JP5732825B2 - 筒状ｍｅａの製造方法、この筒状ｍｅａを備えるガス分解素子及び発電装置 - Google Patents

Description

本願発明は、筒状ＭＥＡの製造方法等に関する。詳しくは、ガス分解素子に用いて所定のガスを効率良く分解することができる筒状ＭＥＡの製造方法、これを備えて構成されるガス分解素子及び発電装置に関する。

たとえば、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ため、水中や大気中のアンモニアを分解する種々の方法が知られている。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、アンモニア水を噴霧するとともに空気流と接触させて空気中にアンモニアを分離し、次亜臭素酸溶液又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、上記方法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（特許文献２）や、アンモニア含有排水を、触媒を用いて、窒素と水に分解する方法が提案されている（特許文献３）。さらに、半導体製造装置の廃ガスには、アンモニア、水素等が含まれることが多く、アンモニアの異臭を完全に除去するには、ｐｐｍオーダーにまで除去する必要がある。この目的のために、半導体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で有害ガスを分解するために、リン酸燃料電池でアンモニアを分解する、半導体製造装置等における廃ガス処理の方法も提案されている（特許文献４）。

特開平７−３１９６６号公報 特開平７−１１６６５０号公報 特開平１１−３４７５３５号公報 特開２００３−４５４７２号公報 特許第３２３８０８６号公報

特許文献１に記載されているような中和剤等の薬液を用いる方法、特許文献２に記載されているような燃焼させる方法、特許文献３に記載されているような触媒を用いた熱分解反応による方法により、アンモニアを分解することはできる。ところが、これらの方法では、薬品や外部エネルギ（燃料）を必要とし、さらには、触媒を定期的に交換する必要があり、ランニングコストが大きくなるという問題がある。

また、装置が大掛かりとなり、既存の設備に付加的に設ける場合には、スペースを確保するのが困難である。また、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去に用いる装置についても、電解質が液体であるため、空気側とアンモニア側との仕切りをコンパクトにできず、装置の小型化が難しいという問題があった。

上記問題を解決するため、特許文献５に記載されているように、筒状の固体電解質層と、この固体電解質層を内外から挟むようにして積層形成された第１の電極層及び第２の電極層とを備えて構成される筒状ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を採用することができる。

従来、上記筒状ＭＥＡは、固体電解質層を圧粉成形等によって成形して焼成し、その後に、燃料極を上記固体電解質層に積層成形して焼成し、さらに、空気極を種々の手法を用いて別途形成する必要があった。このため、製造工数が増加するとともに、製造コストが増加するという問題があった。

本願発明は、固体電解質を用いた電気化学反応を利用することによって、ランニングコストを抑えながら大きな処理能力を得ることができるとともに、筒状ＭＥＡの製造工程及び製造コストを低減させることのできる、筒状ＭＥＡの製造方法を提供することを課題とする。

本願発明は、筒状の固体電解質層と、この固体電解質層を内外から挟むようにして積層形成された第１の電極層及び第２の電極層とを備えて構成される筒状ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、ラバープレス成形法を用いて成形を行う筒状ＭＥＡの製造方法であって、上記固体電解質層又は上記電極層の１つを構成する第１の未焼成筒状部を、内部空間を埋める中心型部を設けた筒状の加圧ゴム型に、所定の粉体材料を充填して加圧することにより成形する第１の成形工程と、上記加圧を解除することにより、上記加圧ゴム型及び上記第１の未焼成筒状部の内周部を拡径して、上記中心型部の外周部と上記第１の未焼成筒状部との間に、筒状型部を形成する型空間形成工程と、上記筒状型部に、所定の粉体材料を充填するとともに再加圧することにより、上記固体電解質層又は上記電極層の他の１つを構成する第２の未焼成筒状部を成形する第２の成形工程と、上記第１の未焼成筒状部と上記第２の未焼成筒状部とを備える筒状体を焼成して筒状焼成体を形成する焼成工程とを含んで構成される。

本願発明に係る筒状ＭＥＡの製造方法においては、上記第１の成形工程と上記第２の成形工程とによって、上記第１の未焼成筒状部と上記第２の未焼成筒状部とが一体成形された未焼成筒状体が形成される。そして、その後に、この未焼成筒状体が一体として焼成される。

すなわち、本願発明では、上記固体電解質層と、少なくとも一方の電極層が、一体成形され、一体的に焼成される。このため、これら部位を別途形成する場合に比べて製造工程数を減少させることができるとともに、製造コストを削減できる。

また、互いに積層される固体電解質層と一方の電極層とを未焼成状態で一体成形し、その後に一体的に焼成することができる。このため、上記固体電解質層と上記一方の電極層とが密着して成形されることになり、これら固体電解質層と一方の電極層との間の良好な導電性が接合面全域において確保される。したがって、ガス分解能力の高い筒状ＭＥＡを形成することができる。

また、上記固体電解質層と上記電極層の残りの１つを構成する第３の未焼成筒状部を所定の粉体材料を用いて積層形成する第３の成形工程を含み、上記焼成工程において、上記第１の未焼成筒状部と上記第２の未焼成筒状部と上記第３の未焼成筒状部とを一度に焼成することもできる。これにより、固体電解質層とこれを挟むように形成される２つの電極層とを一度の焼成工程において焼成することが可能となり、工程数をさらに削減することができる。

上記第１の成形工程及び上記第２の成形工程において、上記固体電解質層を構成する第１の未焼成筒状部と、この第１の未焼成筒状部の内側に形成される一方の電極層とを形成するとともに、これら未焼成筒状部を備える筒状体を焼成する上記焼成工程後に、上記固体電解質層の外周部に、他方の電極層を形成する電極層形成工程を行うことができる。

すなわち、固体電解質層と一方の電極層を成形及び焼成した後、他方の電極層を別途形成するものである。上記他方の電極層を形成する手法は、特に限定されることはない。たとえば、他方の電極層形成材料を他の２層が焼成された筒状体に積層成形した後に、再度焼成することができる。また、他方の電極を焼成以外の手法で形成することもできる。たとえば、溶射等の手法を用いて形成することができる。

上記第１の電極層及び／又は上記第２の電極層の表面に、多孔質導電層を形成する導電層形成工程を含ませることができる。

第１の電極及び第２の電極の集電体を複数の部材で構成する場合、部材間の接触抵抗が大きいと、電極における電気化学反応を阻害し、ガス分解の効率が低下する。たとえば、第１の電極（アノード）の集電体として、多孔質金属体を、上記筒状ＭＥＡの内面側に挿入して、上記第１の電極と直接接触させる構成を採用する場合、これら多孔質金属体と第１の電極の間の接触面積や接触圧を大きくすることが困難であり、これら部材間の抵抗が増大するという問題があった。

上記不都合を回避する手法として、金属メッシュシートを上記電極に接触状態で保持することにより、上記電極と集電体との接触抵抗を低減させることができる。たとえば、内側に形成された第１の電極層の内周面の全面に接触するように１枚の金属メッシュシートを配置することができる。また、上記金属メッシュシートの内側に多孔質金属体を挿入することによって、多孔質金属体内の樹枝状金属同士が押し合わされ、また金属メッシュシートと多孔質金属体間で互いに相手方の隙間に入り込んで相互に接触させられ、接触抵抗を低下させることができる。

一方、上記第１の電極層の内面に対して、金属メッシュシートを全面均一に接触させるのは困難である。すなわち、第１の電極層の表面と上記金属メッシュシート間の接触圧力が異なったり、一部が第１の電極の表面から浮き上がることが多い。このような場合、第１の電極の表面において均一な集電を行うことができなくなり、第１の電極の全領域で均一な電気化学反応を生じさせることができない。このため、電気化学反応の効率が低下する。上記導電層を第１の電極層の表面に形成することにより、電極層と集電体との間の導電性を全域において確保することができる。また、上記導電層が多孔質であるため、各電極層に対するガスの接触を妨げることもない。

