JP4888615B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に燃料発生部材を有する燃料電池装置に関する。

近年、水素と空気中の酸素から電力を取り出す燃料電池の開発が盛んに行われている。燃料電池は、発電時の排出物が水のみである為、環境に優れた発電方式であるだけでなく、原理的に取り出せる電力エネルギーの効率が高い為、省エネルギーになり、さらに、発電時に発生する熱を回収することにより、熱エネルギーをも利用することができるといった特徴を有しており、地球規模でのエネルギーや環境問題解決の切り札として期待されている。

このような燃料電池は、例えば、固体ポリマーイオン交換膜を用いた固体高分子電解質膜、またはイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質膜等を燃料極と酸化剤極とで両側から挟みこんだものを１つのセル構成としている。そして、セルには、燃料極に燃料ガスである水素を供給する水素流路、及び酸化剤極に酸化剤ガス例えば空気を供給する空気流路が設けられ、これらの流路を介して水素、空気をそれぞれ燃料極、酸化剤極に供給することで電気化学反応によって発電するものである（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１のような構成においては、水素流路が燃料極の表面に沿って形成され、水素流路に供給された水素は、該水素流路を進行するにつれて燃料極で消費される為、水素流路の上流と下流とで水素濃度が異なることとなる。この為、燃料極で発生する起電力は、該燃料極の場所により異なり、燃料極全体として取り出せる起電力は、燃料極内の起電力の低い部分の影響を受け低下する。すなわち、燃料電池の出力が低下し燃料効率が低下するという問題がある。

また、特許文献２は、ニッケルフェルトを備えた水素流路に水素ガスを供給するとともに、電池反応に使用されていない未反応水素ガスをリサイクルして燃料極に供給することを開示している。しかしながら、この特許文献２に開示の技術においても、水素ガスは水素流路に沿って供給されているため、燃料電池の出力の効率化には結びつかない。

さらに、特許文献３は、固体高分子型燃料電池の空気極から発生した水蒸気を燃料極側に配置された水素生成機構に供給し、この水素生成機構から発生された水素を燃料極に供給する燃料電池システムを開示している。しかしながら、このシステムにおいても、水蒸気が一方向に供給されているので、水素生成機構による水素の発生が水蒸気の上流側と下流側とで異なることになる。従って、特許文献３の構成においても、燃料電池の出力の効率化は困難である。

一方、特許文献４は、固体酸化物燃料電池と、水と反応して水素ガスを発生する水素含有燃料とを有する燃料電池システムを開示している。このシステムにおいては、燃料極側で発生した水を利用して水素含有燃料から水素ガスを発生させており、この水素ガスは導管又は開口を通じて燃料電池の燃料極に供給される。

特開平５−３６４１７号公報 特開平６−６０８８８号公報 特開２００９−９９４９１号公報 特表２００６−５０３４１４号公報

しかしながら、特許文献４は、燃料電池の出力の効率化を図るために、水素含有燃料と燃料極とを具体的にどのように配置するかについては何ら開示していない。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、簡単な構成で、燃料効率が安定して高い燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的は以下に記載の発明によって達成される。

１．燃料極と酸化剤極との間に電解質膜が狭持された燃料電池であって、
燃料を前記燃料極に向けて面状に放出する燃料発生部材と、
前記燃料発生部材と前記燃料極との間に配置され、前記燃料に対し透過性を有する絶縁層と、を有することを特徴とする燃料電池。

本発明によれば、簡単な構成で、燃料極の全面に渡り均一な濃度の燃料を供給することができるので、燃料極で発生する起電力は、該燃料極の場所により異なることなく一定となる。その結果、起電力のばらつきによる出力の低下を抑え、燃料効率を高めることができる。

さらに、燃料発生部材と燃料極との間に、燃料に対し透過性を有する絶縁層を設ける構成とした場合には、燃料発生部材の電気抵抗が燃料発生状況により変化しても、その影響を受けることなく安定した出力を得ることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の概略構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の製造工程の概略を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の製造工程の概略を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る燃料発生部材の別の形成方法を示す模式図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係る燃料電池を説明する。尚、本発明は、該実施の形態に限られない。

