JP2008130472A - Fuel cell - Google Patents

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Masahiko Iijima
昌彦 飯島
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell having low current-collecting resistance. <P>SOLUTION: The fuel cell 100 is equipped with a hydrogen separation membrane 10, having hydrogen permeability; an electrolyte membrane 20, installed on the hydrogen separation membrane and having proton conductivity; a cathode layer 30, made of a conductive ceramic installed on the electrolyte membrane; a metal layer 40 installed on the cathode layer; and a porous material layer 50 installed on the metal layer and having conductivity. Current collecting resistance is set lower, as compared with the case when the metal layer is not installed. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell.

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。   A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.

燃料電池のうち固体の電解質を用いたものには、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、水素分離膜電池等がある。ここで、水素分離膜電池とは、緻密な水素分離膜を備えた燃料電池である。緻密な水素分離膜は水素透過性を有する金属によって形成される層であり、アノードとしても機能する。水素分離膜電池は、この水素分離膜上にプロトン伝導性を有する電解質が積層された構造をとっている。水素分離膜に供給された水素はプロトンに変換され、プロトン伝導性の電解質中を移動し、カソードにおいて酸素と結合して発電が行われる。   Among the fuel cells, those using solid electrolytes include solid polymer fuel cells, solid oxide fuel cells, hydrogen separation membrane cells, and the like. Here, the hydrogen separation membrane battery is a fuel cell provided with a dense hydrogen separation membrane. The dense hydrogen separation membrane is a layer formed of a metal having hydrogen permeability and also functions as an anode. The hydrogen separation membrane battery has a structure in which an electrolyte having proton conductivity is laminated on the hydrogen separation membrane. Hydrogen supplied to the hydrogen separation membrane is converted into protons, moves through the proton conductive electrolyte, and combines with oxygen at the cathode to generate power.

上記カソードは、例えば、電解質膜上に形成されたカソード層と、このカソード層上に配置された粒状カソード層とからなる（例えば、特許文献１参照）。特許文献１においては、カソード層は、触媒として機能する導電性セラミックスからなる。   The cathode includes, for example, a cathode layer formed on an electrolyte membrane, and a granular cathode layer disposed on the cathode layer (see, for example, Patent Document 1). In Patent Document 1, the cathode layer is made of conductive ceramics that function as a catalyst.

特開２００６−７９８８８号公報JP 2006-79888 A

しかしながら、特許文献１の技術では、カソード層と粒状カソード層との間の集電抵抗が大きくなる。その結果、発電性能を高めることが困難である。   However, in the technique of Patent Document 1, the current collection resistance between the cathode layer and the granular cathode layer is increased. As a result, it is difficult to improve the power generation performance.

本発明は、集電抵抗が低い燃料電池を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a fuel cell with low current collection resistance.

本発明に係る燃料電池は、水素透過性を有する水素分離膜と、水素分離膜上に設けられプロトン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜上に設けられ導電性セラミックスからなるカソード層と、カソード層上に設けられた金属層と、金属層上に設けられ導電性を有する多孔体層とを備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池においては、カソード層上面全体に電子が供給される際、電子は主として金属層を移動する。この場合、金属層が設けられていない場合に比較して電気抵抗が小さくなる。導電性セラミックスの電気抵抗に比較して、金属層の電気抵抗が低いからである。したがって、集電効率が低下する。その結果、本発明に係る燃料電池の発電効率が向上する。   A fuel cell according to the present invention includes a hydrogen permeable hydrogen separation membrane, an electrolyte membrane having proton conductivity provided on the hydrogen separation membrane, a cathode layer made of conductive ceramics provided on the electrolyte membrane, and a cathode It comprises a metal layer provided on the layer and a porous layer having conductivity provided on the metal layer. In the fuel cell according to the present invention, when electrons are supplied to the entire upper surface of the cathode layer, the electrons mainly move through the metal layer. In this case, the electrical resistance is smaller than when no metal layer is provided. This is because the electric resistance of the metal layer is lower than that of the conductive ceramic. Therefore, current collection efficiency is reduced. As a result, the power generation efficiency of the fuel cell according to the present invention is improved.

