(57)【要約】【課題】  従来の燃料電池よりも発電効率が高く、また、従来の燃料電池よりも容積が小さい燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池スタックの構造を、円筒形状のセル６が複数束ねられており、セル６とセル６との間に燃料流路となる金属多孔体７が配置された構造とする。そして、１つのセル６の構造においては、電解質１１が、水素イオン透過性金属により構成された電極により挟まれた構造とする。すなわち、空気極８および燃料極９を、水素イオン透過性の金属板により構成し、円筒形状とする。空気極８の直径を、燃料極９よりも小さくし、燃料極９の内側に空気極８を配置する。空気極８と燃料極９との間に電解質１１を配置する。【選択図】        図２
2005183132.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン透過性の金属により構成された２つの電極（８、９、５８、５９）で、電解質（１１、５２）が挟まれた構造であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記電極（８、９）は板形状であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記２つの電極は筒形状であり、前記２つの電極は、一方（８）が他方（９）の内側に配置されて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。
【請求項４】
前記２つの電極（８、９）は、一方（８）が筒形状で、他方（９）が平板形状であり、２枚の前記平板形状の電極（９）間に、前記筒形状の電極（８）が配置されており、前記平板形状の電極と、前記筒形状の電極との間に電解質（１１）が配置されて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。
【請求項５】
前記電解質を平らな前記２つの電極で挟んだものが巻きこまれた構造であ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。
【請求項６】
前記電解質は、液状もしくはゲル状であることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記２つの電極間にスペーサが配置されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記電解質（５２）は、無機化合物により構成された固体物であり、前記電極（５８、５９）は、水素イオン透過性の金属膜であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記金属膜は、前記電解質の表面上にスパッタリング法、蒸着法、メッキ法もしくはそれらを組み合わせた方法で形成されたものであることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記電解質（５２）は、複数の小室（５１）を有するハニカム形状であり、前記小室の内壁面（５３）に、前記２つの電極（５８、５９）のどちらか一方が配置されていることを特徴とする請求項８または９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記電極の表面のうち、前記電解質と接する面（８ａ、９ａ）と反対側の面（８ｂ、９ｂ）に、金属コロイド（１３）が固定されており、前記金属コロイドに触媒コロイド（１２）が担持されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図９に従来における高分子電解質型燃料電池の断面図を示す。図９に示すように、この燃料電池の単セルは、高分子電解質膜６１の両側に、燃料極６２と酸化剤極６３とが形成されており、これらが水素や酸素等の反応ガスの流路溝４２を有するセパレータ４１に狭持された構造である。
【０００３】
燃料極６２および酸化剤極６３は、一般に、担体としての導電性カーボンブラック６４と、拡散層としての導電性のカーボンペーパー６５とにより構成されている。この導電性カーボンブラック６４は、触媒である白金６６を担持しており、カーボンペーパー６５により支持されている。また、セパレータ４１は、一般に、カーボンまたはステンレスにより構成されている。
【０００４】
この燃料電池では、燃料極６２側に、外部から水素が供給されると、燃料極６２で水素は水素イオンと電子に分かれる。この水素イオンは高分子電解質膜６１中を酸化剤極６３に向かって移動し、電子は外部に接続された回路を通って酸化剤極６３に達する。そして、酸化剤極６３側では、電子と、水素イオンと、外部から供給された酸素とが反応することで、水が生成する。このような反応により、電流を取り出すことができる。
【０００５】
このような燃料電池の１つに、例えば、水素イオン透過性を有するパラジウム膜と電極とを別々に用意し、これらを組み合わせた構造の燃料電池がある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２３１２６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池では、一般に、発電効率の向上が市場から求められている。そこで、本発明者らが発電効率の向上を検討する上で、上記したような構造の燃料電池について、発電効率が低いことの原因を調査、検討した。その結果、その原因の１つとして次のことが考えられる。
【０００７】
燃料極側で生成した水素イオンが、燃料極側から電解質に移動する際、燃料極が水素イオンの移動を阻害しているため、水素イオンが速やかに電解質中を移動することができないことが推測される。
【０００８】
このため、燃料極近傍では、水素イオンが留まっていたり、水素イオンが水素に再び戻ってしまったりする。この結果、外部から燃料が供給されても、供給された燃料から水素イオンが生成され難い状態となり、燃料電池全体で起きる起電反応の効率が低くなっていると考えられる。
【０００９】
