランニングコストが高いという問題がある。また、装置が大掛かりとなり、たとえば既存の設備に付加的に設ける場合に配置が難しい場合も生じる。
リン酸型燃料電池を、化合物半導体製造の排気中のアンモニアの除害に用いる装置（特許文献４）についても、除害能力の向上を阻害する、電気抵抗の増大、気体と電極との良好な接触、圧力損失などの問題を踏み込んで解決する工夫がなされていない。電気化学反応をアンモニア等の除害に用いる場合、高温環境下での電極／集電体間の電気抵抗の増大、気体と電極との接触効率の向上等を画期的な構造で抑止しない限り、実用レベルの大きな処理能力を得ることができず、アイデアに留まっている状況にある。
ガス除害装置に限らず、ガス分解を伴う電気化学反応装置、たとえば燃料電池等において、電極／集電体の電気抵抗の低減、燃料ガスまたは空気と電極との良好な接触は、その電気化学反応装置の容量または能率を高める上で不可欠である。このため、両方共に、一層向上させる方策が求められている。
【０００５】
本発明は、ガス分解等を伴う電気化学反応一般において、電極／集電体の電気抵抗の低減、および電極と該気体との良好な接触、を共により一層優れたものとできる、電極接続構造、燃料電池、ガス除害装置、および電極接続構造の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電極接続構造は、電気化学反応に用いるための、電極と集電体との接続構造である。この電極接続構造では、電極は、イオン導電性セラミックスを含んで、多孔質であり、集電体は多孔質金属体であり、電極と多孔質金属体とが、還元接合されていることを特徴とする。
還元接合では、所定の温度および酸素分圧下で、金属酸化物は金属に還元され、その還元過程で、金属同士、または金属と酸化物とは、相互に拡散し合って接合する。このため、接合される対象物同士の他に余計な材料は用いられず、その接合部には形状的に相手側の気孔を塞ぐような部分を生じない。このため、電極のそばを通る気体とその電極とは、還元接合された状態で良好な接触を保つことができる。とくに、多孔質金属体を通りながらの電極への良好な接触を得ることができる。
導電性については、間に酸化層等を介在させないので、良好な集電性を得ることができる。還元接合は、接合に際し高エネルギ密度の局在化（細い高エネルギ密度のビームなど）を必要とせず、電極全面にわたって多孔質金属体を接触させておけば、接合が電極全面にわたって緩やかに進行する。この結果、電極と多孔質金属体とは、当該電極の全面にわたって多孔質金属体と導電接続されて、低い電気抵抗の導電接続を実現することができる。
なお、上記の集電体は、単独の部材ではなく、複数の部材が組み合わされて形成されていてもよい。通常、複数の部材が組み合わされており、その場合、上記の多孔質金属体はその複数の部材の１つと考えることができる。
【０００７】
多孔質金属体を金属のメッシュシートとすることができる。金属のメッシュシートは、凹凸がなく平滑な平面または曲面を持ち、還元接合相手の電極とは面的な接触によって良好な導電性を得ることができる。また、気体は、メッシュシートのメッシュを通って多孔質の電極と良好な接触をすることができる。気体は、金属のメッシュシートが沿っているマクロ的な表面だけでなく、多孔質の電極の気孔を通して、侵入と離脱とを自由に行うことで当該電極と接触することができる。
【０００８】
還元接合された接合部および該接合部の周囲に金属粒子が位置する構成とすることができる。この金属粒子は、還元接合の際に金属ペーストの形態で塗布されて還元接合が確実に行われるようにする。すなわち、金属ペーストは、電極と金属のメッシュシート（多孔質金属体）との隙間を充填して導電接続を推進するために用いられる。この金属粒子は、面を覆う形態ではなく、集合状態および個別状態を問わず、離散的に、分布する。このため、高い導電性を得ながら気体と電極との良好な接触を確保することができる。
【０００９】
金属のメッシュシートを、金属の織布、または金属の織布にめっき処理が施されたものとすることができる。金属の織布は、柔軟性に富み、薄いながら厚み方向に弾性を有する。このため、電極の表面に合わせて面的な接触を容易に得ることができる。
【００１０】
金属のメッシュシートおよび／または金属粒子を、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）のいずれかで形成されている構成とすることができる。
上記の（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系）を一種以上含む合金は、触媒作用を有し、ガス分子の分解を促進する。このため、電極に接触する位置または近接する位置に、メッシュシートおよび／または粒子の形態で分布することで、電気化学反応の推進に寄与することができる。
また、このうち（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｕ系）を一種以上含む、メッシュシートまたはメッシュシートに施されためっき層は、酸素分圧が比較的高くても還元接合しやすい。このため信頼性の高い還元接合部を容易に得ることができる。
【００１１】
集電体が、金属のメッシュシートに導電接続する第２の多孔質金属体を備え、該第２の多孔質金属体は気体が素通りしないように該気体の流れを遮るように位置する構成をとることができる。
上記の構成によれば、気体の圧力損失を低く保ちながら、良好な導電性、および気体と電極との良好な接触を得ることができる。
【００１２】
金属のメッシュシートと第２の多孔質金属体とが、還元接合されているようにできる。これによって、乱流化されたその気体の流れは、金属のメッシュシートと第２の多孔質金属体との接合部を容易に通ることができる。すなわち、上記の還元接合部は、多孔質金属体と電極との間の気体の経路において障害物とならない。すなわち、金属のメッシュシートと第２の多孔質金属体との還元接合部についても、電極と（第１の）多孔質金属体との還元接合部と同じ理由により、良好な、通気性と導電性を得ることができる。
【００１３】
金属のメッシュシートは電極の全面にわたって位置しており、第２の多孔質金属体は、金属のメッシュシートが当該第２の多孔質金属体で接触されない部分があるように、断続的に配置されている構成をとることができる。
上記の構成によって、圧力損失をより一層小さくした上で、良好な導電性、および良好な電極と気体の接触を得ることができる。
【００１４】
第２の多孔質金属体がめっき多孔体であって、該めっき多孔体が、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、金属をめっき層とする複合の金属）のいずれかで形成されているようにできる。
めっき多孔体は、多孔質金属の中で、気孔率が高いことで知られている。このため、気体流れの圧力損失を低くすることができる。そして、上記の金属のめっき多孔体、または上記金属のめっき層を用いることで、これら金属のガス分解に対する触媒作用を得ることができる。さらに、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｕ系、の金属については、還元接合の容易化を得ることができる。
【００１５】
本発明の燃料電池またはガス除害装置は、上記のいずれかの電極接続構造を用いたことを特徴とする。
これによって、電極と集電体との良好な導電性を得ながらその電極と気体との良好な接触を得ることができる。
【００１６】
本発明の電極接続構造の製造方法は、電気化学反応に用いるための、電極と集電体との接続構造を製造する。この製造方法は、電極の全面にわたって金属のメッシュシートを接触させて配置する工程と、少なくとも電極および金属のメッシュシートが位置する空間を、拡散による接合が行われる温度にし、かつその温度でメッシュシートの金属に対して酸化性とならない雰囲気にする工程とを備え、その雰囲気および温度において、電極と金属のメッシュシートとが還元接合する時間、保持することを特徴とする。
上記の方法によって、導電性、および電極と気体の接触に優れた電極接続構造を容易に得ることができる。この場合、上記の空間の酸素分圧を１Ｅ−１４ａｔｍないし１Ｅ−１６ａｔｍ程度以下にする。この場合、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスを主体に流して、アンモニアなどの還元性ガスを混入させて酸素分子と化学反応を生じさせ、二種のガスによって酸素分圧を低くするのがよい。
【００１７】