金属層は、燃料電池の稼動時におけるカソード層の温度以下の融点を有する金属からなるものであってもよい。この場合、燃料電池の発電時においては、金属層は溶融している。それにより、多孔体層は金属層に対して沈下し、多孔体層と金属層との接触面積が増大する。したがって、多孔体層から金属層への電子移動効率が向上する。その結果、集電効率が向上する。以上のことから、本発明に係る燃料電池の発電効率が向上する。この場合、金属層は、ウッドメタル、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｔｌ、Ｓｂ、Ｐｏのいずれかからなるものであってもよい。   The metal layer may be made of a metal having a melting point equal to or lower than the temperature of the cathode layer when the fuel cell is in operation. In this case, the metal layer is melted during power generation of the fuel cell. Thereby, a porous body layer sinks with respect to a metal layer, and the contact area of a porous body layer and a metal layer increases. Therefore, the electron transfer efficiency from the porous body layer to the metal layer is improved. As a result, current collection efficiency is improved. From the above, the power generation efficiency of the fuel cell according to the present invention is improved. In this case, the metal layer may be made of any one of wood metal, Bi, Sn, Pb, Mg, Al, Cd, In, Zn, Tl, Sb, and Po.

金属層は、燃料電池の稼動温度において溶融する金属からなるものであってもよい。この場合、燃料電池の発電時において、金属層が溶融しやすくなる。この場合、金属層は、ウッドメタル、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｔｌ、Ｐｏのいずれかからなるものであってもよい。   The metal layer may be made of a metal that melts at the operating temperature of the fuel cell. In this case, the metal layer is easily melted during power generation of the fuel cell. In this case, the metal layer may be made of any one of wood metal, Bi, Sn, Pb, Cd, In, Zn, Tl, and Po.

稼動温度は、３００℃〜５００℃であってもよい。また、多孔体層は、粒状の導電性材料からなるものであってもよい。また、多孔体層は、導電性セラミックスからなるものであってもよい。さらに、多孔体層は、カソード活性を有する材料から構成されていてもよい。   The operating temperature may be 300 ° C to 500 ° C. The porous layer may be made of a granular conductive material. The porous body layer may be made of conductive ceramics. Furthermore, the porous body layer may be made of a material having cathode activity.

また、多孔体層上に設けられ、多孔体層の気孔率よりも大きい気孔率を有する集電体層をさらに備えていてもよい。この場合、カソード層から集電体層にかけて集電周期が段階的に大きくなる。したがって、カソード層から集電体層への集電効率が向上する。   Moreover, you may further provide the electrical power collector layer which is provided on a porous body layer and has a porosity larger than the porosity of a porous body layer. In this case, the current collection period gradually increases from the cathode layer to the current collector layer. Therefore, the current collection efficiency from the cathode layer to the current collector layer is improved.

本発明によれば、カソード層から集電する際の集電抵抗が低下する。それにより、燃料電池の発電効率が向上する。   According to the present invention, the current collecting resistance when collecting current from the cathode layer is reduced. Thereby, the power generation efficiency of the fuel cell is improved.

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池１００は、水素分離膜１０上に、電解質膜２０、カソード層３０、金属層４０、粒状カソード層５０および集電体層６０が順に積層された構造を有する。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell 100 according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell 100 has a structure in which an electrolyte membrane 20, a cathode layer 30, a metal layer 40, a granular cathode layer 50, and a current collector layer 60 are sequentially laminated on a hydrogen separation membrane 10.