上記多孔質導電層として、多孔質の導電性ペースト塗布層を設けることができる。たとえば、上記第１の電極の内周面に多孔質の導電性ペースト塗布層を設けることにより、上記第１の電極と上記多孔質金属体とが、上記多孔質の導電性ペースト塗布層及び金属メッシュシートを介して導通させられる。

上記導電性ペースト塗布層を設けることにより、金属メッシュシートの表面の一部を上記導電性ペースト塗布層に埋め込むようにして、上記金属メッシュシートと上記第１の電極間を確実に導通させることができる。このため、これらの間の接触抵抗を大幅に低減させることができる。また、上記金属メッシュシートの全面を上記第１の電極に対して均一に接触させることができる。このため、上記第１の電極と上記金属性メッシュシート間の電気抵抗が部分的に増大することはない。また、上記導電性ペースト塗布層を、第１の電極の全面に塗布することにより、上記金属メッシュシートが上記導電性ペースト塗布層から離間した場合でも、第１の電極表面における集電を確保することが可能となる。このため、温度等の作用によって上記金属メッシュシートの一部が、上記導電性ペースト塗布層から離間した場合であっても、集電効果が低下することはない。しかも、上記導電性ペースト塗布層は多孔質であるため、上記第１の電極にガスが接触することを妨げることもない。したがって、上記第１の電極層の全領域において電気化学反応を均一に生じさせてガス分解反応の効率を大幅に向上させることが可能となり、気体分解の処理能力を増大させることができる。

上記金属メッシュシートの形態は特に限定されることはない。たとえば、上記金属メッシュシートを、筒状に形成して、上記第１の電極を覆うように全面に配置することができる。

また、上記金属メッシュシートの外観構成も特に限定されることはない。たとえば、織布、不織布、打ち抜きシート等を採用できる。柔軟性、孔径の均一性等を確保するには、織布を採用するのが好ましい。

金属メッシュシートを構成する金属材料も特に限定されることはない。たとえば、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｗ等の材料から形成された金属メッシュシートを採用するのが好ましい。また、表層に銀メッキ層等が形成された金属メッシュシートを採用することもできる。また、触媒反応を期待する場合には、Ｎｉ−Ｗ等の材料から形成された金属メッシュシートを採用するのが好ましい。

上記多孔質の導電性ペースト塗布層は、種々の導電性粒子を含むペーストから形成することができる。たとえば、上記多孔質の導電性ペースト塗布層を、銀粒子を含むペーストから形成することができる。銀粒子は導電性が高く、上記第１の電極の集電体としての電気抵抗を低下させて、ガス分解の処理能力を向上させることができる。また、安定性が良く、酸化することもほとんどない。

上記銀ペースト以外の導電性ペーストを採用することもできる。たとえば、金粒子を含む導電性ペースト、プラチナ粒子を含む導電性ペースト等を採用できる。

ガス分解反応の効率を高めるため、上記導電性ペースト塗布層の気孔率を、２０〜８０％に設定するのが好ましい。気孔率が２０パーセント以下である場合、ガスを導電性ペースト塗布層内へ導くのが困難になり、効率を高めることができない。一方、気孔率が８０％以上になると、充分な導電性を確保するのが困難であるとともに、塗布層の強度を確保できない。さらに、気孔率を４０〜６０％に設定するのがより好ましい。

上記導電性ペースト塗布層の厚みは、５〜３００μｍに設定することができる。５μｍ以下では、金属メッシュシートを導電性ペースト塗布層に対して均一に接触させることができず、充分な導電性を確保するのが困難である。一方、３００μｍ以上では、充分な気孔率を有する導電性ペースト塗布層を形成するのが困難となる。導電性と気孔率を確保するために、５〜１００μｍの厚みの導電性ペースト塗布層を設けるのがより好ましい。

上記導電性ペースト塗布層を多孔質に形成する手法も特に限定されることはない。所要の気孔率を確保するために、所定温度で消失するバインダを所定量配合して導電性ペーストを構成できる。また、バインダが消失する際の導電性ペースト塗布層の収縮を防止するために、昇華型のバインダを配合するのが好ましい。たとえは、ナフタレン系のバインダを配合した導電性ペーストを採用するのが好ましい。上記導電性ペースト塗布層は、所定温度に加熱して上記バインダを除去して多孔質化され、さらに、温度を高めて導電性粒子が焼成されることにより、多孔質状の導電性ペースト塗布層が形成される。

上記導電性ペースト塗布層を設ける形態も特に限定されることはない。たとえば、上記多孔質の導電性ペースト塗布層を、内側に形成された第１の電極層の全面に形成することができる。導電性ペースト塗布層を第１の電極層の全面に形成することにより、金属メッシュシートの一部が上記導電性ペースト塗布層から離間した場合にも、集電性能が低下することはなくなる。

また、上記多孔質の導電性ペースト塗布層を所定のパターンで設けることもできる。たとえば、上記多孔質導電性ペースト塗布層が、上記金属メッシュシートに帯状又は格子状に対接するように形成することができる。上記パターンで形成することにより、高価な金属粒子を含む導電性ペーストを採用する場合に、コストを低減させることができる。

上記導電層形成工程は、筒状ＭＥＡの製造工程のいずれの段階においても行うことができる。たとえば、上記未焼成筒状体に、導電性ペーストを積層塗布した後に、上記ペーストが多孔質化する温度に保持し、その後、温度を高めて未焼成筒状体を一体的に焼成することができる。また、請求項１又は請求項２に記載した筒状体が焼成された後に、導電性ペーストを塗布して別途多孔質化することもできる。

本願発明は、上記未焼成成形体をラバープレス成形法を用いて成形を行う筒状ＭＥＡの製造方法に係るものである。すなわち、内部空間を埋める中心型部を設けた筒状の加圧ゴム型に、所定の粉体材料を充填して加圧することにより、第１の未焼成筒状部を成形する第１の成形工程と、上記加圧を解除することにより、上記加圧ゴム型及び上記第１の未焼成筒状部の内周部を拡径して、上記中心型部の外周部との間に、上記第２の未焼成筒状部に対応する筒状型部を形成する型空間形成工程と、上記筒状型部に、所定の粉体材料を充填するとともに再加圧することにより、上記第２の未焼成筒状部を成形する上記第２の成形工程とを含んで、上記筒状ＭＥＡの製造方法を構成できる。

ラバープレス成形法は、ゴム型内に粉体又は予備成形した圧粉体を充填し、その外周から高い静水圧を加えて、均質な圧縮成形体を形成する方法である。上記ゴム型は、圧縮過程において圧縮変形させられるとともに、圧縮力を解除すると弾性によってもとの形態に戻る。すなわち、上記ゴム型の圧縮−復元の変形を利用して、筒状体ＥＭＡを成形するものである。

上記製造方法では、まず、第１の未焼成筒状部を、ラバープレス成形の通常の手法によって形成する第１の成形工程が行われる。その後、静水圧を解除する際に、中心型部の周りで圧縮成形された未焼成筒状部を、ゴム型の内面に付着させるようにして内周部を拡径することにより、上記中心型部の外周部と第１の未焼成筒状部の内周部との間に、上記第２の未焼成筒状部に対応する筒状型部を形成する型空間形成工程が行われる。そして、上記筒状型部内に、第２の未焼成筒状部を形成する粉体材料を充填して、再度静水圧を加えることにより、上記第１の未焼成筒状部と上記第２の未焼成筒状部とを一体成形する。その後、上記第１の未焼成筒状部と上記第２の未焼成筒状部とを備える筒状体を一体的に焼成することにより、固体電解質層と一方の電極層とを備える筒状体を形成することができる。

