(57)【要約】【課題】片面型膜電極複合体を備えたタイプの、より発電効率の高い単室型燃料電池を提供する。【解決手段】単室型燃料電池に用いる膜電極複合体１２を、電解質膜２０の一方の面上に、複数のアノード（“Ａ”）及び複数のカソード（“Ｃ”）として、アノード群の総面積のみを減少させた場合には所定組成の混合ガスが供給されている状況下における膜電極複合体１２の出力が減少し、アノード群の総面積のみを増加させた場合には当該出力が変化しないものが形成されているもの（片面型膜電極複合体）としておく。【選択図】図２
2010027250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス及びカソードガスを含む所定組成の混合ガスが外部から供給される反応器と、
前記反応器内に収容された、電解質膜を含む膜電極複合体と
を備え、
前記膜電極複合体の前記電解質膜の一方の面上に、
１つ以上のアノード及び１つ以上のカソードが形成されている面積比調整済領域であって、前記１つ以上のアノード及び前記１つ以上のカソードとして、前記１つ以上のアノードの総面積のみを減少させた場合には前記所定組成の混合ガスが前記反応器内に供給されている状況下における前記膜電極複合体の出力が減少し、前記１つ以上のアノードの総面積のみを増加させた場合には前記出力が変化しないものが形成されている面積比調整済領域が設けられている
ことを特徴とする単室型燃料電池。
【請求項２】
前記膜電極複合体の前記電解質膜の前記一方の面上に、
前記面積比調整済領域が、複数個、前記混合ガスの流れ方向に並んだ形で、設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の単室型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単室型燃料電池に係り、特に、電解質膜の片面だけに電極を形成した膜電極複合体を備えた単室型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な燃料電池が備える膜電極複合体は、電解質膜の一方の面上にカソードを形成し他方の面上にアノードを形成したもの（例えば、特許文献１、２参照）である。ただし、膜電極複合体として、電解質膜の片面だけに電極を形成したものを用いた単室型燃料電池も開発されている。なお、単室型燃料電池とは、アノードガス（燃料ガス）とカソードガス（酸化剤ガス）の混合ガスを供給することにより発電動作を行わせること出来る燃料電池（例えば、特許文献１参照）のことである。
【特許文献１】特開２００７−３０５３２９号公報
【特許文献２】特開２００６−１３４５９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
膜電極複合体として、電解質膜の片面だけに電極を形成したもの（以下、片面型膜電極複合体と表記する）を用いておけば、比較的に低い温度で動作する単室型燃料電池を実現することが出来る。そのため、片面型膜電極複合体用の電極材料等についての検討は盛んになされているが、片面型膜電極複合体の具体的な構成（特に、電解質膜上に形成するカソード群及びアノード群間の総面積比）と発電効率（発電量の、単室型燃料電池or電解質膜のサイズに対する比率）との間の関係については、何ら検討がなされていないのが現状である。
【０００４】
本発明は、上記現状に鑑みなされたものであり、本発明の課題は、片面型膜電極複合体を備えたタイプの、より発電効率の高い単室型燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の単室型燃料電池は、アノードガス及びカソードガスを含む所定組成の混合ガスが外部から供給される反応器と、前記反応器内に収容された、電解質膜を含む膜電極複合体とを備え、前記膜電極複合体の前記電解質膜の一方の面上に、１つ以上のアノード及び１つ以上のカソードが形成されている面積比調整済領域であって、前記１つ以上のアノード及び前記１つ以上のカソードとして、前記１つ以上のアノードの総面積のみを減少させた場合には前記所定組成の混合ガスが前記反応器内に供給されている状況下における前記膜電極複合体の出力が減少し、前記１つ以上のアノードの総面積のみを増加させた場合には前記出力が変化しないものが形成されている面積比調整済領域が設けられている構成を有する。
【０００６】
すなわち、単室型燃料電池に供給される混合ガスは、化学量論組成よりもカソードガス（酸化剤ガス）がリッチなものである。そのため、片面型膜電極複合体として、形成しやすいサイズの電極（カソード、アノード）を電解質膜の片面に形成したものを用いておいても、問題なく機能する単室型燃料電池を製造することが出来る。しかしながら、そのような片面型膜電極複合体では、電解質膜上の１つ以上のアノード（以下、アノード群と表記する）が、より総面積が少ないアノード群と同機能のものとして機能していることになる。
