JP2009021195A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料極に所定の強度を持たせつつ燃料極を薄膜化可能な筒型の燃料電池を提供する。
【解決手段】 燃料電池（１００）は、筒状に形成され水素をプロトンおよび／または水素原子の状態で透過する水素透過性金属からなる燃料極（１０）と、プロトン伝導性を有し燃料極上に形成された固体電解質膜（２０）と、固体電解質膜（２０）の燃料極（１０）と反対側の面に形成された酸素極（４０）と、を備える。固体電解質膜（２０）および酸素極（４０）は、燃料極（１０）の外側に形成されていてもよい。燃料極（１０）は、円筒形状を有していてもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

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。

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等がある。固体酸化物型燃料電池には、燃料極と固体電解質膜とが円筒状に形成された構造を有するものがある（例えば、特許文献１参照）。この固体酸化物型燃料電池においては、円筒構造に起因して所定の強度が確保される。

特開２００５−１５００７７号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、円筒状に形成された燃料極が多孔質の導電性セラミックスからなることから、燃料極を薄くすると燃料極の強度を確保することが困難である。

本発明は、燃料極に所定の強度を持たせつつ燃料極を薄膜化可能な筒型の燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、筒状に形成され水素をプロトンおよび／または水素原子の状態で透過する水素透過性金属からなる燃料極と、プロトン伝導性を有し燃料極上に形成された固体電解質膜と、固体電解質膜の燃料極と反対側の面に形成された酸素極と、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、燃料極が筒形状を有することから、平板状の燃料電池に比較して高い強度を有する。また、燃料極が金属から構成されていることから、本発明に係る燃料電池は高い破壊靭性を有する。金属は高い破壊靭性を有するからである。したがって、本発明に係る燃料電池においては、燃料極に所定の強度を持たせつつ燃料極を薄膜化することができる。

固体電解質膜および酸素極は、燃料極の外側に形成されていてもよい。この場合、燃料極を切れ目のない筒型に形成することができる。この場合、切れ目のある金属を用いる場合に比較して破壊靭性を高くすることができる。また、燃料極は、円筒形状を有していてもよい。この場合、燃料極の強度が高くなる。

固体電解質膜は、燃料極上の一部に形成されていてもよい。また、固体電解質膜は、燃料極上において複数に分割されて形成されていてもよい。この場合、温度上昇に伴って燃料極と電解質膜との間に生じる応力が分散する。それにより、燃料極と電解質膜との剥離が抑制される。さらに、燃料極は平面部分を有し、固体電解質膜は平面部分に形成されていてもよい。この場合、電解質膜が燃料極の曲面部分に形成されている場合に比較して、電解質膜と燃料極との剥離を抑制することができる。

燃料極は、固体電解質膜が設けられた面において固体電解質膜を介して酸素極と対向する部分に、水素のプロトン化を促進する第１触媒を有し、固体電解質膜と反対側の面において水素のプロトン化を促進する第２触媒を有し、第２触媒は、第１触媒よりも、燃料極に形成される面積が大きくてもよい。この場合、燃料極全体に水素透過性および水素解離能を有する材料を用いる必要がなくなる。それにより、コストを低下させることができる。また、第２触媒の面積が第１触媒の面積よりも大きいことから、第１触媒へのプロトン供給効率が向上する。さらに、燃料極は５Ａ族元素からなるものであってもよい。この場合、触媒が設けられていない領域からの水素のリークを抑制することができる。

本発明によれば、燃料極に所定の強度を持たせつつ燃料極を薄膜化することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００を説明するための図である。図１（ａ）は、燃料電池１００の模式的な斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、燃料電池１００は、燃料極１０、電解質膜２０、集電体３０および酸素極４０を備える。

燃料極１０は、筒状に形成された緻密な水素透過性金属層からなる。燃料極１０によって囲まれた空間は、燃料ガス流路１１として機能する。本実施例に係る燃料極１０は、水素が水素原子および／またはプロトンの状態で透過する程度に、密な構造を有している。燃料極１０を構成する材料は、緻密で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。