水素分離膜１０は、水素透過性金属からなる。水素分離膜１０は、電解質膜２０を支持および補強する支持体として機能するとともに、燃料ガスが供給されるアノードとしても機能する。水素分離膜１０を構成する材料は、水素透過性および導電性を有していれば特に限定されるものではない。水素分離膜１０としては、例えば、Ｐｄ（パラジウム）、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）等の金属、または、これらの合金等を用いることができる。また、これらの水素透過性金属層の２面のうち電解質膜２０が形成される側の面上に、水素解離能を有するパラジウム、パラジウム合金等の膜が形成されたものを水素分離膜１０として用いてもよい。水素分離膜１０の膜厚は、特に限定されないが、例えば５μｍ〜１００μｍ程度である。水素分離膜１０は、自立膜であってもよく、多孔質状の卑金属板によって支持されていてもよい。   The hydrogen separation membrane 10 is made of a hydrogen permeable metal. The hydrogen separation membrane 10 functions as a support for supporting and reinforcing the electrolyte membrane 20 and also functions as an anode to which fuel gas is supplied. The material constituting the hydrogen separation membrane 10 is not particularly limited as long as it has hydrogen permeability and conductivity. As the hydrogen separation membrane 10, for example, a metal such as Pd (palladium), V (vanadium), Ta (tantalum), Nb (niobium), or an alloy thereof can be used. Further, a hydrogen separation membrane 10 is formed by forming a membrane of palladium, palladium alloy or the like having hydrogen dissociation ability on the surface of the hydrogen permeable metal layer on the side where the electrolyte membrane 20 is formed. It may be used. Although the film thickness of the hydrogen separation membrane 10 is not specifically limited, For example, it is about 5 micrometers-100 micrometers. The hydrogen separation membrane 10 may be a self-supporting membrane or may be supported by a porous base metal plate.

電解質膜２０は、プロトン伝導性を有する電解質からなる。電解質膜２０を構成する電解質は、プロトン伝導性を有していれば特に限定されるものではない。例えば、電解質膜２０として、ペロブスカイト型電解質（ＳｒＺｒＩｎＯ３等）を用いることができる。電解質膜２０の膜厚は、特に限定されないが、例えば１μｍ程度である。電解質膜２０は、例えば、ＣＶＤ（化学的蒸着）法、ＰＶＤ（物理的蒸着）法等によって形成することができる。 The electrolyte membrane 20 is made of an electrolyte having proton conductivity. The electrolyte constituting the electrolyte membrane 20 is not particularly limited as long as it has proton conductivity. For example, a perovskite electrolyte (SrZrInO 3 or the like) can be used as the electrolyte membrane 20. The thickness of the electrolyte membrane 20 is not particularly limited, but is about 1 μm, for example. The electrolyte membrane 20 can be formed by, for example, a CVD (chemical vapor deposition) method, a PVD (physical vapor deposition) method, or the like.

カソード層３０は、電子伝導性を有するセラミックス材料からなる。また、カソード層３０は、酸化剤ガスが供給されるカソードとして機能する。すなわち、カソード層３０は、酸素とプロトンとの反応を促進するための触媒として機能する。カソード層３０としては、例えば、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４ＣｏＯ３、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＦｅＯ３等のセラミックスを用いることができる。なお、カソード層３０は、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法等によって形成することができる。なお、ＰＶＤ法のうちＰＬＤ（パルスレーザ蒸着）法を用いれば、カソード層３０を構成する材料の組成調整が容易になる。カソード層３０の厚さは、例えば、５ｎｍ〜５０ｎｍ程度である。なお、カソード層３０は、厚み方向に貫通孔を有していない緻密層である必要はなく、多孔質状であってもよい。 The cathode layer 30 is made of a ceramic material having electronic conductivity. The cathode layer 30 functions as a cathode to which an oxidant gas is supplied. That is, the cathode layer 30 functions as a catalyst for promoting the reaction between oxygen and protons. As the cathode layer 30, for example, ceramics such as La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 , La 0.5 Sr 0.5 MnO 3 , La 0.5 Sr 0.5 FeO 3 can be used. The cathode layer 30 can be formed by a CVD method, a PVD method, or the like. If the PLD (pulse laser deposition) method is used in the PVD method, the composition of the material constituting the cathode layer 30 can be easily adjusted. The thickness of the cathode layer 30 is, for example, about 5 nm to 50 nm. The cathode layer 30 does not have to be a dense layer having no through holes in the thickness direction, and may be porous.