また、燃料電池は様々な用途があるが、例えば、自動車用や携帯電話用の電源として燃料電池を使用する場合、燃料電池の小型化が要求される。
【００１０】
しかし、上記した構造の燃料電池は、セパレータ４１によりセルの構造が支えられており、すなわち、セルの形状がセパレータ４１により保たれていた。したがって、セパレータ４１がセルの構造を支えることができるように、セパレータ４１の容積を大きくする必要があった。このため、上記した構造の燃料電池では、燃料電池の小型化に限度があった。
【００１１】
本発明は、上記点に鑑み、従来の燃料電池よりも発電効率が高い燃料電池を提供することを第１の目的とする。また、従来の燃料電池よりも、容積が小さい燃料電池を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃料電池の構造が、水素イオン透過性の金属により構成された２つの電極（８、９、５８、５９）で、電解質（１１、５２）が挟まれた構造であることを特徴としている。
【００１３】
本発明では、例えば、燃料極（９、５９）が水素イオン透過性を有していることから、燃料電池の発電時における燃料極側での反応において、燃料極側で生成した水素イオンの移動を、この燃料極が阻害することがない。このため、燃料極側で生成した水素イオンは、速やかに電解質に移動することができる。
【００１４】
これにより、燃料極に燃料が供給された場合における燃料極での水素イオンと電子等が生成する反応を促進させることができる。この結果、本発明の燃料電池によれば、従来の燃料電池と比較して、燃料電池全体で起きる起電反応を促進でき、発電効率を向上させることができる。
【００１５】
電極の形状については、例えば、請求項２、８に示すように、電極の形状を板形状や、膜形状とすることができる。
【００１６】
請求項２に示すように、電極（８、９）の形状を板形状とした場合、図９に示す従来の燃料電池のように、セパレータによって、セルの強度を確保する必要がない。このため、本発明の燃料電池では、従来よりもセパレータの容積を縮小もしくは従来の構造のセパレータを省略することができる。この結果、本発明の燃料電池によれば、従来の燃料電池と比較して、燃料電池の容積を小さくすることができる。
【００１７】
さらに、２つの電極の形状を、例えば、平板形状にしたり、請求項３に示すように、筒形状にしたりすることもできる。電極の形状を筒形状にした場合では、一方（８）を他方（９）の内側に配置させることもできる。また、この場合、燃料極と酸化剤極とが交互に配置されていれば、燃料極と酸化剤極とを２重以上の多重に配置することもできる。
【００１８】
また、請求項４に示すように、２つの電極（８、９）の形状を、一方（８）を筒形状、他方（９）を平板形状とし、２枚の平板形状の電極（９）間に、筒形状の電極（８）を配置する。そして、平板形状の電極と、筒形状の電極との間に電解質（１１）を配置することもできる。
【００１９】
また、請求項５に示すように、燃料電池の構造を、電解質を平らな２つの電極で挟んだものを巻いた構造とすることもできる。
【００２０】
電解質については、例えば、請求項６に示すように、液状もしくはゲル状の電解質を用いることができる。
【００２１】
ここで、電解質として高分子電解質膜を用いる場合では、電解質膜の強度を確保する上で、電解質の薄膜化に限度があるため、電解質膜は所定の厚さ以上となっていた。
【００２２】
これに対して、請求項６に記載の発明のように、液体もしくはゲル状の電解質を用いる場合、燃料極と酸化剤極との間隔を自由に設定することができる。このため、本発明の燃料電池では、高分子電解質膜が用いられた燃料電池と比較して、電極間の間隔を小さく、すなわち、電解質を薄くすることができる。これにより、高分子電解質が用いられた燃料電池と比較して、燃料電池の容積を小さくすることができる。
【００２３】
液状もしくはゲル状の電解質を用いる場合では、請求項７に示すように、２つの電極間にスペーサを配置することが望ましい。これにより、電極間の電気的短絡を防止できるからである。スペーサとしては、例えば、絶縁性の球体、多孔質シートを用いることができる。
【００２４】
請求項８に記載の発明では、電解質（５２）として、無機化合物により構成された固体物を用い、電極（５８、５９）として、水素イオン透過性の金属膜を用いることを特徴としている。この金属膜は、例えば、請求項９に示すように、電解質の表面上にスパッタリング法、蒸着法、メッキ法もしくはそれらを組み合わせた方法で形成される。
【００２５】
電解質として無機化合物により構成された固体物を用いる場合では、例えば、請求項１０に示すように、電解質を複数の小室（５１）を有するハニカム形状とし、その小室の内壁面（５３）に、２つの電極（５８、５９）のどちらか一方を、配置することで、燃料電池を構成することもできる。
【００２６】
また、請求項１１に示すように、電極の表面のうち、電解質と接する面（８ａ、９ａ）と反対側の面（８ｂ、９ｂ）に、金属コロイド（１３）を固定し、この金属コロイドに触媒コロイド（１２）を担持させることもできる。
【００２７】
金属コロイドおよび触媒コロイドは、例えば、電着法、スパッタリング法等により、電極表面や金属コロイド表面に付着される。
【００２８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態における燃料電池の分解斜視図を示す。また、図２に図１中のＡ−Ａ’線断面図を示し、図３に図２中の領域Ｂの拡大図を示す。以下では、電極が水素イオン透過性の金属板により構成されている燃料電池の一例を説明する。
【００３０】
本実施形態の燃料電池は、燃料電池本体１と、空気入口室２と、空気出口室３と、燃料入口室４と、燃料出口室５とを備えており、いわゆる外部マニホールド構造となっている。
【００３１】
燃料電池本体１は、円筒形状のセル６が複数束ねられており、セル６とセル６との間に金属多孔体７が配置された構造となっている。言い換えると、金属多孔体７内に、所定間隔を設けて、セル６が配置されている。金属多孔体７は、燃料流路として機能するものであり、例えば、ニッケルにより構成されている。なお、セル６の内側が空気流路である。
【００３２】
