JPWO2012008266A1 - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

燃料電池は、燃料極２と、酸化剤極３と、燃料極２と酸化剤極３との間に狭持される電解質膜１と、燃料極２に燃料を供給する燃料供給部４と、酸化剤極３に酸化剤を供給する酸化剤供給部５とを備える。燃料極２、酸化剤極３、電解質膜１、燃料供給部４、及び酸化剤供給部５が全て固体構造である。

Description

本発明は、燃料電池に関する。

近年、エネルギー問題や環境問題が注目を浴びており、これらの問題を解決する手段の一つとして高効率発電が可能な燃料電池の利用が挙げられる。燃料電池は、燃料に水素を利用する場合、発電時の排出物が水のみである。したがって、燃料電池は、石油など化石燃料を燃やすことで生じる窒素化合物（ＮＯ_Ｘ）や硫黄化合物（ＳＯ_Ｘ）などの有害物質や、地球温暖化の原因の一つと言われている二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出を抑えることができる高効率な発電システムである。

また、燃料電池において主として燃料に使われる水素は、昨今枯渇が懸念されている化石燃料に代わり得るクリーンエネルギとして注目されており、地球環境の保護や循環型社会の構築に貢献する可能性を秘めている。

燃料電池は、典型的には、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、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（アノード）と酸化剤極（カソード）とで両側から挟み込む構成であり、燃料極に燃料ガス（例えば水素ガス）を供給する燃料供給機構と酸化剤極に酸化剤ガス（例えば酸素や空気）を供給する酸化剤供給機構とが必要である。従来の燃料電池では、燃料ガスの流体流路として機能する空間が設けられ、当該空間が燃料供給機構となり、酸化剤ガスの流体流路として機能する空間が設けられ、当該空間が酸化剤供給機構となっている。例えば、特許文献１で提案されている燃料電池システムでは、燃料ガスの流体流路として機能する空間である燃料室が設けられ、酸化剤ガスの流体流路として機能する空間である空気室が設けられている。

特開２００９−９９４９１号公報

しかしながら、燃料電池内部に大きな空間があると、外部衝撃や内部圧力差による応力が燃料電池の構造体の大きな空間に接している部分に集中し、その応力集中部分からクラックなどの機械的故障が生じやすいという問題があった。

本発明は、上記の状況に鑑み、機械的強度に優れた燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池は、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る電解質と、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部と、前記酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給部とを備え、前記燃料極、前記酸化剤極、前記電解質、前記燃料供給部、及び前記酸化剤供給部が全て固体構造である構成としている。

本発明に係る燃料電池は、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る電解質と、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部と、前記酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給部とを備え、前記燃料極、前記酸化剤極、前記電解質、前記燃料供給部、及び前記酸化剤供給部が全て固体構造である構成である。このような構成によると、燃料電池内部に大きな空間が存在しないようになるので、機械的強度が向上する。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池の概略構成並びに当該燃料電池で行われる発電動作及び再生動作の流れを示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池の概略構成並びに当該燃料電池で行われる発電動作及び再生動作の流れを示す模式図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池の概略構成並びに当該燃料電池で行われる発電動作及び再生動作の流れを示す模式図である。 本発明の第４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ついて図面を参照して以下に説明する。尚、本発明は、後述する実施形態に限られない。

＜＜本発明の第１実施形態＞＞
＜燃料電池の概略構成＞
本発明の第１実施形態に係る燃料電池の概略構成について図１を用いて説明する。尚、図１では、本発明の第１実施形態に係る燃料電池を断面模式図で示している。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置は、図１に示すように、電解質膜１と、燃料極２と、酸化剤極３と、燃料供給部４と、酸化剤供給部５と、ヒータ６と、温度センサ７と、カバー部材８とを有している。また、本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置は、電解質膜１の両面に燃料極２と酸化剤極３を接合したＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly；膜・電極接合体）構造である。