上記製造手法を採用することにより、固体電解質層と一方の電極層を連続的に形成することができるとともに、一度の焼成工程において焼成することが可能となる。このため、製造工程を削減できるとともに、製造コストを低減させることができる。

また、ラバープレス成形法を用いて成形を行う筒状ＭＥＡの製造方法において、内部空間を埋める中心型部を設けた筒状の加圧ゴム型に、所定の粉体材料を充填して加圧することにより、第１の未焼成筒状部を成形する第１の成形工程と、上記加圧を解除することにより、上記加圧ゴム型を拡径して、上記加圧ゴム型内周部と上記第１の未焼成筒状部の外周部との間に、上記第２の未焼成筒状部に対応する筒状型部を形成する型空間形成工程と、上記筒状型部に、所定の粉体材料を充填するとともに再加圧することにより、上記第２の未焼成筒状部を成形する上記第２の成形工程とを含ませることができる。

上記発明は、第１の成形工程において成形された第１の未焼成筒状部の外周側に、第２の未焼成筒状部を形成するための筒状形成空間を形成するように構成したものである。この手法を採用することにより、上述した発明と同様に、製造工程を削減できるとともに、製造コストを低減させることができる。

また、筒状の固体電解質層と、この固体電解質層を内外から挟むようにして積層形成された第１の電極層及び第２の電極層とを備えて構成される筒状ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の製造方法において、所定の処理を行うことにより消失させることができる棒状犠牲型部の外周部に、上記第１の未焼成筒状部を成形する第１の成形工程と、上記第１の未焼成筒状部の外周部に、上記第２の未焼成筒状部を成形する第２の成形工程と、上記棒状犠牲型部を消失させる犠牲型部消失工程と、上記第１の未焼成筒状部と上記第２の未焼成筒状部とを備える筒状体を焼成して筒状焼成体を形成する焼成工程を含む製造方法を採用することもできる。

上記製造方法では、棒状の犠牲型部の外周部に、第１の未焼成筒状部と第２の未焼成筒状部とを連続した成形工程によって成形することができる。上記成形法は特に限定されることはない。上記犠牲型部の外周部に、第１の未焼成筒状部と上記第２の未焼成筒状部を構成する材料を、所定の厚みで順に塗布することにより、上記各工程を行うことができる。また、２色射出成形法等を利用して、上記第１の未焼成筒状部と第２の未焼成筒状部とを積層形成することもできる。

上記犠牲型部は、所定の処理を施すことにより消失させることができるように構成される。たとえば、上記筒状部を構成する材料に配合されるバインダと同様の樹脂材料を用いて犠牲型部を形成し、焼成工程前に、上記バインダが昇華する温度に所定時間保持することにより、焼成工程前に消失させることができる。

上記犠牲型部を採用することにより、第１の未焼成筒状部と第２の未焼成筒状部とを精度高く成形することが可能となる。また、連続した工程において２つの未焼成筒状部を形成できるとともに、一度の焼成工程においてこれら未焼成筒状部を一体的に焼成することができる。したがって、製造工程を削減できるとともに、製造コストを低減させることができる。

上記犠牲型部を用いた成形方法は、固体電解質層とこれを挟むように配置される２つの電極層の３層を一度に成形することもできる。すなわち、所定の処理を行うことにより消失させることができる棒状犠牲型部の外周部に、上記電極層の１つを構成する上記第１の未焼成筒状部を成形する第１の成形工程と、上記第１の未焼成筒状部の外周部に、上記固体電解質層を構成する第２の未焼成筒状部を成形する第２の成形工程と、上記第２の未焼成筒状部の外周部に、上記電極層の残りの１つを構成する第３の未焼成筒状部を成形する第３の成形工程と、上記棒状犠牲型部を消失させる犠牲型部消失工程と、上記第１の未焼成筒状部と上記第２の未焼成筒状部と上記第３の未焼成筒状部とを備える筒状体を焼成して筒状焼成体を形成する焼成工程を含む製造方法を採用することもできる。

上記製造方法において、上記第１の電極層及び／又は上記第２の電極層の表面に、多孔質導電層を形成する、導電層形成工程を含ませることができる。

導電層形成工程は、上記固体電解質層及び電極層の成形工程と別途に行うことができる。また、上記固体電解質層及び上記電極層を構成する未焼成筒状体に積層して導電層形成材料を設け、上記犠牲型部消失工程において、上記導電層を多孔質化することもできる。

上記第１の電極層及び上記第２の電極層を構成する材料は特に限定されることはない。たとえば、上記第１の電極、及び／又は、第２の電極を、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする金属粒連鎖体と、イオン導電性セラミックスとを含む焼成体とすることができる。 金属粒連鎖体は、金属粒が連なってできた数珠状の細長い金属体をいう。Ｎｉ、Ｆｅ含有Ｎｉ、もしくはＮｉ，Ｆｅ含有Ｎｉに微量Ｔｉを含む金属とするのがよい。Ｎｉなどは表面酸化された状態では、その金属粒連鎖体の表面が酸化されており、中身（表層の内側の部分）は酸化されずに金属の導電性を保持している。

このため、たとえば固体電解質層内を移動するイオンが陰イオンの場合（陽イオンの場合もある）、次のような作用効果が生じる。
（Ａ１）金属粒連鎖体を第１の電極層（アノード）に含有させた場合、アノードにおいて、固体電解質層から移動してくる陰イオンと、アノード外部からアノードへと導かれる気体中のガス分子との化学反応を、金属粒連鎖体の酸化層によって促進させ（触媒作用）、かつ陰イオンを参加させてアノードでの化学反応を促進させる（電荷による促進作用）。そして、その化学反応の結果、生じる電子の導電性を、金属粒連鎖体の金属部分で確保することができる。この結果、アノードにおける電荷の授受を伴う電気化学反応を、全体的に促進することができる。金属粒連鎖体を第１の電極（アノード）に含有させた場合、アノードにおいて、陽イオンたとえばプロトンを発生させて固体電解質層中をカソードへと陽イオンを移動させ、上記の電荷による促進作用を、同様に得ることができる。
ただし、金属粒連鎖体の酸化層については、使用前は焼成処理によって確実に形成されているが、使用中に還元反応によって酸化層がなくなることが多い。酸化層がなくなっても、上記の触媒作用は減ずることはあってもなくなることはない。とくにＦｅやＴｉを含有させたＮｉは、酸化層がなくても触媒作用は高い。
（Ａ２）金属粒連鎖体を第２の電極層（カソード）に含有させた場合、カソードにおいて、カソード外部からカソードへと導かれる気体中のガス分子の化学反応を、金属粒連鎖体の酸化層によって促進させ（触媒作用）、かつ外部回路からの電子の導電性を向上させて、当該電子を参加させてカソードでの化学反応を促進させる（電荷による促進作用）。そして、当該分子から効率よく陰イオンを生じて、固体電解質層へと送り出すことができる。（Ａ１）と同様に、（Ａ２）の場合、固体電解質層中を移動してきた陽イオンと、外部回路を流れてきた電子と、第２の気体との電気化学反応を促進することができる。このため、上記アノードに含ませる場合と同様に、カソードにおける電荷の授受を伴う電気化学反応を、全体的に促進することができる。どのような場合に、金属粒連鎖体をカソードに含ませるかは、分解対象のガスによって変わる。
（Ａ３）金属粒連鎖体をアノードおよびカソードに含有させた場合は、上記（Ａ１）および（Ａ２）の効果を得ることができる。