金属層４０は、金属または合金の薄膜からなる。金属層４０はカソード層３０上面全体を覆っていることが好ましいので、金属層４０の厚さは、例えば数十ｎｍ程度である。金属層４０としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）等を用いることができる。なお、金属層４０の成膜法は特に限定されない。例えば、ＰＶＤ法等によって金属層４０を成膜することができる。   The metal layer 40 is made of a metal or alloy thin film. Since the metal layer 40 preferably covers the entire upper surface of the cathode layer 30, the thickness of the metal layer 40 is, for example, about several tens of nm. As the metal layer 40, for example, Pt (platinum), Pd (palladium), Ag (silver), or the like can be used. In addition, the film-forming method of the metal layer 40 is not specifically limited. For example, the metal layer 40 can be formed by a PVD method or the like.

粒状カソード層５０は、電子伝導性を有する粒状のセラミックス材料からなり、酸化剤ガスが供給されるカソードとして機能する。粒状カソード層５０は、カソード層３０と同様の材料からなる。本実施例においては、粒状カソード層５０は、粒状のセラミックスを金属層４０上に敷きつめることによって形成することができる。なお、この場合の粒状セラミックスの粒径は、例えば、１μｍ程度である。したがって、粒状カソード層５０と金属層４０との各接触箇所の平均距離（以下、集電周期と称する。）は、１μｍ程度である。   The granular cathode layer 50 is made of a granular ceramic material having electron conductivity, and functions as a cathode to which an oxidant gas is supplied. The granular cathode layer 50 is made of the same material as the cathode layer 30. In the present embodiment, the granular cathode layer 50 can be formed by spreading granular ceramics on the metal layer 40. In this case, the particle size of the granular ceramic is, for example, about 1 μm. Therefore, the average distance (hereinafter referred to as the current collection period) of each contact portion between the granular cathode layer 50 and the metal layer 40 is about 1 μm.

集電体層６０は、例えば、ＳＵＳ４３０多孔体、Ｎｉ多孔体、ＰｔめっきＡｌ２Ｏ３多孔体、白金メッシュ等の導電性材料からなる。粒状カソード層５０への酸化剤ガスの供給を容易にするため、集電体層６０は、粒状カソード層５０の気孔率よりも高い気孔率を有する。粒状カソード層５０と集電体層６０との間の集電周期は、例えば、１ｍｍ程度である。したがって、電解質膜２０から集電体層６０にかけて、集電周期は段階的に大きくなる。 The current collector layer 60 is made of a conductive material such as a SUS430 porous body, a Ni porous body, a Pt-plated Al 2 O 3 porous body, or a platinum mesh. In order to facilitate the supply of the oxidant gas to the granular cathode layer 50, the current collector layer 60 has a porosity that is higher than the porosity of the granular cathode layer 50. The current collection period between the granular cathode layer 50 and the current collector layer 60 is, for example, about 1 mm. Therefore, the current collection period increases stepwise from the electrolyte membrane 20 to the current collector layer 60.

続いて、燃料電池１００の動作について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスが水素分離膜１０に供給される。燃料ガス中の水素は、水素分離膜１０を透過して電解質膜２０に到達する。電解質膜２０に到達した水素は、プロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜２０を伝導し、カソード層３０に到達する。   Next, the operation of the fuel cell 100 will be described. First, a fuel gas containing hydrogen is supplied to the hydrogen separation membrane 10. Hydrogen in the fuel gas passes through the hydrogen separation membrane 10 and reaches the electrolyte membrane 20. The hydrogen that has reached the electrolyte membrane 20 is dissociated into protons and electrons. The protons conduct through the electrolyte membrane 20 and reach the cathode layer 30.