【０００７】
電解質膜上のアノード群が、より総面積が少ないアノード群と同機能のものとして機能
している場合、出力（発電量）を低下させることなくアノード群の総面積を減らすことができる。そして、アノード群を形成するために必要な面積が減れば、電解質膜として、その分、サイズ（面積）の小さなものを使用できることになる。また、アノードを形成する必要が無くなった部分に何組かのアノード及びカソードを追加することによって、単室型燃料電池（片面型膜電極複合体）の出力を上昇させることも可能となる。
【０００８】
ただし、電解質膜上に形成するアノード群の総面積を過度に小さくした場合、電解質膜上のカソード群（１つ以上のカソード）が、より総面積が少ないカソード群と同機能のものとして機能してしまうことになる。そして、電解質膜上の或る領域（面積比調整済領域）上に、１つ以上のアノード及び１つ以上のカソードとして、『前記１つ以上のアノードの総面積のみを減少させた場合には前記所定組成の混合ガスが前記反応器内に供給されている状況下における前記膜電極複合体の出力が減少し、前記１つ以上のアノードの総面積のみを増加させた場合には前記出力が変化しないもの』〔“前記１つ以上のアノードの総面積のみを減少させた場合には前記所定組成の混合ガスが前記反応器内に供給されている状況下における前記膜電極複合体の出力が減少し、前記１つ以上のアノードの総面積のみを増加させた場合には前記出力が変化しない”ように、総面積比（正確には、総面積比と一方の電極の総面積、或いは、各電極の総面積）が調整されているもの〕を形成しておけば、当該領域内のアノード群、カソード群が、いずれも、その総面積どおりの電極として機能する（“カソード群の総面積＋アノード群の総面積”が最も小さくなる）ことになる。そして、その結果として、発電効率を上げられることになる。このため、本発明の単室型燃料電池に、上記構成を採用しているのである。
【０００９】
なお、反応器内における混合ガス中のアノードガスの割合は、混合ガスが反応器内を通過するにつれ低下していく。そして、適切な総面積比（アノード群、カソード群が、いずれも、その総面積どおりの電極として機能することになる総面積比）は、ガス組成によって異なるので、本発明の単室型燃料電池を実現するに際しては、電解質膜上に面積比調整済領域を、複数個、混合ガスの流れ方向に並んだ形で、設けておくことが望ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、片面型膜電極複合体を備えたタイプの、より発電効率の高い単室型燃料電池を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
《第１実施形態》
まず、図１及び図２を用いて、本発明の第１実施形態に係る単室型燃料電池１０の概要を説明する。
【００１３】
図１に模式的に示してあるように、本発明の第１実施形態に係る単室型燃料電池１０は、反応器１１内に複数の膜電極複合体１２を収容した構成を有する燃料電池である。なお、本単室型燃料電池１０は、小型の電子機器（ラップトップ型のコンピュータ等）内に、メタンと酸素とを所定量ずつ含む混合ガスが充填されている混合ガスボンベ３０及び混合ガスボンベ３０から単室型燃料電池１０への混合ガスの供給をＯＮ／ＯＦＦするためのバルブ３１と共に搭載することを想定して開発したものとなっている。
【００１４】
この単室型燃料電池１０が備える各膜電極複合体１２は、図２に模式的に示してあるように、複数の同形状のアノード（図２において、その内部に“Ａ”と表記してある部分）、及び、複数の同形状のカソード（図２において、その内部に“Ｃ”と表記してある部分）を電解質膜２０の一方の面上のみに形成した片面型膜電極複合体である。なお、各膜電
極複合体１２は、電解質膜２０として、ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）を用い、アノード、カソードとして、それぞれ、Ｎｉ−ＹＳＺ（ニッケルとイットリウム安定化ジルコニアの複合体）、（Ｌａ、Ｓｒ）ＣｏＯ3±δ（ストロンチウムをドープしたラン
タンコバルト酸化物）を用いたものとなっている。
【００１５】
そして、単室型燃料電池１０は、その出力端子間の電圧及び電流値が所望の値となるように、各膜電極複合体１２上の各セル（隣接するアノード及びカソードと、それらの間に存在する電解質膜２０とからなる部分）間を導電性部材（図示せず）によって接続したものとなっている。
【００１６】
以上のことを前提に、以下、単室型燃料電池１０の構成を、さらに具体的に説明する。
【００１７】
