JP2009129726A - 燃料電池、燃料電池スタックおよび燃料電池システム。 - Google Patents

Abstract

【課題】 強度を向上させた燃料極を備える燃料電池、燃料電池スタックおよび燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 本発明に係る燃料電池（１００）は、一部に平板領域（１２）を有し、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り、中空領域（１８）を有する燃料極（１０）と、プロトン伝導性を有し、燃料極の平板領域の外面上に形成された固体電解質膜（４０）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（５０）と、を備え、燃料極は、中空領域を介して平板領域と対向する領域（２０）の外面に凹凸を有す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よれば、燃料極の強度が向上する。また、燃料極の反発力が向上する。それにより、燃料電池を複数積層した場合の集電性が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池、燃料電池スタックおよび燃料電池システムに関する。

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、電極と固体電解質膜とが円筒状に形成された円筒型構造を有するものがある。さらに、固体酸化物型燃料電池には、電極と固体電解質膜とが平板筒型に形成された平板筒型構造を有するものがある。

ところで、近年では、固体の電解質を用いた燃料電池として、水素分離膜電池が開発されている（例えば、特許文献１参照）。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によって形成される層であり、燃料極としても機能する。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膜が成膜された構造を有する。水素分離膜に供給された水素はプロトンおよび／または水素原子に変換され、プロトン伝導性の電解質膜中を移動し、酸素極において酸素と結合して発電が行われる。

特開２００５−１６６５３２号公報

このような水素分離膜電池を平板筒型構造にした場合、水素分離膜電池に押圧が加えられると、水素分離膜が押し潰されてしまうおそれがある。水素分離膜は薄膜であるからである。

本発明は、強度を向上させた燃料極を備える燃料電池、燃料電池スタックおよび燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、一部に平板領域を有し、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り、中空領域を有する燃料極と、プロトン伝導性を有し、燃料極の平板領域の外面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、燃料極は、中空領域を介して平板領域と対向する領域の外面に凹凸を有す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よれば、燃料極の強度が向上する。また、燃料極の反発力が向上する。それにより、燃料電池を複数積層した場合の集電性が向上する。

上記構成において、燃料極の凹凸は、燃料極に形成された折目であってもよい。この構成によれば、燃料極の中空領域を介して平板領域と対向する領域の外面に凹凸が形成される。

上記構成において、凹凸の凹部および凸部は、反応ガスの流動方向に沿って形成されていてもよい。この構成によれば、燃料極の中空領域を介して平板領域と対向する領域の内面に形成された凹凸の凹部は、反応ガス流路を兼ねることができる。それにより、反応ガス流路を別途設ける必要がない。その結果、コストが低減される。

上記構成において、燃料極の凹凸の凸部は、所定の間隔を空けて複数形成されていてもよい。この構成によれば、複数の燃料電池を、一方の燃料電池の酸素極上に他方の燃料電池の燃料極が配置されるように積層して燃料電池スタックとした場合に、燃料極と酸素極との接触点を多くすることができる。それにより、複数の燃料電池を積層した場合における燃料極と酸素極との接触抵抗を小さくすることができる。

本発明に係る燃料電池スタックは、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池を複数備え、隣接する各燃料電池において、一方の燃料電池の酸素極上に他方の燃料電池の燃料極が積層され、燃料電池の積層方向において、一方の燃料電池の燃料極の凸部の位置と他方の燃料電池の凸部の位置とが異なることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池スタックによれば、各燃料電池に加わる押圧を分散させることができる。その結果、押圧が一点に集中することに起因する短絡の発生が抑制される。

本発明に係る燃料電池システムは、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池と、酸素極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料極に酸化剤ガスの圧力よりも高い圧力を有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、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システムによれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力差に起因する空気バネ効果によって、燃料極と酸素極との良好な接触が得られる。

本発明によれば、強度を向上させた燃料極を備える燃料電池、燃料電池スタックおよび燃料電池システムを提供することができる。

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（ａ）は、本発明の実施例１に係る燃料電池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）に示すように、燃料電池１００は、燃料極１０と、固体電解質膜４０と、酸素極５０と、を備える。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、燃料極１０は、中空領域１８が形成された略平板筒形状を有する。具体的には、燃料極１０は、内部に一端から他端に向けて貫通した中空領域１８を有する。また、燃料極１０の上側の外面（上面）には、平板領域１２が形成されている。平板領域１２は、平坦な外面を有する領域である。