そして、燃料極２側には固体構造である燃料供給部４が設けられ、酸化剤極３側には固体構造である酸化剤供給部５が設けられている。尚、本実施形態では、酸化剤ガスとして空気を用いるが、空気以外の酸素を含有するガスを酸化剤ガスとして用いることも可能である。また、本実施形態では、燃料として水素を用いるが、メタノールなどを用いることも可能である。電解質膜１、燃料極２、酸化剤極３、燃料供給部４、及び酸化剤供給部５を全て固体構造とし、燃料電池内部に大きな空間が存在しないようにしているので、機械的強度が向上する。図１は燃料電池装置の断面図であり、電解質膜１、燃料極２、酸化剤極３、燃料供給部４、酸化剤供給部５は、紙面奥行き方向に広がる対向面が互いに接するように配置されている。尚、燃料極２と燃料供給部４、酸化剤極３と酸化剤供給部５の各々の接触面は、必ずしも全面が完全に接合又は密着している必要はなく、微小な凹凸又は空間はあってもよい。

電解質膜１の材料としては、例えば、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を用いることができ、また例えば、ナフィオン（デュポン社の商標）、カチオン導電性ポリマー、アニオン導電性ポリマー等の固体高分子電解質を用いることができるが、これらに限定されることなく、水素イオンを通すものや酸素イオンを通すもの、また、水酸化物イオンや炭酸イオンを通すもの等、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。

電解質膜１は、固体酸化物電解質の場合であれば、電気化学蒸着法（ＣＶＤ−ＥＶＤ法；Chemical Vapor Deposition − Electrochemical Vapor Deposition）等を用いて形成することができ、固体高分子電解質の場合であれば、塗布法等を用いて形成することができる。

燃料極２、酸化剤極３はそれぞれ、例えば、電解質膜１に接する触媒層と、その触媒層に積層された拡散電極とからなる構成にすることができる。触媒層としては、例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの等を用いることができる。また、燃料極２の拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、Ｎｉ−Ｆｅ系サーメットやＮｉ−ＹＳＺ系サーメット等を用いることができる。また、酸化剤極３の拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、Ｌａ−Ｍｎ−Ｏ系化合物やＬａ−Ｃｏ−Ｃｅ系化合物等を用いることができる。

燃料極２、酸化剤極３はそれぞれ、例えば蒸着法等を用いて形成することができる。

ヒータ６は、燃料供給部４の全面（燃料極２との接触面、即ち発生した水素を放出する放出面を除く）及び酸化剤供給部５の全面（酸化剤極３との接触面、即ち酸化剤ガスを供給する供給面を除く）に接して配置されている。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池を含む燃料電池システムは、温度センサ７の出力信号に基づいてヒータ６を制御する温度制御部２０を備えている。温度制御部２０の温度検知部２０１は、温度センサ７の出力信号に基づき温度を検知する。判定部２０２は、温度検知部２０１の検知結果に基づきスイッチ部２０３によってヒータ６のオン・オフを制御し、ヒータ６による加熱を制御する。このように燃料電池内部の温度を制御する温度制御部を備える構成とすることにより、外部の温度にかかわらず発電動作を確保することができる。

カバー部材８は、燃料電池の他の構成部品全てを覆うための断熱構造を有する容器であり、その酸化剤極３側には、酸化剤供給部５に空気を供給する空気供給口９、余剰空気を排出する空気排出口１０が設けられている。また、ヒータ６の酸化剤極３側にも、同様に空気供給口９及び空気排出口１０が設けられている。空気供給口９から空気を酸化剤供給部５に通すことで酸化剤極３全体に空気が分散供給される。空気供給口９及び空気排出口１０にはそれぞれ、図示しない開閉弁が設置されており、空気供給口９及び空気排出口１０それぞれを遮断状態にすることが可能である。

＜燃料供給部の詳細＞
本実施形態では、燃料供給部４に水素発生部材を用いている。水素発生部材としては、化学反応（例えば酸化反応）によって水素を発生するものや分子の構造によって水素を脱吸着できるものであり、例えば、Ａｌ、Ｆｅ、及びＭｇから選ばれる金属微粒子１種若しくは２種以上の混合物、カーボンナノチューブ、又は一般式ＭＨ_４−ｎで表される水素化物（ＮＨ_３ＢＨ_３など）が挙げられる。このように燃料供給部４が水素発生部材を含む構成とすると、燃料電池が水素発生源を持つことになるので、外部からの水素供給が不要になる。また、酸化反応により水素を発生するものであるため、還元反応によって水素発生部材を再生することができる。したがって、燃料電池を二次電池として用いることができる。