本実施形態に係る単室型燃料電池１０は、同出力の既存の単室型燃料電池よりもサイズが小さくなるように、各部の形状（電解質膜２０上に形成する各電極の形状、反応器１１の形状等）を決定したものとなっている。
【００１８】
具体的には、この単室型燃料電池１０の設計時には、基本的な構成は単室型燃料電池１０と等しいが、使用されている片面型膜電極複合体のアノードの面積のみが異なっている複数種類の単室型燃料電池が、製造されている。なお、アノードの形状のみが異なっている片面型膜電極複合体とは、図３に模式的に示してあるように、各アノードの形状（本実施形態では、短手方向の長さ）は異なっているが、使用されている電解質膜の形状、電解質膜に形成されている各カソードの形状、隣接するカソードとアノードとの間の間隔等（アノードの形状以外の各種仕様）は一致している片面型膜電極複合体のことである。
【００１９】
その後、上記複数種類の単室型燃料電池のそれぞれについて、メタンと酸素とを所定量ずつ含む混合ガス（上記した混合ガスボンベ３０内の混合ガス）を供給した場合における出力（発電量）を測定し、それらの測定結果から、出力が一定値（最高出力）となるアノード面積範囲の下限値Ｓを求めることが行われている。
【００２０】
すなわち、片面型膜電極複合体の構造（動作原理）上、上記構成の各単室型燃料電池の出力を上記条件（同条件）で測定すると、図４に示したように、２本の直線で近似できる実験結果（出力のアノード面積依存性）が得られことになる。単室型燃料電池１０の設計時には、それらの直線の交点位置のアノード面積が、上記した下限値Ｓとして求められているのである。
【００２１】
そして、本実施形態に係る単室型燃料電池１０は、各膜電極複合体１２として、上記した片面型膜電極複合体（図３参照）と基本的には同構成であるが、各アノードの面積がＳとなっており、使用されている電解質膜２０がアノード群及びカソード群をちょうど形成できるサイズのものとなっている片面型膜電極複合体を用いたものとなっている。さらに、単室型燃料電池１０は、反応器１１として、そのような複数の膜電極複合体１２をちょうど収容できるサイズのもの（下限値Ｓを求めるために製造した単室型燃料電池の反応器よりも、混合ガスの流れ方向の長さが短いもの）を採用したものともなっている。
【００２２】
以上、説明したように、本発明の第１実施形態に係る単室型燃料電池１０は、電解質膜２０の一方の面（本発明における面積比調整済領域に相当）上に形成するアノード群及びカソード群を、アノード群の総面積のみを減少させた場合には所定組成の混合ガスが供給されている状況下における単室型燃料電池１０の出力が減少し、アノード群の総面積のみを増加させた場合には当該出力が変化しないもの（そのようなものとなるように、総面積が定められているもの）とすることによって、膜電極複合体１２及び単室型燃料電池１０の小型化を図ったものとなっている。そして、電解質膜２０上に形成するアノード群及び
カソード群を上記のようなものとしておいても出力は下がらないのであるから、単室型燃料電池１０の構成を採用しておけば、極めて発電効率の高い単室型燃料電池を実現できることになる。
【００２３】
《第２実施形態》
図５に、本発明の第２実施形態に係る単室型燃料電池１０ｂの構成及び使用形態を示す。
【００２４】
この図から明らかなように、本発明の第２実施形態に係る単室型燃料電池１０ｂは、上記した第１実施形態に係る単室型燃料電池１０内の各膜電極複合体１２を膜電極複合体１２ｂに置き換えたものに相当する燃料電池である。
【００２５】
この単室型燃料電池１０ｂに用いられている各膜電極複合体１２ｂは、図６に示した構成を有する片面型膜電極複合体である。
【００２６】
すなわち、膜電極複合体１２ｂは、電解質膜２０の一方の面が、混合ガスの流れ方向に並んだ複数（３つの）の面積比調整対象領域（本発明における面積比調整済領域に相当）に分割されており、各面積比調整対象領域に、総面積比が互いに異なるアノード群及びカソード群（異なる形状のアノード群と同形状のカソード群）が形成されたものとなっている。
【００２７】
また、膜電極複合体１２ｂは、上記した、単室型燃料電池１０におけるアノード面積（下限値Ｓ）の決定手順と同様の手順で、面積比調整対象領域毎に、そこに形成する各アノードの形状（面積）が決定されたものとなっている。より具体的には、膜電極複合体１２ｂは、混合ガスの入口側（図６における左側）の面積比調整対象領域から、上記した手順で、そこに形成する各アノードの形状（面積）を決定していったものとなっている。
【００２８】
そして、第２実施形態に係る単室型燃料電池１０ｂは、単室型燃料電池１０と同様に、反応器１１ｂとして、上記のようにして製造した複数の膜電極複合体１２ｂをちょうど収容できるサイズのものを採用して製造されたものなっている。
【００２９】
