JP4888616B2 - 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ＭＥＡ構造体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；膜・電極接合体）の外側を一対のセパレータで挟持して形成されたものを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例えば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）。

ところで、燃料電池の燃料として用いられる水素やメタンガス等は、可燃性ガスであり、可燃範囲も広く、無色無臭である為、その取り扱いには十分な注意が必要であり、燃料の外部への漏洩を防止する安全対策が重要である。

そこで、特許文献１では、複数の単位セルを固定板に載せた状態で外容器の内部に収納する構成としている。そして、各単位セルは固定板の溝に嵌合されているが、その嵌合部にホウケイ酸ガラス等の非導電性ガラス融体からなるシール材を設けることにより、燃料が固定板の外側の酸化剤ガスの供給路に漏洩することを防止している。

また、特許文献２では、各単位セルが２つのインターコネクタによって挟まれて積層されたスタック構成としている。そして、一方のインターコネクタの接合面に凸部を形成し、他方のインターコネクタの接合面にその凸部と噛み合せられる凹部を形成するか、あるいは、両方のインターコネクタのそれぞれの接合面に凸部と凹部の両方を両方のインターコネクタの接合時に噛み合せられるように形成しておき、さらに、互いに噛み合せる凹部と凸部の間に、変形可能な薄板を挟んでおくことにより、燃料の外部への漏洩を防止している。

特開平５−３６４１７号公報 特開２００７−３２３９８４号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載されている技術は、何れも燃料が燃料電池の外部から流路を通じて供給される際に、燃料電池近傍における燃料の漏洩を防止するものにすぎず、燃料発生源からの燃料の漏洩については何ら記載していない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、容易に且つ確実に燃料漏れを防止することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的は、下記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、
前記燃料極と前記酸化剤極との間に狭持された電解質膜と、
燃料を前記燃料極に向けて放出する燃料発生部材と、
前記燃料極と前記燃料発生部材とを、前記電解質膜とで覆って密封するシール部材と、を有することを特徴とする燃料電池。

本発明によれば、燃料電池で使用される燃料の外部への漏洩を確実に防止することができる。

本発明の実施形態１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２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１及び実施形態２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１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２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、以下の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
（実施形態１）
本発明の実施形態１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、燃料発生部材１０４、及びシール部材１０５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、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、燃料極１０２と燃料発生部材１０４とは、燃料発生部材１０４の外面に形成されたシール部材１０５で覆われ、電解質膜１０１とで密封されている。また、燃料発生部材１０４の近傍には、燃料発生部材１０４の全体の温度を均一化する為の図示しないヒータが配置されている。

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等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、この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、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。

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６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。

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る。本実施形態では、燃料発生部材１０４を燃料極１０２に接するように設けているが、これに限らず、例えば、燃料発生部材１０４と燃料極１０２との間に、燃料を通過させる多孔質層を設けてもよい。また、多孔質層の代わりに、ビーズやスペーサ等を配置することもできる。

燃料発生部材１０４の近傍に配置されたヒータにより、燃料発生部材１０４の全体の温度を一様に上昇させることで、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、鉄（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）を発生させる。

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。

シール部材１０５は、燃料発生部材１０４の外面を覆うように形成され、燃料極１０２と燃料発生部材１０４とを電解質膜１０１とで密封する。即ち、シール部材１０５は、燃料極１０２及び燃料発生部材１０４の両者の電解質膜１０１とは接していない面の全てを覆うように設けられる。シール部材１０５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）を用いることができ、また、二酸化ケイ素等、電解質膜１０１とは異なる材料であっても構わない。シール部材１０５の成膜方法は、燃料極１０２の場合と同様に、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）、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。

シール部材１０５は、電解質膜１０１の酸化剤極１０３が成膜される面をマスキングしておき、単純に素子（構造物）全体をシール部材１０５の材料でコーティングすることで形成できる。

このように、本実施形態においては、燃料を燃料極１０２に向けて放出する燃料発生部材１０４を設け、燃料極１０２と燃料発生部材１０４とを電解質膜１０１とで覆って密封するシール部材１０５を備える構成としている。これにより、各部材間の高精度な位置合わせ等を行うことなく、簡単な製造方法で燃料を封止する封止構造を形成でき、燃料電池１で使用される燃料の外部への漏洩を確実に防止することができる。

なお、本実施形態において、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。
（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る燃料電池の構成を、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、燃料電池１の外観を示す模式図、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＡ−Ａ′断面模式図、図２（ｃ）は、図２（ａ）におけるＢ−Ｂ′断面模式図である。