水蒸気との反応で水素を発生し、また再生可能である、すなわち水素を発生させるだけでなく水素を吸蔵（吸着）できるという条件を満たすために、燃料供給部４として用いられる水素発生部材は、Ａｌ、Ｆｅ、及びＭｇから選ばれる金属微粒子１種若しくは２種以上の混合物であることが好ましい。このような混合物の中でも特にＦｅを含む金属微粒子が好ましい。ＦｅはＡｌ、Ｍｇと比べて、還元するのに必要なエネルギー量が小さく、また自然界に酸化鉄という形で多く存在するため利用しやすい。

本実施形態においては、酸化反応により水素を発生するＦｅ微粒子を用いる。例えば、Ｆｅ微粒子の圧縮成型体を水素発生部材として用いることができる。反応効率の向上とシンタリングの防止とを両立させるために、Ｆｅ微粒子に対して、粉砕、水素添加による脆化処理を行って微小クラックを形成し表面積を大きくし、圧縮成型の前または後に、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法やＬＰＤ（Liquid Phase Deposition）法等を用いて、触媒あるいは添加剤（例えばＳｉＯ_２で）をコーティングすることが望ましい。

燃料供給部４は固体構造であれば何でもよく、例えば、燃料極２とヒータ６とで囲まれた空間に粉体を充填する構造であっても全体として応力に対する抵抗力を持つ固体構造となっていればよい。燃料供給部４は、塗布、粉体圧縮、スクリーン印刷、蒸着法などにより形成することが好ましい。しかし、応力に対する機械的強度を向上させるためには、本実施形態のように微粒子の圧縮成型体であることが好ましい。圧縮することで強度が増し、かつ取り扱い易くなる。尚、必要に応じて、焼成工程を追加するとよい。また、本実施形態でいう固体構造とは、その中に全く空間がないものを意味するのではなく、例えば多孔質のものでもよい。本実施形態の微粒子の圧縮成型体においても、粒子間に多数の小さな空間が存在し、その空間の中をヒータ６の加熱により発生した水素が通り抜け、燃料極２に供給される。これらの空間は非常に小さいため、燃料供給部４全体の機械的強度へは殆ど影響を与えない範囲のものである。

また、本実施形態とは異なり、水素発生部材と燃料極２との間に、燃料との反応性に乏しい不活性部材を設ける構成にしてもよい。

＜酸化剤供給部の詳細＞
本実施形態では、酸化剤供給部５に酸素との反応性に乏しい不活性部材を用いている。酸素との反応性に乏しい不活性部材としては、酸素との反応性に乏しい金属、セラミック、サーメット、窒素富化膜などが好ましく、酸素との反応性に乏しい金属が特に好ましい。酸素との反応性に乏しい金属を用いる場合には、ＴｉやＡｌなどの熱伝導度の良いものを用いることが好ましい。また、窒素富化膜を用いる場合には、シリコーン膜、シリコーンポリカーボネート膜、ゼオライト吸着膜などを用いることが好ましい。

酸化剤供給部５は固体構造であれば何でもよく、例えば、酸化剤極３とヒータ６とで囲まれた空間に粉体を充填する構造（空気供給口９や空気排出口１０から粉体が漏れ出さない機構を有する構造）であってもよいが、酸素を通過させる多孔質膜であることが好ましい。酸化剤供給部５は、塗布、粉体圧縮、スクリーン印刷、蒸着法などにより形成することが好ましい。尚、必要に応じて、焼成工程を追加するとよい。

＜発電動作および再生動作＞
次に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池で行われる発電動作及び再生（還元）動作について図１を用いて説明する。