１つのセル６は、図２に示すように、内側に空気極８、外側に燃料極９が配置されており、これらの２つの電極８、９間に電解質１０が挟まれた構造である。すなわち、空気極８および燃料極９は、水素イオン透過性の金属板により構成されており、円筒形状である。また、空気極８および燃料極９の直径は、空気極８の方が燃料極９よりも小さく、燃料極９の内側に空気極８が配置されている。空気極８と燃料極９との間には所定の大きさの隙間１０が生じており、その隙間１０に電解質１１が充填されている。なお、空気極８は、酸化剤極、陽極とも呼ばれ、燃料極９は陰極とも呼ばれるものである。
【００３３】
空気極８および燃料極９の間には、図示しないスペーサが配置されている。スペーサは絶縁性の球体もしくは多孔質のシートであり、ガラスや他のセラミックスにより構成されている。これにより、空気極８および燃料極９の間隔が確保され、電極８、９間の短絡が防止されている。
【００３４】
空気極８の内側は空洞になっており、この内側の空洞１４が空気流路である。また、セル６の外径は、例えば、１ｍｍとなっている。
【００３５】
空気極８および燃料極９は、例えば、銀パラジウム合金に構成されている。なお、水素イオン透過性金属としては、その他にパラジウム、銀パラジウム以外のパラジウム合金、タンタル、タンタル合金等があり、これらを空気極８および燃料極９として用いることもできる。
【００３６】
また、空気極８および燃料極９は、上述したように、板形状である。この板形状とは、ある程度の厚みを有し、空気極８、燃料極９自体でセル６の形状を保つことができる強度を有している形状を意味する。具体的には、空気極８および燃料極９の厚さはそれぞれ０．１ｍｍとなっている。これは、空気極８および燃料極９の厚さを０．１ｍｍ以上とした場合に、セル６の形状を保つことができるという本発明者らの検討結果に基づいて設定されたものである。
【００３７】
また、図３に示すように、空気極８および燃料極９の表面８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂのうち、電解質１１に接している面８ａ、９ａと反対側の面８ｂ、９ｂには、触媒コロイド１２を担持した金属コロイド１３が付着されている。これは、空気極８および燃料極９における触媒の担持量を増加させるためである。
【００３８】
具体的には、金属コロイド１３としてのパラジウムコロイドが空気極８および燃料極９の表面８ｂ、９ｂに電着法、もしくはスパッタリング法により付着されている。そして、触媒コロイド１２としての白金コロイドが、パラジウムコロイドの表面上に電着法、もしくはスパッタリング法により付着されている。触媒コロイド１２としては、白金に限らず、他の触媒を用いることができる。また、金属コロイド１３としては、パラジウムコロイドに限らず他の金属を用いることができ、電極８、９と異なる金属を用いることもできる。
【００３９】
なお、図９に示すように、従来の高分子電解質型燃料電池では、高分子電解質膜６１に白金６６を固定するために、拡散層としてのカーボンペーパー６５が必要であった。これに対して、本実施形態の燃料電池は、上記したように、触媒が電極に直接固定されている構造であるため、従来の燃料電池に対して、拡散層が省略された構造となっている。
【００４０】
電解質１１は、水素イオン伝導性を有し、流動性を有するものである。例えば、リン酸系のゲルもしくは液体が電解質１１として用いられる。また、図示しないが、セル６の軸方向における両端部では隙間１０に対して、耐熱性の樹脂により蓋がされており、セル６から電解質１１が漏れないように密閉されている。このように、電解質１１としてリン酸系のゲルもしくは液体を用いているので、本実施形態の燃料電池は、１００℃〜３００℃の耐熱性を有している。なお、電解質１１としては、他の液体や、高分子膜等の固体電解質を用いることもできる。
【００４１】
燃料電池本体１は、図１に示すように、直方体のケース１５を有しており、このケース１５でセル６および金属多孔体７が覆われている。ケース１５はセラミックスや樹脂等の絶縁体により構成されている。
【００４２】
ケース１５は、上面部１５ａ、下面部１５ｂ、２組の対向する側面部１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆとを有している。なお、燃料入口室４、燃料出口室５が配置される一組の側面部１５ｅ、１５ｆは、ほぼ全面が開口している状態である。
【００４３】
ここで、ケース１５外では、図１では、便宜上、ケース１５と各室２〜５とを離して図示しているが、空気入口室２および空気出口室３は、ケース１５の側面のうち、一組の対向する側面部１５ｃ、１５ｄにそれぞれ接して配置されている。また、燃料入口室４および燃料出口室５は、ケース１５の側面のうち、全面が開口している他の一組の側面部１５ｅ、１５ｆにそれぞれ接して配置されている。
【００４４】
一方、ケース１５内では、空気入口室２および空気出口室３に接する側面１５ｃ、１５ｄに、セル６の両端部が対向するように、セル６が配置されている。そして、ケース１５の空気入口室２および空気出口室３に接する側面１５ｃ、１５ｄには、空気極８の内側の空洞１４に対向する部位に、その空洞１４と同じ大きさの穴１６がそれぞれ形成されている。
【００４５】
空気入口室２、空気出口室３、燃料入口室４および燃料出口室５は、直方体の箱形状であり、セラミックスや樹脂等の絶縁体により構成されている。
【００４６】
空気入口室２および空気出口室３は、１つの面２ａ、３ａに燃料電池の外部から供給される空気入口１７もしくは外部へ空気を放出するための空気出口１８が設けられている。また、空気入口室２および空気出口室３の空気極８の空洞１４に対向する面２ｂ、３ｂには、空気極８の空洞１４に対向する部位に、その空洞１４と同じ大きさの穴１９が形成されている。
【００４７】
一方、燃料入口室４および燃料出口室５は、１つの面４ａ、５ａに外部から供給される燃料入口２０もしくは外部へ燃料を放出するための燃料出口２１が設けられている。また、燃料入口室４および燃料出口室５では、ケース１５に接する面４ｂ、５ｂのほぼ全面であって、ケース１５の側面部１５ｅ、１５ｆに形成された開口部に対応する位置に、開口部２２が形成されている。