上記の電気化学反応は、イオンの固体電解質層を移動する速度または移動時間で律速される場合が多い。イオンの移動速度を大きくするために、上記のガス分解素子は、加熱機器たとえばヒータを備え、高温、たとえば６００℃〜１０００℃にするのが普通である。高温にすることで、イオン移動速度だけでなく、電極での電荷授受をともなう化学反応も促進される。

固体電解質層を移動するイオンが陰イオンの場合は、上述のように、カソードでの化学反応によって発生し、供給される。カソードにおいて導入された流体中の分子と電子とが反応して陰イオンが生成する。生成した陰イオンは、固体電解質層中をアノードへと移動する。カソードでの反応に参加する電子は、アノードとカソードとを連絡する外部回路（蓄電器、電源、電力消費機器を含む）から入ってくる。固体電解質層を移動するイオンが陽イオンの場合は、アノードでの電気化学反応によって発生して固体電解質層中をカソードへと移動する。電子はアノードで発生して外部回路をカソードへと流れてカソードでの電気化学反応に参加する。上記電気化学反応は、燃料電池としての発電反応であってもよいし、または電気分解反応であってもよい。

また、固体電解質が、酸素イオン導電性またはプロトン導電性を有する構成をとることができる。酸素イオン導電性の固体電解質を用いた場合、たとえばカソードで電子と酸素分子とを反応させて酸素イオンを生じさせ、これを固体電解質層を移動させてアノードにて所定の電気化学反応を起こさせることができる。この場合、酸素イオンの固体電解質層中の移動速度はプロトンと比べて大きくないので、実用レベルの分解容量を得るには、温度を十分高める、及び／又は固体電解質層の厚みを十分薄くする、などの対策が必要である。
一方、プロトン導電性の固体電解質は、バリウムジルコネート（ＢａＺｒＯ_３）などが知られている。プロトン導電性の固体電解質を用いると、たとえばアノード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層を経てカソードへと移動させ、カソードにおいて酸素と反応して水（Ｈ_２Ｏ）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層中の移動速度は大きいので、加熱温度を低くして実用レベルの分解容量を得ることができる。

また、たとえば筒状ＭＥＡを用いてアンモニア分解を行うとき、内側をアノードとした場合、酸素イオン導電性の固体電解質では、水を筒状体の内側（アノード）で生成する反応となる。水は、温度が低い出口付近では水滴を形成して圧力損失の原因となる。これに対して、プロトン導電性の固体電解質を用いると、プロトンと酸素分子と電子とが、カソード（外側）で生成する。外側はほぼ開放されているので、水滴となって付着しても圧力損失を生じにくい。

また、分解対象のガスを燃料とし、ガス分解素子によって燃料電池を構成して発電を行うこともできる。

分解の対象となるガスも特に限定されることはない。たとえば、上記のいずれかのガス分解素子を備え、第１の電極にアンモニアを含む気体を導入し、第２の電極に酸素分子を含む気体を導入することができる。これによって、第２の電極（カソード）で発生させた酸素イオンを第１の電極（アノード）に移動させて、第１の電極においてアンモニアと酸素イオンとを、金属粒連鎖体による触媒作用、およびイオンによる促進作用のもとで反応させて、さらに反応の結果生じる電子を速やかに移動させることができる。

本発明に係るガス分解素子は、ガス除害だけでなく、燃料電池や、ガス分解を利用した独自の電気化学反応装置の分野で、装置の基礎となる電極等に用いられて、電気化学反応の効率向上、装置の小型化、低いランニングコスト等を得ることに貢献できる。

本発明のガス分解素子の製造方法によって、ガス分解効率が高く、またランニングコストの低いガス分解装置を構成する筒状ＭＥＡを製造できるとともに、製造工程数及び製造コストを低減させることができる。

（ａ）本願発明の実施の形態１におけるガス分解素子を示す縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＩＢ−ＩＢ線に沿う断面図である。 図１のガス分解素子の電気配線系統を示す図である。 筒状ＭＥＡに対する外部配線及び気体搬送路の接続形態を示す図である。 本願発明の第１の実施形態に係る筒状ＭＥＡの製造方法のフローチャートである。 （ａ）（ｂ）は、本願発明の第１の実施形態に係る筒状ＭＥＡの製造方法における各工程を示す図である。 （ｃ）（ｄ）は、本願発明の第１の実施形態に係る筒状ＭＥＡの製造方法における各工程を示す図である。 （ｅ）（ｆ）は、本願発明の第１の実施形態に係る筒状ＭＥＡの製造方法における各工程を示す図である。 （ｇ）（ｈ）は、本願発明の第１の実施形態に係る筒状ＭＥＡの製造方法における各工程を示す図である。 本願発明の第２の実施形態に係る筒状ＭＥＡの製造方法のフローチャートである。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は、本願発明の第２の実施形態に係る筒状ＭＥＡの製造方法における各工程を示す図である。 （ｄ）（ｅ）（ｆ）は、本願発明の第２の実施形態に係る筒状ＭＥＡの製造方法における各工程を示す図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、本願発明の第３の実施形態に係る筒状ＭＥＡの製造方法における各工程を示す図である。 （ｅ）（ｆ）（ｇ）は、本願発明の第３実施形態に係る筒状ＭＥＡの製造方法における各工程を示す図である。

以下、本願発明の実施の形態を図を用いて具体的に説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１に係るガス分解素子１０の縦断面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＩＢ−ＩＢ線に沿う断面図である。なお、本実施形態では、特に、本願発明をアンモニアガスを分解するガス分解素子に適用した場合について説明する。

ガス分解素子１０は、円筒状の固体電解質層１の内面を覆うように第１の電極層（アノード）２が設けられるとともに、外面を覆うように第２の電極層（カソード）５が設けられた筒状ＭＥＡ７（１，２，５）を備えて構成されている。第１の電極層（アノード）２は燃料極、また、第２の電極層（カソード）５は空気極と呼ばれることがある。本実施形態に係る上記筒状ＭＥＡ７（１，２，５）は、図１に示すように、直円筒状に形成されている。筒状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寸法等を設定できる。本実施形態のガス分解素子１０では、円筒状の筒状ＭＥＡ７の内筒を埋めるように、アノード側集電体１１が配置されている。また、第２の電極層（カソード）の外面に巻き付くようにカソード側集電体１２が配置されている。

上記アノード側集電体１１は、銀ペースト塗布層１１ｇとＮｉメッシュシート１１ａと多孔質金属体１１ｓと中心導電棒１１ｋとを備えて構成されている。上記Ｎｉメッシュシート１１ａは、銀ペースト塗布層１１ｇを介して、筒状ＭＥＡ７の内面側の第１の電極層（アノード）に接触して、多孔質金属体１１ｓから中心導電棒１１ｋへと導電するように構成されている。多孔質金属体１１ｓは、アンモニアガス等の気体の圧力損失を低減させるために、気孔率を高くできる金属メッキ体、たとえば、セルメット（登録商標：住友電気工業株式会社）を用いるのが好ましい。第１の電極層（アノード）とアノード側集電体１１との間の電気抵抗を低減させるために、上記銀ペースト塗布層１１ｇとＮｉメッシュシート１１ａとが配置されている。

上記カソード側集電体１２は、銀ペースト塗布配線１２ｇとＮｉメッシュシート１２ａとを備えて構成されている。本実施形態では、Ｎｉメッシュシート１２ａが、筒状ＭＥＡ７の外面に接触して、外部配線へと導電している。銀ペースト塗布配線１２ｇは、第２の電極層（カソード）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を含み、かつカソード側集電体１２の電気抵抗を低くすることに寄与する。所定の性状の銀ペースト塗布配線１２ｇは、酸素分子を通しながら銀粒子が第２の電極層（カソード）に接触して、第２の電極層（カソード）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、第２の電極層（カソード）に含ませるより安価である。

