JP6686214B2 - 電気化学セル - Google Patents
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Description
図1は、実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池100の構成を示す断面図である。固体アルカリ形燃料電池100は、燃料電池セル10と、複数のセパレータ11と、複数のシール部12とを備えている。なお、本実施形態では、固体アルカリ形燃料電池100は1つの燃料電池セル10を有しているが、実際に使用する際は、複数の燃料電池セル10がセパレータ11を介してスタックされていることが好ましい。
セパレータ11は、燃料電池セル10を厚さ方向(z軸方向)の両側から挟むように配置されている。セパレータ11は、ガス流路111を有している。ガス流路111は、後述する燃料電池セル10のカソード2又はアノード3と対向している。
シール部12は、セパレータ11と燃料電池セル10との間に配置されている。シール部12は、セパレータ11と燃料電池セル10との間の密着性を向上させて、燃料又は酸化剤が外部へ漏出することを防止する。シール部12は、環状であり、燃料電池セル10の電解質膜4の外周縁部に当接している。シール部12として、例えば、Oリング、ゴムシートなどを例示することができる。なお、シール部12は、セパレータ11と一体的に構成されていてもよい。
燃料電池セル10は、カソード2、アノード3、及び電解質膜4を備える。燃料電池セル10は、下記の電気化学反応式に基づいて、比較的低温(例えば、50℃〜250℃)で発電する。ただし、下記の電気化学反応式では、燃料の一例としてメタノールが用いられている。
・アノード3: CH3OH+6OH−→6e−+CO2+5H2O
・全体 : CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O
カソード2は、電解質膜4の一方面に配置されている。カソード2は、一般的に空気極と呼ばれる陽極である。固体アルカリ形燃料電池100の発電中、カソード2には、上述したように、セパレータ11のガス流路111を介して酸素(O2)を含む酸化剤が供給される。酸化剤としては、空気を用いるのが好ましく、空気は加湿されていることがより好ましい。カソード2は、内部に酸化剤を拡散可能な多孔質体である。カソード2の気孔率は特に制限されない。カソード2の厚みは特に制限されないが、例えば10〜200μmとすることができる。
アノード3は、電解質膜4の他方面に配置されている。アノード3は、一般的に燃料極と呼ばれる陰極である。固体アルカリ形燃料電池100の発電中、アノード3には、燃料供給手段15を介して、水素原子(H)を含む燃料が供給される。アノード3は、内部に燃料を拡散可能な多孔質体である。アノード3の気孔率は特に制限されない。アノード3の厚みは特に制限されないが、例えば10〜500μmとすることができる。
電解質膜4は、カソード2とアノード3との間に配置される。電解質膜4は、カソード2及びアノード3のそれぞれに接続される。電解質膜4の一方面にはカソード2が配置されており、多方面にはアノード3が配置されている。
無機固体電解質体6の作製方法は特に限定されないが、無機固体電解質体6をLDHで構成する場合であって、LDHの水酸化物基本層がNi、Al、Ti及びOH基を含むとき、以下の工程(1)〜(4)で作製することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
上記実施形態では、折り曲げ部44は連続的に環状に形成されているが、図5に示すように、折り曲げ部44は、断続的に環状に形成されていてもよい。
上記実施形態では、折り曲げ部44は環状に延びているが、折り曲げ部44の形状は環状に限定されない。例えば、図6に示すように、折り曲げ部44は、直線状に延びていてもよい。この場合、折り曲げ部44は、カソード2及びアノード3の外周縁部に沿って延びていることが好ましい。また、図7に示すように、折り曲げ部44は、湾曲して延びていてもよい。このように湾曲している折り曲げ部44は、カソード2及びアノード3の角部に沿って延びていることが好ましい。
図8及び図9に示すように、折り曲げ部44は、複数列となって延びている複数の折り曲げ部44を含んでいてもよい。各折り曲げ部44は、互いに沿って延びていることが好ましい。すなわち、各折り曲げ部44は、互いに実質的に平行に延びていることが好ましい。