燃料極１０の中空領域１８においては、水素を含有する燃料ガスが流動する。つまり、中空領域１８は、燃料ガス流路としての機能を有する。本実施例においては、燃料ガスは、燃料極１０の一端側の開口部から他端側の開口部へ向けて流動する。

また、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、燃料極１０の中空領域１８を介して平板領域１２と対向する領域（以下、この領域を対向領域２０と称する）の外面は、凹凸を有している。具体的には、対向領域２０は、谷と山とが交互に形成されるように折曲された形状を有している。つまり、燃料極１０の対向領域２０の凹凸は、燃料極１０に形成された折目である。したがって、対向領域２０の凹凸が折目である場合、対向領域２０の外面は凹凸を有しているとともに、対向領域２０の内面（中空領域１８側の面）も凹凸を有している。ここで、対向領域２０の外面の谷を凹部２４と称し、山を凸部２２と称する。また、対向領域２０の内面の山を凸部２６と称し、谷を凹部２８と称する。対向領域２０の凸部２６および凹部２８は、燃料ガスの流動方向に沿って伸びるように形成されている。

燃料極１０は、緻密な水素透過性金属からなる。本実施例に係る燃料極１０は、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程度に緻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。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。燃料極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た薄膜であってもよい。

固体電解質膜４０は、燃料極１０の平板領域１２の外面上に形成されている。固体電解質膜４０としては、プロトン伝導性を有する電解質を用いることができる。例えば、固体電解質膜４０として、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。固体電解質膜４０の膜厚は、特に限定されないが、例えば１μｍ程度である。

酸素極５０は、固体電解質膜４０の燃料極１０と反対側の面に形成されている。酸素極５０としては、例えば、触媒活性および導電性を有する電極材料を用いることができる。ここで、触媒活性とは、酸素と電子とプロトンとの反応を促進させる性質をいう。酸素極５０としては、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）を用いることができる。酸素極５０の膜厚は、特に限定されないが、例えば数μｍ程度である。

続いて、図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して、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、中空領域１８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、固体電解質膜４０に到達する。固体電解質膜４０に到達した水素原子は、燃料極１０と固体電解質膜４０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、固体電解質膜４０を伝導し、酸素極５０に到達する。電子は、燃料極１０を介して、外部に取り出される。外部に取り出された電子は、外部の負荷に供給された後に、酸素極５０に戻る。

一方、酸素を含有する酸化剤ガスは、酸素極５０に供給される。酸素極５０と固体電解質膜４０との界面においては、酸化剤ガス中の酸素と酸素極５０に到達したプロトンと燃料極１０を介して外部に取り出された電子とが反応し、水が発生する。以上の動作により、燃料電池１００による発電が行われる。

本実施例に係る燃料電池１００によれば、燃料極１０は、対向領域２０の外面に凹凸を有している。それにより、燃料極１０の強度が向上する。また、燃料極１０の反発力が向上する。それにより、燃料電池１００を複数積層した場合の集電性が向上する。

また、本実施例に係る燃料電池１００によれば、燃料極１０の凹凸の凸部２６および凹部２８は、燃料ガスの流動方向に沿って形成されている。この構成によれば、燃料極１０の対向領域２０の内面に形成された凹凸の凹部２８は、燃料ガス流路を兼ねることができる。それにより、燃料ガス流路を別途設ける必要がない。その結果、コストが低減される。

続いて、本発明の実施例２に係る燃料電池１００ａについて説明する。図２は、本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は、燃料極１０の代わりに燃料極１０ａを備える点において、図１（ｂ）に示す燃料電池１００と異なる。燃料極１０ａは、図１（ｂ）に示す対向領域２０の代わりに、対向領域２０ａを備える。その他の構成は、図１（ｂ）に示す燃料電池１００と同じため、説明を省略する。

図２に示すように、対向領域２０ａの外面には、所定の間隔をあけて複数の凸部２２ａが形成されている。また、対向領域２０ａの内面には、所定の間隔をあけて複数の凹部２８ａが形成されている。本実施例においては、凸部２２ａと凹部２８ａとは、表裏一体の構造を有する。すなわち、対向領域２０ａは、所定の間隔をあけて配置された複数の凸部を有する基板を対向領域２０ａの内面に押し当てて、対向領域２０ａの外面に基板の凸部の形状を転写させた形状を有する。例えば、対抗領域２０ａは、玉子パック形状を有していてもよい。

