(57)【要約】【課題】  水素透過性金属層を備える燃料電池の内部温度がばらつくことに起因する電池性能の低下を防止する。【解決手段】  プロトン伝導性を有する電解質層の面上に配設されると共に水素透過性金属を備える水素透過性金属層を有する燃料電池において、燃料電池は、高温になる高温部分と、この高温部分よりも低温になる低温部分とを有している。ここで、水素透過性金属層は、低温部分に対応する低温領域Ａと、高温部分に対応する高温領域Ｂとを有している。低温領域Ａと高温領域Ｂとは、組成および／または構成成分の配置状態が異なる。【選択図】  図３
2005190681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性を有する電解質層の面上に配設されると共に水素透過性金属を備える水素透過性金属層を有する燃料電池であって、
該燃料電池は、高温になる高温部分と、該高温部分よりも低温になる低温部分とを有し、
前記水素透過性金属層は、前記高温部分に対応する高温領域と、前記低温部分に対応する低温領域とで、組成および／または構成成分の配置状態が異なる
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記水素透過性金属層は、少なくとも前記低温領域では、異種の水素透過性金属から成る層を複数積層して構成され、
前記高温領域における前記組成および／または構成成分の配置状態は、前記低温領域に比べて、前記高温領域における前記異種の水素透過性金属から成る層間の金属拡散に起因する性能低下を抑制する
燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記高温領域は、前記低温領域に比べて水素透過量が少ない
燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記水素透過性金属層は、５族金属または５族金属を含む合金から成る基材層と、該基材層の少なくともガスが供給される側の面に形成されたパラジウムまたはパラジウム合金からなる被覆層と、を備え、
前記高温領域は、前記低温領域に比べて、前記基材層における５族金属の含有割合が低い
燃料電池。
【請求項５】
請求項２または３記載の燃料電池であって、
前記水素透過性金属層は、５族金属または５族金属を含む合金から成る基材層と、該基材層の少なくともガスが供給される側の面に形成されたパラジウムまたはパラジウム合金からなる被覆層と、少なくとも前記高温領域において前記基材層と前記被覆層との間に配設され異種金属の拡散を抑制する拡散抑制層と、を備え、
前記高温領域における金属拡散は、前記低温領域における金属拡散に比べて、前記拡散抑制層によってより強く抑制される
燃料電池。
【請求項６】
請求項２または３記載の燃料電池であって、
前記高温領域は、パラジウムまたはパラジウム合金により均質に形成されており、
前記低温領域は、５族金属または５族金属を含む合金から成る基材層と、該基材層の少なくともガスが供給される側の面に形成されたパラジウムまたはパラジウム合金からなる被覆層と、を備える
燃料電池。
【請求項７】
請求項２または３記載の燃料電池であって、
前記水素透過性金属層は、５族金属または５族金属を含む合金から成る基材層と、該基材層の少なくともガスが供給される側の面に形成されたパラジウムまたはパラジウム合金からなる被覆層と、を備え、
前記高温領域は、前記低温領域に比べて、前記被覆層が厚く形成されている
燃料電池。
【請求項８】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記低温領域における前記組成および／または構成成分の配置状態は、前記高温領域に比べて、前記低温領域における低温下での水素脆化を抑制する
燃料電池。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池であって、
少なくとも前記低温領域は、水素透過性を示す金属を含有する合金によって形成され、
該低温領域は、前記高温領域に比べて、前記水素透過性を示す金属の含有割合が低い
燃料電池。
【請求項１０】
請求項１ないし９いずれか記載の燃料電池であって、
該燃料電池を構成する単セルが備える前記水素透過性金属層の同一面内において、前記高温領域と前記低温領域とが形成されている
燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃料電池であって、さらに、
冷媒が通過する冷媒流路を備え、
前記水素透過性金属層の同一面内において、前記冷媒が単セル内に流入する流入部近傍に、前記低温領域が形成されている
燃料電池。
【請求項１２】
請求項１０記載の燃料電池であって、
前記水素透過性金属層の同一面内において、前記燃料電池の平均運転温度との温度差が所定値以上である低温流体が流入する流入部近傍に、前記低温領域が形成されている
燃料電池。
【請求項１３】
請求項１ないし９いずれか記載の燃料電池であって、
前記燃料電池は、単セルを積層して構成され、
前記燃料電池を構成する各単セルが備える前記水素透過性金属層は、それぞれ、前記燃料電池全体における温度分布状態に応じて、前記高温領域と前記低温領域とが形成されている
燃料電池。
【請求項１４】
請求項１０ないし１３いずれか記載の燃料電池であって、
前記水素透過性金属層は、前記燃料電池の外周部近傍に対応する位置に、前記低温領域が形成されている