酸化性とならない雰囲気を実現するために、空間に漏れがあるかリークディテクタで測定することができる。酸素分圧を１Ｅ−１４ａｔｍないし１Ｅ−１６ａｔｍ程度以下の超高真空の雰囲気を得るには、大気からの酸素ガスの侵入（リーク）があると実現しにくい。リークディテクタは、ヘリウムガスを雰囲気空間に流して当該ヘリウムガスの空間外への漏れを測定することで高精度のリーク検出を行うことができる。このリークディテクタを用いることで、不活性ガスおよび／またはアンモニア等の還元性ガスを使いながら、還元接合の雰囲気を容易にかつ確実に得ることができる。
【００１８】
さらに金属のメッシュシートに、電気化学反応に関与するガスの素通りを防止するためのめっき多孔体を接触させて、該めっき多孔体と金属のメッシュシートとを還元接合することができる。
これによって、気体流れの圧力損失を低減しながら、電極と複合された集電体との導電性を良好にし、かつ気体の主流が通るめっき多孔体と電極との間の気体の通路の通りを良くすることができる。
【００１９】
電極と金属のメッシュシートとの還元接合、および金属のメッシュシートとめっき多孔体との還元接合を、同じ機会に並行して進めることができる。これによって、能率よく電極接続構造を製造することができる。
【００２０】
電極と金属のメッシュシートとの接触部分、および／または金属のメッシュシートとめっき多孔体との接触部分に、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系、およびＮｉ−Ｗ系、の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）、のいずれかの金属の粒子を含むペーストを配置して、還元接合を行うことができる。
これによって、アンモニア等のガス分解を促進した上で、金属のメッシュシートを経由するめっき多孔体と電極との間の気体の通路、および電極と複合化された集電体との間の導電性、の両方を確保した電極接続構造を容易に、かつ確実に得ることができる。
【００２１】
電気化学反応は、電極に還元性ガスを含む気体を導入するプロセスを備え、その電気化学反応の装置が未操業のとき電極と金属のメッシュシートとは還元接合されていないで、操業を開始して該電気化学反応の装置に酸化性とならない気体を導入することで前記還元接合を実現することができる。
上記の電気化学反応装置では、最初の操業前は、電極と金属のメッシュシートとは還元接合されていない。力学的に接触しているだけである。最初の操業時にアンモニア等の還元性ガスを、電極と金属のメッシュシートが位置する空間に流すことで、還元接合を実現することができる。これによって、簡単に、かつ安価に電極接続構造を得ることができる。このあとの操業時にも、還元接合された部分は補強されこそすれ、還元接合が解消されることはない。また、操業休止時に空気中の酸素と触れることはあるが、還元接合が解消されるほど高温での経過時間は短いので還元接合は問題なく維持される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の電極接続構造等によれば、ガス分解等を伴う電気化学反応一般において、電極／集電体の電気抵抗の低減、および電極と該気体との良好な接触、を共により一層優れたものとできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１における電極接続構造が用いられたガス分解装置を示す図である。
【図２】固体電解質１が酸素イオン導電性の場合の、図１のガス分解装置における電気化学反応を説明するための図である。
【図３】（ａ）は、金属のメッシュシート１１ａを織布とした場合、（ｂ）は、アノードにおける金属のメッシュシートを示す部分拡大図である。
【図４】固体電解質が酸素イオン導電性の場合における、アノードの材料および電気化学反応を説明するための図である。
【図５】固体電解質が酸素イオン導電性の場合における、カソードの材料および電気化学反応を説明するための図である。
【図６】酸化還元平衡図（エリンガム・ダイアグラム）を用いて、還元接合を行うための酸素分圧の目安を得る手順を示す図である。
【図７】アノードとアノード集電体とを還元接合するための手順を示すフローチャートである。
【図８】（ａ）は本発明の実施の形態２における電極接続構造を有するガス分解装置の縦断面図、（ｂ）はＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ線に沿う横断面図、である。
【図９】固体電解質１が酸素イオン導電性の場合の、図８のガス分解装置における電気化学反応を説明するための図である。
【図１０】アノードとめっき多孔体との間に介在して、両方に還元接合する金属のメッシュシートを示し、（ａ）は織布のメッシュシート（開口部を誇張してある）、（ｂ）は金属フィルムに打ち抜き加工をして開口部を形成したメッシュシート、である。
【図１１】円筒形ＭＥＡの外側のカソード集電体が配置された外周面を示す図である。
【図１２】銀ペースト塗布部の表面を示すＳＥＭ像を示し、（ａ）は画像データ、（ｂ）はその説明図、である。
【図１３】円筒形ＭＥＡの製造方法の概要を説明するための図である。
【図１４】（ａ）は、本発明の実施の形態３におけるガス分解装置の縦断面図、（ｂ）は、（ａ）におけるＸＩＩＩＢ−ＸＩＩＩＢ線に沿う横断面図、である。
【図１５】本発明の実施の形態４において、燃料電池として機能するシステムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電極接続構造が用いられたガス除害装置１０、とくにアンモニア分解装置１０を示す図である。図１では、固体電解質１を挟んで、上側にアノード２とアノード集電体１１が、また下側にカソード５とカソード集電体１２が、配置されている。これを、一単位として、通常は、複数の単位が積層される。積層は、締結具による押圧、筐体による拘束などによって保持される。
本実施の形態におけるポイントは、ＭＥＡ７における一方の電極であるアノード２と、アノード集電体１１（１１ａ，１１ｓ）との接続構造にある。すなわち、アノード２／金属のメッシュシート（（第１の）多孔質金属体）１１ａ／第２の多孔質金属体（めっき多孔体）１１ｓ、において、アノード２と金属のメッシュシート１１ａとは、還元接合部Ａ１によって導電接続され、また、金属のメッシュシート１１ａとめっき多孔体１１ｓとは、還元接合部Ａ２によって導電接続されている。
還元接合では、接合のための材料は、金属粒子１１ｐを含む金属ペーストを用いる程度で、いずれも多孔質の、アノード２、金属のメッシュシート１１ａ、めっき多孔体１１ｓ、の気孔を塞ぐことはない。また、接合される対象物の間に酸化物等は介在しないので、導電性に優れている。金属粒子１１ｐは、還元接合を確実なものとして、還元接合部Ａ１，Ａ２の電気抵抗を低くするのに非常に効果がある。金属粒子１１ｐの平均径は、１０ｎｍ〜５０００ｎｍ程度とするのがよい。
上記の還元接合によって、多孔質体であるアノード２は、気体と十分に接触することができ、かつ、アノード２と、集電体１１を構成する金属のメッシュシート１１ａ／めっき多孔体１１ｓと、の間の電気抵抗を十分低くすることができる。さらに、還元接合部Ａ１，Ａ２には、気孔を塞ぐおそれのある物は生じないので、圧力損失は、めっき多孔体１１ｓの気孔率等によってほとんど決まり、還元接合部Ａ１，Ａ２が圧力損失を上昇させることはない。むしろ、トレードオフの関係にある、集電体の電気抵抗と圧力損失との関係において、アノード２と金属のメッシュシート１１ａとは非常に低い電気抵抗で還元接合されるので、素通り防止のための第２の多孔質金属体（めっき多孔体）１１ｓの配置を疎らにすることができる。すなわち、第２の多孔質金属体（めっき多孔体）１１ｓを、間隔をあけた断続配置にして圧力損失を小さくしながら、アノード集電体１１の電気抵抗を多少増大させても許容できるようになる。
また、上記第２の多孔質金属体は、圧力損失を小さくするために、めっき多孔体１１ｓとし、とくに、セルメット（登録商標：住友電気工業株式会社）を用いるのがよい。このあと説明するカソード集電体１２におけるめっき多孔体１２ｓについても、やはりセルメット（登録商標）を用いるのがよい。
【００２５】