一方、酸素を含有する酸化剤ガスは、集電体層６０を介してカソード層３０に供給される。カソード層３０においては、酸化剤ガス中の酸素とカソード層３０に到達したプロトンとから、水が発生するとともに電力が発生する。以上の動作により、燃料電池１００による発電が行われる。なお、発電によって生じた電力は、水素分離膜１０から回収されるとともに、カソード層３０から金属層４０、粒状カソード層５０および集電体層６０を介して回収される。なお、燃料電池１００の発電時には金属層４０の形状が変化して金属層４０に貫通孔が形成される。それにより、酸化剤ガスは金属層４０を通過してカソード層３０に供給される。   On the other hand, the oxidant gas containing oxygen is supplied to the cathode layer 30 via the current collector layer 60. In the cathode layer 30, water is generated and electric power is generated from oxygen in the oxidant gas and protons that have reached the cathode layer 30. With the above operation, power generation by the fuel cell 100 is performed. The electric power generated by the power generation is recovered from the hydrogen separation membrane 10 and is recovered from the cathode layer 30 through the metal layer 40, the granular cathode layer 50, and the current collector layer 60. Note that when the fuel cell 100 generates power, the shape of the metal layer 40 changes and a through hole is formed in the metal layer 40. Thereby, the oxidant gas passes through the metal layer 40 and is supplied to the cathode layer 30.

本実施例においては、カソード層３０から粒状カソード層５０にかけての集電抵抗が低下している。以下、その詳細について説明する。図２は、集電抵抗について説明するための図である。図２（ａ）は金属層４０が設けられていない場合を示し、図２（ｂ）は金属層４０が設けられている場合を示す。   In this embodiment, the current collection resistance from the cathode layer 30 to the granular cathode layer 50 is reduced. The details will be described below. FIG. 2 is a diagram for explaining the current collecting resistance. 2A shows a case where the metal layer 40 is not provided, and FIG. 2B shows a case where the metal layer 40 is provided.

図２（ａ）に示すように、粒状カソード層５０を構成する各粒子を、カソード粒子５１と称呼する。燃料電池１００が発電する場合、各カソード粒子５１からカソード層３０に電子が供給される。この場合、カソード層３０上面の全体に電子が供給されることによって発電効率が向上する。しかしながら、図２（ａ）の場合、カソード層３０上面全体に電子が供給されるためには、カソード層３０上面を電子が移動する必要がある。カソード層３０は導電性セラミックスからなることから、この場合の電気抵抗が大きくなる。   As shown in FIG. 2A, each particle constituting the granular cathode layer 50 is referred to as a cathode particle 51. When the fuel cell 100 generates power, electrons are supplied from the cathode particles 51 to the cathode layer 30. In this case, the power generation efficiency is improved by supplying electrons to the entire upper surface of the cathode layer 30. However, in the case of FIG. 2A, in order for electrons to be supplied to the entire upper surface of the cathode layer 30, it is necessary for the electrons to move on the upper surface of the cathode layer 30. Since the cathode layer 30 is made of conductive ceramics, the electrical resistance in this case is increased.

一方、図２（ｂ）に示すように、金属層４０が設けられている場合には、カソード層３０上面全体に電子が供給されるためには、電子は金属層４０を移動すればよい。この場合、電気抵抗は小さくなる。金属の電気抵抗は導電性セラミックスの電気抵抗に比較して小さいからである。以上のことから、本実施例に係る燃料電池１００においては、集電抵抗が低下する。その結果、燃料電池１００の発電効率が向上する。   On the other hand, as shown in FIG. 2B, when the metal layer 40 is provided, the electrons may move through the metal layer 40 in order to supply electrons to the entire upper surface of the cathode layer 30. In this case, the electrical resistance is reduced. This is because the electric resistance of metal is smaller than the electric resistance of conductive ceramics. From the above, in the fuel cell 100 according to the present embodiment, the current collecting resistance is lowered. As a result, the power generation efficiency of the fuel cell 100 is improved.