図２は、固体電解質層１が酸素イオン導電性である場合における、図１のガス分解素子１０の電気配線系統を示す図である。アンモニアを含む気体は、気密性を厳格にした筒状ＭＥＡ７の内筒、すなわちアノード側集電体１１が配置されている空間に導入される。筒状ＭＥＡ７を用いた場合、内面側に気体を通すことから、多孔質金属体１１ｓが用いられる。圧力損失を低くする点から、上述のように、多孔質金属体１１ｓとして、多孔質金属めっき体、たとえば、上述したセルメットを用いることができる。アンモニアを含む気体は、多孔質金属体１１ｓ、Ｎｉメッシュシート１１ａ、及び多孔質の銀ペースト塗布層１１ｇの空隙を通りながら、第１の電極層（アノード）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Ｏ^2-は、第２の電極層（カソード）での酸素ガス分解反応によって生じ、固体電解質層１を通って第１の電極層（アノード）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層１を移動する場合の電気化学反応である。

第１の電極層（アノード）では、以下の反応が生じている。
（アノード反応）：２ＮＨ₃ ＋３Ｏ^2-→Ｎ₂ ＋３Ｈ₂ Ｏ＋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３Ｏ^2-と反応して３Ｈ₂ Ｏを生成する。第２の電極層（カソード）には空気、とくに酸素ガスが、スペースＳを通るように導入され、第２の電極層（カソード）において酸素分子から分解した酸素イオンを第１の電極層（アノード）に向かって固体電解質層１へと送り出す。

第１の電極層（カソード）では、以下の反応が生じている。
（カソード反応）：Ｏ₂ ＋４ｅ^- →２Ｏ^2-
上記の電気化学反応の結果、電力が発生し、第１の電極層（アノード）と第２の電極層（カソード）との間に電位差を生じ、カソード側集電体１２からアノード側集電体１１へと電流Ｉが流れる。カソード側集電体１２とアノード側集電体１１との間に負荷、たとえばこのガス分解素子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い。多くの場合、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。

上記のガス分解素子１０では、筒状ＭＥＡ７の内面側の第１の電極層（アノード）においては、アノード側集電体１１の電気抵抗を低くしながら、ここを通る気体の圧力損失を低くすることが重要である。また、第２の電極層（カソード）側においては、空気は円筒内を通らないが、空気と第２の電極層（カソード）との接触箇所を高密度化し、カソード側集電体１２の低抵抗化するのが重要である。

上記は、陰イオンである酸素イオンが固体電解質層１を移動する電気化学反応であるが、固体電解質層１に、たとえばバリウムジルコネート（ＢａＺｒＯ_３）を用いてプロトンを第１の電極層（アノード）で発生させて固体電解質層１中を第２の電極層（カソード）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層１を用いると、たとえばアンモニアを分解する場合、第１の電極層（アノード）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層１を経て第２の電極層（カソード）へと移動させ、第２の電極層（カソード）において酸素と反応して水（Ｈ₂ Ｏ）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層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。固体電解質層１の厚みも、強度を確保できる厚みにすることができる。

図３は、中心導電棒１１ｋと外部配線１１ｅとの接続形態、および筒状ＭＥＡ７と気体搬送路４５との接続形態を示す図である。筒状ＭＥＡ７の端には、フッ素樹脂製の管状継ぎ手３０が嵌め合わされる。嵌め合わせは、管状継ぎ手３０の本体部３１から固体電解質層１へと延びる締結部３１ｂの内面側に収納されたＯリング３３が、焼成体であるセラミックスの固体電解質層１の外面に当接された状態が維持されるように行う。このため、管状継ぎ手３０の締結部３１ｂは、外径がテーパ状に形成されており、そこにねじが切られ、そのねじに環状ねじ３２が螺合される。環状ねじを外径が大きくなる方向へと螺合することで、締結部３１ｂは、外面から締め付けられ、Ｏリング３３による気密性を調節することができる。

管状継ぎ手３０の本体部３１には、気密性を保ってその本体部３１を貫通する導電貫通部３７ｃが設けられ、気密性を保つために封止樹脂３８等が塗られている。この導電貫通部３７ｃは、円柱棒で、外部配線１１ｅと確実な導電接続を行うためにナット３９を螺合させるねじを切っておくのがよい。導電貫通部３７ｃの管内先端には導電線３７ｂが接合されており、この導電線３７ｂの他端には接続板３７ａが接合されている。
接続板３７ａと、中心導電棒１１ｋの先端部３５との導電接続は、接続器具たとえばドライバを用いて、そのドライバを管状継ぎ手３０の突き出し孔部３１ａを通して、ねじ３４を螺合することにより行う。ドライバによるねじ３４の締め付けによって、先端部３５と接続板３７ａとの導電接続における電気抵抗（接触抵抗）をほとんどなくすことができる。

また、カソード側集電体１２のＮｉメッシュシート１２ａの端部の外周に、外部配線１２ｅを周回させることで、外部への引き出しを行うことができる。第２の電極層（カソード）は、筒状ＭＥＡ７の外面側に位置するので、アノード側集電体１１から外部への引き出しほど困難ではない。

気体搬送路４５は、弾性変形可能な樹脂等の管路を用いるのがよい。上記管路の端部を、突き出し孔部３１ａの外周に嵌め合わせ、締結具４７で締結することで、気密性のよい接続を得ることができる。

図３における、アノード側集電体１１と外部配線１１ｅとの接続、および管状継ぎ手３０と気体搬送路４５との接続は、ともに非常に簡単かつ小型の構造で実現されている。また、上記の２種類の接続が、ヒータからの熱硫の主流部から外れた位置へと、中心導電棒１１ｋおよびその付属品である先端部３５によって離されている。このため、フッ素樹脂という普通の耐熱性樹脂または耐食性樹脂によって、長期間の繰り返し耐久性を確保することができる。また、中心導電棒１１ｋを、多孔質金属体１１ｓと小さい接触抵抗で導電接続することができる。

＜筒状ＭＥＡの製造方法の第１の実施形態＞
図４〜図８に、筒状ＭＥＡ７の製造方法の第１の実施形態を示す。図４は、第１の実施形態に係る筒状ＭＥＡ７の製造方法に係るフローチャートである。また、図５〜図８の（ａ）〜（ｈ）は、上記製造方法の各工程を示す図である。

本実施形態では、ラバープレス成形法を用いて筒状ＭＥＡが製造される。ラバープレス成形法は、ゴム型内に粉体材料あるいは予備成形した粉体材料を充填し、外周から高い静水圧を加えて、均質な圧粉成形体を成形する手法である。

本実施形態では、筒状の成形型部を備えるゴム型２１が準備される（Ｓ１０１）。図５（ａ）に示すように、上記ゴム型２１内には、円柱状の型部が形成されているとともに、中心部に、金属等の硬質材料から形成された丸棒状の中心型部２２が挿入され、上記中心型部２２の外周面と上記ゴム型２１の内周面によって筒状の成形型部２１ａが形成される。本実施形態では、上記筒状の成形型部２１ａ内に、固体電解質層１を構成する粉体材料が充填される（Ｓ１０２）。その後、ゴム型２１の外周部に静水圧を作用させて、上記粉体材料を圧縮し、筒状の成形体１ａが形成される（Ｓ１０３）。

上記ゴム型２１に作用する静水圧を除去すると、弾性によってゴム型２１が圧縮前の形態に戻ろうとする。このとき、成形体１ａも一種のスプリングバッグによって拡径する。本実施形態では、上記円筒状の成形体１ａの拡径を利用して、上記ゴム型内にある上記圧縮成形体１ａ（第１の未焼成筒状部）の内周部と上記中心型部２２の外周部との間に筒状の隙間を形成し、この筒状の隙間を第２の筒状成形型部２３とする（Ｓ１０４）。なお、上記圧縮成形体（第１の未焼結筒状部）を上記棒状型部の外周面ら離間させるために、離型剤等を塗布しておくのが好ましい。

