(57)【要約】【課題】  集電抵抗が低い燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池（１００）は、水素透過性を有する水素分離膜（１０）と、水素分離膜上に設けられプロトン伝導性を有する電解質膜（２０）と、電解質膜上に設けられ導電性セラミックスからなるカソード層（３０）と、カソード層上に設けられた金属層（４０）と、金属層上に設けられ導電性を有する多孔体層（５０）とを備える。金属層が設けられていない場合に比較して集電抵抗が小さくなる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素透過性を有する水素分離膜と、
前記水素分離膜上に設けられ、プロトン伝導性を有する電解質膜と、
前記電解質膜上に設けられ、導電性セラミックスからなるカソード層と、
前記カソード層上に設けられた金属層と、
前記金属層上に設けられ、導電性を有する多孔体層とを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記金属層は、前記燃料電池の稼動時における前記カソード層の温度以下の融点を有する金属からなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記金属層は、ウッドメタル、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｔｌ、Ｓｂ、Ｐｏのいずれかからなることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記金属層は、前記燃料電池の稼動温度において溶融する金属からなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記金属層は、ウッドメタル、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｔｌ、Ｐｏのいずれかからなることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記稼動温度は、３００℃〜５００℃であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記多孔体層は、粒状の導電性材料からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記多孔体層は、導電性セラミックスからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記多孔体層は、カソード活性を有する材料から構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記多孔体層上に設けられ、前記多孔体層の気孔率よりも大きい気孔率を有する集電体層をさらに備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池のうち固体の電解質を用いたものには、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、水素分離膜電池等がある。ここで、水素分離膜電池とは、緻密な水素分離膜を備えた燃料電池である。緻密な水素分離膜は水素透過性を有する金属によって形成される層であり、アノードとしても機能する。水素分離膜電池は、この水素分離膜上にプロトン伝導性を有する電解質が積層された構造をとっている。水素分離膜に供給された水素はプロトンに変換され、プロトン伝導性の電解質中を移動し、カソードにおいて酸素と結合して発電が行われる。
【０００４】
上記カソードは、例えば、電解質膜上に形成されたカソード層と、このカソード層上に配置された粒状カソード層とからなる（例えば、特許文献１参照）。特許文献１においては、カソード層は、触媒として機能する導電性セラミックスからなる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−７９８８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、カソード層と粒状カソード層との間の集電抵抗が大きくなる。その結果、発電性能を高めることが困難である。
【０００７】
本発明は、集電抵抗が低い燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池は、水素透過性を有する水素分離膜と、水素分離膜上に設けられプロトン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜上に設けられ導電性セラミックスからなるカソード層と、カソード層上に設けられた金属層と、金属層上に設けられ導電性を有する多孔体層とを備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池においては、カソード層上面全体に電子が供給される際、電子は主として金属層を移動する。この場合、金属層が設けられていない場合に比較して電気抵抗が小さくなる。導電性セラミックスの電気抵抗に比較して、金属層の電気抵抗が低いからである。したがって、集電効率が低下する。その結果、本発明に係る燃料電池の発電効率が向上する。