【００４８】
したがって、外部から空気が供給された場合、空気は、空気入口室２の空気入口１７から空気入口室２に入り、空気入口室２の穴１９から各セル６の空気流路１４に流れる。そして、空気は、空気出口室３の穴１９から空気出口室３に入り、空気出口１８から排出される
一方、外部から燃料が供給された場合、燃料は、燃料入口室４の燃料の入口２０から燃料入口室４に入り、燃料入口室４の開口部２２から金属多孔体７内に流れる。そして、燃料は、燃料出口室５の開口部２２から燃料出口室５に入り、燃料出口２１から排出される。
【００４９】
このように、本実施形態の燃料電池では、入口室２、４から燃料や空気が各セル６に分配供給され、各セル６から起電反応に使用されなかった空気や燃料が、出口室３、５へ集合排出される。
【００５０】
このような構造の燃料電池本体１は、例えば、以下の方法により製造される。まず、パラジウム合金で構成された直径が異なる２つの円筒８、９を用意する。そして、直径が小さい方を、直径の大きい方に入れる。このとき、２つの円筒の間にスペーサを配置する。続いて、２重の円筒の一端側において、２つの円筒の間のみを塞ぐ。次に、２つの円筒８、９の間に電解質１１を注入する。そして、２重の円筒８、９の他端側において、２つの円筒８、９の間のみを塞ぐ。これにより、電極８、９と電解質１１とからなる単セル６が形成される。
【００５１】
次に、単セル６の外径と同等の直径である穴を有する金属多孔体７を用意する。そして、その穴に単セル６を配置し、それらをケース１５に入れる。このようにして、図１に示される燃料電池本体１が製造される。
【００５２】
次に、上記した構造の燃料電池の発電時における作動を説明する。
【００５３】
燃料としては、水素または水素化合物が用いられ、酸化剤として酸素または酸化物が用いられる。燃料および酸化剤としては、気体もしくは液体が用いられる。また、水素化合物としては、例えば、シクロヘキサン、２−プロパノールが用いられる。以下では、燃料として、シクロヘキサン、酸化剤として空気中の酸素を用いる場合を説明する。燃料電池本体の作動温度は２００℃である。
【００５４】
まず、燃料極９に対して燃料入口室４から金属多孔体７を介してシクロヘキサンが供給される。このとき、この燃料電池では、従来の高分子電解質型燃料電池のようにカーボン拡散層を用いていないため、直接、シクロヘキサンが燃料極９に拡散する。
【００５５】
そして、燃料極９で、触媒の白金によりＣ６Ｈ１２→Ｃ６Ｈ６＋６Ｈ＋＋ｅ−という反応が起き、シクロヘキサンからベンゼンと水素イオンと電子が生じる。このとき、触媒の白金は、より粒径の大きなパラジウム粒子上に担持されているため、活性点が３次元的に増やされていることと、反応温度が高いこととから、起電反応に対して十分な量の水素イオンと電子が生じる。
【００５６】
燃料極９を構成する銀パラジウム合金は、水素イオン伝導性であるため、燃料極９は、外部負荷に電子を渡すとともに、電解質１１に水素イオンを渡す。さらに、水素イオンは、電解質１１を通過し、空気極８に到達する。空気極８も銀パラジウム合金で構成されているため、水素イオンは空気極８を通過し、空気極８の電解質１１と接する面８ａの反対側の面８ｂに到達する。
【００５７】
そして、その空気極８側で、空気入口室２から供給された空気中の酸素と、外部負荷から流れてきた電子を受け取って、２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋ｅ−→Ｈ２Ｏという反応が起き、水が生じる。これら一連の作動によって、電子を電流として取り出すことができる。
【００５８】
また、本実施形態の燃料電池では、燃料として、シクロヘキサン等の水素化合物が用いられた場合、発電時に水素化合物から生成した生成物を再度、発電前の水素化合物の状態に戻すこともできる。すなわち、燃料電池に対して充電を行うこともできる。そこで、次に、この場合における燃料電池の作動を説明する。なお、この作動時に起きる化学反応は、発電反応の反対の化学反応である。
【００５９】
この場合、燃料極９に燃料電池の発電時に生成されたベンゼンを供給し、空気極８に燃料電池の発電時に生成された水を供給する。空気極８および燃料極９に対して外部電位をかける。また、燃料電池の作動温度を２００℃とする。
【００６０】
空気極８に水が供給されると、空気極８では、Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋１／２Ｏ２という水の電気分解が起こり、水素と酸素が生成する。このとき、水素は、白金触媒により、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−というように水素イオンと電子に分かれる。そして、この水素イオンは、空気極８、電解質１１、燃料極９を透過して、燃料極９の電解質１１に接する面９ａの反対側の面９ｂに到達する。
【００６１】
燃料極９側では、燃料極９に供給されたベンゼンが、水素イオンと、外部電位から受け取った電子と次のように反応し、Ｃ６Ｈ６＋６Ｈ＋＋ｅ−→Ｃ６Ｈ１２というように、ベンゼンがシクロヘキサンに戻る。これら一連の作動によって、発電前の状況に戻すことができる。
【００６２】
次に、本実施形態の燃料電池の主な特徴について説明する。
【００６３】
（１）上記したように、本実施形態の燃料電池は、銀パラジウム合金により構成された２つの電極８、９で、電解質１１が挟まれた構造である。すなわち、燃料極９が水素イオン透過性を有する銀パラジウム合金で構成されている。
【００６４】
このため、以下の効果を有している。燃料電池の発電時において、燃料極９では、上記のとおり、燃料極９で、触媒の白金によりＣ６Ｈ１２→Ｃ６Ｈ６＋６Ｈ＋＋ｅ−という反応が起きる。そして、生成した水素イオンは、燃料極９を透過して、電解質１１に移動する。
【００６５】