次に、図６（ｃ）に示すように、上記第２の筒状成形型部２３に、内側に形成される第１の電極層２を構成する粉体材料が充填される（Ｓ１０５）。その後、図６（ｄ）に示すように、上記粉体材料が充填されたゴム型２１に、再度静水圧を作用させて、上記粉体材料を先に成形した第１の未焼成筒状部１ａとともに圧縮成形することにより、第２の未焼成筒状部２ａが形成される（Ｓ１０６）。

上記工程によって、固体電解質層を構成する未焼成筒状部１ａと、第１の電極層（アノード）を構成する第２の未焼成筒状部２ａとが一体成形された筒状体７ａが形成され、 図７（ｅ）に示すように、上記ゴム型２１内から取り出される（Ｓ１０７）。その後、図７（ｅ）に示すように、上記筒状体７ａの先端部をカットする加工が行われて、両端部が開口された未焼成筒状体７ａが形成される。

本実施形態では、次に、上記第１の電極層（アノード）の内周部に多孔質導電層１１ｇを構成する銀ペースト塗布工程が行われる（Ｓ１０８）。

塗布して乾燥（焼成）させ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。銀ペースト塗布層１１ｇを多孔質にすることにより、多くのアンモニア分子ＮＨ₃ が、多孔質の気孔中に入って、上記アノード中の触媒に触れてアノード反応が生じやすくなる。

ガス分解反応の効率を高めるため、上記銀ペースト塗布層１１ｇの気孔率を、２０〜８０％に設定するのが好ましい。気孔率が２０パーセント以下である場合、ガスを導電性ペースト塗布層内へ導くのが困難になり、効率を高めることができない。一方、気孔率が８０％以上になると、充分な導電性を確保するのが困難であるとともに、塗布層の強度を確保できない。さらに、気孔率を４０〜６０％に設定するのがより好ましい。

上記銀ペースト塗布層１１ｇの厚みは、５〜３００μｍに設定することができる。５μｍ以下では、Ｎｉメッシュシート１１ａの全域を、銀ペースト塗布層１１ｇに均一に接触させることができず、充分な導電性を確保するのが困難である。一方、３００μｍ以上では、充分な気孔率を有するペースト塗布層を形成するのが困難となる。導電性と気孔率を確保するために、５〜１００μｍの厚みの銀ペースト塗布層１１ｇを設けるのがより好ましい。

上記銀ペースト塗布層１１ｇを形成する手法は特に限定されることはない。上記未焼成筒状体７ａを、銀ペーストを満たした浸漬層に漬けるディッピング法や、上記未焼成筒状体７ａ内に銀ペーストを噴射する塗布ノズルを挿入する手法等により、上記銀ペースト塗布層１１ｇを形成することができる。

また、銀ペースト塗布層１１ｇを、多孔質に形成する手法も特に限定されることはない。上述した所要の気孔率を確保するために、所定温度で消失するバインダを所定量配合した銀ペーストを採用できる。また、バインダが消失する際の導電性ペースト塗布層の収縮を防止するために、昇華型のバインダを配合するのが好ましい。たとえば、ナフタレン系のバインダを配合した銀ペーストを採用するのが好ましい。上記銀ペースト塗布層１１ｇは、所定温度に加熱することにより上記バインダが除去されて多孔質化され、さらに、温度を高めて銀粒子が焼成されることにより、多孔質状の銀ペースト塗布層１１ｇが形成される。

上記銀ペースト塗布層１１ｇを設ける範囲も特に限定されることはないが、アノード２の全面に銀ペースト塗布層１１ｇを設けるのが好ましい。銀ペースト塗布層１１ｇをアノード２の全面に形成することにより、Ｎｉメッシュシートの一部が上記銀ペースト塗布層から離間した場合にも、アノード２における集電性能が低下することはなくなる。

上記銀ペースト塗布層１１ｇを設けた後、焼成炉において上記銀ペーストを多孔質化する温度で保持することにより銀ペースト内のバインダを除去して多孔質化し、さらに温度を高めて、上記第１の未焼成筒状部及び第２の未焼成筒状部が焼成される（Ｓ１０９）。上記銀ペーストを多孔質化するために約４００℃の温度で約６０分間保持された後、上記第１の未焼成筒状部及び第２の未焼成筒状部を焼成するために約８００℃まで昇温させて焼成工程が行われる。これにより、図８（ｇ）で示す筒状焼成体７ｂが形成される。

本実施形態では、上記筒状焼成体７ｂの外周部に第２の電極層（カソード）５を別途形成する第２の電極層形成工程が行われる（Ｓ１１０）。上記第２の電極層（カソード）の形成方法は、特に限定されることはない。たとえば、カソードを構成する粉体材料を含むペースト等を塗布し、再度焼成することができる。これにより、筒状ＭＥＡが形成される。また、溶射等の手法によって上記第２の電極層を形成することもできる。

上述した実施形態に係る筒状ＭＥＡの製造方法においては、固体電解質層１を構成する第１の未焼成筒状部１ａと、内側の第１の電極層（アノード）２を構成する第２の未焼成筒状部２ａとを、一つのゴム型２１を用いて連続して行うことができる。このため、製造工数及び製造コストを削減することができる。

また、上記第１の未焼成筒状部と上記第２の未焼成筒状部とが、大きな静水圧を作用させて一体的に積層形成することができる。また、上記第１の未焼成筒状部と上記第２の未焼成筒状部とが、一度の焼成工程において焼成される。このため、上記固体電解質層１と上記第１の電極層２とが密着した状態で焼成され、これらの間の導電性を充分に確保することができる。このため、上記固体電解質層と上記第１の電極層間の導電性の低下によって、性能が低下する恐れもない。

上記第１の実施形態では、固体電解質層１を構成する第１の未焼成筒状部の内周部に、第１の電極層（アノード）２を構成する第２の未焼成筒状部２ａを形成したが、上記固体電解質層を構成する未焼成筒状部１ａの外周部に、第２の電極層（カソード）を構成する第２の未焼成筒状部を形成することもできる。

この場合、第１の未焼成筒状部を成形した後に、上記ゴム型の静水圧を解除する際に、上記ゴム型の内周面と、上記第１の未焼成筒状部との間に隙間を形成し、この隙間を筒状型空間として、第２の未焼成筒状部を構成する粉体材料を充填することができる。また、上記ゴム型の内周面を上記第１の未焼結筒状部の外周面から離間させるために、ゴム型の内周面に離型剤を塗布しておくのが好ましい。なお、上述した実施形態では、固体電解質層を構成する未焼結筒状部を先に成形する例を示したが、第１の電極層（アノード）を構成する未焼結筒状部を先に成形して、その後、外周部に固体電解質層を構成する未焼結筒状部を成形することもできる。また、先に、第２の電極層（カソード）を構成する未焼結筒状部を成形し、その後、内周部に固体電解質層を構成する未焼結筒状部を成形することもできる。

上記各未焼結筒状部を構成する粉体材料は、固体電解質層及び電極層を構成する材料に対応して選定される。

上記固体電解質層１を構成する粉体材料として、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。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（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）などを用いるのがよい。また、プロトン導電性のバリウムジルコネートを用いることもできる。上記各粉体材料は、大気雰囲気で、１０００℃〜１６００℃に、３０分〜１８０分間程度保持することにより焼成することができる。