カソード５の集電体１２は、（金属のメッシュシート１２ａ＋銀粒子１２ｇ）／めっき多孔体１２ｓ、で構成される。カソード５と金属のメッシュシート１２ａとの導電接続、および、金属のメッシュシート１２ａとめっき多孔体１２ｓとの導電接続、はともに、締結具による押圧、筐体による拘束などの力学的な接触部Ｂ１，Ｂ２によって確保されている。カソード５における接触部Ｂ１，Ｂ２については、酸化をできるだけ少なくすることが重要であり、そのために酸素分子を分解する触媒機能が高い銀を用いることが重要である。銀粒子１２ｇは、接触部の酸化防止に寄与しながら、電気抵抗を低くすることにも貢献している。このため、カソード集電体の劣化防止、すなわち耐久性向上に役立つことができる。
【００２６】
アノード２における集電体１１との導電接続を還元接合によって実現し、一方、カソード５における集電体１２との導電接続を接触によって実現するのは、つぎの理由による。燃料電池またはガス除害装置において、アノード２は燃料極と呼ばれ、カソード５は空気極と呼ばれるように、アノード２は、水素、アンモニア、ＶＯＣ(揮発性有機化合物：Volatile Organic Compound)などの還元性ガスと接触してそのガスを分解し、カソード５は、酸素などの酸化性ガスと接触して当該酸素分子を分解する。このため、アノード２では還元接合部Ａ１，Ａ２は、高温での稼働中に安定に維持される。休止中は温度が低いので、酸素と触れることはあっても還元接合が解消されるほど酸化は進行しない。
これに対して、カソード５では、仮に還元接合してもその還元接合は酸化によって解消されてしまい、逆に酸化が進行することになる。このため、還元接合を形成しても、還元接合部は維持されない。このため、カソード５では集電体１２との導電接続を、銀粒子１２ｇ等の酸素を分解する触媒に頼って酸化を防ぎながら、導電性接触を維持する押圧機構、筐体による拘束などを用いるのがよい。このあと説明するように、耐酸化性を向上させるために、金属のメッシュシート１２ａに銀めっき層を形成し、および／または、その金属のメッシュシート１１ａを、酸素分子分解の触媒作用の強い金属で形成することも重要である。
【００２７】
金属のメッシュシート１１ａ，１２ａには、金属の織布を用いるのがよい。金属の織布は、しなやかに変形して、厚み方向にも圧縮しやすい。このため、還元接合だけでなく、カソード５における接触による導電接続においても、面的な接触を十分大きく得ることができ、カソード５とカソード集電体１２との間の電気抵抗を低くすることができる。すなわちめっき多孔体１２ｓとカソード５との間に、金属の織布１２ａを介在させることで、電気抵抗を十分低くすることができる。銀粒子１２ｇが電気抵抗の低減に寄与していることは、上述のとおりである。
【００２８】
図２は、固体電解質１が酸素イオン導電性の場合の、図１のアンモニア分解装置１０における電気化学反応を説明するための図である。
アンモニアを含む気体は、金属メッシュシート１１ａおよびめっき多孔体１１ｓの空隙を通りながら、アノード２と接触して、下記のアンモニア分解反応をする。酸素イオンＯ２−は、カソードでの酸素ガス分解反応によって生じ、固体電解質１を通ってアノード２に到達したものである。すなわち陰イオンである酸素イオンが固体電解質を移動する場合の電気化学反応である。
（アノード反応）：２ＮＨ３＋３Ｏ２−→Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ＋６ｅ−
より詳しくは、一部のアンモニアが、２ＮＨ３→Ｎ２＋３Ｈ２の反応を生じ、この３Ｈ２が酸素イオン３Ｏ２−と反応して３Ｈ２Ｏを生成する。
カソード５には空気、とくに酸素ガスが導入され、カソード５において酸素分子から分解した酸素イオンをアノード２に向かって固体電解質１へと送り出す。カソード反応はつぎのとおりである。
（カソード反応）：Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−
上記の電気化学反応の結果、電力が発生し、アノード２とカソード５との間に電位差を生じ、カソード集電体１２からアノード集電体１１へと電流Ｉが流れる。カソード集電体１２とアノード集電体１１との間に負荷、たとえばこのガス除害装置１０を加熱するためのヒータ４１を接続しておけば、そのための電力を供給することができる。ヒータ４１への上記電力の供給は、部分的であってもよく、むしろ大部分の場合において、自家発電の供給量はヒータ全体に要する電力の半分以下であることが多い。
【００２９】
図３（ａ）は、金属のメッシュシート１１ａを織布とした場合の図である。通常の布に類似したしなやかさを強調するために、少したるませて示している。厚みは、１００μｍ〜５００μｍ程度である。アノード２に接触させるときは、たるみなく配置することは言うまでもない。金属のメッシュシート１１ａは、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系、およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）のいずれかで形成するのがよい。複合の金属としては、たとえば鉄（Ｆｅ）の織布にＮｉめっき処理を施したもの（織布）である。ガス除害装置の製造途中または稼働中の加熱によって合金化してＮｉ−Ｆｅ系の織布になる。
上記のＮｉ系または合金系の織布は、ガス分解に対して触媒作用を有しており、ガス分解を促進することができる。このため、金属のメッシュシート１１ａ、とくに織布は、（Ｅ１）電極接続構造の電気抵抗を低下させるだけでなく、（Ｅ２）電極におけるガス分解を促進することができる（触媒作用）。この結果、ガス分解の処理容量を向上させることができる。アノード２における金属のメッシュシート１１ａには、もう一つの重要な作用があるが、それについては、このあと説明する。
この金属のメッシュシート１１ａと同様のものを、カソード５の集電体１２ａに用いることができるが、カソード５では酸素と接触して酸素分子を分解するので、銀めっき処理を施すのがよい。これによって、銀粒子１２ｇとともに、または銀粒子がなくても、酸素分子の分解を促進することができる。
【００３０】
図３（ｂ）は、アノード２とめっき多孔体１１ｓとの間における金属のメッシュシート１１ａを示す部分拡大図である。金属のメッシュシート１１ａは、気体の素通りを防止するためのめっき多孔体１１ｓとアノード２との間に介在して、両者間の良好な導電接続を実現する。この低い電気抵抗を実現するために、還元接合部Ａ１，Ａ２を形成する。この還元接合Ａ１，Ａ２補助するために、金属粒子１１ｐを含む金属ペーストを用い、焼結後に金属粒子１１ｐが界面およびその付近に分布するようにする。金属粒子１１ｐは、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）のいずれかで形成するのがよい。これによって、金属のメッシュシート１１ａと同様の、ガス分解を促進する触媒作用を得ることができる。
【００３１】
図４は、固体電解質１が酸素イオン導電性の場合における、アノード２の材料および電気化学反応を説明するための図である。アノード２には、アンモニアを含む気体が導入され、気孔２ｈを通って流れる。アノード２は、触媒、すなわち表面酸化されて酸化層を有する合金粒子の連鎖体２１と、酸素イオン導電性のセラミックス２２とを主成分とする焼結体である。ここでは、Ｎｉ−Ｆｅ系の合金粒子の連鎖体２１を用いている。組成としては、たとえばＮｉ６０ａｔ％程度とするのがよい。
さらにＴｉを２〜１００００ｐｐｍ程度の微量含むのがよい。Ｔｉを微量含むことでさらに触媒作用を高めることができる。さらに、このＮｉを酸化させて形成されたニッケル酸化物は、これら金属単味の促進作用をさらに高めることができる。ただし、アンモニアの分解反応（アノード反応）は還元反応なので、使用前の製品には焼結処理等で生じた酸化層がＮｉ粒連鎖体に形成されていたのが、使用によってアノード中の金属粒連鎖体も還元されて酸化層が消失することになる。しかし、Ｎｉ−Ｆｅ合金自体の触媒作用は確実にあり、さらに、酸化層がないことをカバーするために、ＴｉをＮｉ−Ｆｅ系に含有させて触媒作用の低下を補うことができる。
酸素イオン導電性のセラミックス２２としては、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウム安定化セリア）、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）、ＧＤＣ（ガドリア安定化セリア）などを用いることができる。
【００３２】