ここで、図９に示す構造の燃料電池においても、燃料として、シクロヘキサン等の水素化合物を用いることができる。しかし、従来の燃料電池では、燃料極が水素イオン透過性ではないため、燃料極側で生成された水素イオンの電解質への移動が、燃料極により抑制されていた。このため、燃料極側に水素イオンが留まってしまい、ある程度の数の水素イオンが白金の近傍に存在した場合、Ｃ６Ｈ１２→Ｃ６Ｈ６＋６Ｈ＋＋ｅ−という反応が平衡状態となる。これにより、燃料極９にシクロヘキサンが供給されても、この反応が進まず、水素イオンの生成速度が低下してしまう。
【００６６】
これに対して、本実施形態の燃料電池では、燃料極９側で生成した水素イオンは、次々と燃料極９を通って、電解質１１に移動するため、白金近傍における水素イオンが減少する。このため、白金によるＣ６Ｈ１２→Ｃ６Ｈ６＋６Ｈ＋＋ｅ−という反応は非平衡状態となる。この結果、燃料極９にシクロヘキサンが供給されても、燃料極９で次々と水素イオンが生成される。すなわち、白金と銀パラジウム合金のスピルオーバの相乗効果によって、シクロヘキサンが次々と水素イオンと電子に分かれる。
【００６７】
このことから、本実施形態の燃料電池では、燃料極９側にシクロヘキサンを供給した場合、燃料極９側で、次々と水素イオンを生成させ、さらに水素イオンを速やかに電解質１１へ移動させ、空気極８側に到達させることができる。すなわち、燃料極９での水素イオンと電子等が生成する反応を促進させることができる。この結果、燃料電池全体で起きる起電反応を促進させることができる。なお、シクロヘキサンに限らず、他の燃料を用いた場合においても同様である。
【００６８】
また、この燃料電池では、燃料極９だけでなく、空気極８も水素イオン透過性を有する銀パラジウム合金により構成されている。このため、燃料として水素化合物が用いられた場合であって、発電時に水素化合物から生成した生成物を再度、発電前の水素化合物の状態に戻す場合においても、以下に説明するように、発電時と同様に、空気極８側での水素イオンの生成反応を促進させることができる。
【００６９】
この場合、上記したように、空気極８に水が供給され、空気極８で、Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋１／２Ｏ２という水の電気分解が起こる。このとき、水素は、白金触媒と銀パラジウム合金のスピルオーバの相乗効果によって、できるそばからＨ２→２Ｈ＋＋２ｅ−というように水素イオンと電子に分かれ、水素イオンは、空気極８、電解質１１、燃料極９を透過して、燃料極９の電解質１１に接する面９ａの反対側の面９ｂに到達する。
【００７０】
このように、この燃料電池では、空気極８での水素イオンの生成反応が促進されており、速やかに生成した水素イオンを燃料極９側に移動させることができる。これにより、この燃料電池によれば、早期に、発電時に水素化合物から生成した生成物を再度、発電前の水素化合物の状態に戻すことができる。
【００７１】
また、従来の燃料電池のように電極がカーボンにより構成されている場合、上記した充電反応において、空気極８で発生した酸素と、電極とが反応することでＣＯ２が発生してしまう。これに対して、本実施形態の燃料電池では、電極として、従来の燃料電池のように、カーボンを用いていない。このため、この燃料電池では、電極に電位をかけてもＣＯ２が発生しないという利点もある。
【００７２】
（２）また、本実施形態の燃料電池では、空気極８および燃料極９は、銀パラジウム合金板で構成されている。これにより、セル６はこれらの電極８、９により形状が保たれている。
【００７３】
このことから、この燃料電池では、従来の燃料電池のように、セパレータによって、セルの強度を確保する必要がない。このため、この燃料電池においては、従来の燃料電池に用いられていた構造のセパレータを省略することができ、従来の燃料電池と比較して、燃料電池スタックの容積を小さくすることができる。この結果、この燃料電池は、従来の燃料電池と比較して、燃料電池スタックの単位体積あたりの出力密度が高くなっている。
【００７４】
また、空気極８および燃料極９が銀パラジウム合金板で構成されていることから、液体等の流動性がある電解質を用いた場合であっても、空気極８と燃料極９との間の隙間１０端部を蓋等で塞いでおけば、空気極８および燃料極９から電解質が漏れることがない。
【００７５】
なお、従来のリン酸型燃料電池では、電極として一般にカーボンペーパーが用いられていたため、液状の電解質を用いた場合、電解質がカーボンペーパーからしみ出てしまう。このため、このような燃料電池では、リン酸を補充できる構造とする必要があった。これに対して、本実施形態の燃料電池によれば、リン酸を補充する必要がない。
【００７６】
（３）このように、この燃料電池では、２つの電極８、９をパラジウム合金板で構成しているため、本実施形態のように、電解質としてゲル状物質や液体を用いることができる。
【００７７】
ここで、背景技術の欄で説明した燃料電池では、電解質として固体高分子電解質膜６１を用いていた。この高分子電解質膜６１は、膜の強度を確保する上で、薄膜化に限度があるため、一般に、電解質膜６１として、膜厚が３０〜５０μｍ程度のものが用いられている。
【００７８】
これに対して、本実施形態の燃料電池では、ゲル状もしくは液体の電解質を用いているので、空気極８および燃料極９との間隔を、電解質に関係なく、自由に設定することができる。このため、この燃料電池では、従来のような高分子電解質膜が用いられた燃料電池と比較して、これらの電極８、９間の間隔を小さくすることができ、すなわち、電解質を薄くすることができる。これにより、この燃料電池の容積を、高分子電解質膜が用いられた燃料電池と比較して、小さくすることができる。
【００７９】
また、この燃料電池において、上記したように、高分子電解質膜を用いた燃料電池よりも電解質１１を薄くした場合、さらに、以下の効果もある。
【００８０】
この場合、電解質１１中の水素イオンの移動距離は高分子電解質膜を用いた燃料電池よりも小さいことから、電解質として、水素イオンの伝導性がある程度低いゲル物質や液体を用いたとしても、発電に必要な電解質の水素イオンの伝導性を確保することができる。
【００８１】
また、一般に、燃料電池システムでは、燃料電池の酸化剤極側で起きる反応は発熱反応であることから、それによって、電解質の温度が耐熱温度を超えないように、セルを冷却するための冷却装置を備えている。なお、燃料極側で起きる反応は、発熱でも吸熱反応でもない。