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関し、詳しくは、電解質層と共に水素透過性金属層を備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な種類の燃料電池が提案されている。例えば、特許文献１には、プロトン伝導性を有する電解質層のアノード側に、パラジウム系金属膜を配設した燃料電池が開示されている。この特許文献１では、電解質膜のアノード側に水素透過性を有する金属膜を設けることによって、充分に精製されていない改質ガスを、燃料ガスとして直接アノードに供給可能としている。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２９９１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、パラジウム系金属などの水素透過性金属は、特に低温時には水素脆化を起こしやすいという性質を有している。そのため、水素透過性金属層を備える燃料電池では、部分的にであっても温度が低下すると、温度が低下した領域において水素透過性金属層の水素脆化が進行し、電池性能が低下する可能性がある。また、水素透過性金属層を備える燃料電池では、温度が高すぎる場合にも電池性能が低下する可能性がある。特に、水素透過性金属層として異種の水素透過性金属を積層した金属層を用いる場合には、高温時には水素透過性金属の合金化が進行し、電池性能が低下する。このように、水素透過性金属層を備える燃料電池には適した動作温度があり、内部温度がばらつくと、部分的に低温あるいは高温となることによって性能低下を起こす。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水素透過性金属層を備える燃料電池の内部温度がばらつくことに起因する電池性能の低下を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、プロトン伝導性を有する電解質層の面上に配設されると共に水素透過性金属を備える水素透過性金属層を有する燃料電池であって、
該燃料電池は、高温になる高温部分と、該高温部分よりも低温になる低温部分とを有し、
前記水素透過性金属層は、前記高温部分に対応する高温領域と、前記低温部分に対応する低温領域とで、組成および／または構成成分の配置状態が異なることを要旨とする。
【０００７】
以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、燃料電池内部で高温になる高温部分と、高温部分よりも低温になる低温部分とのそれぞれに対応して、水素透過性金属層に設けられた高温領域と低温領域とは、組成および／または構成成分の配置状態が異なるため、燃料電池の内部温度がばらつくことに起因する電池性能の低下を防止することが可能となる。
【０００８】
本発明の燃料電池において、
前記水素透過性金属層は、少なくとも前記低温領域では、異種の水素透過性金属から成る層を複数積層して構成され、
前記高温領域における前記組成および／または構成成分の配置状態は、前記低温領域に比べて、前記高温領域における前記異種の水素透過性金属から成る層間の金属拡散に起因する性能低下を抑制することとしても良い。
【０００９】
このような構成とすれば、高温領域の温度が上昇した場合にも、高温領域において、異種の水素透過性金属から成る層間の金属拡散に起因する性能低下が抑えられているため、燃料電池の性能低下を防止することができる。
【００１０】
また、本発明の燃料電池において、前記高温領域は、前記低温領域に比べて水素透過量が少ないこととしても良い。
【００１１】
このような構成とすれば、高温領域の水素透過量が低温領域よりも少ないため、高温領域では電気化学反応の進行が抑制される。したがって、高温領域の温度上昇が抑えられ、水素透過性金属層における温度分布状態がより均一化されて、温度分布不均一に起因する電池性能低下を抑えることができる。
【００１２】
このような本発明の燃料電池において、
前記水素透過性金属層は、５族金属または５族金属を含む合金から成る基材層と、該基材層の少なくともガスが供給される側の面に形成されたパラジウムまたはパラジウム合金からなる被覆層と、を備え、
前記高温領域は、前記低温領域に比べて、前記基材層における５族金属の含有割合が低いこととしても良い。
【００１３】
５族金属の含有割合を低くすることで、高温領域における水素透過量を低温領域に比べて少なくすることができる。
【００１４】
また、このような燃料電池において、
前記水素透過性金属層は、５族金属または５族金属を含む合金から成る基材層と、該基材層の少なくともガスが供給される側の面に形成されたパラジウムまたはパラジウム合金からなる被覆層と、少なくとも前記高温領域において前記基材層と前記被覆層との間に配設され異種金属の拡散を抑制する拡散抑制層と、を備え、
前記高温領域における金属拡散は、前記低温領域における金属拡散に比べて、前記拡散抑制層によってより強く抑制されることとしても良い。
【００１５】
このような構成とすれば、高温領域の温度が上昇して金属拡散が起こりやすい温度条件となった場合にも、高温領域において充分に金属拡散が抑制されるため、電池性能の低下を防止できる。また、高温領域において、金属拡散をより強く抑制するように拡散抑制層を設けることで、高温領域は低温領域に比べて水素透過量が少なくなり、温度分布状態が均一化するため、電池性能の低下を防止することができる。
【００１６】
また、このような燃料電池において、
前記高温領域は、パラジウムまたはパラジウム合金により均質に形成されており、
前記低温領域は、５族金属または５族金属を含む合金から成る基材層と、該基材層の少なくともガスが供給される側の面に形成されたパラジウムまたはパラジウム合金からなる被覆層と、を備えることとしても良い。
【００１７】