上記の触媒作用に加えて、アノード２において、酸素イオンを分解反応に参加させている。すなわち、分解を電気化学反応のなかで行う。上記のアノード反応２ＮＨ３＋３Ｏ２−→Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ＋６ｅ−では、酸素イオンの寄与があり、アンモニアの分解速度を大きく向上させる。（３）アノード反応では、自由な電子ｅ−が生じる。電子ｅ−がアノード２に滞留すると、アノード反応の進行は、妨げられる。連鎖体２１は、ひも状に細長く、酸化層２１ｂで被覆された中身２１ａは良導体の金属（Ｎｉ−Ｆｅ合金）である。電子ｅ−は、ひも状の連鎖体の長手方向に、スムースに流れる。このため、電子ｅ−がアノード２に滞留することはなく、連鎖体２１の中身２１ａを通って、外に流れる。連鎖体２１により、電子ｅ−の通りが、非常に良くなる。
なお、アノード２においては還元性ガスであるアンモニアが導入されるので、連鎖体２１の酸化層２１ｂも還元され、設置前に酸化層２１ｂが形成されていても、稼働中に還元されてしまう。このため酸化層２１ｂによるガス分解の触媒作用は期待できないが、その分、逆に、電子等の円滑な流れが補うことができる。また、連鎖体金属２１ａは、ガスに直接接触することで、十分大きいガス分解の触媒作用を発揮することができる。
要約すると、本発明の実施の形態における特徴は、アノードにおける次の（ｅ１）、（ｅ２）および（ｅ３）にある。
（ｅ１）連鎖体３による分解反応の促進（高い触媒機能）
（ｅ２）酸素イオンによる分解促進（電気化学反応の中での分解促進）
（ｅ３）連鎖体３のひも状良導体３ａによる電子の導通性確保（高い電子伝導性）
上記の（ｅ３）の高い電子導電性には、電気化学反応の全体からみれば、アノード２とアノード集電体１１との、またカソード５とカソード集電体１２との、良好な導電性の確保が寄与している。それぞれの集電体１１，１２の中での良好な導電接続の寄与もある。
上記の（ｅ１）、（ｅ２）および（ｅ３）によって、アノード反応は非常に大きく促進される。
温度を上げて、触媒に分解対象ガスを接触させるだけで、その分解対象ガスの分解は進行する。しかし、上記のように、燃料電池等を構成する装置において、カソード５からイオン導電性の固体電解質１を経て、酸素イオンを反応に関与させ、その結果、生じる電子を外に導通させることで、分解反応速度は飛躍的に向上する。
なお、上記は固体電解質１が酸素イオン導電性の場合の説明であるが、固体電解質１はプロトン（Ｈ＋）導電性でもよく、その場合、アノード２におけるイオン導電性セラミックス２２はプロトン導電性のセラミックス、たとえばバリウムジルコネート等を用いる。
【００３３】
図５は、固体電解質１が酸素イオン導電性の場合における、カソード５における電気化学反応を説明するための図である。カソード５には、空気とくに酸素分子が導入される。カソード５は、酸素イオン導電性のセラミックス５２を主成分とする焼結体とする。この場合の酸素イオン導電性のセラミックス５２として、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガナイト）、ＬＳＣ（ランタンストロンチウムコバルタイト）、ＳＳＣ（サマリウムストロンチウムコバルタイト）などを用いるのがよい。酸素イオン導電性の固体電解質１を用いる場合、カソード５には、連鎖体は用いなくてもよい。
本実施の形態におけるカソード５では、Ａｇ粒子は銀ペースト塗布部１２ｇの形態で配置される。この中で、Ａｇ粒子はカソード反応Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−を大きく促進させる触媒機能を有する。この結果、カソード反応は非常に大きい速度で進行することができる。Ａｇ粒子の平均径は、１０ｎｍ〜１００ｎｍとするのがよい。
銀は酸素分子の分解を促進する触媒作用を有するので、上記の銀ペースト塗布部１２ｇの他に、金属のメッシュシート１２ａに銀めっき層を形成してもよい。銀めっき層を金属のメッシュシート１２ａに形成することで、さらに酸素分子の分解は促進される。
【００３４】
電解質１には、固体酸化物、溶融炭酸塩、リン酸、固体高分子などを用いることができるが、固体酸化物は小型化でき、取り扱いが容易なので好ましい。固体酸化物１としては、酸素イオン導電性の、ＳＳＺ、ＹＳＺ、ＳＤＣ、ＬＳＧＭ、ＧＤＣなどを用いるのがよい。
また、固体電解質１に、たとえばバリウムジルコネート（ＢａＺｒＯ３）を用いてプロトンをアノード２で発生させて固体電解質１中をカソード５へと移動させる反応も、本発明の望ましい一つの形態である。プロトン導電性の固体電解質１を用いると、たとえばアンモニアを分解する場合、アノード２でアンモニアを分解してプロトン、窒素分子および電子を生じさせて、プロトンを固体電解質１を経てカソード５へと移動させ、カソード５において酸素と反応して水（Ｈ２Ｏ）を生じさせる。プロトンは酸素イオンと比べて小さいので固体電解質中の移動速度は大きい。このため加熱温度を低くしながら実用レベルの分解容量を得ることができる。固体電解質１の厚みも、強度を確保できる厚みとしやすい。
【００３５】
アノード集電体１１の金属のメッシュシート１１ａを、上記の金属で形成することの効果は、上述のように、（Ｅ１）電極接続構造の電気抵抗の低下（良好な導電性）、（Ｅ２）電極におけるガス分解の促進（触媒作用）、があった。アノード集電体１１に用いる金属のメッシュシート１１ａを、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｕ系、の一種以上を含む単相の金属、並びに、これらの系の金属をめっき層とする複合の金属で形成するもう１つの効果は、（Ｅ３）還元接合がし易くなる、または電気抵抗の小さい還元接合部Ａ１，Ａ２を得ることができることである。
図６に、金属の酸化還元平衡図（エリンガム・ダイアグラム）を示す。この図を用いて、還元接合において酸素分圧をどの程度低くすればよいか知ることができる。たとえば、還元接合を８００℃で行い、上記の金属のメッシュシート１１ａおよび金属粒子１１ｐが、Ｎｉ系であった場合、酸素分圧の目安は、次の手順で得ることができる。なお、横軸（温度軸）をＸ軸、縦軸（エネルギ軸）をＹ軸と呼ぶ。
（Ｔ１）温度８００℃からＹ軸に平行に直線を立てる。
（Ｔ２）ＮｉＯの直線（エネルギ−温度曲線）との交点（●）を求める。
（Ｔ３）左の欄外の酸素Ｏマーク）と上記交点●とを直線で結び、延長する。
（Ｔ４）延長した直線と、欄外のＰo２分圧目盛り、との交点が、還元接合で必要とされる酸素分圧の目安である。この酸素分圧以下の酸素分圧であれば、酸化されずに拡散によって還元接合が可能である。この結果、電気抵抗に低い還元接合部Ａ１，Ａ２を得ることができる。
Ｎｉ系の場合、目安の酸素分圧は１Ｅ−１４（ａｔｍ）である。他の系についても、同様の手順で求めることができる。たとえばＦｅ系では、上記酸素分圧は１Ｅ−１６ａｔｍである。合金については、データがないので、Ｎｉ系とＦｅ系との間の酸素分圧１Ｅ−１５ａｔｍ程度とみることができる。
上に挙げた系において、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅについては、比較的高い酸素分圧でも酸化しない（還元接合できる）が、Ｃｒ系では酸素分圧は非常に低くしなければならない。このため、Ｎｉ−Ｃｒ系およびＮｉ−Ｗ系については、還元接合は容易であるとは言いにくい。しかし、酸素分圧を所定レベルまで下げれば、還元接合は可能である。
【００３６】
カソード集電体１１の金属のメッシュシート１２ａについては、次のように考えることができる。金属のメッシュシート１２ａは、酸化性雰囲気に晒される。このため、金属のメッシュシート１１ａには、耐酸化性が求められる。このため、カソード集電体１２の金属のメッシュシート１２ａは、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｗ系で形成することが望ましい。このＮｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｗ系の織布をそのまま用いて、銀粒子１２ｇを触媒として活用することができる。鉄（Ｆｅ）の織布に、Ｎｉ−Ｃｒめっき層、Ｎｉ−Ｗめっき層を形成したものを用いてもよい。
また、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｗ系の織布に銀めっき層を形成したものを用いてもよい。銀めっき層を形成した場合、銀粒子１２ｇは、用いなくてもよいし、用いてもよい。また、銀めっき層を用いる場合、織布の金属（被めっき材）は鉄（Ｆｅ）などであってもよい。銀は、酸素分子を分解しやすく、銀めっき層のみで耐酸化性を大きく向上できるからである。その結果、カソード集電体１２自身の、およびそのカソード集電体１２とカソード５との間の、電気抵抗を低くすることができる。