（発電動作）
発電動作の前状態では、図１（ａ）に示すように、空気供給口９及び空気排出口１０がともに閉じられており、燃料供給部４内部（本実施形態ではＦｅ微粒子の圧縮成型体内部）には、水素（Ｈ_２）が封入されている。

その後、ヒータ６により燃料電池内部を必要温度まで加温し、図１（ｂ）に示すように、空気供給口９を開け、空気供給口９から酸化剤供給部５に空気を供給し、さらに酸化剤供給部５から酸化剤極３に空気を供給すると、燃料極２では、燃料供給部４内部に封入されている水素（Ｈ_２）と酸化剤極３でイオン化し電解質膜１を通過した酸素イオン（Ｏ^２−）とで下記の化学反応式（１）に示す反応が生じ、電子（ｅ⁻）が発生し蓄積される。すなわち、燃料電池において起電力が発生し、発電動作が開始される。そして、発電動作時において燃料極２と酸化剤極３の間に外部負荷１１を接続すると、燃料極２に蓄積された電子（ｅ⁻）は、外部負荷１１を経由して酸化剤極３に流れる。これにより、外部負荷１１を駆動することができる。
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（１）

また、発電動作時において、上記の化学反応式（１）で示したように、燃料極２では水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。生成された水（Ｈ_２Ｏ）は燃料供給部４内部（本実施形態ではＦｅ微粒子の圧縮成型体内部）に供給され、燃料供給部４では、供給された水（Ｈ_２Ｏ）により下記の化学反応式（２）に示す酸化反応が生じ、その酸化反応により水素（Ｈ_２）を発生する。そして、発生した水素（Ｈ_２）は燃料極２に供給され、燃料極２では、供給された水素（Ｈ_２）を酸化し発電することによって再び水（Ｈ_２Ｏ）が生成されるといった循環の利用形態となり発電動作が持続される。したがって、水（Ｈ_２Ｏ）を燃料電池の外部に排出する必要がない。
４Ｈ_２Ｏ＋３Ｆｅ→４Ｈ_２＋Ｆｅ_３Ｏ_４ …（２）

尚、上述した発電動作時には、燃料供給部４は、鉄（Ｆｅ）が酸化され酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）へと変化し、燃料供給部４に占める鉄（Ｆｅ）の割合が次第に低下していく。

また、図１（ｂ）に示した発電動作状態から、図１（ｃ）に示すように、空気供給口９を閉じ、酸化剤極３への空気の供給を停止すると、発電動作を停止させることができる。このとき、燃料供給部４内部（本実施形態ではＦｅ微粒子の圧縮成型体内部）には、上記の化学反応式（１）及び化学反応式（２）の反応によりそれぞれ生成された水（Ｈ_２Ｏ）、水素（Ｈ_２）が残留する。

（再生動作）
図１（ｃ）に示した発電動作停止状態から、ヒータ６により燃料電池内部を必要温度まで加温し、図１（ｄ）に示すように、本発明の第１実施形態に係る燃料電池を含む燃料電池システムが備えている還元制御部１２により燃料極２と酸化剤極３の間に電圧を印加し通電すると、燃料極２では、燃料供給部４内部（本実施形態ではＦｅ微粒子の圧縮成型体内部）に残留している水（Ｈ_２Ｏ）と通電により供給された電子（ｅ⁻）とで下記の化学反応式（３）に示す電気分解が生じ、その電気分解により水素（Ｈ_２）が発生する。
Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→Ｈ_２＋Ｏ^２− …（３）

そして、燃料極２において発生した水素（Ｈ_２）は燃料供給部４に供給され、燃料供給部４では、供給された水素（Ｈ_２）により下記の化学反応式（４）に示す還元反応が生じ、その還元反応により燃料供給部４中の酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）は還元され鉄（Ｆｅ）へと変化し、燃料供給部４に占める鉄（Ｆｅ）の割合が次第に増加し、燃料供給部４は再生される。
４Ｈ_２＋Ｆｅ_３Ｏ_４→４Ｈ_２Ｏ＋３Ｆｅ …（４）