第１の電極層（アノード）２は、表面酸化されて酸化層を有する金属粒連鎖体と、酸素イオン導電性のセラミックスとを主成分とする焼成体として形成できる。酸素イオン導電性のセラミックスとしては、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。

上記ＳＳＺを採用する場合、平均径は０．５μｍ〜５０μｍ程度のものを用いるのがよい。焼成工程は、大気雰囲気で、１０００℃〜１６００℃に、３０分〜１８０分間程度保持することにより行うことができる。また、ＳＳＺの原料粉末の平均径は０．５μｍ〜５０μｍ程度とするのが好ましい。表面酸化された金属粒連鎖体と、ＳＳＺとの配合比は、ｍｏｌ比で０．１〜１０の範囲とする。

上記金属粒連鎖体の金属は、ニッケル（Ｎｉ）またはＮｉに鉄（Ｆｅ）を含むものを採用するのが好ましい。さらに好ましくはＴｉを２〜１００００ｐｐｍ程度の微量含むものである。

金属粒連鎖体は、還元析出法によって製造するのがよい。この金属粒連鎖体の還元析出法については、特開２００４−３３２０４７号公報などに詳述されている。第１の電極層（アノード）２に含まれる金属粒連鎖体の平均直径Ｄは５ｎｍ以上、５００ｎｍ以下の範囲とするのがよい。また、平均長さＬは０．５μｍ以上、１０００μｍ以下の範囲とするのがよい。また、上記平均長さＬと平均径Ｄとの比は３以上とするのがよい。ただし、これら範囲外の寸法を持つものであってもよい。

第２の電極層（カソード）５は、酸素イオン導電性のセラミックスを主成分とする焼成体から形成される。この場合の酸素イオン導電性のセラミックスとして、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）などを用いることができる。これら粉体材料も、上記と同様の条件で焼成することができる。

＜筒状ＭＥＡの製造方法に係る第２の実施形態＞
図９から図１１に、筒状ＭＥＡ７の製造方法の第２の実施形態を示す。図９は、第２の実施形態に係る筒状ＭＥＡ７の製造方法に係るフローチャートである。また、図１０〜図１１の（ａ）〜（ｆ）は、上記製造方法の各工程を示す図である。

第２の実施形態に係る製造方法は、犠牲型部を用いて筒状ＭＥＡを製造するものである。犠牲型部を用いて粉体を成形し、焼成前に上記型部を消失させることにより、複雑な形状や成形困難な形状を成形することが可能となる。通常、上記犠牲型部は、所定温度以上に加熱することにより昇華等する樹脂材料から形成されており、粉体を成形する際に用いられるバインダ樹脂等を用いて形成することができる。

図１０（ａ）に示すように、本実施形態では、筒状ＭＥＡの内部空間に対応した棒状犠牲型部４２が採用される（Ｓ２０１）。上記棒状犠牲型部４２は、ポリアセタール樹脂等の所定温度以上で昇華して消失する樹脂材料から形成することができる。

上記棒状犠牲型部４２の外周に、第１の電極層（アノード）２を構成する粉体材料を含むスラリーを所定厚みで塗布した後（Ｓ２０２）、乾燥させることにより（Ｓ２０３）、第１の未焼成筒状部２ａが形成される。

次に、図１０（ｂ）に示すように、上記第１の未焼成筒状部２ａの外周に、固体電解質層１を構成する粉体材料を含むスラリーを塗布した後（Ｓ２０４）、乾燥させることにより（Ｓ２０５）、第２の未焼成筒状部１ａが形成される。

積層形成された上記第１の未焼成筒状部２ａ及び第２の未焼成筒状部１ａを、上記棒状犠牲型部４２とともに炉中で所定温度に加熱することにより、上記棒状犠牲型部４２を消失させる犠牲型部消失工程が行われる（Ｓ２０６）。これにより、図１０（ｃ）で示すように、第１の未焼成筒状部２ａと上記第２の未焼成筒状部１ａとが一体成形された未焼結筒状体７ａが形成される。

その後、上記未焼成筒状部１ａ．２ａを構成する粉体が焼成される温度まで加熱して、上記未焼成筒状部１ａ．２ａを焼成し（Ｓ２０７）、図１１（ｄ）に示す固体電解質層１と第１の電極層（アノード）２とを備える焼成筒状体７ｂが形成される。

次に、図１１（ｅ）に示すように、上記第１の実施形態と同様に、上記焼成筒状体７ｂの外周に第２の電極層（カソード）５を形成する第２の電極層形成工程（Ｓ２０８）が行われる。

さらに、図１１（ｆ）に示すように、上記第１の電極層２の内面に導電層を構成する銀ペーストを塗布して（Ｓ２０９）、多孔質化することにより（Ｓ２１０）、筒状ＭＥＡ７が形成される。

第２の実施形態では、犠牲型部４２の外周に筒状ＭＥＡを構成する材料を積層するだけで成形を行うことができるため、製造工程数が削減されるとともに、製造コストを低減できる。

なお、本実施形態では、第１の未焼成筒状部及び上記第２の未焼成筒状部を、焼成粉体を含むスラリーを塗布することにより行ったが、上記第１の未焼成筒状部及び上記第２の未焼成筒状部に対応する金型に材料を充填する成形手法を用いることもできる。たとえば、粉体をバインダと混合溶融して射出する２色射出成形法等を採用することもできる。

＜筒状ＭＥＡの製造方法に係る第３の実施形態＞
図１２及び図１３に、本願発明の第３の実施形態を示す。この実施形態も、所定の操作によって消失する犠牲型部を用いて行うものである。

図１２（ａ）に示すように、本実施形態では、筒状ＭＥＡを構成する粉体材料の焼成温度より高い耐熱温度を有する棒状部材４２ａと、この棒状部材４２ａの外周部に所定の厚みで形成された犠牲層４２ｂとを備える棒状の中心型部４２を用いて成形を行う。

上記棒状部材４２ａは、耐熱性の高いセラミックス等によって形成することができる。また、上記犠牲層４２ｂは、第２の実施形態において採用した犠牲型部を構成する樹脂材料を用いて形成することができる。

図１２（ｂ）に示すように、上記中心型部４２の外周部に、第１の電極層２を構成する粉体材料を含むスラリーを所定厚みで塗布して乾燥させることにより、第１の未焼成筒状部２ａを形成する。

また、図１２（ｃ）に示すように、上記第１の未焼成筒状部２ａの外周部に、固体電解質層１を構成する粉体材料を含むスラリーを所定厚みで塗布して乾燥させることにより、第２の未焼成筒状部１ａを形成する。

本実施形態では、さらに、図１２（ｄ）に示すように、上記第２の未焼成筒状部１ａの外周部に、第２の電極層を構成する粉体材料を含むスラリーを所定厚みで塗布して乾燥させることにより、第３の未焼成筒状部５ａを形成する。

その後、図１３（ｅ）に示すように、積層形成された上記各未焼成筒状部２ａ，１ａ，５ａから構成される未焼結筒状体７ａを、上記中心型部４２が付属した状態で所定温度に加熱することにより、上記犠牲層４２ｂを消失させる。この状態で、上記棒状部材４２ａと上記未焼結筒状部７ａとの間に、上記犠牲層４２ｂに対応する隙間４３が形成されるため、上記棒状部材４２を引き抜いて、上記未焼結筒状体７ａを別途焼成することもできる。

本実施形態では、図１３（ｆ）に示すように、上記各未焼成筒状部２ａ，１ａ，５ａを上記棒状部材４２ａに保持させた状態で、さらに加熱し、上記各未焼成筒状部２ａ，１ａ，５ａを焼成させる。これにより、焼成された３層２，１，５を備える焼成筒状体７ｂが形成される。