要するに、単室型燃料電池１０ｂ等に供給する混合ガスとしては、爆発限界等から、化学量論組成よりもカソードガス（酸化剤ガス）がリッチなものが用いられているので、混合ガスが反応器１１ｂ内を通過するにつれ、混合ガス中のアノードガスの成分比率が下がっていくことになる。そして、適切な総面積比（アノード群、カソード群が、いずれも、その総面積どおりの電極として機能することになる総面積比）は、ガス組成によって異なるので、本発明の第２実施形態に係る単室型燃料電池１０ｂでは、上記構成を採用することによって、第１実施形態に係る単室型燃料電池１０よりも電解質膜２０の面積が有効に利用されるように（発電効率が高くなるように）しているのである。
【００３０】
《変形形態》
上記した単室型燃料電池１０、１０ｂ、膜電極複合体１２、１２ｂは、各種の変形を行うことが出来る。例えば、発電効率が若干低下することにはなるが、膜電極複合体１２（図２参照）を、電解質膜２０の面積の大部分（例えば、９割の部分）だけに、“アノード群の総面積のみを減少させた場合には所定組成の混合ガスが供給されている状況下における単室型燃料電池１０の出力が減少し、アノード群の総面積のみを増加させた場合には当該出力が変化しないアノード群及びカソード群”が形成されており、他の部分には、他の基準に基づき形状を決定したアノード群及びカソード群が形成されているものに変形することが出来る。同様に、膜電極複合体１２ｂを、面積比調整対象領域以外の領域も有するものに変形することが出来る。
【００３１】
また、上記のような条件を満たす総面積比（正確には、総面積比と一方の電極の総面積、或いは、電極毎の総面積）は、各電極に関する活性化過電圧等を測定することによっても決定できるものである。従って、各実施形態の係る単室型燃料電池１０、１０ｂ（膜電極複合体１２、１２ｂ）相当のものを、各電極に関する活性化過電圧等の測定結果に基づき、設計・製造することも出来る。
【００３２】
また、膜電極複合体１２、１２ｂ上に形成する電極の形状は、基本的にはどのようなものであっても良いので、例えば、膜電極複合体１２ｂ（或いは、膜電極複合体１２）を、図７に示した構成のものや、図８に示した構成のものに変形することが出来る。さらに、膜電極複合体１２（或いは、膜電極複合体１２ｂ）を、図９に示した構成のものに変形することも出来る。ただし、この図の構成だと、カソード・アノード間、酸素イオンの移動距離の長い部分があることになってしまうので、カソード、アノードの形状は、図２，図６〜図８に示したようなものとしておくことが望ましい。
【００３３】
また、膜電極複合体１２、１２ｂを、上記したものとは異なる材料からなるものや、上記した混合ガスとは異なる混合ガスにて発電を行うものに変形することも出来る。さらに、単室型燃料電池１０、１０ｂを、大電力を出力可能なもの（燃料電池自動車等に搭載できるもの）に変形しても良いことなどは、当然のことである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る単室型燃料電池の構成及び使用形態の説明図である。
【図２】第１実施形態に係る単室型燃料電池が備える膜電極複合体の構成図である。
【図３】第１実施形態に係る単室型燃料電池を設計するために製造した単室型燃料電池に用いた膜電極複合体の構成図である。
【図４】第１実施形態に係る単室型燃料電池を設計するために製造した単室型燃料電池におけるアノード面積と出力との関係を示した図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る単室型燃料電池の構成及び使用形態の説明図である。
【図６】第２実施形態に係る単室型燃料電池が備える膜電極複合体の構成図である。
【図７】各実施形態に係る膜電極複合体に採用可能な電極形状の説明図である。
【図８】各実施形態に係る膜電極複合体に採用可能な他の電極形状の説明図である。
【図９】各実施形態に係る膜電極複合体に採用可能な他の電極形状の説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０、１０ｂ・・・単室型燃料電池
１１、１１ｂ・・・反応器
１２、１２ｂ・・・膜電極複合体
２０・・・電解質膜
３０・・・混合ガスボンベ
３１・・・バルブ
【図１】
2010027250.tif 000003
【図２】
2010027250.tif 000004
【図３】
2010027250.tif 000005
【図４】
2010027250.tif 000006
【図５】
2010027250.tif 000007
【図６】
2010027250.tif 000008
【図７】
2010027250.tif 000009
【図８】
2010027250.tif 000010
【図９】
2010027250.tif 000011