また、再生動作時において、上記の化学反応式（４）で示したように、燃料供給部４では水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。生成された水（Ｈ_２Ｏ）は燃料極２に供給され、燃料極２では、供給された水（Ｈ_２Ｏ）を電気分解することによって再び水素（Ｈ_２）が生成されるといった循環の利用形態となり再生動作が持続される。したがって、水（Ｈ_２Ｏ）を燃料電池の外部に排出する必要がない。

以上のように、本実施形態においては、電解質膜１として酸素イオンを通す電解質を用いており、発電動作時に燃料極２側で水が生成され、この水を隣接する燃料供給部４に反応させることで水素が発生する。また、還元動作時には、酸化した燃料供給部４に、水を分解して生成した水素を反応させ、還元する。このように、発電動作及び還元動作において、燃料極２と燃料供給部４との間で、水と水素を循環利用するため、装置の簡素化や小型化が可能になる。また酸化が進んだ燃料供給部４を還元して再生して繰り返し使用することができるので、燃料供給部４を取り出して新しいものと取り換える必要がない。以上のように、酸素イオンを通すタイプの電解質を用いた場合、操作性が高く、安定した性能を維持し、寿命の長い燃料電池装置を実現することができる。一方、特開２００９−９９４９１号公報に開示された燃料電池のように、電解質膜１として水素イオンを通すタイプを用いた場合、発電の際に空気極側で水が生成される。そのため、生成された水を再利用するためには燃料供給部に移送する必要があり、移送するための流路が必要となる。しかし、このようなタイプの燃料電池においても、少なくとも、燃料電池の燃料極、酸化剤極、電解質、燃料供給部及び酸化剤供給部に相当する各部が全て固体構造である構成とすることによって、燃料電池の機械的強度を向上させることができる。

＜＜本発明の第２実施形態＞＞
本発明の第２実施形態に係る燃料電池の概略構成について図２を用いて説明する。尚、図２では、本発明の第２実施形態に係る燃料電池を断面模式図で示している。また、図２において図１と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図２（ａ）は発電動作の前状態を示しており、図２（ｂ）は発電動作状態を示しており、図２（ｃ）は発電動作停止状態を示しており、図２（ｄ）は再生動作状態を示している。

本発明の第２実施形態に係る燃料電池と本発明の第１実施形態に係る燃料電池との相違点は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池が空気供給口９及び空気排出口１０を備えているのに対して、本発明の第２実施形態に係る燃料電池がこれらを備えていない点と、本発明の第１実施形態に係る燃料電池が酸化剤供給部５に酸素との反応性に乏しい不活性部材を用いているのに対して、本発明の第２実施形態に係る燃料電池が酸化剤供給部５に酸素吸蔵部材５Ａ及び酸素との反応性に乏しい絶縁性の不活性部材５Ｂを用いている点である。このように酸化剤供給部５が酸素吸蔵部材を含む構成にすると、燃料電池が酸素発生源を持つことになるので、外部からの酸化剤供給が不要になる。

酸素吸蔵部材５Ａとしては、例えば、特開２００７−１５９０３号公報で提案されている酸素吸蔵合金、すなわち主成分としてＺｎＯ、添加物としてＢｉ_２Ｏ_３を含み、ＺｎＯ粒子の空乏層とＢｉ_２Ｏ_３の粒界層で組成されており電圧の印加により酸素を放出し、無電圧により酸素を吸収する酸素吸蔵合金を用いることができる。

本実施形態において、酸化剤極３と酸素吸蔵部材５Ａとの間に、酸素との反応性に乏しい絶縁性の不活性部材５Ｂが設けられる。このような構成によると、酸化剤極３と酸素吸蔵部材５Ａとが電気的に絶縁されるので、酸素吸蔵部材５Ａとして、電圧印加の有無に応じて酸素の放出と吸収が切り替わる酸素吸蔵合金を用いた場合に、酸化剤極３に電流が流れても酸素吸蔵部材５Ａとしてはその影響を受けず、酸素の放出と吸収の切替制御を独立して容易に行なえる。