先ず、本発明の実施形態に係る燃料電池の構成を、図１を用いて説明する。図１（ａ）は、燃料電池１の外観を示す模式図、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ′断面模式図、図１（ｃ）は、図１（ａ）におけるＢ−Ｂ′断面模式図である。

燃料電池１は、図１に示すように、電解質膜１０１、燃料極１０２、酸化剤極１０３、絶縁層１０６、燃料発生部材１０４、及びヒータ１１０等から構成される。

燃料極１０２に燃料を供給する燃料発生部材１０４には、断面が矩形の複数の孔１０４ｈが形成され、孔１０４ｈの内面に沿って、絶縁層１０６、燃料極１０２、電解質膜１０１、酸化剤極１０３がこの順で積層され、孔１０４ｈの中央部には、酸化剤極１０３に酸化剤ガスＯｘを供給する酸化剤流路１０７が形成されている。また、燃料発生部材１０４の周囲には、燃料発生部材１０４の全体の温度を均一化する為のヒータ１１０が格子状に配置されている。尚、ヒータ１１０の配置は、格子状に限定されることなく、燃料発生部材１０４を均一に加熱できる配置であればよい。例えば、ヒータ１１０は燃料電池１とは別体にして、燃料電池１に近接して配置するようにしてもよい。

本実施形態において、燃料とは水素であり、酸化剤ガスＯｘとは酸素を含有するガス、例えば空気である。

燃料電池１は、燃料発生部材１０４から燃料極１０２に水素を供給し、酸化剤流路１０７から酸化剤極１０３に酸素を供給することで生じる電気化学反応によって発電する。本実施形態の燃料電池１としては、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いる。

電解質膜１０１の材料としては、発電時に燃料極１０２側に水を発生するものが好適であり、例えば安定化イットリアジルコニウム（ＹＳＺ）やペロブスカイト化合物であるＬＳＧＭ（Ｌａ−Ｓｒ−Ｇａ−Ｍｎ）を用いた固体酸化物電解質を用いることができる。なお、電解質膜１０１の材料としては、これらに限定されることなく、酸素イオンを通すもの、また、水酸化物イオンを通すものであり、燃料電池の電解質としての特性を満たすものであればよい。この場合、発電時に燃料極１０２側に水が発生するので、発生した水を用いた化学反応によって燃料発生部材１０４から燃料（水素）を発生させることができる。

電解質膜１０１の成膜方法としては電気化学蒸着法（ＣＶＤ−ＥＶＤ法：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ−Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、原子層積層法（ＡＬＤ法：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ディッピング法、塗布法等を用いることができる。

燃料極１０２の材料としては、Ｎｉ−Ｆｅサーメット、Ｎｉ−ＹＳＺサーメット等を用いることができる。燃料極１０２の成膜方法は、ＡＬＤ法等を用いることができる。

酸化剤極１０３の材料としては、Ｌａ−Ｍｎ−Ｏ系材料、Ｌａ−Ｃｏ−Ｃｅ系材料等を用いることができる。酸化剤極１０３の成膜方法は、ＡＬＤ法、ディッピング法等を用いることができる。

燃料発生部材１０４の材料としては、化学反応によって燃料を発生するＦｅやＭｇ合金、また、分子の構造によって燃料を脱吸着できるカーボンナノチューブ等を用いることができる。また、燃料発生部材１０４は、燃料を発生させるだけでなく、燃料を吸蔵（吸着）できるものでもよい。この場合、燃料発生部材１０４から燃料を発生させた後、吸蔵（吸着）作業を行うことで、繰り返し燃料発生部材１０４を用いることができる。燃料である水素を吸蔵できる材料としては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｖ、Ｍｇ等を基材料とする水素吸蔵合金を用いることができる。本実施形態においては、化学反応によって好適に水素を発生させることができる鉄（Ｆｅ）を用いる。