このような構成とすれば、パラジウムまたはパラジウム合金により形成された均質な高温領域では、異種金属から成す層間の金属拡散が起こらないため、高温領域の温度が上昇して金属拡散が起こりやすい温度条件となっても、金属拡散に起因する性能低下が起こらない。また、パラジウムまたはパラジウム合金から成る均質な高温領域は、５族金属または５族金属を含む合金から成る基材層を備える低温領域に比べて水素透過量が少ない。したがって、温度分布状態を均一化して電池性能の低下を防止することができる。
【００１８】
また、このような燃料電池において、
前記水素透過性金属層は、５族金属または５族金属を含む合金から成る基材層と、該基材層の少なくともガスが供給される側の面に形成されたパラジウムまたはパラジウム合金からなる被覆層と、を備え、
前記高温領域は、前記低温領域に比べて、前記被覆層が厚く形成されていることとしても良い。
【００１９】
被覆層を構成するパラジウムは、水素透過性金属層を水素が透過する際に、水素分子を解離させる活性を有する。金属拡散により基材層中の５族金属が被覆層内に拡散すると、この水素分子を解離させる活性が低下し、水素透過量が低下する。被覆層を厚く形成することにより、被覆層における基材層との境界近傍に５族金属が拡散しても、被覆層表面では水素分子を解離させる活性を維持することが可能となる。したがって、金属拡散に起因する性能低下を抑えることができる。さらに、被覆層を厚く形成することで、高温領域における水素透過量が少なくなるため、温度分布状態を均一化して電池性能の低下を防止することができる。
【００２０】
本発明の燃料電池において、
前記低温領域における前記組成および／または構成成分の配置状態は、前記高温領域に比べて、前記低温領域における低温下での水素脆化を抑制することとしても良い。
【００２１】
このような構成とすれば、低温領域が低温となることで水素脆化が進むのを防止することができ、電池性能の低下を抑えることができる。
【００２２】
このような燃料電池において、
少なくとも前記低温領域は、水素透過性を示す金属を含有する合金によって形成され、
該低温領域は、前記高温領域に比べて、前記水素透過性を示す金属の含有割合が低いこととしても良い。
【００２３】
水素透過性を示す金属の含有割合を低くすることで、低温領域を、高温領域よりも水素脆化がより起こりにくい性質とすることができる。
【００２４】
本発明の燃料電池において、
該燃料電池を構成する単セルが備える前記水素透過性金属層の同一面内において、前記高温領域と前記低温領域とが形成されていることとしても良い。
【００２５】
このような構成とすれば、水素透過性金属層の同一面内における温度分布状態の不均一に起因する電池性能の低下を、効果的に防止することができる。
【００２６】
このような燃料電池において、さらに、
冷媒が通過する冷媒流路を備え、
前記水素透過性金属層の同一面内において、前記冷媒が単セル内に流入する流入部近傍に、前記低温領域が形成されていることとしても良い。
【００２７】
冷媒の流入部は温度が低下するため、このように低温領域を配置することで、冷媒流入による温度低下に起因する性能低下を防止することができる。
【００２８】
あるいは、本発明の燃料電池において、
前記水素透過性金属層の同一面内において、前記燃料電池の平均運転温度との温度差が所定値以上である低温流体が流入する流入部近傍に、前記低温領域が形成されていることとしても良い。
【００２９】
流体流入部の温度を低下させるような低温流体を用いる場合には、低温流体の流入部近傍に低温領域を配置することで、低温流体の流入による温度低下に起因する性能低下を防止することができる。
【００３０】
本発明の燃料電池において、
前記燃料電池は、単セルを積層して構成され、
前記燃料電池を構成する各単セルが備える前記水素透過性金属層は、それぞれ、前記燃料電池全体における温度分布状態に応じて、前記高温領域と前記低温領域とが形成されていることとしても良い。
【００３１】
このような構成とすれば、燃料電池全体における温度分布状態の不均一に起因する電池性能の低下を、効果的に防止することができる。
【００３２】
このような燃料電池において、
前記水素透過性金属層は、前記燃料電池の外周部近傍に対応する位置に、前記低温領域が形成されていることとしても良い。
【００３３】
燃料電池の外周部は放熱により温度が低下するため、このような構成とすることで、放熱による温度分布状態の不均一に起因する性能低下を防止できる。
【００３４】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池を備える燃料電池システムや電源装置、あるいは燃料電池を駆動エネルギ源として搭載する移動体などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
Ｂ．水素透過性金属層２２の構成：
Ｃ．水素透過性金属層に関する他の実施例：
Ｄ．他の温度分布の例：
Ｅ．変形例：
【００３６】
Ａ．燃料電池の構成：
図１は、本発明の好適な一実施例である燃料電池を構成する単セル２０の構造の概略を表わす断面模式図である。単セル２０は、水素透過性金属層２２と電解質層２１とから成る電解質部２３と、電解質層２１上に形成される触媒層２４と、触媒層２４上に配設されるカソード電極２５と、ガスセパレータ２７，２９とを備えている。ガスセパレータ２７と水素透過性金属層２２との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路３０が形成されている。また、ガスセパレータ２９とカソード電極２５との間には、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路３２が形成されている。本発明の燃料電池は、図１に示す単セル２０を複数積層したスタック構造を有している。隣り合う単セル２０間では、隣接するガスセパレータ２７と２９との間に、冷媒が流れる冷媒流路３４が形成される。