【００８２】
これに対して、本実施形態の燃料電池において、燃料として例えばシクロヘキサンを用いた場合、燃料極９側でシクロヘキサンから水素イオンと電子とに分解される反応が起きる。この反応は吸熱反応である。このため、電極８、９が銀パラジウム合金により構成されていることもあわせて、空気極８側で発生した熱を燃料極９で奪うことができる。
【００８３】
これにより、この燃料電池によれば、燃料極９側を従来のように冷却する必要がないため、冷却装置に必要な冷却能力を小さくでき、もしくは、冷却装置自体が不要とすることができる。
【００８４】
（４）また、本実施形態の燃料電池は、空気極８および燃料極９の表面のうち、電解質１１と接する面８ａ、９ａと反対側の面８ｂ、９ｂに、白金コロイドがパラジウムコロイドを介して担持された構造である。このため、この燃料電池は、高分子電解質型燃料電池において、一般に、触媒を電極に固定する役割をも有していた拡散層が省略された構造となっている。
【００８５】
これにより、この燃料電池のような構造とすることで、一般的な高分子電解質型燃料電池と比較して、燃料電池の構造を簡略化することができる。
【００８６】
また、上記したように、拡散層を用いた構造の燃料電池では、燃料として、分子量が大きく、拡散速度の低い水素化合物を用いた場合、拡散層自体が水素化合物の移動を妨害し、電極上の触媒に水素化合物が供給されにくいという問題が生じていた。
【００８７】
これに対して、本実施形態の燃料電池では、拡散層を用いていないため、燃料として分子量が大きく、拡散速度の低い水素化合物を用いた場合においても、拡散層を用いた構造の燃料電池と比較して、触媒に対してその水素化合物を速やかに供給することができる。
【００８８】
なお、本実施形態では、セル６の構造を、２つの電極８、９を円筒形状とした場合を例として説明したが、筒状であれば、断面が円の場合に限らず、多角形等他の形状とすることもできる。また、本実施形態では、電極８、９が２重の円筒形状である場合を例として説明したが、２重に限らず、空気極８および燃料極９を交互に４重、６重等の同心円状に多重に配置することで、セルもしくはスタックを構成することもできる。
【００８９】
また、本実施形態では、空気極８が燃料極９の内側に配置された場合を例として説明したが、空気極８と燃料極９との位置を入れ替え、燃料極９を空気極８の内側に配置することもできる。
【００９０】
（第２実施形態）
図４（ａ）に、本発明の第２実施形態における燃料電池の構成を示し、図４（ｂ）に、図４（ａ）中のＣ−Ｃ’線断面図を示す。本実施形態の燃料電池は、電極が水素イオン透過性の金属板により構成されているが、燃料極の形状が第１実施形態の燃料電池とは異なるものである。なお、図４では、図１、２に示される燃料電池と同様の構造部には、これらと同じ符合を付している。
【００９１】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、燃料電池本体１は、空気極８、燃料極９、電解質１１から構成されたセル３０と金属多孔体７とを備えている。燃料電池本体１内では、セル３０が水平方向に平行となるように、高さ方向に複数配置されている。そして、それらのセル３０の間に金属多孔体７が配置されている。
【００９２】
セル３０は、２枚の平板形状の燃料極９が平行に配置され、その間に複数の円筒形状の空気極８が配置された構造である。各空気極８は互いに離間して、平行に配置されている。また、各空気極８は互いに平行に配置されている。空気極８と燃料極９も互いに離間して配置されている。なお、空気極８および燃料極９は、第１実施形態と同様に、水素イオン透過性の金属により構成されている。また、空気極８および燃料極９の表面には、触媒コロイドが担持された金属コロイドが付着されている。
【００９３】
また、図示しないが、空気極８と燃料極９との間にスペーサが配置されている。そして、空気極８と燃料極９との間に、ゲルもしくは液体の電解質１１が充填されている。すなわち、空気極８と燃料極９とにより電解質１１が挟まれている。なお、セルは、一般に１つの電池を意味するが、本実施形態におけるセル３０は、複数の電池を有するものである。
【００９４】
このような構成の燃料電池においても、第１実施形態の燃料電池と同様に作動する。
【００９５】
本実施形態の燃料電池においても、空気極８および燃料極９が銀パラジウム合金等の水素イオン透過性の金属板により構成されており、空気極８および燃料極９により電解質１１が挟まれている。また、この燃料電池においても、ゲルもしくは液体の電解質１１が用いられており、従来の燃料電池が有しているような構造のセパレータを用いていない。このため、この燃料電池においても、第１実施形態と同じ効果を有している。
【００９６】
なお、本実施形態においても、電解質１１として固体電解質を用いることもできる。また、本実施形態では、燃料極９を平板形状とし、空気極８を円筒形状としているが、その反対に、燃料極９を円筒形状、空気極８を平板形状とすることもできる。
【００９７】
（第３実施形態）
図５に、本発明の第３実施形態における燃料電池の構成を示す。また、図６（ａ）に図５中の領域Ｄの拡大図を示し、図６（ｂ）、（ｃ）に、それぞれ図５中の上蓋３２と、下蓋３３を示す。なお、図６（ｂ）、（ｃ）は、図５において上方向から上蓋３２および下蓋３３を見たときの図である。また、図６（ａ）では、図１、２に示された燃料電池と同様の構造部には、これらと同じ符合を付している。
【００９８】
本実施形態の燃料電池は、電極が水素イオン透過性の金属板により構成されているが、空気極８および燃料極９の形状が、第１実施形態の燃料電池と異なるものである。
【００９９】
図５、６（ａ）に示すように、この燃料電池１は、円筒状のケース３１と、上蓋３２と、下蓋３３と、上蓋３２に形成された燃料排出通路３４および空気供給通路３５と、下蓋３３に形成された燃料供給通路３６および空気排出通路３７と、ケース３１の中に配置された空気極８、燃料極９、電解質１１とを備えている。
【０１００】