燃料発生部材１０４の形成方法は、燃料発生部材の材料を金型に充填して、圧縮成型する方法、また、例えば樹脂材料等に燃料発生部材の材料を混合し、金型に流し込んだ後、樹脂材料を加熱蒸発等によって除去して成型する方法等を用いることができる。また、図４に示すように、上下の面にそれぞれ複数の溝１０４ｍを有する板状の燃料発生部材１０４Ａ、１０４Ｂを上記の方法で成型した後、それぞれを接合することで形成してもよい。

絶縁層１０６は、燃料発生部材１０４と燃料極１０２の間に形成され、燃料発生部材１０４と燃料極１０２とを絶縁する。燃料発生部材１０４は、その燃料供給状況によって電気抵抗が変化する為、燃料発生部材１０４と燃料極１０２が一部でも導通していると、出力が変動する。この為、燃料発生部材１０４と燃料極１０２の間に燃料に対して透過性を有する多孔質の絶縁層１０６を設けることで、燃料発生部材１０４の電気抵抗の変化による出力への影響を防止する。

絶縁層１０６の材料としては、電解質膜１０１の場合と同様に、安定化イットリアジルコニウム（ＹＳＺ）やペロブスカイト化合物であるＬＳＧＭ（Ｌａ−Ｓｒ−Ｇａ−Ｍｎ）、また、二酸化ケイ素等を用いることができる。絶縁層１０６の成膜方法は、蒸着法やスパッタ法を用いてもよいし、ディッピング法や化学気相成長法（ＣＶＤ法：Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｖａｐｏｒ−Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＡＬＤ法等の方法を用いると、複雑な形状に対しても均一な膜厚で成膜ができるので好適である。

尚、絶縁層１０６は、電解質膜１０１の材料と同じ材料を用いて多孔質の層を形成してもよい。多孔質化は成膜条件を変えることで形成できる。この場合、もともと電解質膜１０１に用いる材料と同じ材料で絶縁層１０６を形成する為、材料が異なることによる使用可能温度等の制約を排除することができる。

燃料発生部材１０４の燃料を放出する放出面と、燃料極１０２の燃料が供給される供給面とは、互いに対向して配置され、絶縁層１０６を挟んで一定の間隔で平行に配置される。

ヒータ１１０により、燃料発生部材１０４の全体の温度を一様に上昇させると、燃料が燃料発生部材１０４の放出面から面状に放出される。このようにして、燃料発生部材１０４は、その放出面の全面から燃料極１０２の供給面の全面に向けて燃料を放出することができる。

燃料発生部材１０４として鉄（Ｆｅ）を用いた場合には、下記式（１）に示す化学反応によって、Ｆｅは燃料極１０２で発生した水（Ｈ_２Ｏ）との反応により酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）に変化することで、水素（Ｈ_２）を発生する。ここに、
４Ｈ_２Ｏ＋３Ｆｅ→４Ｈ_２＋Ｆｅ_３Ｏ_４・・・（１）
また、燃料発生部材１０４の燃料発生速度は、放出面上の位置によらず、略一定になるようにする。具体的には熱化学平衡を用いる。燃料発生部材１０４の温度を昇降させると、平衡状態からのずれに応じた燃料を発生させることができるので、燃料発生部材１０４全体の温度をヒータ１１０を用いて均一にすることで、場所によらず一定の速度で燃料を発生させることができる。

また、化学平衡を用いると、燃料極１０２と燃料発生部材１０４との間の絶縁層１０６の電池起動時の燃料濃度を場所によらず一定にしておくことでも、燃料発生部材１０４の燃料発生速度を一定にすることができる。これは、電池起動時の燃料濃度が場所によらず一定であれば、電極から発生する電力が一定となる。つまり、燃料の消費量も場所によらず一定となる。この場合、消費された燃料によって化学平衡がずれ、そのずれ量に応じた燃料が新たに、燃料発生部材１０４から発生する。燃料の消費量が場所によらず一定なので、燃料発生部材１０４からの燃料発生速度も場所によらず一定になる。