燃料極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両面に、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燃料極１０として用いてもよい。燃料極１０の肉厚は、特に限定されないが、例えば５μｍ〜１００μｍ程度である。また、燃料極１０の筒径は、特に限定されないが、例えば数ｍｍから数ｃｍ程度である。燃料極１０は、内側に設けられた多孔質状の卑金属板によって支持されていてもよい。

電解質膜２０および集電体３０は、燃料極１０の外周面に形成されている。本実施例においては燃料極１０が緻密な構造を有していることから、電解質膜２０を十分に薄膜化することができる。電解質膜２０の膜厚を大きくしなくても電解質膜２０を膜状に形成することができるからである。それにより、電解質膜２０における膜抵抗を小さくすることができる。

電解質膜２０としては、プロトン伝導性を有する固体電解質であれば特に限定されないが、例えば、ペロブスカイト型電解質（ＳｒＺｒＩｎＯ_３等）、パイロクロア型電解質（Ｌｎ_２Ｚｒ_２Ｏ_７（Ｌｎ：Ｌａ（ランタン）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｓｍ（サマリウム）等））、モナザイト型希土類オルトリン酸塩電解質（ＬｎＰＯ_４（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ（プラセオジム）、Ｎｄ、Ｓｍ等））、ゼニタイプ型希土類オルトリン酸塩電解質（ＬｎＰＯ_４（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等））、希土類メタリン酸塩電解質（ＬｎＰ_３Ｏ_９（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等））、希土類オキシリン酸塩電解質（Ｌｎ_７Ｐ_３Ｏ_１８（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等））等を用いることができる。

電解質膜２０は、例えば、気相成膜法、ゾルゲル法等により燃料極１０の外周面上に成膜することができる。気相成膜法としては、例えばＰＶＤ法、ＣＶＤ法等を用いることができる。ＰＶＤ法としては、イオンプレーティング法、パルスレーザ成膜法、スパッタリング法等を用いることができる。

集電体３０は、導電性材料からなり、例えば銀等からなる。燃料極１０の外周面全体が、電解質膜２０および集電体３０によって覆われていることが好ましい。燃料極１０を透過する水素が酸化剤ガス流路にリークすることが抑制されるからである。また、集電体３０は、燃料極１０の長さ方向に伸びていることが好ましい。集電体３０の集電効率が向上するからである。

酸素極４０は、集電体３０と接触しないように、電解質膜２０の外周面側に形成されている。酸素極４０は、触媒活性および導電性を有する電極材料からなる。ここでは、触媒活性は、酸素と電子とプロトンとの反応を促進する性質のことをいう。酸素極４０は、例えば、酸素イオン伝導性セラミックス（例えば、Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４ＣｏＯ_３、Ｌａ_０．５Ｓｒ_０．５ＭｎＯ_３、Ｌａ_０．５Ｓｒ_０．５ＦｅＯ_３等）等からなる。酸素極４０の外周側の空間は、酸化剤ガス流路として機能する。

酸素極４０は、例えば、気相成膜法、ゾルゲル法等により電解質膜２０の外周面上に成膜することができる。気相成膜法としては、例えばＰＶＤ法、ＣＶＤ法等を用いることができる。ＰＶＤ法としては、イオンプレーティング法、パルスレーザ成膜法、スパッタリング法等を用いることができる。

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、燃料ガス流路１１に供給される。燃料ガス中の水素は、プロトンおよび／または水素原子の状態で燃料極１０を透過する。それにより、水素原子および／またはプロトンは、電解質膜２０に到達する。電解質膜２０に到達した水素原子は、燃料極１０と電解質膜２０との界面において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、酸素極４０に到達する。

一方、酸素を含有する酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路から酸素極４０に供給される。酸素極４０と電解質膜２０との界面においては、酸化剤ガス中の酸素と酸素極４０に到達したプロトンと電子とが反応し、水が発生する。それに伴い、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。発生した電力は、燃料極１０および集電体３０を介して外部に取り出される。