ケース３１の中に配置された空気極８および燃料極９は、平らな水素イオン透過性の金属板により構成されており、電解質１１を挟み込んだ状態で、これらの電極８、９および電解質１１が、海苔巻きのように、巻かれた形状となっている。
【０１０１】
具体的には、図６（ａ）に示すように、左側から順に、空気極８、電解質１１、燃料極９、燃料通過用の金属多孔体３８、燃料極９、電解質１１、空気極８、空気通過用の金属多孔体３９が積層されており、燃料電池１は、この平らな状態の８層が一端側から丸められた構造となっている。言い換えると、この燃料電池１は、この８層の一端側が反対側の他端側よりも内側に位置するように、この８層が巻き込まれた構造となっている。すなわち、この燃料電池１では、この８層が、上蓋３２や下蓋３３と平行な断面において、渦巻き形状となっている。なお、このケース３１内の電極８、９等は、平らな状態でこれらの８層が積層され、一端側から丸められることで製造される。
【０１０２】
燃料通過用の金属多孔体３８および空気通過用の金属多孔体３９は、第１実施形態の燃料電池における金属多孔体７と同様のものである。また、電解質１１は、第１実施形態と同様のものである。例えば、リン酸等の液体を多孔質体のマトリックスにしみ込ませたものを電解質１１として用いることもできる。  
【０１０３】
ケース３１、上蓋３２、下蓋３３は、セラミックスや樹脂等の絶縁体により構成されている。上蓋３２は＋側の電極部３２ａを備えており、下蓋３３は図示しない−側の電極部を備えている。
【０１０４】
また、上蓋３２および下蓋３３の電極８、９側には、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、溝３４ａ、３５ａ、３６ａ、３７ａが形成されている。これらの溝３４ａ、３５ａ、３６ａ、３７ａにより、燃料排出通路３４、空気供給通路３５、燃料供給通路３６および空気排出通路３７が構成されている。
【０１０５】
上蓋３２において、燃料排出通路３４および空気供給通路３５は、所定間隔を設けて並んだ状態で、かつ、渦巻き状に配置されており、それぞれ、燃料通過用の金属多孔体３８および空気通過用の金属多孔体３９と対向するように配置されている。
【０１０６】
一方、下蓋３３において、燃料供給通路３６および空気排出通路３７も、並んだ状態で、かつ、渦巻き状に配置されており、それぞれ、燃料通過用の金属多孔体３８および空気通過用の金属多孔体３９と対向するように配置されている。
【０１０７】
このように構成された燃料電池１では、外部から空気が供給された場合、図５に示すように、空気は、上蓋３２の空気供給通路３５に入り、空気供給通路３５から下に向かって、空気通過用の金属多孔体３９中を流れる。そして、未反応の空気が、下蓋３３の空気排出通路３７から燃料電池１の外部に放出される。一方、外部から燃料が供給された場合、図５に示すように、燃料は、下蓋３３の燃料供給通路３６に入り、燃料供給通路３６から上に向かって、燃料通過用の金属多孔体３８中を流れる。そして、未反応の燃料は、上蓋３２の燃料排出通路３４から燃料電池１の外部に放出される。
【０１０８】
このような構成の燃料電池は、第１実施形態の燃料電池と同様に作動する。
【０１０９】
また、上記したように、本実施形態の燃料電池においても、空気極８および燃料極９が水素イオン透過性の金属板により構成されている。さらに、この燃料電池においても、従来の燃料電池が有しているような構造のセパレータを用いていない。このため、この燃料電池においても、第１実施形態と同じ効果を有している。
【０１１０】
（第４実施形態）
図７に、本発明の第４実施形態における燃料電池の断面図を示す。本実施形態の燃料電池は、電極が水素イオン透過性の金属板により構成されているが、空気極８および燃料極９の形状が、第１実施形態の燃料電池と異なるものである。なお、図７では、図１、２に示された燃料電池と同様の構造部には、これらと同じ符合を付している。
【０１１１】
図７に示すように、本実施形態の燃料電池では、セル６が、それぞれ平板形状である空気極８および燃料極９により、電解質１１が挟み込まれており、これらが２つのセパレータ４１に挟み込まれた構造である。
【０１１２】
空気極８および燃料極９は、第１実施形態と同様に、水素イオン透過性の金属により構成されている。また、空気極８および燃料極９の表面には、触媒コロイドが担持された金属コロイドが付着されている。
【０１１３】
電解質１１としては、ゲル状、液体もしくは固体の電解質が用いられている。ゲルもしくは液体の電解質が用いられている場合では、図示しないが、セル６から電解質１１が漏れないように、電解質１１が密閉されている。また、固体の電解質としては、例えば、高分子電解質膜もしくはリン酸系ガラス、多孔質セラミックス等の無機化合物から構成された固体電解質が用いられる。
【０１１４】
セパレータ４１は、図９に示す燃料電池と同様に、空気流路および燃料流路としての溝４２を有している。ただし、このセパレータ４１は、図９に示す従来の燃料電池と比較して、セパレータ４１の厚さ４１ａが薄くなっている。
【０１１５】
このように、本実施形態の燃料電池では、２つの電極８、９が、水素イオン透過性の金属により構成され、平板形状となっている。このため、第１実施形態と同様に、燃料電池全体で起きる起電反応を促進させることができる。
【０１１６】
また、この燃料電池では、電極８、９でセル６の形状を保つことができることから、セパレータ４１の厚さ４１ａを図９に示すような従来の燃料電池と比較して、薄くすることができる。この結果、本実施形態の燃料電池においても、燃料電池スタックの単位体積あたりの出力密度を、従来の燃料電池よりも高くすることができる。なお、図７では、溝４２の幅４２ａと深さ４２ｂは、図９に示す燃料電池と同じであるが、溝４２の幅４２ａと深さ４２ｂを、図９に示す燃料電池よりも小さくすることもできる。
【０１１７】
また、この燃料電池においても、ゲル状もしくは液体の電解質を用いた場合では、第１実施形態と同様に、燃料電池の容積を、高分子電解質膜が用いられた燃料電池と比較して、小さくすることができる等の効果を有する。  
【０１１８】
（第５実施形態）