【００３７】
水素透過性金属層２２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、パラジウム（Ｐｄ）またはＰｄ合金により形成することができる。あるいは、バナジウム（Ｖ）等の５族金属（Ｖの他、ニオブ、タンタル等）または５族金属の合金を基材として、少なくともその一方の面にＰｄやＰｄ合金層を形成した多層膜とすることができる。この水素透過性金属層２２については、後にさらに詳しく説明する。
【００３８】
電解質層２１は、ＢａＣｅＯ3、ＳｒＣｅＯ3系のセラミックスプロトン伝導体によって形成することができる。この電解質層２１は、水素透過性金属層２２上に、上記固体酸化物を生成させつつ成膜させることによって形成される。成膜の方法としては、例えば、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、スパッタリングなど種々の手法を用いることができる。電解質層２１は、緻密な水素透過性金属層２２上に成膜されるため、充分な薄膜化が可能となる。したがって、固体酸化物の膜抵抗を低減することができ、従来の固体電解質型燃料電池の運転温度よりも低い温度である約２００〜６００℃程度で燃料電池を運転することができる。
【００３９】
触媒層２４は、カソードで進行する電気化学反応を促進するために設けられており、白金（Ｐｔ）等の貴金属を備える層として形成されている。また、カソード電極２５は、多孔質の発泡金属または金属メッシュの板材、あるいは、カーボンフエルトまたはカーボンペーパ等、ガス透過性を有する導電性部材によって形成されるガス拡散電極である。触媒層２４は、例えば、カソード電極２５の電解質層２１と接する面上に、Ｐｔ等の触媒金属を担持させることによって形成しても良いし、あるいは、電解質層２１上に、触媒金属から成る薄膜を成膜して形成しても良い。
【００４０】
ガスセパレータ２７，２９は、カーボンや金属などの導電性材料で形成されたガス不透過な部材である。なお、ガスセパレータ２７，２９は、ガスセパレータ２９と接するカソード電極２５と、同種の材料により形成することが望ましい。ガスセパレータ２７，２９の表面には、単セル内あるいは単セル間に供給される流体の流路を形成するための所定の凹凸形状が形成されている。
【００４１】
燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。また、燃料電池に供給される冷媒としては、水などの液体を用いても良いし、空気などの気体を用いることも可能である。本実施例では、燃料ガスとしては約４００℃の改質ガスを用い、酸化ガスおよび冷媒としては約２５℃の空気を用いている。また、図１に示すように、本実施例の燃料電池では、すべての単セル間に冷媒流路３４を設けているが、単セルを所定数積層する毎に冷媒流路３４を設けることとしても良い。
【００４２】
Ｂ．水素透過性金属層２２の構成：
燃料電池が発電する際には電気化学反応に伴って熱が生じるため、既述したように燃料電池内部に冷媒を流通させることによって生じた熱を取り除き、燃料電池の内部温度が上昇しすぎるのを防止している。燃料電池においては、上記冷媒の他、酸化ガスや燃料ガスの流れも、内部温度を不均一にする要因となり得る。本実施例の燃料電池では、このような流体の流れに起因して生じる内部温度の不均一状態に応じて、水素透過性金属層２２の構成を定めている。
【００４３】
水素透過性金属層２２の構成の説明に先立って、燃料電池内での流体の流れと内部温度の分布について説明する。本実施例では、ガスセパレータ２７，２９がそれぞれの面上に備える凹凸形状は、燃料ガスと酸化ガスと冷媒とのそれぞれを、全体として一定の方向に導く流路を形成する。このような流路は、図１に示すように、例えば互いに平行な複数の溝状流路とすることができるが、流路の形状は、互いに平行な複数の溝状流路に限るものではない。図２は、本実施例の燃料電池における流体の流れの様子を、一つの単セル２０について模式的に表わした説明図である。本実施例の燃料電池では、各単セル２０において、燃料ガスと酸化ガスとを対向する向きに流すと共に、冷媒は燃料ガスと並行に流している。
【００４４】
図３は、本実施例の燃料電池を構成する一つの単セル面における温度分布の様子を表わす説明図である。図の底面は一つの単セル面を表わし、単セル面における温度を単セル面上の対応する位置における高さで表わしている。また、図中、各流体の流れの向きを矢印で示している。図３に示すように、単セル内の温度は、燃料ガスおよび冷媒の入り口部近傍である上流側領域ほど温度が低く、下流側に向かうに従い温度が上昇し、酸化ガスの入り口部近傍でやや温度が低下するように分布する。なお、このような燃料電池内での温度分布の様子は、実験的に測定することが可能であり、また、用いる流体の種類や流速、流体温度、流れ方向、燃料電池を構成する部材の材質などの条件を入力して、シミュレーションにより予測することも可能である。
【００４５】
本実施例の燃料電池が備える水素透過性金属層２２には、図３に示した温度分布状態に基づいて、低温領域Ａおよび高温領域Ｂが設けられている。水素透過性金属層２２における低温領域Ａと高温領域Ｂとの配置は、図３中のセル面上に示されている。図３に示すように、燃料ガスおよび冷媒の上流側に低温領域Ａが設けられており、下流側に高温領域Ｂが設けられている。低温領域Ａおよび高温領域Ｂの配置は、図３に示す温度分布状態に基づいて、所定の温度（例えば４００℃）以上になると予測される領域と所定の温度以下になると予測される領域として、設定することができる。
【００４６】