【００３７】
図７は、アノード２の電極接続構造の製造方法を示す図である。
まず、アノード２／固体電解質１／カソード５、が積層されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）７を準備する。通常、ＭＥＡ７は一体化されている。このアノード２に金属のメッシュシート１１ａを接触させて、金属粒子１１ｐを含む金属ペーストを塗布する。次いで、めっき多孔体１１ｓに金属ペースト塗布した上で、金属のメッシュシート１１ａに重ねて積層する。この積層体、ＭＥＡ７（アノード２）／金属のメッシュシート１１ａ／めっき多孔体１１ｓ、を還元接合の雰囲気中に入れる。少なくとも各層の境界には金属ペーストが配置されているのが望ましい。
還元接合の雰囲気は、図６に示す酸化還元平衡図における酸素分圧程度以下にしておく必要がある。このために、外部からの空気または酸素の侵入がないことを確認するためのリークチェックを行う。そして、上記の低い酸素分圧を実現するために、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス、もしくは水素、アンモニア等の還元性ガス、またはその両方（不活性ガスと還元性ガス）、を十分な量流すのがよい。不活性ガスと還元性ガスの両方を用いる場合、窒素ガスをベースにして、アンモニア等のガスを少量含有させて流すのがよい。たとえば、（３％ＮＨ３＋Ｎ２）を用いることができる。上記の低い酸素分圧の実現を目指しながら、拡散が十分起きる温度、たとえば９５０℃程度に加熱する。そして、十分低い酸素分圧が実現すれば、上記９５０℃で、自ずと還元接合が進行する。９５０℃での保持時間は、たとえば２０分間とするのがよい。これによって、アノード２と分解対象のガスとの良好な接触が可能で、かつ低い電気抵抗の、電極接続構造を得ることができる。
【００３８】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２における電極接続構造を有するガス除害装置１０を示す図である。分解対象のガスはアンモニアである。図８（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）はＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ線に沿う横断面図である。これら図に示すように、本実施の形態におけるガス分解装置１０は、円筒形ＭＥＡ７（１，２，５）を用いて製造されている。
円筒形の固体電解質１の内面を覆うようにアノード２が設けられ、また外面を覆うようにカソード５が設けられている。上述のように、アノード２は燃料極、カソード５は空気極と呼ばれる。円筒形ＭＥＡの内径は、たとえば２０ｍｍ程度であるが、適用する装置に応じて、変えるのがよい。円筒形のＭＥＡ７の内筒中に、アノード集電体１１が配置されている。また、カソード５の外面に巻き付くようにカソード集電体１２が配置されている。
【００３９】
各集電体は次のとおりである。
＜アノード集電体１１＞：金属のメッシュシート１１ａ／めっき多孔体１１ｓ／中心導電棒１１ｋ
金属のメッシュシート１１ａは、円筒ＭＥＡ７の内面のアノード２と還元接合されて還元接合部Ａ１を形成している。さらに、その金属のメッシュシート１１ａは、めっき多孔体１１ｓと還元接合されて還元接合部Ａ２を形成している。めっき多孔体１１ｓは中心導電棒１１ｋに巻き回されて、両者の間に導電接続が実現されている。したがって、アノード２／金属のメッシュシート１１ａ／めっき多孔体１１ｓ／中心導電棒１１ｋ、が導電接続されている。めっき多孔体１１ｓは、後述するアンモニアを含む気体の圧力損失を低くするために、気孔率を高くすることができる上記セルメット（登録商標）を用いるのがよい。円筒ＭＥＡの内面側では、複数の部材で形成される集電体１１の全体の電気抵抗を低くしながら、アノード側への気体導入の圧力損失を低くすることが重要なポイントである。本実施の形態では、上記のセルメット（登録商標）を用いながら、さらに、全長にわたってめっき多孔体を配置しないで、間をあけて断続的に配置して圧力損失の低下をはかっている。めっき多孔体１１ｓを、間隔をあけて断続的に配置することで、圧力損失は低下するが、アノード集電体１１の電気抵抗は増大する。しかし、金属のメッシュシート１１ａを用い、金属粒子を含む金属ペーストを用い、還元接合部Ａ１，Ａ２を形成することで、間隔をあけて断続的に配置しても、電気抵抗は、実用上、問題のないレベル以下に抑えることができる。
中心導電棒１１ｋは、円筒形ＭＥＡを用いて内面側にアンモニア等の気密性を要するガスを流す場合、小型で簡単な構造によって、外部配線と導電接続をとることを可能にする。また、中心導電棒１１ｋを少し延ばすことで、ヒータの加熱の影響が小さい領域で導電接続構造を形成することができ、特殊な耐熱性シールを必要としない。このため経済性にも優れている。
【００４０】
＜カソード集電体１２＞：銀ペースト塗布部１２ｇ＋金属のメッシュシート１２ａ
カソード５では、金属のメッシュシート１２ａが、円筒ＭＥＡ７の外面に接触して、外部配線へと導電する。銀ペースト塗布部１２ｇは、カソード５における酸素ガスを酸素イオンに分解するのを促進する触媒として作用する銀粒子を含み、かつカソード集電体１２の電気抵抗を低くする。カソード５に銀粒子を含ませることも可能であるが、カソード集電体１２に、所定の性状の銀ペースト塗布部１２ｇは、酸素分子を通しながら銀粒子がカソード５に接触して、カソード５内に含まれる銀粒子と同等の触媒作用を発現する。しかも、カソード５に含ませるより安価である。金属のメッシュシート１２ａに銀めっき処理を施して銀めっき層を形成してもよい。
【００４１】
図９は、固体電解質が酸素イオン導電性である場合における、図８のガス分解装置１０の電気配線系統を示す図である。アノード集電体１１は外部配線１１ｅと、またカソード集電体１２は外部配線１２ｅと、導電接続し、負荷のプラス側とマイナス側に配線される。負荷は、ＭＥＡ７を加熱するためのヒータ４１等とすることができ、これによって、実施の形態１と同様に、エネルギ効率を高めることができる。
アンモニアを含む気体は、気密性を厳格にして円筒ＭＥＡ７の内筒、すなわちアノード集電体１２が配置されている空間に導入される。円筒ＭＥＡ７を用いた場合、内面側に気体を通すことから、めっき多孔体１１ｓの使用は不可欠である。圧力損失を低くする点から、上述のように気孔率の高いめっき多孔体を用いることが重要である。アンモニアを含む気体は、金属のメッシュシート１１ａおよびめっき多孔体１１ｓの空隙を通りながら、アノード２と接触して、上述の電気化学反応に与る。
【００４２】
アノード２およびカソード５において生起する電気化学反応は、実施の形態１におけるものと同じである。ＭＥＡ７中の固体電解質１が、酸素イオン導電性のものであっても、またはプロトン導電性のものであってもよいことも、実施の形態１と共通する。ＭＥＡを構成する材料についても同じである。ヒータ４１に自家発電の電力を供給できることも、上記のとおり同じである。
なお、固体電解質１が、図示するように酸素イオン導電性の場合、アノード２において水（Ｈ２Ｏ）を生じる。ＭＥＡ７の中央では、１００℃以上に加熱されているので水は気体（水蒸気）であるが、出口付近では温度が下がり、水蒸気は水滴となり、めっき多孔体１１ｓに付着して気孔を塞ぎ、圧力損失を増大させるおそれがある。これに対して、固体電解質１がプロトン導電性の場合、アノード２でアンモニア分解が生じて、プロトンがカソード５に向かい、カソード５において酸素と反応して水を発生する。カソード５は円筒形ＭＥＡの外周側にあり、開放されている。このため、ＭＥＡ出口の付近（外周）で水滴になっても、問題を生じることはない。固体電解質１をプロトン導電性とした場合、電気化学反応の進行を促進したり加熱温度を低くできたりする効果に加えて、上記の水滴の無害性の効果も得ることができる。
【００４３】