上記実施形態では、折り曲げ部44は第3領域43のみに配置されているが、折り曲げ部44の配置はこれに限定されない。例えば、折り曲げ部44は、第3領域43と第2領域42とに亘って形成されていてもよい。
図10に示すように、折り曲げ部44は、カソード2及びアノード3の少なくとも一方と接するように延びていてもよい。すなわち、折り曲げ部44は、第1領域41と第2領域42との境界部を通っていてもよい。詳細には、折り曲げ部44は、矩形状のカソード2及びアノード3の少なくとも一方の角部を通るように延びている。
図11に示すように、複数の折り曲げ部44が、第3領域43の内周縁から外周縁に向かって延びていてもよい。すなわち、複数の折り曲げ部44が放射状に延びていてもよい。なお、各折り曲げ部44の両端が第3領域43の内周縁及び外周縁と間隔をあけるように各折り曲げ部44は形成されているが、各折り曲げ部44の両端が第3領域43の内周縁及び外周縁の少なくとも一方と接触するように各折り曲げ部44が形成されていてもよい。また、環状に延びる折り曲げ部44と、放射状に延びる折り曲げ部44とが混在していてもよい。
上記実施形態では、閉気孔611は、多孔質基材5から離れていたが、図12に示すように、閉気孔611は、多孔質基材5に接していてもよい。すなわち、閉気孔611は、連続孔5aの内表面と直接的に接触していてもよい。これによって、閉気孔611が多孔質基材5から離れている場合に比べて、閉気孔611の存在による多孔質基材5の拘束面積を低減できるため、多孔質基材5自体の柔軟性を向上させることができる。そのため、電解質膜4に体積変化や変形が生じた場合に、カソード2と電解質膜4との界面、又は/及び、アノード3と電解質膜4との界面に応力が発生することをより抑制できる。
上記実施形態では、電解質膜4は、複数の閉気孔611を有することとしたが、閉気孔611を少なくとも1つ有していれば、閉気孔611を全く有していない場合に比べて、複合部61に柔軟性を付与することができるため、電解質膜4の剥離を抑制できる。
上記実施形態では、閉気孔611の形状は断面が円形状に構成されていたが、閉気孔611の形状はこれに限定されない。例えば、閉気孔611は、断面が楕円形状となっていてもよいし、その他の形状であってもよい。
上記実施形態では、多孔質基材5は、高分子材料によって構成されていたが、多孔質基材5の材質はこれに限定されない。例えば、多孔質基材5は、金属材料によっても構成することができる。多孔質基材5を構成する金属材料としては、ステンレス(Fe−Cr系合金、Fe−Ni−Cr系合金など)、アルミニウム、亜鉛、ニッケル、又は、チタンなどを用いることができる。このような金属材料は、高分子材料に比べて熱伝導性が高いため、多孔質基材5の放熱効率を向上させることができるとともに、多孔質基材5内の温度分布を低減させることができる。
上記実施形態では、無機固体電解質体6は、複合部61、第1膜状部62、及び第2膜状部63を有することとしたが、少なくとも複合部61を有していればよい。すなわち、無機固体電解質体6は、第1膜状部62及び第2膜状部63の少なくとも一方を備えていなくてよい。
上記実施形態では、本発明に係る燃料電池セルを固体アルカリ形燃料電池に適用した実施形態を説明したが、本発明に係る燃料電池セルが適用される対象は固体アルカリ形燃料電池に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池などの他の燃料電池にも適用することができる。
2 カソード
3 アノード
4 電解質膜
41 第1領域
42 第2領域
43 第3領域
44 折り曲げ部
5 多孔質基材
6 無機固体電解質体
61 複合部
62 第1膜状部
63 第2膜状部
Claims (19)
- 電解質膜と、
前記電解質膜の一方面に配置されるカソードと、
前記電解質膜の他方面に配置されるアノードと、
を備え、
前記電解質膜は、前記カソード及び前記アノードの少なくとも一方が配置される第1領域と、前記第1領域よりも外周縁部側に配置されてシール部を配置するための第2領域と、前記第1領域と前記第2領域との間に配置される第3領域と、を有し、
前記電解質膜は、前記第3領域において、畝状に折り曲げられた少なくとも1つの折り曲げ部を有し、
前記折り曲げ部は、前記カソード及び前記アノードの少なくとも一方と接するように延びる、
電気化学セル。
- 前記折り曲げ部は、前記カソード及び前記アノードの外周縁部に沿って延びる、