実施形態２に係る燃料電池１の基本構成は、実施形態１の場合と概ね同様なのでその説明は省略し、実施形態１の場合と異なるシール部材１０５について説明する。

実施形態２におけるシール部材１０５は、電解質膜１０１の材料と同じ材料を用いて電解質膜１０１と一体化して同時に形成されている。即ち、電解質膜１０１とシール部材１０５とは同一の部材である。

この場合、電解質膜１０１及びシール部材１０５に用いる材料は、燃料発生部材１０４から発生する燃料（水素）を透過せず、酸素イオンを透過するものであればよい。シール部材１０５の材料に、電解質膜１０１の材料と同じ材料を用いることにより、電解質膜１０１を成膜する際にシール部材１０５を同時に一体化して形成することができるので、製造工程を簡略化でき、製造コストを低減することができる。

実施形態２においても、実施形態１と同様に、各部材間の高精度な位置合わせ等を行うことなく、簡単な製造方法で燃料を封止する封止構造を形成でき、燃料電池１で使用される燃料の外部への漏洩を確実に防止することができる。

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。

（実施例１）
実施例１は、実施形態１に係る燃料電池１の製造例である。

実施例１における製造方法を図３、図４、及び図６を用いて説明する。図３、図４は、燃料電池１の実施例１における製造工程を示す模式図であり、図３（ａ１）、図３（ｂ１）、図４（ａ１）、図４（ｂ１）は、各工程での外観を示す模式図、図３（ａ２）、図３（ｂ２）、図４（ａ２）、図４（ｂ２）は、それぞれ図３（ａ１）、図４（ａ１）におけるＢ−Ｂ′断面模式図である。尚、図３は、実施例１、及び後述の実施例２における共通の工程を示す模式図である。

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６）。

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３（ａ１）、図３（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Ｎｉ−ＹＳＺサーメットを成膜し、燃料極１０２を形成した（図３（ｂ１）、図３（ｂ２））。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。続いて、電解質膜１０１の酸化剤極１０３が成膜されるべき面をレジストでマスキングした後、ＣＶＤ法を用いて二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を素子（構造物）全面に成膜した。その後、レジストを有機溶媒で除去することでシール部材１０５を形成した（図４（ａ１）、図４（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−Ｃｏ−Ｃｅ系材料を成膜し、酸化剤極１０３を形成した（図４（ｂ１）、図４（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による燃料電池１においては、燃料極１０２と燃料発生部材１０４とが、電解質膜１０１とシール部材１０５によって密封されることにより、燃料漏れが確実に防止できていることが確認できた。

（実施例２）
実施例２は、実施形態２に係る燃料電池１の製造例である。

実施例２における製造方法を図３、及び図５を用いて説明する。図３、図５は、燃料電池１の実施例２における製造工程を示す模式図であり、図３（ａ１）、図３（ｂ１）、図５（ａ１）、図５（ｂ１）は、各工程での外観を示す模式図、図３（ａ２）、図３（ｂ２）、図５（ａ２）、図５（ｂ２）は、それぞれ図３（ａ１）、図５（ａ１）におけるＢ−Ｂ′断面模式図である。

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３（ａ１）、図３（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Ｎｉ−Ｆｅサーメットを成膜し、燃料極１０２を形成した（図３（ｂ１）、図３（ｂ２））。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、素子（構造物）全面に、ＡＬＤ法を用いてＬＳＧＭを成膜することで、電解質膜１０１、及びシール部材１０５を一体化して形成した（図５（ａ１）、図５（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５（ｂ１）、図５（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２による燃料電池１においては、実施例１の場合と同様に、燃料極１０２と燃料発生部材１０４とが、電解質膜１０１とシール部材１０５によって密封されることにより、燃料漏れが確実に防止できていることが確認できた。

さらに、シール部材１０５は、電解質膜１０１の材料と同じ材料を用いて電解質膜１０１と一体化して同時に形成したので、製造工程を簡略化でき、より容易に封止層を形成でき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
１０５ シール部材
１０７ 酸化剤流路
１１２ リード線

Claims (6)

1. 燃料極と、
   酸化剤極と、
   前記燃料極と前記酸化剤極との間に狭持された電解質膜と、
   燃料を前記燃料極に向けて放出する燃料発生部材と、
   前記燃料極と前記燃料発生部材とを、前記電解質膜とで覆って密封するシール部材と、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形成されており、
   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ものであることを特徴とする燃料電池。
2. 前記シール部材の材料は、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. 前記シール部材は、前記電解質膜と一体化して同時に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 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から３の何れか１項に記載の燃料電池。
5. 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４に記載の燃料電池。
6. 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５の何れか１項に記載の燃料電池。