図１０は、アノード２とめっき多孔体１１ｓとの間に介在して、両方に還元接合する金属のメッシュシート１１ａを示し、図１０（ａ）は織布のメッシュシート（開口部を誇張してある）を、また（ｂ）は金属フィルムに打ち抜き加工をして開口部を形成したメッシュシートである。しなやかさという点では図１０（ａ）の織布のメッシュシートが優れているが、金属フィルムの性状を選べば打ち抜き加工で開口部を形成したメッシュシートも十分高いしなやかさを有する。これらのいずれかの金属のメッシュシート１１ａは、円筒形ＭＥＡの内面という点が異なるが、図７に示す手順でアノード２に接触するように配置する。このとき、金属粒子１１ｐを含む金属ペーストを塗布しておくのがよい。このあと、図７に示すように、金属のメッシュシート１１ａの内側にめっき多孔体１１ｓを装入して配置する。圧力損失を抑制するために、断続的に、すなわち間をあけて飛び飛びに配置するのがよい。アノード集電体１２では、めっき多孔体１１ｓは中心導電棒１１ｋに巻き回されているので、めっき多孔体１１ｓは予め中心導電棒１１ｋに巻き回しておき、中心導電棒１１ｋごと、円筒形ＭＥＡの中に装入する。めっき多孔体１１ｓをセルメットで形成する場合、気孔サイズが異なる各種仕様があり、シート状である。このため、たとえばアンモニアを含む気体の主流が流れる部分には気孔サイズが大きいセルメットシートを用い、アノード２に接する部分では小さい気孔サイズのセルメットシートを用いるのがよい。これによって、気体流れの圧力損失を小さくしながら電気抵抗の低い還元接合部Ａ２を得ることができる。
このあとの還元接合の条件は、実施の形態１と同じである。
異なる点は、製造方法に選択枝が増えることである。円筒形ＭＥＡの内面側にアノード集電体１１を形成するので、いくつかのバリエーションが出てくる。上記の手順の他に、次の方法を採用することができる。
（Ｖ１）金属のメッシュシート１１ａをアノード２に、一度、還元接合する。その後、中心導電棒１１ｋに巻き回しためっき多孔体１１ａを装入して、もう一度、還元接合を行う。
（Ｖ２）金属のメッシュシート１１ａと、中心導電棒１１ｋに巻き回しためっき多孔体１１ｓとを、予め、還元接合しておく。その還元接合されたアノード集電体１１を、ＭＥＡ７の内面側に装入して、アノード２と金属のメッシュシート１１ａとの還元接合を行う。
装入物の加工精度（とくに外径など）、装入物と円筒形ＭＥＡとの力学的な摩擦、等を考慮して、円筒形の内面に集電体１１の全部または一部をどのような状態で装入するか、バリエーションを選択すればよい。
【００４４】
アノード２と還元接合される金属のメッシュシート１１ａは、実施の形態１と同様に、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）のいずれかで形成するのがよい。複合の金属としては、たとえば鉄（Ｆｅ）の織布にＮｉめっき処理を施したもの（織布）である。ガス除害装置の製造途中または稼働中の加熱によって合金化してＮｉ−Ｆｅ系の織布になる。
また、還元接合を確実に実現するために用いられる金属ペーストに含まれる金属粒子１１ｐについても、金属のメッシュシート１１ａと同じ金属とするのがよい。金属のメッシュシート１１ａおよび金属粒子１１ｐを、上記の金属によって形成することで、次の作用効果を得ることができる。
（Ｅ１）電極接続構造の電気抵抗の低下（良好な導電性）
（Ｅ２）電極におけるガス分解の促進（触媒作用）
さらに、Ｎｉ系、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、およびＮｉ−Ｃｕ系に限れば、次の（Ｅ３）を得ることができる。
（Ｅ３）還元接合の容易化または低い電気抵抗の還元接合部の形成
【００４５】
図１１は、円筒形ＭＥＡ７の外側のカソード集電体１２が配置された外周面を示す図である。カソード５には、金属のメッシュシート１２ａが銀ペースト塗布部１２ｇを伴って導電接続されている。
カソード５には銀粒子を配置して、銀粒子の触媒作用によって酸素分子の分解速度を向上させることができる。しかし、カソード５に銀粒子を含ませる構造では、カソード５の価格が高くなり、経済性を低下させる。カソード５に銀粒子を含有させる代わりに、カソード５の外周面において、銀ペースト塗布部１２ｇの形態で銀粒子を配置することができる。その結果、図５に示すように、カソード５において、銀粒子は触媒として機能する。この銀ペーストにおいて重要なのは、乾燥後または焼結後に、気孔率の高い多孔質にすることである。
図１２は銀ペースト塗布部１２ｇの表面を示すＳＥＭ(Scanning Electron Microscopy)像を示し、（ａ）は画像データであり、（ｂ）はその説明図である。塗布し乾燥（焼結）した後に多孔質になる銀ペーストは市販されており、たとえば京都エレックス株式会社製のＤＤ−１２４０などを用いることができる。銀ペースト塗布部１２ｇを多孔質にすることの重要性はつぎの理由に基づく。
カソード５には酸素分子Ｏ２をできるだけ多く供給するのがよく、しかも銀ペーストに含まれる銀粒子は、カソード５におけるカソード反応を促進する触媒作用を有する（図５参照）。銀ペースト塗布部１２ｇをカソード５に配置することで、カソード中の酸素イオンを通すＬＳＭなどの金属酸化物と、銀粒子と、酸素分子Ｏ２とが接触する箇所（接触箇所）が高密度で生じる。銀ペースト塗布部１２ｇを多孔質にすることで、多くの酸素分子Ｏ２が、多孔質の気孔中に入って上記の接触箇所に触れ、カソード反応を生じやすくなる。
さらに、銀粒子を含む銀ペースト塗布部１２ｇは、導電性が高いので、金属のメッシュシート１２ａを補助してカソード集電体１２における電気抵抗を低くする。このために、銀ペースト塗布部１２ｇは、上記のように、格子状（母線方向、環状方向）に連続するように設けるのがよい。金属のメッシュシート１２ａは、この銀ペースト塗布部１２ｇに接触して導通するようにカソード５に巻き付けられる。
上記のように、銀は酸素分子の分解を強力に推進するので、金属のメッシュシート１２ａに対して銀めっき処理を施して、銀めっき層を形成してもよい。金属のメッシュシート１２ａに銀めっき層を形成することで、銀ペーストの塗布量を減らすことができる。
【００４６】
カソード集電体１２の金属のメッシュシート１２ａについて、アノード集電体１１にはない重要な要素は、酸化による劣化である。カソード５には、高温で酸素が導入されるので、耐酸化性の金属で形成された金属のメッシュシートを用いるのがよい。たとえば、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）のメッシュシートとするのがよい。とくに、Ｎｉ−Ｃｒ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上の単相の金属、並びにこれら金属をめっき層とする複合の金属、を用いることで、カソード集電体１２の耐酸化性を向上させることができる。この結果、電気抵抗の低い、カソード集電体１２自身、およびそのカソード集電体１２とカソード５との導電接続を得ることができる。
【００４７】
図１３により、本実施の形態における円筒形ＭＥＡ７の製造方法の概要について説明する。図１３には、アノード２、およびカソード５ごとに、焼結を行う工程を示す。まず、市販されている円筒形固体電解質１を購入して準備する。次いで、カソード５を形成する場合は、所定の流動性を持つようにカソード構成材料を溶媒に溶かした溶液を調整して、円筒形固体電解質の外面に均等になるように塗布する。次いで、カソード５に適切な焼結条件で焼結する。このあとアノード２の形成に移る。図１３に示す製造方法の他に、多くのバリエーションがある。焼結回数を１回ですます場合で、図１３に示すように、各部分ごとに焼結を行うのではなく、塗布状態のまま、各部分を形成して、最後に、各部分の最大公約数的な条件で焼結を行う。この他、多くのバリエーションがあり、各部分を構成する材料と、目標とする分解効率と、製造経費等を総合的に考えて製造条件を決めることができる。
【００４８】
（実施の形態３）
図１４（ａ）は、本発明の実施の形態３におけるガス分解装置１０の縦断面図であり、また図１４（ｂ）は、（ａ）におけるＸＩＶＢ−ＸＩＶＢ線に沿う断面図である。本実施の形態では、金属粒子１１ｐの材料である金属ペーストを分厚く塗布することで、めっき多孔体１１ｓが、直接、アノード２に還元接合されている点に特徴を有する。すなわち金属のメッシュシートは省略されて、多孔質金属体であるめっき多孔体１１ｓが、アノード２に還元接合されている。このため、アノード集電体１１は、（金属粒子１１ｐ＋めっき多孔体１１ｓ）／中心導電棒１１ｋ、によって形成される。
めっき多孔体１１ｓ、たとえばセルメット（登録商標）は、上述のように、仕様によって気孔の大きさが変化したシートの形態で市販されている。気孔の大きさが異なる複数の種類のシートを用い、中心導電棒１１ｋに最初に巻き回す部分は気孔の大きいセルメットを用い、外周においてアノード２に接する部分は気孔の細かいセルメットを用いるのがよい。これによって、アノード２から中心導電棒１１ｋに到る箇所の電気抵抗を低くしながら、アノード２とガスとの良好な接触を確保し、かつ円筒形ＭＥＡ７の中を流れるガスを含む気体の圧力損失を小さくすることができる。金属のメッシュシートを省略できる利点も得ることができる。