請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記折り曲げ部は、前記カソード及び前記アノードの外周縁部に沿って環状に延びる、
請求項1又は2に記載の電気化学セル。
- 前記折り曲げ部は、連続的に延びる、
請求項3に記載の電気化学セル。
- 前記折り曲げ部は、断続的に延びる、
請求項3に記載の電気化学セル。
- 前記折り曲げ部は、複数列となって延びる複数の折り曲げ部を含む、
請求項2から5のいずれかに記載の電気化学セル。
- 前記折り曲げ部は、前記第3領域の内周縁から外周縁に向かって延びる、
請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記折り曲げ部は、放射状に延びる複数の折り曲げ部を含む、
請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記電解質膜は、
三次元網目構造を有し、連続孔を形成する多孔質基材と、
イオン伝導性を有し、前記連続孔内に配置されるイオン伝導体と、
を有する、
請求項1から8のいずれかに記載の電気化学セル。
- 前記電解質膜は、前記多孔質基材の第1主面を覆う第1膜状部と、前記多孔質基材の第2主面を覆う第2膜状部と、をさらに有する、
請求項9に記載の電気化学セル。
- 前記イオン伝導体は、内部に閉気孔を有する、
請求項9又は10に記載の電気化学セル。
- 前記閉気孔は、前記多孔質基材から離れている、
請求項11に記載の電気化学セル。
- 前記閉気孔は、前記多孔質基材に接している、
請求項11に記載の電気化学セル。
- 前記イオン伝導体は、前記閉気孔を含む複数の閉気孔を有する、
請求項11から13のいずれかに記載の電気化学セル。
- 前記多孔質基材は、内部に細孔を有し、
前記細孔には、前記イオン伝導体が含浸されている、
請求項9から14のいずれかに記載の電気化学セル。
- 電解質膜と、
前記電解質膜の一方面に配置されるカソードと、
前記電解質膜の他方面に配置されるアノードと、
を備え、
前記電解質膜は、前記カソード及び前記アノードの少なくとも一方が配置される第1領域と、前記第1領域よりも外周縁部側に配置されてシール部を配置するための第2領域と、前記第1領域と前記第2領域との間に配置される第3領域と、を有し、
前記電解質膜は、前記第3領域において、畝状に折り曲げられた少なくとも1つの折り曲げ部を有し、
前記折り曲げ部は、前記カソード及び前記アノードの外周縁部に沿って環状に且つ断続的に延びる、
電気化学セル。
- 電解質膜と、
前記電解質膜の一方面に配置されるカソードと、
前記電解質膜の他方面に配置されるアノードと、
を備え、
前記電解質膜は、前記カソード及び前記アノードの少なくとも一方が配置される第1領域と、前記第1領域よりも外周縁部側に配置されてシール部を配置するための第2領域と、前記第1領域と前記第2領域との間に配置される第3領域と、を有し、
前記電解質膜は、前記第3領域において、畝状に折り曲げられた少なくとも1つの折り曲げ部を有し、
前記折り曲げ部は、前記第3領域の内周縁から外周縁に向かって延びる、
電気化学セル。
- 電解質膜と、
前記電解質膜の一方面に配置されるカソードと、
前記電解質膜の他方面に配置されるアノードと、
を備え、
前記電解質膜は、前記カソード及び前記アノードの少なくとも一方が配置される第1領域と、前記第1領域よりも外周縁部側に配置されてシール部を配置するための第2領域と、前記第1領域と前記第2領域との間に配置される第3領域と、を有し、
前記電解質膜は、前記第3領域において、畝状に折り曲げられた少なくとも1つの折り曲げ部を有し、
前記折り曲げ部は、放射状に延びる複数の折り曲げ部を含む、
電気化学セル。
- 電解質膜と、
前記電解質膜の一方面に配置されるカソードと、
前記電解質膜の他方面に配置されるアノードと、
を備え、
前記電解質膜は、前記カソード及び前記アノードの少なくとも一方が配置される第1領域と、前記第1領域よりも外周縁部側に配置されてシール部を配置するための第2領域と、前記第1領域と前記第2領域との間に配置される第3領域と、を有し、
前記電解質膜は、前記第3領域において、畝状に折り曲げられた少なくとも1つの折り曲げ部を有し、
前記電解質膜は、
三次元網目構造を有し、連続孔を形成する多孔質基材と、
イオン伝導性を有し、前記連続孔内に配置されるイオン伝導体と、
を有し、
前記イオン伝導体は、内部に閉気孔を有する、
電気化学セル。
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