【０００９】
金属層は、燃料電池の稼動時におけるカソード層の温度以下の融点を有する金属からなるものであってもよい。この場合、燃料電池の発電時においては、金属層は溶融している。それにより、多孔体層は金属層に対して沈下し、多孔体層と金属層との接触面積が増大する。したがって、多孔体層から金属層への電子移動効率が向上する。その結果、集電効率が向上する。以上のことから、本発明に係る燃料電池の発電効率が向上する。この場合、金属層は、ウッドメタル、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｔｌ、Ｓｂ、Ｐｏのいずれかからなるものであってもよい。
【００１０】
金属層は、燃料電池の稼動温度において溶融する金属からなるものであってもよい。この場合、燃料電池の発電時において、金属層が溶融しやすくなる。この場合、金属層は、ウッドメタル、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｔｌ、Ｐｏのいずれかからなるものであってもよい。
【００１１】
稼動温度は、３００℃〜５００℃であってもよい。また、多孔体層は、粒状の導電性材料からなるものであってもよい。また、多孔体層は、導電性セラミックスからなるものであってもよい。さらに、多孔体層は、カソード活性を有する材料から構成されていてもよい。
【００１２】
また、多孔体層上に設けられ、多孔体層の気孔率よりも大きい気孔率を有する集電体層をさらに備えていてもよい。この場合、カソード層から集電体層にかけて集電周期が段階的に大きくなる。したがって、カソード層から集電体層への集電効率が向上する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、カソード層から集電する際の集電抵抗が低下する。それにより、燃料電池の発電効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池１００は、水素分離膜１０上に、電解質膜２０、カソード層３０、金属層４０、粒状カソード層５０および集電体層６０が順に積層された構造を有する。
【００１６】
水素分離膜１０は、水素透過性金属からなる。水素分離膜１０は、電解質膜２０を支持および補強する支持体として機能するとともに、燃料ガスが供給されるアノードとしても機能する。水素分離膜１０を構成する材料は、水素透過性および導電性を有していれば特に限定されるものではない。水素分離膜１０としては、例えば、Ｐｄ（パラジウム）、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）等の金属、または、これらの合金等を用いることができる。また、これらの水素透過性金属層の２面のうち電解質膜２０が形成される側の面上に、水素解離能を有するパラジウム、パラジウム合金等の膜が形成されたものを水素分離膜１０として用いてもよい。水素分離膜１０の膜厚は、特に限定されないが、例えば５μｍ〜１００μｍ程度である。水素分離膜１０は、自立膜であってもよく、多孔質状の卑金属板によって支持されていてもよい。
【００１７】
電解質膜２０は、プロトン伝導性を有する電解質からなる。電解質膜２０を構成する電解質は、プロトン伝導性を有していれば特に限定されるものではない。例えば、電解質膜２０として、ペロブスカイト型電解質（ＳｒＺｒＩｎＯ３等）を用いることができる。電解質膜２０の膜厚は、特に限定されないが、例えば１μｍ程度である。電解質膜２０は、例えば、ＣＶＤ（化学的蒸着）法、ＰＶＤ（物理的蒸着）法等によって形成することができる。
【００１８】
カソード層３０は、電子伝導性を有するセラミックス材料からなる。また、カソード層３０は、酸化剤ガスが供給されるカソードとして機能する。すなわち、カソード層３０は、酸素とプロトンとの反応を促進するための触媒として機能する。カソード層３０としては、例えば、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４ＣｏＯ３、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＦｅＯ３等のセラミックスを用いることができる。なお、カソード層３０は、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法等によって形成することができる。なお、ＰＶＤ法のうちＰＬＤ（パルスレーザ蒸着）法を用いれば、カソード層３０を構成する材料の組成調整が容易になる。カソード層３０の厚さは、例えば、５ｎｍ〜５０ｎｍ程度である。なお、カソード層３０は、厚み方向に貫通孔を有していない緻密層である必要はなく、多孔質状であってもよい。
【００１９】