その後、図１３（ｇ）に示すように、上記棒状部材４２ａが、焼成筒状体７ｂから抜き出されて、筒状ＭＥＡ７が形成される。

本実施形態では、固体電解質層１と、第１の電極層２及び第２の電極層５を構成する未焼成筒状部２ａ，１ａ，５ａを、連続して一体形成することができる。また、各層を構成する上記未焼成筒部２ａ，１ａ，５ａを備える未焼成筒状体７ａを、一度の焼成工程において焼成することができる。このため、製造工数を削減できるとともに、製造コストを低減させることができる。

また、犠牲層４２ｂを備える棒状型部４２を採用しているため、上記各工程を、上記成形体を上記棒状部材４２ａを付属させた状態で行うことができる。このため、各工程におけるハンドリングを容易に行うことができる。さらに、長尺の筒状ＭＥＡを形成する場合、工程途中の歪みや破損を防止することができる。

なお、図１２及び図１３においては、多孔質導電層を設ける工程は示さなかったが、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の手法で形成することができる。

上述した実施形態は、本願発明をガス除害を目的としたガス分解素子の製造方法に適用したが、ガス除害を主目的としないガス分解素子や、電気化学反応装置の筒状ＭＥＡの製造方法に適用できる。たとえば、燃料電池等を構成する筒状ＭＥＡの製造方法にも用いることができる。

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。

本願発明に係る製造方法によって、ランニングコスト低く、小型であり、さらに高い性能を有するガス分解素子を、少ない製造工数及び低いコストで製造することができる。

１ 固体電解質層
２ 第１の電極層（アノード）
５ 第２の電極層（カソード）
７ 筒状ＭＥＡ
１ａ 第１の未焼成筒状部
２ａ 第２の未焼成筒状部
７ａ 未焼成筒状体
７ｂ 焼成筒状体
１１ｇ 銀ペースト塗布層（導電性ペースト塗布層）

Claims (12)

1. 筒状の固体電解質層と、この固体電解質層を内外から挟むようにして積層形成された第１の電極層及び第２の電極層とを備えて構成される筒状ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、ラバープレス成形法を用いて成形を行う筒状ＭＥＡの製造方法であって、
   上記固体電解質層又は上記電極層の１つを構成する第１の未焼成筒状部を、内部空間を埋める中心型部を設けた筒状の加圧ゴム型に、所定の粉体材料を充填して加圧することにより成形する第１の成形工程と、
   上記加圧を解除することにより、上記加圧ゴム型及び上記第１の未焼成筒状部の内周部を拡径して、上記中心型部の外周部と上記第１の未焼成筒状部との間に、筒状型部を形成する型空間形成工程と、
   上記筒状型部に、所定の粉体材料を充填するとともに再加圧することにより、上記固体電解質層又は上記電極層の他の１つを構成する第２の未焼成筒状部を成形する第２の成形工程と、
   上記第１の未焼成筒状部と上記第２の未焼成筒状部とを備える筒状体を焼成して筒状焼成体を形成する焼成工程とを含む、筒状ＭＥＡの製造方法。
2. 筒状の固体電解質層と、この固体電解質層を内外から挟むようにして積層形成された第１の電極層及び第２の電極層とを備えて構成される筒状ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、ラバープレス成形法を用いて成形を行う筒状ＭＥＡの製造方法であって、
   上記固体電解質層又は上記電極層の１つを構成する第１の未焼成筒状部を、内部空間を埋める中心型部を設けた筒状の加圧ゴム型に、所定の粉体材料を充填して加圧することにより成形する第１の成形工程と、
   上記加圧を解除することにより、上記加圧ゴム型を拡径して、上記加圧ゴム型内周部と上記第１の未焼成筒状部の外周部との間に、筒状型部を形成する型空間形成工程と、
   上記筒状型部に、所定の粉体材料を充填するとともに再加圧することにより、上記固体電解質層又は上記電極層の他の１つを構成する第２の未焼成筒状部を成形する第２の成形工程と、
   上記第１の未焼成筒状部と上記第２の未焼成筒状部とを備える筒状体を焼成して筒状焼成体を形成する焼成工程とを含む、筒状ＭＥＡの製造方法。
   
3. 上記固体電解質層と上記電極層の残りの１つを構成する第３の未焼成筒状部を所定の粉体材料を用いて積層形成する第３の成形工程を含み、
   上記焼成工程において、上記第１の未焼成筒状部と上記第２の未焼成筒状部と上記第３の未焼成筒状部とを焼成する、請求項１又は請求項２に記載の筒状ＭＥＡの製造方法。
4. 上記第１の成形工程及び上記第２の成形工程において、上記固体電解質層を構成する第１の未焼成筒状部と、この第１の未焼成筒状部の内側に形成される一方の電極層とを形成するとともに、
   これら未焼成筒状部を備える筒状体を焼成する上記焼成工程後に、上記固体電解質層の外周部に、他方の電極層を形成する電極層形成工程を含む、請求項１又は請求項２に記載の筒状ＭＥＡの製造方法。
5. 上記第１の電極層及び／又は上記第２の電極層の表面に、多孔質導電層を形成する、導電層形成工程を含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の筒状ＭＥＡの製造方法。
6. 筒状の固体電解質層と、この固体電解質層を内外から挟むようにして積層形成された第１の電極層及び第２の電極層とを備えて構成される筒状ＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）の製造方法であって、
   所定の処理を行うことにより消失させることができる棒状犠牲型部の外周部に、上記固体電解質層又は上記電極層の１つを構成する第１の未焼成筒状部を成形する第１の成形工程と、
   上記第１の未焼成筒状部の外周部に、上記固体電解質層又は上記電極層の他の１つを構成する第２の未焼成筒状部を成形する第２の成形工程と、
   上記棒状犠牲型部を消失させる犠牲型部消失工程と、
   上記第１の未焼成筒状部と上記第２の未焼成筒状部とを備える筒状体を焼成して筒状焼成体を形成する焼成工程を含む、筒状ＭＥＡの製造方法。
7. 筒状の固体電解質層と、この固体電解質層を内外から挟むようにして積層形成された第１の電極層及び第２の電極層とを備えて構成される筒状ＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）の製造方法であって、
   所定の処理を行うことにより消失させることができる棒状犠牲型部の外周部に、上記電極層の１つを構成する第１の未焼成筒状部を成形する第１の成形工程と、
   上記第１の未焼成筒状部の外周部に、上記固体電解質層を構成する第２の未焼成筒状部を成形する第２の成形工程と、
   上記第２の未焼成筒状部の外周部に、上記電極層の残りの１つを構成する第３の未焼成筒状部を成形する第３の成形工程と、
   上記棒状犠牲型部を消失させる犠牲型部消失工程と、
   上記第１の未焼成筒状部と上記第２の未焼成筒状部と上記第３の未焼成筒状部とを備える筒状体を焼成して筒状焼成体を形成する焼成工程を含む、筒状ＭＥＡの製造方法。
8. 上記第１の電極層及び／又は上記第２の電極層の表面に、多孔質導電層を形成する、導電層形成工程を含む、請求項６又は請求項７に記載の筒状ＭＥＡの製造方法。
9. 上記請求項１から上記請求項８のいずれか１項に記載の製造方法によって製造された筒状ＭＥＡを備えるガス分解素子。
10. 上記第１の電極層及び／又は上記第２の電極層が、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする金属粒子連鎖体と、イオン導電性セラミックとを含む焼成体であることを特徴とする、請求項９に記載のガス分解素子。
11. 上記固体電解質が、酸素イオン導電性又はプロトン導電性を有することを特徴とする、請求項９又は請求項１０に記載のガス分解素子。
12. 請求項９から請求項１１のいずれかに記載したガス分解素子を備える、発電装置。

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