図８（ａ）に、本発明の第５実施形態における燃料電池の構成を示し、図８（ｂ）に、図８（ａ）中の一点鎖線領域Ｅの拡大図を示す。本実施形態の燃料電池は、電極が水素イオン透過性の金属膜により構成されており、電解質の形状が第１実施形態の燃料電池と異なるものである。
【０１１９】
本実施形態の燃料電池は、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、燃料電池本体１が、複数の小室５１を有するハニカム形状の固体電解質５２と、小室５１の内壁面５３に形成された空気極５８、燃料極５９とを備えている。空気極５８が形成された小室５１が空気流路であり、燃料極５９が形成された小室５１が燃料流路である。
【０１２０】
固体電解質５２は、無機化合物から構成されたものであり、水素イオン透過性の多孔質セラミックスである。この固体電解質５２は、それ自体で形状を支えることができる強度を有している。１つの小室５１は、図８（ｂ）に示すように、開口部の形状が四角形であり、筒状になっている。したがって、小室５１は４つの内壁面５３を有しており、この内壁面５３によって空洞が構成されている。なお、１つの小室５１は隣の小室５１と分離されている。
【０１２１】
また、１つの小室５１において、全ての内壁面５３には、空気極５８および燃料極５９のどちらか一方が配置されている。ただし、空気極５８および燃料極５９は、図８（ｂ）に示すように、空気極５８と燃料極５９とが隣り合うように配置されている。すなわち、空気極５８と燃料極５９とが、それぞれ交互に縦方向と横方向に配置されている。これにより、空気極５８および燃料極５９により、固体電解質５２が挟まれた構造となっている。
【０１２２】
空気極５８および燃料極５９は、水素イオン透過性の金属膜により構成されている。ここでいう金属膜とは、それ自体では形状を保つことができない程度の薄さの形状を意味する。具体的には、０．１ｍｍよりも薄いものであり、例えば、数μｍ程度のものが金属膜に該当する。この金属膜は、例えば、固体電解質５２の表面上にスパッタリング法、蒸着法、メッキ法もしくはそれらを組み合わせた方法で形成される。また、空気極５８および燃料極５９の表面には、第１実施形態と同様に、触媒コロイドが担持されている。
【０１２３】
また、この燃料電池では、空気極５８が配置された小室５１内に空気が供給され、燃料極５９が配置された小室５１内に燃料が供給される。なお、燃料電池の発電時における作動は、第１実施形態と同様である。
【０１２４】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池は、２つの電極５８、５９が、水素イオン透過性の金属により構成されている。このため、本実施形態の燃料電池によっても、第１実施形態と同様に、燃料電池全体で起きる起電反応を促進させることができる。
【０１２５】
また、この燃料電池では、固体電解質５２がそれ自体で形状を支えることができる強度を有しており、この固体電解質５２によって、燃料電池本体１の形状が支えられた構造となっている。このため、この燃料電池では、図９に示す燃料電池が有しているセパレータ４１が不要であり、セパレータ４１が省略された構造となっている。この結果、本実施形態の燃料電池によれば、燃料電池スタックの単位体積あたりの出力密度を、従来の燃料電池よりも高くすることができる。  
【０１２６】
（他の実施形態）
なお、第１〜第４実施形態において、空気極８および燃料極９が、水素イオン透過性の金属板により構成されている場合を例として説明したが、これらの各実施形態においても、第５実施形態と同様に、空気極８および燃料極９を、水素イオン透過性の金属膜で構成することもできる。この場合、電解質１１として、リン酸系ガラスもしくは多孔質セラミックス等のそれ自体がセルやスタックの形状を支えることができる強度を有する無機系の固体電解質が用いられていることが必要となる。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
【図２】図１の燃料電池のＡ−Ａ’線断面図である。
【図３】図２中の領域Ｂの拡大図である。
【図４】（ａ）は本発明の第２実施形態における燃料電池の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の燃料電池のＣ−Ｃ’線断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態における燃料電池の斜視図である
【図６】（ａ）は図５に示される燃料電池の領域Ｄの拡大図であり、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図５の燃料電池における上蓋３２と、下蓋３３を示す図である。
【図７】本発明の第４実施形態における燃料電池の断面図である。
【図８】（ａ）は本発明の第５実施形態における燃料電池の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）中の領域Ｅの拡大図である。
【図９】従来における燃料電池の断面図である。
【符号の説明】
【０１２８】
１…スタック、２…空気入口室、３…空気出口室、
４…燃料入口室、５…燃料出口室、６、３０…セル、
７…金属多孔体、８、５８…空気極、９、５９…燃料極、１０…隙間、
１１…電解質、１２…触媒コロイド、１３…金属コロイド、
１５、３１…ケース、３２…上蓋、３３…下蓋、
３４…燃料排出通路、３５…空気供給通路、
３６…燃料供給通路、３７…空気排出通路、
３８…燃料通過用の金属多孔体、３９…空気通過用の金属多孔体、
４１…セパレータ、４２…溝、５１…小室、５２…固体電解質。
【図１】
2005183132.tif 000003
【図２】
2005183132.tif 000004
【図３】
2005183132.tif 000005
【図４】
2005183132.tif 000006
【図５】
2005183132.tif 000007
【図６】
2005183132.tif 000008
【図７】
2005183132.tif 000009
【図８】
2005183132.tif 000010
【図９】
2005183132.tif 000011