図４は、本実施例の水素透過性金属層２２の断面の様子を表わす概略構成図である。水素透過性金属層２２の低温領域Ａは、バナジウム（Ｖ）等の５族金属やＶ合金などの５族金属合金によって形成される基材層と、この基材の両面に設けられてＰｄやＰｄ合金で形成された被膜層と、を備える三層構造となっている。また、水素透過性金属層２２の高温領域Ｂは、ＰｄあるいはＰｄ合金によって形成されている。
【００４７】
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、燃料電池が発電を行なう際の内部の温度分布に基づいて、水素透過性金属層２２において、既述した構成の低温領域Ａおよび高温領域Ｂを設けているため、燃料電池の内部温度がばらつくことに起因する電池性能の低下を防止することができる。ここで、水素透過性金属の中でも、Ｖなどの５族金属や５族金属合金は、ＰｄやＰｄ合金に比べて水素透過性能に優れている。したがって、５族金属や５族金属合金から成る基材層上に、水素分子を解離する解離活性を有するＰｄを備える被覆層を設けた低温領域Ａの方が、ＰｄやＰｄ合金から成る均質な金属層である高温領域Ｂよりも、水素透過性金属層全体の水素透過性能を高めることが可能となる。しかしながら、上記三層構造では、基材層と被覆層との間で金属拡散が進行し、水素透過性能が低下する場合がある。このような金属拡散は、高温条件下ほど起こりやすいが、本実施例では、より高温となる高温領域は均質な金属層としているため、高温領域では金属拡散が起こらず、高温下でも安定して水素を透過させることができ、水素透過性金属層の性能を維持することができる。
【００４８】
また、本実施例の水素透過性金属層２２によれば、上記したように低温領域Ａの方が高温領域Ｂに比べて水素透過性金属層２２の水素透過性能が高いため、低温領域Ａの方が電気化学反応がより活発に進行する。これにより、高温領域Ｂの温度上昇は低温領域Ａに比べて抑えられ、水素透過性金属層２２における温度分布がより均一化され、温度分布不均一に起因する不都合を抑えることができる。
【００４９】
Ｃ．水素透過性金属層に関する他の実施例：
Ｃ−１．水素透過性金属層の第２実施例：
図５は、第２実施例としての水素透過性金属層１２２の断面の様子を表わす概略構成図である。以下に示す各実施例の水素透過性金属層は、第１実施例と同様の燃料電池において水素透過性金属層２２に代えて用いられ、水素透過性金属層２２と同様の位置に、低温領域Ａおよび高温領域Ｂを備えている。図５に示すように、水素透過性金属層１２２は、全体が、基材層と被膜層からなる三層構造を有しており、高温領域Ｂは、低温領域Ａよりも被膜層が厚く形成されている。本実施例では、低温領域Ａの被膜層は厚さ０．１μｍのＰｄ層とし、高温領域Ｂの被膜層は厚さ３μｍのＰｄ層としている。
【００５０】
このように被膜層を厚く形成することにより、高温領域Ｂにおける金属拡散に起因する電池性能の低下を抑えることができる。金属拡散は、高温ほど起こりやすく、主に基材層の５族金属が被膜層中に拡散する形で進行し、これによって被膜層のＰｄが水素分子を解離する解離活性が低下する。高温領域Ｂにおいて被膜層を充分に厚く（例えば数μｍ以上）形成すれば、被膜層において実際に解離活性を示す単セル内燃料ガス流路３０側の表面にまで５属金属が拡散するのを防止し、電池性能を維持することができる。
【００５１】
また、第２実施例によれば、高温領域Ｂにおいては、水素を透過させる活性が低い被覆層（Ｐｄ層）がより厚く、水素を透過させる活性がより高い基材層（５族金属層）がより薄いため、水素を透過させる性能が低温領域Ａに比べて低くなる。したがって、高温領域Ｂでは、低温領域Ａに比べて電気化学反応の進行が抑えられ、温度が上昇しすぎるのが抑えられるため、燃料電池内における温度分布のばらつきを抑えることができる。なお、図５では、低温領域Ａと高温領域Ｂとの境界で各層の厚みが変化することとしたが、低温領域Ａから高温領域Ｂに向かって、次第に各層の厚みが変化することとしても良い。
【００５２】
Ｃ−２．水素透過性金属層の第３実施例：
図６は、第３実施例としての水素透過性金属層２２２の断面の様子を表わす概略構成図である。図６に示すように、水素透過性金属層２２２は、全体に、基材層と、その両面に配設された被膜層とが設けられており、高温領域Ｂは、さらに、基材層と被膜層との間に拡散抑制層３５を備えている。拡散抑制層３５としては、例えば、ニッケルやコバルトを薄膜化した金属や、セラミックスの薄膜を用いることができる。このような拡散抑制層３５を設けることにより、基材層と被膜層との間の金属拡散を抑制することができる。第３実施例では、高温領域Ｂにおいて拡散抑制層３５を設けているため、高温時により起こりやすい金属拡散を効果的に抑え、電池性能の低下を防止することができる。さらに、拡散抑制層３５を設けることで、高温領域Ｂにおける水素透過性能が抑制されるため、高温領域Ｂでは電気化学反応の進行が抑えられ、燃料電池内における温度分布のばらつきを抑えることができる。
【００５３】
図７は、第３実施例の変形例としての水素透過性金属層３２２の断面の様子を表わす概略構成図である。図７に示すように、水素透過性金属層３２２は、全体に、基材層と、その両面に配設された被膜層と、基材層と被膜層との間に配設された拡散抑制層と、を備えている。ここで、水素透過性金属層３２２では、高温領域Ｂにおいては水素透過性金属層２２２と同様に、基材層と被覆層との間にわたって連続して形成される拡散抑制層３５が設けられているが、低温領域Ａでは、非連続的に形成される（例えば互いに分離して複数の島状に形成される）拡散抑制層３３５が設けられている。このような場合にも、高温領域Ｂの方が低温領域Ａよりも金属拡散を防止する効果が高く、水素透過性能もより抑制されるため、第３実施例と同様の効果を得ることができる。
【００５４】