なお、表１に、カソード層３０を構成するセラミックスの電気抵抗と、金属層４０に用いることができる金属の電気抵抗とを示す。表１に示すように、金属層４０を構成する金属の電気抵抗は、カソード層３０を構成するセラミックスの電気抵抗に比較して非常に小さい値となっている。一般的に金属は導電性セラミックスに比較して小さい電気抵抗を有していることから、表１に示す金属以外の金属を用いても同様の結果が導かれる。   Table 1 shows the electrical resistance of the ceramic constituting the cathode layer 30 and the electrical resistance of the metal that can be used for the metal layer 40. As shown in Table 1, the electric resistance of the metal constituting the metal layer 40 is very small compared to the electric resistance of the ceramic constituting the cathode layer 30. Since metals generally have a smaller electrical resistance than conductive ceramics, the same results can be obtained using metals other than those shown in Table 1.

Figure 2008130472
Figure 2008130472

また、上述したように、粒状カソード層５０を設けることによって、カソード層３０から集電体層６０にかけて集電周期が段階的に大きくなる。この場合、カソード層３０から集電体層６０への集電効率が向上する。カソード層３０の上面における電子の移動距離が小さくなるからである。以上のことから、粒状カソード層５０を設けることによって、燃料電池１００の集電効率が向上する。   Further, as described above, by providing the granular cathode layer 50, the current collection period increases stepwise from the cathode layer 30 to the current collector layer 60. In this case, the current collection efficiency from the cathode layer 30 to the current collector layer 60 is improved. This is because the moving distance of electrons on the upper surface of the cathode layer 30 is reduced. From the above, the current collection efficiency of the fuel cell 100 is improved by providing the granular cathode layer 50.

なお、金属層４０は、集電抵抗低下の観点からカソード層３０上面を広い範囲にわたって覆っていることが好ましいが、燃料電池１００の発電時に酸化剤ガスがカソード層３０に供給されるための孔が形成されることが好ましい。したがって、金属層４０の厚さは、２０ｎｍ〜３０ｎｍ程度であることが好ましい。この場合、金属層４０は緻密な層となってカソード層３０全体を覆うことができ、かつ、燃料電池１００の発電時に金属層４０において厚み方向に貫通孔が形成される。   The metal layer 40 preferably covers the upper surface of the cathode layer 30 over a wide range from the viewpoint of lowering the current collecting resistance. However, a hole for supplying an oxidant gas to the cathode layer 30 during power generation of the fuel cell 100 is preferable. Is preferably formed. Therefore, the thickness of the metal layer 40 is preferably about 20 nm to 30 nm. In this case, the metal layer 40 can be a dense layer and cover the entire cathode layer 30, and through holes are formed in the thickness direction in the metal layer 40 during power generation of the fuel cell 100.

また、本実施例においては粒状カソード層５０を用いたが、それに限られない。多孔質状のカソード層を粒状カソード層５０の代わりに用いてもよい。また、粒状カソード層５０の代わりに配置される部材は、必ずしも触媒として機能する必要はない。したがって、粒状カソード層５０の代わりに多孔質状の導電体層を用いても、本発明の効果が得られる。本実施例においては、粒状カソード層５０が多孔体層に相当する。   Moreover, although the granular cathode layer 50 was used in the present Example, it is not restricted to it. A porous cathode layer may be used instead of the granular cathode layer 50. Further, the member disposed instead of the granular cathode layer 50 does not necessarily function as a catalyst. Therefore, even if a porous conductor layer is used instead of the granular cathode layer 50, the effect of the present invention can be obtained. In this embodiment, the granular cathode layer 50 corresponds to a porous layer.

図３は、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００ａの模式的断面図である。燃料電池１００ａが図１の燃料電池１００と異なる点は、金属層４０の代わりに金属層４０ａが設けられている点である。金属層４０ａは、燃料電池１００ａの通常発電時におけるカソード層３０の温度以下の融点を有する金属または合金からなる。ここで、通常発電とは、燃料電池１００ａの起動後の発電のことをいう。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell 100a according to a second embodiment of the present invention. The fuel cell 100a is different from the fuel cell 100 of FIG. 1 in that a metal layer 40a is provided instead of the metal layer 40. The metal layer 40a is made of a metal or alloy having a melting point equal to or lower than the temperature of the cathode layer 30 during normal power generation of the fuel cell 100a. Here, normal power generation refers to power generation after the start of the fuel cell 100a.