尚、電池起動時の燃料濃度を場所によらず一定にする方法は、例えば燃料が気体や液体の場合、予め燃料極１０２と燃料発生部材１０４との間の絶縁層１０６に燃料を封入しておけばよい。燃料が気体や液体の場合、自然に拡散が起こり、封入した絶縁層１０６内での濃度が一定になる為、燃料濃度を場所によらず一定にすることができる。

このように本発明の実施形態に係る燃料電池１においては、燃料を発生する燃料発生部材１０４を燃料電池１に設け、該燃料発生部材１０４の燃料を放出する放出面と燃料極１０２の燃料が供給される供給面を対向させ、絶縁層１０６を挟んで一定の間隔で平行に配置し、燃料発生部材１０４の放出面は、その略全面から燃料を燃料極１０２の供給面に向けて面状に放出する構成としている。これにより、燃料極１０２の供給面全面に渡り均一な濃度の燃料を供給することができるので、燃料極１０２で発生する起電力は、該燃料極１０２の場所により異なることなく一定となる。その結果、起電力のばらつきによる出力の低下を抑え、燃料効率を高めることができる。

また、燃料発生部材１０４の燃料発生速度は、放出面上の位置によらず、略一定になるようにしているので、起電力のばらつきによる出力の低下をさらに抑えることができ、燃料効率をより高めることができる。

さらに、燃料発生部材１０４と燃料極１０２との間に、燃料に対し透過性を有する多孔質の絶縁層１０６を設ける構成としたので、燃料発生部材１０４の電気抵抗が燃料発生状況により変化した場合においても、その影響を受けることなく安定した出力を得ることができる。

尚、本実施形態においては、燃料発生部材１０４の孔１０４ｈの断面形状を矩形としたが、これに限定されることなく、例えば、円形としてもよい。この場合も、前述の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態においては、燃料発生部材１０４に孔１０４ｈを形成し、その孔１０４ｈの内部に絶縁層１０６、燃料極１０２、電解質膜１０１および酸化剤極１０３を配置するものとしたが、これに限らず、例えば板状の燃料発生部材１０４の上に絶縁層１０６、燃料極１０２、電解質膜１０１および酸化剤極１０３を積層するようにしてもよい。

（実施例１）
本発明の実施形態に係る燃料電池１の実施例１を図２、図３を用いて説明する。図２、図３は、燃料電池１の製造工程を示す模式図であり、図２（ａ１）〜図２（ｃ１）、図３（ａ１）、図３（ｂ１）は、各工程での外観を示す模式図、図２（ａ２）〜図２（ｃ２）、図３（ａ２）、図３（ｂ２）は、それぞれ図２（ａ１）、図３（ａ１）におけるＢ−Ｂ′断面模式図である。

なお、図１で示す燃料電池１はヒータ１１０を内蔵したものであったが、以下の実施例１においては、ヒータ１１０を内蔵しない形態の燃料電池１の製造方法を説明する。ヒータ１１０を燃料電池１に内蔵する場合においては、燃料発生部材１０４を形成する工程において、ヒータ１１０を内蔵させればよい。

最初に、鉄粉を金型に充填し、圧縮成形することで、断面が矩形の複数の孔１０４ｈを有する燃料発生部材１０４を形成した（図２（ａ１）、図２（ａ２））。

次に、燃料発生部材１０４の孔１０４ｈの内面に沿って、ＡＬＤ法を用いてＬＳＧＭを成膜し、絶縁層１０６を形成した（図２（ｂ１）、図２（ｂ２））。

次に、絶縁層１０６の内面に沿って、ＡＬＤ法を用いてＮｉ−Ｆｅサーメットを成膜し、燃料極１０２を形成した（図２（ｃ１）、図２（ｃ２））。続いて、形成された各燃料極１０２にリード線１１２を接続した。