本実施例に係る燃料電池１００は、筒形状を有することから、平板状の燃料電池に比較して高い強度を有する。また、燃料極１０が金属から構成されていることから、燃料電池１００は、高い破壊靭性を有する。金属は高い破壊靭性を有するからである。したがって、燃料電池１００においては、燃料極１０に所定の強度を持たせつつ燃料極１０を薄膜化することができる。その結果、燃料電池１００を小型化することができる。また、燃料極１０の熱容量が低下することから、燃料電池１００の起動エネルギを小さくすることができる。なお、本実施例においては燃料極１０が電解質膜２０よりも内側に形成されていることから、燃料極１０を切れ目のない筒型に形成することができる。この場合、切れ目のある金属を用いる場合に比較して破壊靭性を高くすることができる。

ここで、表１に、代表的な金属およびセラミックスの応力拡大係数（破壊靭性値）を示す。表１に示すように、金属は、セラミックスに比較して高い応力拡大係数を有する。他の金属およびセラミックスについても、同様の関係が得られる。一般的な固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料極はセラミックスからなることから、燃料電池１００はＳＯＦＣに比較して高い破壊靭性を有する。

また、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を筒型に形成することが考えられる。しかしながら、ＰＥＦＣの燃料極は、アイオノマ、カーボン等から構成されるため、金属からなる燃料極に比較して柔らかくなる。したがって、ＰＥＦＣにおいては、燃料極を薄くすると高い強度が得られない。

以上記載したように、本実施例に係る燃料電池１００においては、燃料極１０に所定の強度を持たせつつ燃料極１０の薄膜化が可能である。それにより、燃料電池１００においては、起動エネルギーが小さくなる。さらに、燃料極１０が緻密金属層からなることから、電解質膜２０の薄膜化が可能である。それにより、燃料電池１００においては、発電効率が高くなる。

（複数積層構造）
図２は、燃料電池１００を上下方向に複数積層させた構造を示す図である。図２（ａ）は積層構造の模式的な斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、上下方向においては、隣接する燃料電池１００において下部の燃料電池１００の集電体３０と上部の燃料電池１００の酸素極４０とが接触している。それにより、上下方向において各燃料電池１００が直列に接続される。その結果、高い発電電圧を得ることができる。一方、横方向においては、隣接する燃料電池１００において互いに酸素極４０が接触している。それにより、横方向において各燃料電池１００が並列に接続される。その結果、大きい発電電流を得ることができる。なお、各接触部に導電性接着剤等が設けられていてもよい。

また、このように筒型の燃料電池１００を複数配置することにより、各酸素極４０によって囲まれた空間を酸化剤ガス流路４１として用いることができる。この場合、セパレータを設ける必要がない。それにより、セパレータが設けられた燃料電池スタックに比較して熱容量が小さくなる。その結果、起動エネルギが小さくなる。

（他の断面形状）
なお、燃料極１０の断面形状は特に限定されるものではない。図３は、燃料極１０の断面形状の例を示す図である。図３（ａ）に示すように、燃料極１０は、断面円形状を有していてもよい。また、図３（ｂ）に示すように、燃料極１０は、断面楕円形状を有していてもよい。また、図３（ｃ）に示すように、燃料極１０は、断面矩形状を有していてもよい。さらに、図３（ｄ）に示すように、燃料極１０は、平板筒形状であってもよい。ただし、強度の観点から、燃料極１０は、断面円形状を有していることが好ましい。

続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００ａについて説明する。図４（ａ）は、燃料電池１００ａの長さ方向における断面を示す図である。燃料電池１００ａにおいては、燃料ガス流路１１の第１端が燃料極１０、電解質膜２０および酸素極４０によって閉じられている。

この場合、図４（ｂ）に示すように、燃料ガス流路１１の第２端は開かれていてもよい。この場合、燃料ガス流路１１に供給された水素のうち未消費の水素は燃料ガス流路１１の第２端から排出される。この排出された水素は、再度燃料ガス流路１１に供給されてもよい。

なお、本実施例においては電解質膜２０がプロトン伝導体であることから、燃料極１０においては水が発生せず、酸化剤ガスの成分が燃料ガス流路１１に混入することが抑制される。したがって、図４（ｃ）に示すように、燃料ガス流路１１の第２端は閉じられていてもよい。この図４（ｃ）の構成においては、燃料ガス流路１１に供給された水素は消費されるまで燃料ガス流路１１内に滞留する。この場合、燃料ガスの循環手段を設ける必要がなくなる。