なお、図２において、凸部２２ａおよび凹部２８ａは、それぞれ滑らかな曲面を有する立体形状を有しているが、これに限定されない。凸部２２ａおよび凹部２８ａは、立体形状であればよい。例えば、凸部２２ａおよび凹部２８ａは、一部に平面領域を有する立体形状であってもよく、複数の平面が組み合わされて構成された立体形状であってもよい。

本実施例に係る燃料電池１００ａにおいても、燃料極１０ａは、対向領域２０ａの外面に凹凸を有する。それにより、燃料極１０ａの強度が向上する。

また、本実施例に係る燃料電池１００ａによれば、複数の燃料電池１００ａを、一方の燃料電池１００ａの酸素極５０上に他方の燃料電池１００ａの燃料極１０ａが配置されるように積層して燃料電池スタックとした場合に、燃料極１０ａと酸素極５０との接触点を多くすることができる。それにより、複数の燃料電池１００ａを積層した場合における燃料極１０ａと酸素極５０との接触抵抗を小さくすることができる。

続いて、本発明の実施例３に係る燃料電池１００ｂについて説明する。図３は、本実施例に係る燃料電池１００ｂの模式的断面図である。燃料電池１００ｂは、燃料極１０の代わりに燃料極１０ｂを備える点において、図１（ｂ）に示す燃料電池１００と異なる。燃料極１０ｂは、材質が異なる点と、触媒３０および触媒３２をさらに備える点と、において、図１（ｂ）に示す燃料極１０と異なる。触媒３０は平板領域１２の外面に設けられ、触媒３２は平板領域１２の内面に設けられている。その他の構成は、図１（ｂ）に示す燃料電池１００と同じため、説明を省略する。

燃料極１０ｂとしては、５Ａ族元素（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ等）を用いることができる。この場合、燃料極１０ｂとしてＰｄ、Ｐｄ合金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、燃料極１０ｂの平板領域１２の外面および内面に、それぞれ水素解離能を有する触媒３０および触媒３２が設けられている。

触媒３０および触媒３２はそれぞれ、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、中空領域１８を流動する燃料ガスに含まれる水素は、触媒３２において水素原子またはプロトンとなり、燃料極１０ｂおよび触媒３０を通過する。燃料極１０ｂおよび触媒３０を通過した水素原子は、固体電解質膜４０に到達した後に、触媒３０と固体電解質膜４０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、触媒３０および触媒３２がＰｄまたはＰｄ合金からなる場合には、触媒３０および触媒３２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、触媒３０および触媒３２がＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ等からなる場合には、触媒３０および触媒３２は多孔質状であることが好ましい。

なお、固体電解質膜４０が形成されていない領域に触媒３０が設けられると、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３０は、固体電解質膜４０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。そのため、固体電解質膜４０は、触媒３０の全体を覆うように設けられている。

また、触媒３２の面積は、触媒３０の面積よりも大きいことが好ましい。触媒３０へのプロトン供給効率が向上するからである。また、触媒３２は、燃料極１０ｂ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１０ｂの全体を水素原子またはプロトンが透過するため、触媒３０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。なお、触媒３０および触媒３２の膜厚は、特に限定されないが、例えば数μｍ程度である。

本実施例に係る燃料電池１００ｂにおいても、燃料極１０ｂは、対向領域２０の外面に凹凸を有する。それにより、燃料極１０ｂの強度が向上する。また、燃料極１０ｂの反発力が向上する。それにより、燃料電池１００ｂを複数積層した場合の集電性が向上する。

また、本実施例に係る燃料電池１００ｂによれば、発電に寄与しない部分におけるＰｄ等の貴金属の使用量が低減される。また、発電に寄与しない部分における水素透過が抑制される。それにより、水素の酸化剤ガス流路へのリークが抑制される。

続いて、本発明の実施例４に係る燃料電池スタック２００について説明する。図４は、本実施例に係る燃料電池スタック２００の模式的断面図である。図４に示す燃料電池スタック２００は、複数の燃料電池を備え、隣接する各燃料電池において、一方の燃料電池の酸素極上に他方の燃料電池の燃料極が積層されている。図４においては、３つの燃料電池が積層されている。