燃料電池１００ａの発電時には、カソード層３０の温度は、燃料電池１００ａの稼動温度（セル温度）よりも数百℃程度高くなる。カソード反応（プロトンと酸素との反応）によってカソード層３０が加熱されるからである。例えば、燃料電池１００ａの通常発電時におけるカソード層３０の温度は、７００℃程度である。したがって、金属層４０ａに用いることができる金属は、７００℃以下の融点を有する金属または合金からなる。例えば、Ｂｉ（ビスマス）、Ｓｎ（スズ）、Ｐｂ（鉛）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｄ（カドミウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｔｌ（タリウム）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｐｏ（ポロニウム）、ウッドメタル（５０％Ｂｉ−２６．７％Ｐｂ−１３．３％Ｓｎ−１０％Ｃｄ）等を金属層４０ａとして用いることができる。   During power generation of the fuel cell 100a, the temperature of the cathode layer 30 is about several hundred degrees Celsius higher than the operating temperature (cell temperature) of the fuel cell 100a. This is because the cathode layer 30 is heated by the cathode reaction (reaction between protons and oxygen). For example, the temperature of the cathode layer 30 during normal power generation of the fuel cell 100a is about 700 ° C. Therefore, the metal that can be used for the metal layer 40a is made of a metal or alloy having a melting point of 700 ° C. or lower. For example, Bi (bismuth), Sn (tin), Pb (lead), Mg (magnesium), Al (aluminum), Cd (cadmium), In (indium), Zn (zinc), Tl (thallium), Sb (antimony) ), Po (polonium), wood metal (50% Bi-26.7% Pb-13.3% Sn-10% Cd), etc. can be used as the metal layer 40a.

表２に、カソード層３０を構成するセラミックスの電気抵抗と、金属層４０ａとして用いることができる金属の電気抵抗および融点と、を示す。表２において「＠５００℃」とは、５００℃における電気抵抗値のことである。表２に示すように、金属層４０ａを構成する金属の電気抵抗は、カソード層３０を構成するセラミックスの電気抵抗に比較して非常に小さい値となっている。   Table 2 shows the electrical resistance of the ceramics constituting the cathode layer 30 and the electrical resistance and melting point of the metal that can be used as the metal layer 40a. In Table 2, “@ 500 ° C.” means an electric resistance value at 500 ° C. As shown in Table 2, the electric resistance of the metal composing the metal layer 40a is very small compared to the electric resistance of the ceramic composing the cathode layer 30.

Figure 2008130472
Figure 2008130472

続いて、燃料電池１００ａの発電時における金属層４０ａについて説明する。図４は、燃料電池１００ａの発電時における金属層４０ａを示す図である。図４（ａ）は発電前の金属層４０ａを示し、図４（ｂ）は発電時の金属層４０ａを示す。図４（ｂ）に示すように、燃料電池１００ａの発電時には、金属層４０ａは溶融している。それにより、カソード粒子５１は、金属層４０ａに対して沈下する。この場合、カソード粒子５１と金属層４０ａとの接触面積が増大する。それにより、カソード粒子５１から金属層４０ａへの電子移動効率が向上する。その結果、燃料電池１００ａにおける集電効率が向上する。以上のことから、燃料電池１００ａの発電効率が向上する。   Next, the metal layer 40a during power generation of the fuel cell 100a will be described. FIG. 4 is a diagram showing the metal layer 40a during power generation of the fuel cell 100a. 4A shows the metal layer 40a before power generation, and FIG. 4B shows the metal layer 40a during power generation. As shown in FIG. 4B, the metal layer 40a is melted when the fuel cell 100a generates power. Thereby, the cathode particles 51 sink to the metal layer 40a. In this case, the contact area between the cathode particles 51 and the metal layer 40a increases. Thereby, the electron transfer efficiency from the cathode particle 51 to the metal layer 40a is improved. As a result, the current collection efficiency in the fuel cell 100a is improved. From the above, the power generation efficiency of the fuel cell 100a is improved.