金属層４０は、金属または合金の薄膜からなる。金属層４０はカソード層３０上面全体を覆っていることが好ましいので、金属層４０の厚さは、例えば数十ｎｍ程度である。金属層４０としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）等を用いることができる。なお、金属層４０の成膜法は特に限定されない。例えば、ＰＶＤ法等によって金属層４０を成膜することができる。
【００２０】
粒状カソード層５０は、電子伝導性を有する粒状のセラミックス材料からなり、酸化剤ガスが供給されるカソードとして機能する。粒状カソード層５０は、カソード層３０と同様の材料からなる。本実施例においては、粒状カソード層５０は、粒状のセラミックスを金属層４０上に敷きつめることによって形成することができる。なお、この場合の粒状セラミックスの粒径は、例えば、１μｍ程度である。したがって、粒状カソード層５０と金属層４０との各接触箇所の平均距離（以下、集電周期と称する。）は、１μｍ程度である。
【００２１】
集電体層６０は、例えば、ＳＵＳ４３０多孔体、Ｎｉ多孔体、ＰｔめっきＡｌ２Ｏ３多孔体、白金メッシュ等の導電性材料からなる。粒状カソード層５０への酸化剤ガスの供給を容易にするため、集電体層６０は、粒状カソード層５０の気孔率よりも高い気孔率を有する。粒状カソード層５０と集電体層６０との間の集電周期は、例えば、１ｍｍ程度である。したがって、電解質膜２０から集電体層６０にかけて、集電周期は段階的に大きくなる。
【００２２】
続いて、燃料電池１００の動作について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスが水素分離膜１０に供給される。燃料ガス中の水素は、水素分離膜１０を透過して電解質膜２０に到達する。電解質膜２０に到達した水素は、プロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜２０を伝導し、カソード層３０に到達する。
【００２３】
一方、酸素を含有する酸化剤ガスは、集電体層６０を介してカソード層３０に供給される。カソード層３０においては、酸化剤ガス中の酸素とカソード層３０に到達したプロトンとから、水が発生するとともに電力が発生する。以上の動作により、燃料電池１００による発電が行われる。なお、発電によって生じた電力は、水素分離膜１０から回収されるとともに、カソード層３０から金属層４０、粒状カソード層５０および集電体層６０を介して回収される。なお、燃料電池１００の発電時には金属層４０の形状が変化して金属層４０に貫通孔が形成される。それにより、酸化剤ガスは金属層４０を通過してカソード層３０に供給される。
【００２４】
本実施例においては、カソード層３０から粒状カソード層５０にかけての集電抵抗が低下している。以下、その詳細について説明する。図２は、集電抵抗について説明するための図である。図２（ａ）は金属層４０が設けられていない場合を示し、図２（ｂ）は金属層４０が設けられている場合を示す。
【００２５】
図２（ａ）に示すように、粒状カソード層５０を構成する各粒子を、カソード粒子５１と称呼する。燃料電池１００が発電する場合、各カソード粒子５１からカソード層３０に電子が供給される。この場合、カソード層３０上面の全体に電子が供給されることによって発電効率が向上する。しかしながら、図２（ａ）の場合、カソード層３０上面全体に電子が供給されるためには、カソード層３０上面を電子が移動する必要がある。カソード層３０は導電性セラミックスからなることから、この場合の電気抵抗が大きくなる。
【００２６】
一方、図２（ｂ）に示すように、金属層４０が設けられている場合には、カソード層３０上面全体に電子が供給されるためには、電子は金属層４０を移動すればよい。この場合、電気抵抗は小さくなる。金属の電気抵抗は導電性セラミックスの電気抵抗に比較して小さいからである。以上のことから、本実施例に係る燃料電池１００においては、集電抵抗が低下する。その結果、燃料電池１００の発電効率が向上する。
【００２７】
なお、表１に、カソード層３０を構成するセラミックスの電気抵抗と、金属層４０に用いることができる金属の電気抵抗とを示す。表１に示すように、金属層４０を構成する金属の電気抵抗は、カソード層３０を構成するセラミックスの電気抵抗に比較して非常に小さい値となっている。一般的に金属は導電性セラミックスに比較して小さい電気抵抗を有していることから、表１に示す金属以外の金属を用いても同様の結果が導かれる。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
また、上述したように、粒状カソード層５０を設けることによって、カソード層３０から集電体層６０にかけて集電周期が段階的に大きくなる。この場合、カソード層３０から集電体層６０への集電効率が向上する。カソード層３０の上面における電子の移動距離が小さくなるからである。以上のことから、粒状カソード層５０を設けることによって、燃料電池１００の集電効率が向上する。
【００３０】