あるいは、低温領域Ａと高温領域Ｂとの両方において、拡散抑制層を非連続的に設けることとしても良い。特に、プロトン伝導性を有しない材料あるいはプロトン伝導性が極めて低い材料により拡散抑制層を形成する場合には、拡散抑制層を非連続的に形成することが好ましい。この場合には、低温領域Ａの方が高温領域Ｂに比べて拡散抑制層が形成される面積の割合を高くすることで、同様の効果を得ることができる。また、拡散抑制層を連続的にあるいは非連続的に設ける場合に、低温領域Ａに比べて高温領域Ｂの方が拡散抑制層をより厚く形成することとしても良い。
【００５５】
Ｃ−３．水素透過性金属層の第４実施例：
図８は、第４実施例の変形例としての水素透過性金属層４２２の断面の様子を表わす概略構成図である。図８に示すように、水素透過性金属層４２２は、全体に、基材層と、その両面に配設された被膜層と、を備えている。ここで、水素透過性金属層４２２では、高温領域Ｂの基材層はＶ合金によって形成されており、低温領域Ａの基材層は純度の高いＶによって形成されている。このような構成とすれば、高温領域Ｂは低温領域Ａに比べてＶの含有割合が低く、水素透過性能がより低くなるため、発熱が抑えられて燃料電池内における温度分布のばらつきを抑えることができる。なお、低温領域Ａにおける基材層もＶ合金によって形成し、高温領域Ｂが備える基材層の方が合金中のＶの割合がより低い構成としても良い。高温領域Ｂにおける基材層中の５族金属の含有割合が、低温領域Ａにおける基材層中の５族金属の含有割合よりも低ければ、同様の効果を得ることができる。被覆層において、低温領域Ａに比べて高温領域ＢにおけるＰｄ含有割合を低くしても、同様の効果が得られるが、水素透過性能に寄与する度合いが大きい基材層におけるＶ含有割合を異ならせることで、温度分布のばらつきを抑える効果をより大きくすることができる。
【００５６】
Ｃ−４．水素透過性金属層の第５実施例：
図９は、第５実施例の変形例としての水素透過性金属層５２２の断面の様子を表わす概略構成図である。図９に示すように、水素透過性金属層５２２は、Ｐｄ合金からなる低温領域Ａと、Ｐｄによって形成される高温領域Ｂとを備えている。このような構成とすれば、低温領域Ａは高温領域Ｂに比べて水素脆化を起こすＰｄの含有割合が低いため、低温領域Ａは高温領域Ｂに比べて低温条件下での水素脆化が起こり難い。したがって、燃料電池内の温度分布がばらついても、低温領域Ａで水素脆化が進行するのが抑えられ、燃料電池の性能が低下するのを防止することができる。
【００５７】
同様の効果は、低温領域Ａを、高温領域Ｂに比べて水素透過性金属の含有割合が低くなるように形成することにより得られる。例えば、既述した基材層と被覆層とを備える水素透過性金属層において、基材層における５族金属の含有割合を低温領域Ａの方が高温領域Ｂよりも低くする、あるいは、被覆層におけるＰｄの含有割合を低温領域Ａの方が高温領域Ｂよりも低くすることによって、低温領域Ａの水素脆化を抑える同様の効果が得られる。
【００５８】
なお、このように水素透過性金属の含有割合を異ならせることは、燃料電池の内部温度のばらつきに起因する性能低下を防止する上で、見かけ上２種類の効果を示すと考えられる場合がある。すなわち、第４実施例に示したように、高温領域Ｂにおける水素透過性金属の含有割合を低くすることで、高温領域Ｂにおける発熱を抑えることができると考えられる。また、第５実施例に示したように、低温領域Ａにおける水素透過性金属の含有割合を低くすることで、低温領域Ａにおいて低温時に水素脆化が進行するのを抑えることができると考えられる。しかしながら、実際には、燃料電池の温度などの条件や用いる水素透過性金属の種類などの条件に応じて、所定の効果が顕著に現われることになる。したがって、用いるシステムの条件に応じて、低温領域Ａおよび高温領域Ｂにおける水素透過性金属の含有割合を定めることにより、燃料電池の内部温度のばらつきに起因する性能低下を抑える効果を最適化することが可能となる。
【００５９】
同様に、図４に示した第１実施例の水素透過性金属層２２において、低温領域Ａと高温領域Ｂの構成を逆にするならば、水素脆化がより起こりやすいＶを高温領域Ｂだけで用いることにより、水素脆化に起因する性能低下を防止することができる。このように、水素透過性金属層の組成および／または構成成分の配置状態を異ならせることで、複数の効果を示す場合には、燃料電池内における具体的な条件に応じて、組成および／または構成成分の配置状態を決定すればよい。高温条件下での金属拡散防止効果、低温条件下での水素脆化防止、水素透過性能の抑制などの効果によって得られる全体的な効果を考慮して、水素透過性金属層の組成および／または構成成分の配置状態を決定することで、より効果的に内部温度のばらつきに起因する性能低下を防止することができる。
【００６０】
なお、既述した実施例では、水素透過性金属層において低温領域Ａおよび高温領域Ｂを設けることとしたが、水素透過性金属層を３以上の領域に分割し、１以上の中温領域をさらに設けることとしても良い。この場合には、低温領域Ａから中温領域、さらに高温領域Ｂへと、段階的に水素透過性金属層の組成および／または構成成分の配置状態を変化させればよい。あるいは、水素透過性金属層の組成および／または構成成分の配置状態を、段階的に変化させるのに代えて、温度分布状態の変化に合わせて無段階的に徐々に変化させることとしても良い。また、既述した実施例の構成を複数組み合わせることとしても良い。
【００６１】
Ｄ．他の温度分布の例：