続いて、本発明の第３実施例に係る燃料電池１００ｂについて説明する。図５は、燃料電池１００ｂを説明するための図である。図５（ａ）は、燃料電池１００ｂの模式的な斜視図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、燃料電池１００ｂが図１の燃料電池１００と異なる点は、集電体３０と酸素極４０との間にさらに絶縁体５０が設けられている点である。この場合、集電体３０と酸素極４０との短絡を抑制することができる。それにより、燃料電池１００ｂの発電不良を抑制することができる。絶縁体５０は、燃料電池１００ｂの運転温度において耐久性を有していることが好ましい。例えば、絶縁体５０は、セラミックスからなる。

続いて、本発明の第４実施例に係る燃料電池１００ｃについて説明する。図６は、燃料電池１００ｃを説明するための図である。図６（ａ）は、燃料電池１００ｃの模式的な斜視図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、燃料電池１００ｃが図１の燃料電池１００と異なる点は、電解質膜２０の代わりに電解質膜２０ｃが設けられている点である。電解質膜２０ｃは、電解質膜２０と同様の材料から構成され、燃料極１０上において複数に分割されている。

ここで、表２に、代表的な金属および金属酸化物の熱膨張率を示す。表２に示すように、金属の熱膨張率と金属酸化物の熱膨張率との間には差が生じている。本実施例においては燃料極１０が金属からなりかつ電解質膜２０が金属酸化物からなることから、温度上昇に伴って燃料極１０と電解質膜２０ｃとの間に応力が生じることが考えられる。しかしながら、電解質膜２０ｃが複数に分割されていることから、応力が分散する。それにより、燃料極１０と電解質膜２０ｃとの剥離が抑制される。

なお、電解質膜２０ｃの隙間から水素がリークするおそれがあることから、電解質膜２０ｃの隙間にセラミックス等からなる水素リーク抑制部材５１を配置することが好ましい。

続いて、本発明の第５実施例に係る燃料電池１００ｄについて説明する。図７は、燃料電池１００ｄを説明するための図である。図７（ａ）は、燃料電池１００ｄの模式的な斜視図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、燃料電池１００ｄが図１の燃料電池１００と異なる点は、酸素極４０が電解質膜２０の内側に形成され燃料極１０が電解質膜２０の外側に形成されている点である。この場合、酸素極４０によって囲まれた空間が酸化剤ガス流路４１として機能する。なお、本実施例においては、集電体３０は、酸素極４０からの集電を行う。

続いて、本発明の第６実施例に係る燃料電池１００ｅについて説明する。図８は、燃料電池１００ｅを説明するための図である。図８（ａ）は、燃料電池１００ｅの模式的な斜視図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）のＦ−Ｆ線断面図である。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、燃料電池１００ｅは、図１の燃料電池１００と異なり、平板筒形状を有する。

本実施例においては、燃料極１０が平板筒形状を有する。電解質膜２０は、燃料極１０の第１平面上に形成されている。酸素極４０は、電解質膜２０上に形成されている。集電体３０は、燃料極１０の第２平面上に形成されている。第２平面は、燃料極１０において第１平面に対向する平面である。

本実施例においては電解質膜２０は燃料極１０の平面部分に形成されている。この場合、電解質膜２０が燃料極１０の曲面部分に形成されている場合に比較して、電解質膜２０と燃料極１０との剥離を抑制することができる。

続いて、本発明の第７実施例に係る燃料電池１００ｆについて説明する。図９は、燃料電池１００ｆの模式的断面図である。本実施例においては、燃料極１０として５Ａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等）を用いる。この場合、Ｐｄ等の貴金属を用いる場合に比較してコストを小さくすることができる。しかしながら、５Ａ族元素は水素透過性を有するが、水素分子を水素原子化またはプロトン化することができず、水素原子またはプロトンを水素分子化することができない。そこで、図９に示すように、燃料極１０の内周面および外周面に、それぞれ水素解離能を有する触媒１２ａ，１２ｂを設ける。