【００４９】
めっき多孔体１１ｓは、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）のいずれかで形成されているのがよい。また、金属粒子１１ｐについても、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）のいずれかで形成されていることが望ましい。
金属粒子１１ｐは、実施の形態１〜３において、アノード２に接触する箇所またはその付近に配置する場合には、上記のめっき多孔体１１ｓに用いる金属で形成するのが好ましい。
めっき多孔体１１ｓについては、実施の形態１および２におけるように、金属のメッシュシート１１ｓがアノード２との間に介在する場合、めっき多孔体１１ｓには、とくに触媒作用を高める機能は要求されない。しかし、本実施の形態のように、直接、アノード２に接触する場合、上記の金属で形成されることが望ましい。通常、セルメット１１ｓは、Ｎｉで形成されるので、上記の条件は満たしている。より触媒作用を高める場合は、他の金属（Ｎｉ−Ｆｅ等）で形成するのがよい。
カソード５およびカソード集電体１２については、実施の形態２と同じであり、耐酸化性がポイントになる。全般に、アノード２における金属のメッシュシートを省略して、アノード２とめっき多孔体１１ｓとを、直接、還元接合した点を除けば、実施の形態２と同じである。
【００５０】
（実施の形態４）
図１５は、本発明の実施の形態４における、燃料電池として機能するシステムを示す図である。この燃料電池５０では、水素源から、アンモニア、トルエン、キシレン等の、水素を含む分子である水素源を供給され、実施の形態１〜３に示したいずれかのガス分解装置１０または発電セル１０のアノード２において分解する。カソード５には空気すなわち酸素が導入され、分解される。この結果、電気化学反応が進行して電力を生じる。この電力の一部は、ガス分解能力または発電能力を向上させるための加熱装置（ヒータ）４１に用いられる。余剰の電力は、インバータ７１によって交直変換や、昇圧などされて、外部装置に適合する電力形態に変換される。これによって、本実施の形態の燃料電池システムは、糖類などの有機物を含む多様な水素源を用いて、ＰＣや携帯端末等の電子機器の電源、より電力消費の多い電気機器の電源に利用されることができる。
分解されて、発電セル１０またはガス分解装置１０から排気される気体は、後処理装置（センサー内蔵）７５によって残留成分濃度を検出して、安全なように処理する。この場合、残留成分濃度によっては元に戻して循環させることができる。
燃料電池システム５０では、ガス除害を目的とする、実施の形態２等の場合のように、ＭＥＡ７の出口でガス成分の濃度を極端に低くする必要がなく、高いガス成分濃度において分解の電気化学反応を行うことで、高い発電能力を得ることができる。
【００５１】
（その他の燃料電池またはガス分解装置）
表１は、本発明の電極接続構造等を適用できる他のガス分解反応を例示する表である。ガス分解反応Ｒ１は、実施の形態１、２等で詳しく説明したアンモニア／酸素の分解反応である。その他、ガス分解反応Ｒ２〜Ｒ２０のどの反応に対しても本発明の電極接続構造等は用いることができる。すなわち、アンモニア／水、アンモニア／ＮＯｘ、水素／酸素／、アンモニア／炭酸ガス、ＶＯＣ（揮発性有機化合物:volatile organic compounds）／酸素、ＶＯＣ／ＮＯｘ、水／ＮＯｘ、などに用いることができる。
【００５２】
【表１】
【００５３】
表１は、多くの電気化学反応の一部を例示したにすぎない。本発明の電極接続構造は、その他の多くの反応に適用可能である。たとえば表１は酸素イオン導電性の固体電解質の反応例に限定しているが、上述のように固体電解質をプロトン（Ｈ＋）導電性とする反応例も本発明の有力な実施の形態例である。固体電解質をプロトン導電性としても、固体電解質を透過するイオン種はプロトンになるが表１に示すガスの組み合わせにおいて、結果的にガス分子の分解を実現することは可能である。たとえば（Ｒ１）の反応において、プロトン導電性の固体電解質の場合、アンモニア（ＮＨ３）はアノードで窒素分子、プロトン、および電子に分解し、プロトンは固体電解質中をカソードへと移動する。電子は外部回路をカソードへと移動する。そしてカソードにおいて酸素分子と、電子と、プロトンとが水分子を生成する。結果的にアンモニアが酸素分子と組み合わされて分解されるという点において、固体電解質が酸素イオンである場合と同じである。
上記の電気化学反応はガス除害、燃料電池等を目的としたガス分解反応である。しかし、その他の目的に用いられる場合であってもよい。
【００５４】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の電極接続構造等によれば、ガス分解等を伴う電気化学反応一般において、電極／集電体の電気抵抗の低減、および電極と該気体との良好な接触、を共により一層優れたものとできる。さらに、上記の電気抵抗の低減により、ガスの素通りを防止する多孔質金属体を疎な配置にすることができ、ガス流れの圧力損失を小さくすることができる。
【符号の説明】
【００５６】
１ 固体電解質、２ アノード、２ｈ アノード中の気孔、５ カソード、１０ ガス分解装置、１１ アノード集電体、１１ａ 金属のメッシュシート、１１ｅ アノード外部配線、１１ｋ 中心導電棒、１１ｐ 金属ペースト層、１１ｓ 多孔質金属体（金属めっき体）、１２ カソード集電体、１２ａ 金属のメッシュシート、１２ｅ カソード外部配線、１２ｇ 銀ペースト塗布部、２１ 金属粒連鎖体、２１ａ 金属粒連鎖体の芯部（金属部）、２１ｂ酸化層、２２ アノードのイオン導電性セラミックス、４１ ヒータ、５０ ガス分解システム、５２ カソードのイオン導電性セラミックス、７１ インバータ、７５ 後処理装置、Ａ１ アノードと金属のメッシシートとの還元接合部、Ａ２ 金属のメッシュシートと第２の多孔質金属体（めっき多孔体）との還元接合部、Ｂ１，Ｂ２ 接触部（導電接続部）、Ｓ 空気スペース。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学反応に用いるための、電極と集電体との接続構造であって、
前記電極は、イオン導電性セラミックスを含んで、多孔質であり、
前記集電体は多孔質金属体であり、
前記電極と前記多孔質金属体とが、還元接合されていることを特徴とする、電極接続構造。
【請求項２】
前記多孔質金属体が、金属のメッシュシートであることを特徴とする、請求項１に記載の電極接続構造。
【請求項３】
前記還元接合された接合部および該接合部の周囲に金属粒子が位置することを特徴とする、請求項１または２に記載の電極接続構造。
【請求項４】
金属のメッシュシートが、金属の織布、または金属の織布にめっき処理が施されたものであることを特徴とする、請求項２または３に記載の電極接続構造。
【請求項５】
前記金属のメッシュシートおよび／または金属粒子が、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）のいずれかで形成されていることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか１項に記載の電極接続構造。
【請求項６】
前記集電体が、前記金属のメッシュシートに導電接続する第２の多孔質金属体を備え、該第２の多孔質金属体は前記気体が素通りしないように該気体の流れを遮るように位置することを特徴とする、請求項２〜５のいずれか１項に記載の電極接続構造。
【請求項７】
前記金属のメッシュシートと前記第２の多孔質金属体とが、還元接合されていることを特徴とする、請求項６に記載の電極接続構造。
【請求項８】
前記金属のメッシュシートは前記電極の全面にわたって位置しており、前記第２の多孔質金属体は、前記金属のメッシュシートが当該第２の多孔質金属体で接触されない部分があるように、断続的に配置されていることを特徴とする、請求項６または７に記載の電極接続構造。
【請求項９】