図２および図３に示したように、既述した実施例では、所定の単セル面上において、燃料ガスおよび冷媒は同一方向に流し、酸化ガスはこれらと対向する向きに流したが、流体の流れ方向はこれに限るものではなく、流体の流れ方向によって、燃料電池内での温度分布状態は変わる。図１０は、異なる流体流れ方向を採用したときの単セル上での温度分布状態の一例を表わす説明図である。図１０では、燃料ガスの流れ方向に対向するように、酸化ガスおよび冷媒を流している。このような場合には、燃料ガスの流入部近傍において最も温度は高くなり、下流側ほど温度は低下する。すなわち、温度が低い酸化ガスおよび冷媒が流入する流入部近傍が最も温度が低くなる。したがって、図１０に示すように、燃料ガスの流入部近傍に高温領域Ｂを設け、この高温領域Ｂよりも燃料ガス流れの下流側に低温領域Ａを配置し、既述した実施例で示した水素透過性金属層の構成を採用すれば、同様の効果が得られる。なお、燃料電池に供給する燃料ガスは酸化ガスに比べて温度が高いため、図１０では、図３における酸化ガスの流入部付近のように、燃料ガスの流入部付近で温度が大きく低下することはない。燃料電池の平均運転温度との温度差が所定値以上であって、燃料電池の内部温度の低下を引き起こすような低温流体の流入部付近には、低温領域を設ければよい。
【００６２】
図１１は、さらに異なる流体流れ方向を採用したときの単セル上での温度分布状態の一例を表わす説明図である。図１１では、燃料ガスと酸化ガスとを同じ方向に流すと共に、冷媒はこれらと直交する向きに流している。このような場合には、燃料ガスおよび酸化ガスの流れ方向については、これらのガスは燃料電池の内部温度よりも低温であるため、セル面の中程よりも下流側の温度がより高くなる。また、冷媒の流れ方向については、冷媒の流入部近傍において最も温度は低くなる。したがって、図１１に示すように、酸化ガスの流れ方向下流側であって、冷媒の流れ方向の下流側の領域を高温領域Ｂとし、これ以外の領域を低温領域Ａとして、既述した実施例で示した水素透過性金属層の構成を採用すれば、同様の効果が得られる。
【００６３】
図１２は、さらに異なる流体流れ方向を採用したときの単セル上での温度分布状態の一例を表わす説明図である。図１２では、燃料ガスと酸化ガスとを同じ方向に流すと共に、冷媒はこれらと対向する向きに流している。このような場合には、燃料ガスおよび酸化ガスの流れ方向については、これらのガスは燃料電池の内部温度よりも低温であるため、セル面の中程よりも下流側の温度がより高くなる。また、冷媒の流れ方向については、冷媒の流入部近傍において最も温度は低くなる。したがって、図１１に示すように、各流体の流入部近傍の領域を低温領域Ａとし、これ以外の領域を高温領域Ｂとして、既述した実施例で示した水素透過性金属層の構成を採用すれば、同様の効果が得られる。
【００６４】
一般に、温度の低い流体の流入部付近は温度が低下するため、低温の流体、例えば冷媒および／または酸化ガスの流入部付近に低温領域Ａを設ければよい。また、燃料ガスとして、改質器から排出された改質ガスに代えて、より低い温度の水素ガスを供給する場合には、燃料ガスの上流側領域の温度はさらに低下し、低温領域は燃料ガスの流入部近傍からさらに広がる。また、複数の冷媒を用いて複数の冷却系統を設けることとしても良く、この場合にも、各流体温度や各流体における熱交換の効率によって、燃料電池内部温度のばらつきは変化する。その他、燃料ガス、酸化ガスおよび冷媒を一方向に流す構成構成に代えて、流れの向きが途中で変更されるように流路を形成するなど、異なる構成としても良く、流体の流れ条件を設定すれば、内部温度の分布状態を予め予測し、あるいは実験的に調べることができる。
【００６５】
図３および図１０〜図１２に基づいて、単セル面における温度分布状態のばらつきについて説明したが、単セルを複数積層したスタック構造を有する燃料電池では、単セルの積層方向を含めたスタック構造全体の温度分布状態を考慮して、各水素透過性金属層において低温領域Ａおよび高温領域Ｂを設けることが望ましい。
【００６６】
例えば、燃料電池内の温度分布状態が、供給される流体の影響のみを受けると仮定したときに、各単セルにおける温度分布状態が図３に示した状態であるならば、スタック構造を構成するすべての単セルにおいて、図３に示したように低温領域Ａおよび高温領域Ｂを設ければよい。図１３は、このような単セルを積層して形成したスタック構造全体において、水素透過性金属層が低温領域Ａとなっている低温部分Ａ１と、水素透過性金属層が高温領域Ｂとなっている高温部分Ｂ１の配置を示す説明図である。また、スタック構造は、外周部ほど放熱により低温になるという一般的な性質を有している。図１４は、スタック構造全体において、放熱のみを考慮したときに所定の温度以下となる低温部分Ａ２と、所定の温度以上になる高温部分Ｂ２の配置を示す説明図である。したがって、より充分な効果を得るには、図１３に示したガス流れに基づく温度分布状態と、図１４に示した放熱に基づく温度分布状態とを組み合わせるなど、考えられる条件による影響を組み合わせて得られるスタック構造全体の温度分布状態に基づいて、各単セルが備える水素透過性金属層において、低温領域Ａおよび高温領域Ｂの配置を設定することが望ましい。さらに、燃料電池の内部温度は、燃料電池が設置された環境における温度分布状態の影響を受ける。例えば燃料電池の近傍に所定の高温装置を配置する場合には、この高温装置に近い側ほど燃料電池の内部温度は高くなる。このように、燃料電池内部の温度分布状態に影響する種々の要因を合わせて考慮して低温領域Ａおよび高温領域Ｂの配置を設定することで、効果を高めることができる。なお、このようにスタック構造全体の温度分布状態に基づいて、各単セルが備える水素透過性金属層における低温領域Ａおよび高温領域Ｂの配置を設定したときに、スタック構造の一部では、水素透過性金属層全体が低温領域Ａとなっていたり、あるいは高温領域Ｂとなっていても良い。
【００６７】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６８】