なお、最下段（１段目）の燃料電池を燃料電池１００ｃとする。２段目の燃料電池を燃料電池１００ｄとする。３段目の燃料電池を燃料電池１００ｅとする。燃料電池１００ｃ、燃料電池１００ｄおよび燃料電池１００ｅは、それぞれ実施例１〜実施例３のいずれかに記載の燃料電池が用いられる。図４においては、燃料電池１００ｃ、燃料電池１００ｄおよび燃料電池１００ｅは、それぞれ実施例１に係る燃料電池１００と同様のものである。

本実施例に係る燃料電池スタック２００においては、燃料電池の積層方向において、一の燃料電池の燃料極の凹部が隣接する他の燃料電池の凹部に対してずれている。また、一の燃料電池の燃料極の凸部が隣接する他の燃料電池の凸部に対してずれている。それにより、各燃料電池に加わる押圧を分散させることができる。その結果、押圧が一点に集中することに起因する短絡の発生が抑制される。

なお、燃料電池スタック２００を構成する各々の燃料電池は、さらに集電体を備えていてもよい。具体的には、図４において、燃料電池１００ｃ，１００ｄ，１００ｅは、燃料極１０と酸素極５０との間に集電体を備えていてもよい。集電体には、ガス透過性を有する導電性材料を用いることができる。

続いて、本発明の実施例５に係る燃料電池システム３００について説明する。図５は、本実施例に係る燃料電池システム３００の模式図である。燃料電池システム３００は、燃料電池１００ｆと、酸化剤ガス供給手段６０と、燃料ガス供給手段７０と、を備える。燃料電池１００ｆは、実施例１〜実施例３のいずれかの燃料電池１００が用いられる。図５においては、燃料電池１００ｆは、実施例１に係る燃料電池１００である。

酸化剤ガス供給手段６０は、酸素極５０に酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス供給手段６０は、例えば、エアポンプからなる。燃料ガス供給手段７０は、燃料極１０に燃料ガスを供給する。具体的には、燃料ガス供給手段７０は、燃料極１０の中空領域１８に燃料ガスを供給する。

本実施例においては、燃料ガス供給手段７０は、酸化剤ガス供給手段６０によって酸素極５０に供給される酸化剤ガスの圧力よりも高い圧力を有する燃料ガスを中空領域１８に供給する。この場合、燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力差に起因する空気バネ効果によって、燃料極１０と酸素極５０との良好な接触が得られる。

なお、上記各実施例において、対向領域の外面の凹凸の形状は特に限定されるものではない。対向領域の外面に凹凸が形成されていれば、本発明の効果が得られる。また、上記各実施例において、燃料極の対向領域の内面の凸部は、平板領域の内面に接触していてもよい。この場合、燃料極の強度がさらに向上し、燃料電池の積層時の反発力がさらに向上する。

図１（ａ）は、実施例１に係る燃料電池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。 実施例２に係る燃料電池の模式的断面図である。 実施例３に係る燃料電池の模式的断面図である。 実施例４に係る燃料電池スタックの模式的断面図である。 実施例５に係る燃料電池システムの模式図である。

符号の説明

１０ 燃料極
１２ 平板領域
１８ 中空領域
２０ 対向領域
２２，２６ 凸部
２４，２８ 凹部
３０，３２ 触媒
４０ 固体電解質膜
５０ 酸素極
６０ 酸化剤ガス供給手段
７０ 燃料ガス供給手段
１００ 燃料電池
２００ 燃料電池スタック
３００ 燃料電池システム

Claims (6)

1. 一部に平板領域を有し、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り、中空領域を有する燃料極と、
   プロトン伝導性を有し、前記燃料極の前記平板領域の外面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、
   前記燃料極は、前記中空領域を介して前記平板領域と対向する領域の外面に凹凸を有することを特徴とする燃料電池。
2. 前記燃料極の凹凸は、前記燃料極に形成された折目であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記凹凸の凹部および凸部は、反応ガスの流動方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 前記燃料極の凹凸の凸部は、所定の間隔を空けて複数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。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池を複数備え、
   隣接する各燃料電池において、一方の燃料電池の酸素極上に他方の燃料電池の燃料極が積層され、
   前記燃料電池の積層方向において、前記一方の燃料電池の燃料極の凸部の位置と前記他方の燃料電池の凸部の位置とが異なることを特徴とする燃料電池スタック。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池と、
   前記酸素極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料極に酸化剤ガスの圧力よりも高い圧力を有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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