前記第２の多孔質金属体がめっき多孔体であって、該めっき多孔体が、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）のいずれかで形成されていることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１項に記載の電極接続構造。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の電極接続構造を用いたことを特徴とする、燃料電池。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の電極接続構造を用いたことを特徴とする、ガス除害装置。
【請求項１２】
電気化学反応に用いるための、電極と集電体との接続構造を製造する方法であって、
前記電極の全面にわたって金属のメッシュシートを接触させて配置する工程と、
少なくとも前記電極および金属のメッシュシートが位置する空間を、拡散による接合が行われる温度にし、かつその温度で前記メッシュシートの金属に対して酸化性とならない雰囲気にする工程とを備え、
前記雰囲気および温度において、前記電極と金属のメッシュシートとが還元接合する時間、保持することを特徴とする、電極接続構造の製造方法。
【請求項１３】
前記酸化性とならない雰囲気を実現するために、前記空間に漏れがあるかリークディテクタで測定することを特徴とする、請求項１２に記載の電極接続構造の製造方法。
【請求項１４】
さらに前記金属のメッシュシートに、前記電気化学反応に関与するガスの素通りを防止するためのめっき多孔体を接触させて、該めっき多孔体と前記金属のメッシュシートとを還元接合することを特徴とする、請求項１２または１３に記載の電極接続構造の製造方法。
【請求項１５】
前記電極と金属のメッシュシートとの還元接合、および前記金属のメッシュシートと前記めっき多孔体との還元接合を、同じ機会に並行して進めることを特徴とする、請求項１４に記載の電極接続構造の製造方法。
【請求項１６】
前記電極と金属のメッシュシートとの接触部分、および／または前記金属のメッシュシートとめっき多孔体との接触部分に、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系、の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）、のいずれかの金属の粒子を含むペーストを配置して、前記還元接合を行うことを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の電極接続構造の製造方法。
【請求項１７】
前記電気化学反応は、前記電極に還元性ガスを含む気体を導入するプロセスを備え、前記電気化学反応の装置が未操業のとき前記電極と前記金属のメッシュシートとは還元接合されていないで、操業を開始して該電気化学反応の装置に前記還元性ガスを含む気体を導入することで前記還元接合が実現されることを特徴とする、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の電極接続構造の製造方法。
【請求項１】
電気化学反応に用いるための、電極と集電体との接続構造であって、
前記電極は、イオン導電性セラミックスを含んで、多孔質であり、
前記集電体は多孔質金属体であり、
前記電極と前記多孔質金属体とが、還元接合されていることを特徴とする、電極接続構造。
【請求項２】
前記多孔質金属体が、金属のメッシュシートであることを特徴とする、請求項１に記載の電極接続構造。
【請求項３】
前記還元接合された接合部および該接合部の周囲に金属粒子が位置することを特徴とする、請求項１または２に記載の電極接続構造。
【請求項４】
金属のメッシュシートが、金属の織布、または金属の織布にめっき処理が施されたものであることを特徴とする、請求項２または３に記載の電極接続構造。
【請求項５】
前記金属のメッシュシートおよび／または金属粒子が、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）のいずれかで形成されていることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか１項に記載の電極接続構造。
【請求項６】
前記集電体が、前記金属のメッシュシートに導電接続する第２の多孔質金属体を備え、該第２の多孔質金属体は前記気体が素通りしないように該気体の流れを遮るように位置することを特徴とする、請求項２〜５のいずれか１項に記載の電極接続構造。
【請求項７】
前記金属のメッシュシートと前記第２の多孔質金属体とが、還元接合されていることを特徴とする、請求項６に記載の電極接続構造。
【請求項８】
前記金属のメッシュシートは前記電極の全面にわたって位置しており、前記第２の多孔質金属体は、前記金属のメッシュシートが当該第２の多孔質金属体で接触されない部分があるように、断続的に配置されていることを特徴とする、請求項６または７に記載の電極接続構造。
【請求項９】
前記第２の多孔質金属体がめっき多孔体であって、該めっき多孔体が、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）のいずれかで形成されていることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１項に記載の電極接続構造。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の電極接続構造を用いたことを特徴とする、燃料電池。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の電極接続構造を用いたことを特徴とする、ガス除害装置。
【請求項１２】
電気化学反応に用いるための、電極と集電体との接続構造を製造する方法であって、
前記電極の全面にわたって金属のメッシュシートを接触させて配置する工程と、
少なくとも前記電極および金属のメッシュシートが位置する空間を、拡散による接合が行われる温度にし、かつその温度で前記メッシュシートの金属に対して酸化性とならない雰囲気にする工程とを備え、
前記雰囲気および温度において、前記電極と金属のメッシュシートとが還元接合する時間、保持することを特徴とする、電極接続構造の製造方法。
【請求項１３】
前記酸化性とならない雰囲気を実現するために、前記空間に漏れがあるかリークディテクタで測定することを特徴とする、請求項１２に記載の電極接続構造の製造方法。
【請求項１４】
さらに前記金属のメッシュシートに、前記電気化学反応に関与するガスの素通りを防止するためのめっき多孔体を接触させて、該めっき多孔体と前記金属のメッシュシートとを還元接合することを特徴とする、請求項１２または１３に記載の電極接続構造の製造方法。
【請求項１５】
前記電極と金属のメッシュシートとの還元接合、および前記金属のメッシュシートと前記めっき多孔体との還元接合を、同じ機会に並行して進めることを特徴とする、請求項１４に記載の電極接続構造の製造方法。
【請求項１６】
前記電極と金属のメッシュシートとの接触部分、および／または前記金属のメッシュシートとめっき多孔体との接触部分に、（Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｕ系およびＮｉ−Ｗ系、の一種以上を含む単相の金属、並びに、前記金属をめっき層とする複合の金属）、のいずれかの金属の粒子を含むペーストを配置して、前記還元接合を行うことを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の電極接続構造の製造方法。
【請求項１７】
前記電気化学反応は、前記電極に還元性ガスを含む気体を導入するプロセスを備え、前記電気化学反応の装置が未操業のとき前記電極と前記金属のメッシュシートとは還元接合されていないで、操業を開始して該電気化学反応の装置に前記還元性ガスを含む気体を導入することで前記還元接合が実現されることを特徴とする、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の電極接続構造の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−１１３３７（Ｐ２０１２−１１３３７Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５１３７９（Ｐ２０１０−１５１３７９）
【出願日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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