次に、燃料極１０２の内面に沿って、ＡＬＤ法を用いてＬＳＧＭを成膜し、電解質膜１０１を形成した（図３（ａ１）、図３（ａ２））。

次に、電解質膜１０１の内面に沿って、ＡＬＤ法を用いてＬａ−Ｍｎ−Ｏ系材料を成膜し、酸化剤極１０３を形成した（図３（ｂ１）、図３（ｂ２））。このとき、形成された酸化剤極１０３の内面の壁面により酸化剤流路１０７が形成された。続いて、形成された各酸化剤極１０３にリード線１１２を接続し、燃料電池１を完成させた。

（実施例２）
次に、本発明の実施形態に係る燃料電池１の実施例２を、図２、図３及び図４を用いて説明する。図４は、燃料発生部材１０４の別の形成方法を示す模式図である。なお、実施例２も、ヒータ１１０を内蔵しない形態の燃料電池１の製造方法である。

最初に、樹脂にＭｇを混合し、金型に充填した後、加熱することで、樹脂を蒸発乾燥させて、上下の面にそれぞれ複数の溝１０４ｍを有する板状の燃料発生部材１０４Ａ、１０４Ｂを形成した（図４）。

次に、形成された燃料発生部材１０４Ａ、１０４Ｂを積層して接合し、断面が矩形の複数の孔１０４ｈを有する燃料発生部材１０４を形成した（図２（ａ１）、図２（ａ２））。

次に、燃料発生部材１０４の孔１０４ｈの内面に沿って、ＣＶＤ法を用いて二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を成膜し、絶縁層１０６を形成した（図２（ｂ１）、図２（ｂ２））。

次に、絶縁層１０６の内面に沿って、ＡＬＤ法を用いてＮｉ−ＹＳＺサーメットを成膜し、燃料極１０２を形成した（図２（ｃ１）、図２（ｃ２））。続いて、形成された各燃料極１０２にリード線１１２を接続した。

次に、燃料極１０２の内面に沿って、ディッピング法を用いてＹＳＺを成膜し、電解質膜１０１を形成した（図３（ａ１）、図３（ａ２））。

次に、電解質膜１０１の内面に沿って、ディッピング法を用いてＬａ−Ｍｎ−Ｃｅ系材料を成膜し、酸化剤極１０３を形成した（図３（ｂ１）、図３（ｂ２））。このとき、形成された酸化剤極１０３の内面の壁面により酸化剤流路１０７が形成された。続いて、形成された各酸化剤極１０３にリード線１１２を接続し、燃料電池１を完成させた。

このようにして完成させた実施例１、実施例２による燃料電池１の性能を評価した結果、何れも出力変動が少なく、安定して高い出力が得られることが確認できた。

１ 燃料電池
１０１ 電解質膜
１０２ 燃料極
１０３ 酸化剤極
１０４ 燃料発生部材
１０６ 絶縁層
１０７ 酸化剤流路
１１０ ヒータ
１１２ リード線

Claims (8)

1. 燃料極と酸化剤極との間に電解質膜が狭持された燃料電池であって、
   燃料を前記燃料極に向けて面状に放出する燃料発生部材と、
   前記燃料発生部材と前記燃料極との間に配置され、前記燃料に対し透過性を有する絶縁層と、を有し、
   前記電解質膜は、発電時に前記燃料極で水を発生する電解質で構成されており、
   前記燃料発生部材は、前記燃料極で発生された水との化学反応によって燃料である水素を発生することを特徴とする燃料電池。
2. 前記絶縁層の材料は、前記電解質膜の材料と同じ材料であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記燃料発生部材には、孔が形成され、
   前記孔の内面に沿って、前記絶縁層、前記燃料極、前記電解質膜、前記酸化剤極がこの順で積層され、前記孔の中央部には、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤流路が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記燃料発生部材には、前記孔が複数形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記絶縁層は、多孔質であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の燃料電池。
6. 前記絶縁層の材料は、二酸化ケイ素を含むことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の燃料電池。
7. 前記燃料発生部材の材料は、鉄を含むことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の燃料電池。
8. 前記燃料発生部材の温度を制御するためのヒータを有することを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の燃料電池。