なお、金属層４０は、集電抵抗低下の観点からカソード層３０上面を広い範囲にわたって覆っていることが好ましいが、燃料電池１００の発電時に酸化剤ガスがカソード層３０に供給されるための孔が形成されることが好ましい。したがって、金属層４０の厚さは、２０ｎｍ〜３０ｎｍ程度であることが好ましい。この場合、金属層４０は緻密な層となってカソード層３０全体を覆うことができ、かつ、燃料電池１００の発電時に金属層４０において厚み方向に貫通孔が形成される。
【００３１】
また、本実施例においては粒状カソード層５０を用いたが、それに限られない。多孔質状のカソード層を粒状カソード層５０の代わりに用いてもよい。また、粒状カソード層５０の代わりに配置される部材は、必ずしも触媒として機能する必要はない。したがって、粒状カソード層５０の代わりに多孔質状の導電体層を用いても、本発明の効果が得られる。本実施例においては、粒状カソード層５０が多孔体層に相当する。
【実施例２】
【００３２】
図３は、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００ａの模式的断面図である。燃料電池１００ａが図１の燃料電池１００と異なる点は、金属層４０の代わりに金属層４０ａが設けられている点である。金属層４０ａは、燃料電池１００ａの通常発電時におけるカソード層３０の温度以下の融点を有する金属または合金からなる。ここで、通常発電とは、燃料電池１００ａの起動後の発電のことをいう。
【００３３】
燃料電池１００ａの発電時には、カソード層３０の温度は、燃料電池１００ａの稼動温度（セル温度）よりも数百℃程度高くなる。カソード反応（プロトンと酸素との反応）によってカソード層３０が加熱されるからである。例えば、燃料電池１００ａの通常発電時におけるカソード層３０の温度は、７００℃程度である。したがって、金属層４０ａに用いることができる金属は、７００℃以下の融点を有する金属または合金からなる。例えば、Ｂｉ（ビスマス）、Ｓｎ（スズ）、Ｐｂ（鉛）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｄ（カドミウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｔｌ（タリウム）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｐｏ（ポロニウム）、ウッドメタル（５０％Ｂｉ−２６．７％Ｐｂ−１３．３％Ｓｎ−１０％Ｃｄ）等を金属層４０ａとして用いることができる。
【００３４】
表２に、カソード層３０を構成するセラミックスの電気抵抗と、金属層４０ａとして用いることができる金属の電気抵抗および融点と、を示す。表２において「＠５００℃」とは、５００℃における電気抵抗値のことである。表２に示すように、金属層４０ａを構成する金属の電気抵抗は、カソード層３０を構成するセラミックスの電気抵抗に比較して非常に小さい値となっている。
【００３５】
【表２】
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【００３６】
続いて、燃料電池１００ａの発電時における金属層４０ａについて説明する。図４は、燃料電池１００ａの発電時における金属層４０ａを示す図である。図４（ａ）は発電前の金属層４０ａを示し、図４（ｂ）は発電時の金属層４０ａを示す。図４（ｂ）に示すように、燃料電池１００ａの発電時には、金属層４０ａは溶融している。それにより、カソード粒子５１は、金属層４０ａに対して沈下する。この場合、カソード粒子５１と金属層４０ａとの接触面積が増大する。それにより、カソード粒子５１から金属層４０ａへの電子移動効率が向上する。その結果、燃料電池１００ａにおける集電効率が向上する。以上のことから、燃料電池１００ａの発電効率が向上する。
【００３７】
なお、金属層４０ａに用いられる金属または合金は、燃料電池１００ａの通常発電時における稼動温度（３００℃〜５００℃）以下の融点を有していることが好ましい。この場合、燃料電池１００ａが通常発電を行う際に、溶融しやすくなるからである。したがって、表２におけるウッドメタル、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｔｌ、Ｐｏ等を金属層４０ａとして用いることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。
【図２】集電抵抗について説明するための図である。
【図３】本発明の第２実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。
【図４】燃料電池の発電時における金属層を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  水素分離膜
２０  電解質膜
３０  カソード層
４０，４０ａ  金属層
５０  粒状カソード層
６０  集電体層
１００，１００ａ  燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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