触媒１２ａ，１２ｂは、例えば、Ｐｄ、Ｐｄ合金、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）等からなる。この場合、燃料ガス流路１１を流動する水素は、触媒１２ａにおいて水素原子またはプロトンとなり、燃料極１０および触媒１２ｂを透過する。電解質膜２０に到達した水素原子は、触媒１２ｂと電解質膜２０との界面においてプロトンと電子とに解離する。なお、ＰｄおよびＰｄ合金は水素透過性を有することから、ＰｄまたはＰｄ合金からなる触媒１２ａ，１２ｂは層状であってもよい。Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ等は水素透過性を有していないことから、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ等からなる触媒１２ａ，１２ｂは多孔質状であることが好ましい。

なお、触媒１２ｂが電解質膜２０が形成されていない領域に設けられると、その領域から水素がリークするおそれがある。したがって、触媒１２ｂは、電解質膜２０が形成されている領域のみに設けられていることが好ましい。触媒１２ａの面積は、触媒１２ｂの面積よりも大きいことが好ましい。触媒１２ｂへのプロトン供給効率が向上するからである。また、触媒１２ａは、燃料極１０の内周面全体に設けられていることがさらに好ましい。この場合、燃料極１０の全体を水素原子またはプロトンが透過して触媒１２ｂへの水素原子またはプロトンの供給効率が向上するからである。

以上のことから、発電に寄与しない部分におけるＰｄ等の貴金属の使用量を低減することができる。また、発電に寄与しない部分における水素透過を抑制することができる。それにより、水素の酸化剤ガス流路へのリークを抑制することができる。

本実施例においては触媒１２ａ，１２ｂが平板筒型の燃料電池に設けられているが、それに限られない。例えば、図１に示す他の筒型の燃料電池に触媒１２ａ，１２ｂを設けてもよい。この場合においても、触媒１２ｂは電解質膜２０が形成されている領域のみに設けられていることが好ましい。なお、本実施例においては、触媒１２ｂが第１触媒に相当し、触媒１２ａが第２触媒に相当する。

本発明の第１実施例に係る燃料電池を説明するための図である。 第１実施例に係る燃料電池を上下方向に複数積層させた構造を示す図である。 燃料極の断面形状の例を示す図である。 第２実施例に係る燃料電池の長さ方向における断面を示す図である。 第３実施例に係る燃料電池を説明するための図である。 第４実施例に係る燃料電池を説明するための図である。 第５実施例に係る燃料電池を説明するための図である。 第６実施例に係る燃料電池を説明するための図である。 第７実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。

符号の説明

１０ 燃料極
１１ 燃料ガス流路
１２ａ，１２ｂ 触媒
２０ 電解質膜
３０ 集電体
４０ 酸素極
４１ 酸化剤ガス流路
５０ 絶縁体
１００ 燃料電池

Claims (8)

1. 筒状に形成され、水素をプロトンおよび／または水素原子の状態で透過する水素透過性金属からなる燃料極と、
   プロトン伝導性を有し、前記燃料極上に形成された固体電解質膜と、
   前記固体電解質膜の前記燃料極と反対側の面に形成された酸素極と、を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記固体電解質膜および前記酸素極は、前記燃料極の外側に形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記燃料極は、円筒形状を有することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
4. 前記固体電解質膜は、前記燃料極上の一部に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 前記固体電解質膜は、前記燃料極上において複数に分割されて形成されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
6. 前記燃料極は、平面部分を有し、
   前記固体電解質膜は、前記平面部分に形成されていることを特徴とする請求項４または５記載の燃料電池。
7. 前記燃料極は、前記固体電解質膜が設けられた面において前記固体電解質膜を介して前記酸素極と対向する部分に、水素のプロトン化を促進する第１触媒を有し、前記固体電解質膜と反対側の面において水素のプロトン化を促進する第２触媒を有し、
   前記第２触媒は、前記第１触媒よりも、前記燃料極に形成される面積が大きい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。
8. 前記燃料極は、５Ａ族元素からなることを特徴とする請求項７記載の燃料電池。

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