なお、金属層４０ａに用いられる金属または合金は、燃料電池１００ａの通常発電時における稼動温度（３００℃〜５００℃）以下の融点を有していることが好ましい。この場合、燃料電池１００ａが通常発電を行う際に、溶融しやすくなるからである。したがって、表２におけるウッドメタル、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｔｌ、Ｐｏ等を金属層４０ａとして用いることが好ましい。   In addition, it is preferable that the metal or alloy used for the metal layer 40a has a melting point equal to or lower than the operating temperature (300 ° C. to 500 ° C.) during normal power generation of the fuel cell 100a. This is because the fuel cell 100a is easily melted when performing normal power generation. Therefore, it is preferable to use wood metal, Bi, Sn, Pb, Cd, In, Zn, Tl, Po, etc. in Table 2 as the metal layer 40a.

本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. 集電抵抗について説明するための図である。It is a figure for demonstrating current collection resistance. 本発明の第２実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。It is typical sectional drawing of the fuel cell which concerns on 2nd Example of this invention. 燃料電池の発電時における金属層を示す図である。It is a figure which shows the metal layer at the time of the electric power generation of a fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 水素分離膜
２０ 電解質膜
３０ カソード層
４０，４０ａ 金属層
５０ 粒状カソード層
６０ 集電体層
１００，１００ａ 燃料電池 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Hydrogen separation membrane 20 Electrolyte membrane 30 Cathode layer 40, 40a Metal layer 50 Granular cathode layer 60 Current collector layer 100, 100a Fuel cell

Claims (10)

水素透過性を有する水素分離膜と、
前記水素分離膜上に設けられ、プロトン伝導性を有する電解質膜と、
前記電解質膜上に設けられ、導電性セラミックスからなるカソード層と、
前記カソード層上に設けられた金属層と、
前記金属層上に設けられ、導電性を有する多孔体層とを備えることを特徴とする燃料電池。 A hydrogen separation membrane having hydrogen permeability;
An electrolyte membrane provided on the hydrogen separation membrane and having proton conductivity;
A cathode layer provided on the electrolyte membrane and made of conductive ceramic;
A metal layer provided on the cathode layer;
A fuel cell comprising: a conductive porous layer provided on the metal layer. 前記金属層は、前記燃料電池の稼動時における前記カソード層の温度以下の融点を有する金属からなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the metal layer is made of a metal having a melting point equal to or lower than the temperature of the cathode layer when the fuel cell is in operation. 前記金属層は、ウッドメタル、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｔｌ、Ｓｂ、Ｐｏのいずれかからなることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。 3. The fuel cell according to claim 2, wherein the metal layer is made of any one of wood metal, Bi, Sn, Pb, Mg, Al, Cd, In, Zn, Tl, Sb, and Po. 前記金属層は、前記燃料電池の稼動温度において溶融する金属からなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the metal layer is made of a metal that melts at an operating temperature of the fuel cell. 前記金属層は、ウッドメタル、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｔｌ、Ｐｏのいずれかからなることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。 5. The fuel cell according to claim 4, wherein the metal layer is made of any one of wood metal, Bi, Sn, Pb, Cd, In, Zn, Tl, and Po. 前記稼動温度は、３００℃〜５００℃であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the operating temperature is 300 ° C to 500 ° C. 前記多孔体層は、粒状の導電性材料からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the porous layer is made of a granular conductive material. 前記多孔体層は、導電性セラミックスからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the porous body layer is made of conductive ceramics. 前記多孔体層は、カソード活性を有する材料から構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the porous layer is made of a material having cathode activity. 前記多孔体層上に設けられ、前記多孔体層の気孔率よりも大きい気孔率を有する集電体層をさらに備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, further comprising a current collector layer provided on the porous body layer and having a porosity larger than a porosity of the porous body layer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010516035A (en) * 2007-01-12 2010-05-13 本田技研工業株式会社 Structure of cathode for solid oxide fuel cell

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