酸素吸蔵部材５Ａとして、電圧印加の有無に応じて酸素の放出と吸収が切り替わる酸素吸蔵合金を用いた場合、図２（ｂ）に示した発電動作状態において、本発明の第２実施形態に係る燃料電池を含む燃料電池システムが備えている電圧印加部１５により酸素吸蔵部材５Ａに電圧を印加し、図２（ｄ）に示した再生動作状態において、酸素吸蔵部材５Ａに電圧を印加しないようにする。

尚、酸素吸蔵部材５Ａとして、電圧印加の有無に応じて酸素の放出と吸収が切り替わる酸素吸蔵合金を用いた場合であっても、本実施形態とは異なり、酸素との反応性に乏しい絶縁性の不活性部材５Ｂを設けない構成にすることもできる。酸素との反応性に乏しい絶縁性の不活性部材５Ｂを設けない構成を採用した場合、酸化剤極３と酸素吸蔵部材５Ａとを同電位にすることで、酸素吸蔵部材５Ａに電圧を印加しないようにすることができる。

本発明の第２実施形態に係る燃料電池も本発明の第１実施形態に係る燃料電池と同様に、燃料供給部４及び酸化剤供給部５を固体構造とし、燃料電池内部に大きな空間が存在しないようにしているので、機械的強度が向上する。

＜＜本発明の第３実施形態＞＞
本発明の第３実施形態に係る燃料電池の概略構成について図３を用いて説明する。尚、図３では、本発明の第３実施形態に係る燃料電池を断面模式図で示している。また、図３において図１と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図３（ａ）は発電動作の前状態を示しており、図３（ｂ）は発電動作状態を示しており、図３（ｃ）は発電動作停止状態を示している。

本発明の第３実施形態に係る燃料電池と本発明の第１実施形態に係る燃料電池との相違点は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池が水素供給口１３及び水排出口１４を備えていないのに対して、本発明の第３実施形態に係る燃料電池がこれらを備えている点と、本発明の第１実施形態に係る燃料電池が燃料供給部４に水素発生部材を用いているのに対して、本発明の第３実施形態に係る燃料電池が燃料供給部４に燃料ガス（本実施形態では水素ガス）との反応性に乏しい不活性部材を用いている点である。

燃料ガス（本実施形態では水素ガス）との反応性に乏しい不活性部材としては、燃料ガスとの反応性に乏しい金属、セラミック、サーメットなどが好ましい。燃料ガスとの反応性に乏しい金属を用いる場合には、ＴｉやＡｌなどの熱伝導度の良いものを用いることが好ましい。

燃料供給部４は他の実施形態と同様に固体構造であれば何でもよく、例えば、燃料極２とヒータ６とで囲まれた空間に粉体を充填する構造（水素供給口１３や水排出口１４から粉体が漏れ出さない機構を有する構造）であってもよいが、燃料ガスを通過させる多孔質膜であることが好ましい。燃料供給部４は、塗布、粉体圧縮、スクリーン印刷、蒸着法などにより形成することが好ましい。尚、必要に応じて、焼成工程を追加するとよい。

本実施形態では、まず、図３（ａ）の発電動作の前状態では、水素供給口１３及び水排出口１４は閉じている。次に、発電動作状態において、図３（ｂ）に示すように、水素供給口１３及び水排出口１４を開け、水素供給口１３から燃料供給部４に水素ガスを供給し、さらに燃料供給部４から燃料極２に水素ガスを供給し、また、燃料極２において生成された水（Ｈ_２Ｏ）を燃料供給部４に供給し、さらに燃料供給部４から水排出口１４に供給し、最終的に水排出口１４から燃料電池の外部に排出する。発電動作状態を停止するときは、図３（ｃ）に示すように、水素供給口１３及び水排出口１４を閉じ、外部から水素ガスが供給されないようにする。

本発明の第３実施形態に係る燃料電池も本発明の第１実施形態に係る燃料電池や本発明の第２実施形態に係る燃料電池と同様に、燃料供給部４及び酸化剤供給部５を固体構造とし、燃料電池内部に空間が存在しないようにしているので、機械的強度が向上する。

＜＜本発明の第４実施形態＞＞
上述した本発明の第１〜第３実施形態に係る燃料電池は、電解質膜１、燃料極２、酸化剤極３、燃料供給部４、及び酸化剤供給部５を各々一つずつ積層している単位積層構造を一つのみ有する１ユニット構成であったが、同一体積での出力を高めるために、当該単位積層構造を複数有する複数ユニット構成にすることが好ましい。

本実施形態に係る燃料電池は、上記複数ユニット構成の燃料電池の一例であって、図４に示すように、単位積層構造の具体的構成が第１実施形態と同一である１０ユニット構成の燃料電池である。尚、図４では、発電動作の前状態である本発明の第４実施形態に係る燃料電池を断面模式図で示している。また、図４において図１と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る燃料電池では、隣り合う単位積層構造同士で燃料供給部４又は酸化剤供給部５を共用している。これにより、積層数を減らすことができるので、製作工程数を減らすことができる。また、ヒータ６及びその外側を取り囲むカバー部材８が、個々の単位積層構造の外周ではなく、複数ユニット構造の外周に配置されている。よって、単純に単位積層構造の燃料電池を複数使用するよりも、本実施形態のような複数ユニット構成にする方が、同一体積で多くの単位積層構造を含むことができ、燃料電池の出力が高くなる。

以上の本実施形態の構成によると、燃料電池内部に大きな空間が存在しないため、装置の機械的強度が向上し、その結果、安定した性能を維持し、耐久性及び寿命の長い燃料電池を提供することができる。

１ 電解質膜
２ 燃料極
３ 酸化剤極
４ 燃料供給部
５ 酸化剤供給部
５Ａ 酸素吸蔵部材
５Ｂ 酸素との反応性に乏しい絶縁性の不活性部材
６ ヒータ
７ 温度センサ
８ カバー部材
９ 空気供給口
１０ 空気排出口
１１ 外部負荷
１２ 還元制御部
１３ 水素供給口
１４ 水排出口
１５ 電圧印加部
２０ 温度制御部
２０１ 温度検知部
２０２ 判定部
２０３ スイッチ部

Claims (16)

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る電解質と、
   前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部と、
   前記酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給部とを備え、
   前記燃料極、前記酸化剤極、前記電解質、前記燃料供給部、及び前記酸化剤供給部が全て固体構造であることを特徴とする燃料電池。
2. 前記燃料供給部が多孔質膜から成ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記燃料供給部が、水との酸化反応により水素を発生する水素発生部材を含んで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. 前記水素発生部材の材料に鉄が含ま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. 前記燃料供給部は、金属の微粒子の圧縮成型体から成ることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池。
6. 前記燃料供給部が、燃料との反応性に乏しい不活性部材から成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。
7. 前記酸化剤供給部が、酸素との反応性に乏しい不活性部材からなる多孔質膜を含んでいることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池。
8. 前記酸化剤供給部が、酸素吸蔵部材を含んでいることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池。
9. 前記酸素吸蔵部材は、電圧の印加により酸素を発生し、無電圧の状態で酸素を吸収することを特徴とし、前記電圧を印加する電圧印加部を更に備えた、請求項８に記載の燃料電池。
10. 前記電解質が固体酸化物電解質であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の燃料電池。
11. 前記電解質が、酸素イオンを通過させるものであり、発電の際に前記燃料極側で水が生成されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の燃料電池。
12. 前記燃料極、前記酸化剤極、前記電解質、前記燃料供給部、及び前記酸化剤供給部を一体的に保持するカバー部材を備えたことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の燃料電池。
13. 前記燃料極、前記酸化剤極、前記電解質、前記燃料供給部、及び前記酸化剤供給部を各々一つずつ積層している構造を単位積層構造とし、
    前記単位積層構造を複数有している複数ユニット構成であることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の燃料電池。
14. 前記複数ユニット構成において、隣り合う単位積層構造同士で前記燃料供給部または前記酸化剤供給部を共用していることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池。
15. 前記複数ユニット構成において、前記複数ユニット全体を一体的に保持するカバー部材を備えたことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池。
16. 前記燃料電池内部の温度を制御する温度制御機構を備えることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の燃料電池。