Ｅ１．変形例１：
図４〜図８に示した既述した水素透過性金属層では、５族金属からなる基材層と、Ｐｄを含む被覆層を設ける場合には、基材層の両面に被覆層を形成したが、ガス流路側（図１では単セル内燃料ガス流路３０側）の面にのみ被覆層を形成することとしても良い。また、水素透過性金属層と電解質層２１との間には、必要に応じて、貴金属系の触媒層をさらに設けることとしても良い。また、水素透過性金属層を、セラミックスなどの基材上に形成することとし、水素透過性金属層とガスセパレータ２７との間に、上記セラミックスなどの基材からなる層がさらに配設される構造としても良い。
【００６９】
Ｅ２．変形例２：
図１に示した単セル２０では、電解質層２１のアノード側に水素透過性金属層２２を配設したが、アノード側の配置とカソード側の配置とを入れ替えることとしても良い。すなわち、電解質層２１のカソード側に、既述した実施例のいずれかの水素透過性金属層を配設し、電解質層２１のアノード側に、触媒層２４およびカソード電極２５と同様のアノード電極を配設すればよい。この場合には、水素透過性金属層のカソード側にはさらに触媒層を設けることとしても良い。
【００７０】
さらに、電解質層と水素透過性金属層とを備える電解質部において、電解質層および／または水素透過性金属層を、複数備えることとしても良い。図１５は、５層構造を有する電解質部６２３を備える単セル６２０の構成の概略を現わす断面模式図である。電解質部６２３は、５族金属あるいは５族金属合金で形成された基材層６４０と、基材層６４０の両面に成膜されて電解質層２１と同様の固体酸化物からなる電解質層６２１，６２６と、さらにそれらの外面に設けられたＰｄあるいはＰｄ合金からなる被覆層６４１，６４２と、を備えている。このような場合にも、本発明を適用することで同様の効果を得ることができる。例えば、低温領域Ａと高温領域Ｂとで、基材層６４０や被覆層６４１，６４２における水素透過性金属層の含有割合を異ならせることとすればよい。
【００７１】
また、図１５に示した構造においても種々の変形が可能であり、例えば、被覆層６４１，６４２の一方または双方を省略してもよい。被覆層を設けない場合には、電解質部におけるガス流路側の面に触媒層を設けると共に、さらにその外側に、ガスセパレータと接するように、多孔質体からなる電極部材を配設すればよい。
【００７２】
あるいは、図１５に示した構造において、電解質層６２１，６２６の一方を省略しても良い。電解質層６２１，６２６の一方を省略して基材層６４０といずれかの被覆層とを接触させる場合には、既述した拡散抑制層を設けることとし、低温領域Ａと高温領域Ｂとで第３実施例のように拡散抑制層の配設パターンを異ならせることとすればよい。あるいは、第１実施例のように、高温領域Ｂについては、基材層６４０と被覆層の２層に代えて均質なＰｄあるいはＰｄ合金層を設けることとすればよい。
【００７３】
Ｅ３．変形例３：
また、燃料電池は固体電解質型燃料電池以外の種類であっても良く、電解質層がプロトン伝導性を有しており、電解質層と接合する水素透過性金属層を備えていれば、本発明を適用することが可能である。例えば、固体高分子型燃料電池とすることができる。固体高分子膜の両面に緻密な水素透過性金属層を設けた燃料電池とすれば、水素透過性金属層によって固体高分子膜の水分を保持することによって、従来の固体高分子型燃料電池よりも高い動作温度を実現可能となる。あるいは、固体高分子膜に代えて、ヘテロポリ酸系や含水βアルミナ系などセラミック、ガラス、アルミナ系に水分を含ませた膜を電解質層として用いることとしても良い。このような場合にも、本発明を適用し、低温領域Ａと高温領域Ｂとにおいて、水素透過性金属層における組成および／または構成成分の配置状態を異ならせることとすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】単セル２０の構造の概略を表わす断面模式図である。
【図２】燃料電池における流体の流れの様子を、一つの単セル２０について表わした説明図である。
【図３】本実施例の燃料電池を構成する一つの単セル面における温度分布の様子を表わす説明図である。
【図４】本実施例の水素透過性金属層２２の断面の様子を表わす概略構成図である。
【図５】水素透過性金属層１２２の断面の様子を表わす概略構成図である。
【図６】水素透過性金属層２２２の断面の様子を表わす概略構成図である。
【図７】水素透過性金属層３２２の断面の様子を表わす概略構成図である。
【図８】水素透過性金属層４２２の断面の様子を表わす概略構成図である。
【図９】水素透過性金属層５２２の断面の様子を表わす概略構成図である。
【図１０】一つの単セル面における温度分布の様子を表わす説明図である。
【図１１】一つの単セル面における温度分布の様子を表わす説明図である。
【図１２】一つの単セル面における温度分布の様子を表わす説明図である。
【図１３】スタック構造全体において、低温部分Ａ１と高温部分Ｂ１の配置を示す説明図である。
【図１４】スタック構造全体において、低温部分Ａ２と高温部分Ｂ２の配置を示す説明図である。
【図１５】単セル６２０の構造の概略を表わす断面模式図である。
【符号の説明】
【００７５】
２０，６２０…単セル
２１…電解質層
２２…水素透過性金属層
２３…電解質部
２４…触媒層
２５…カソード電極
２７，２９…ガスセパレータ
３０…単セル内燃料ガス流路
３２…単セル内酸化ガス流路
３４…冷媒流路
３５，３３５…拡散抑制層
１２２，２２２，３２２，４２２，５２２…水素透過性金属層
６２１，６２６…電解質層
６２３…電解質部
６４０…基材層
６４１，６４２…被覆層
【図１】
2005190681.tif 000003
【図２】
2005190681.tif 000004
【図３】
2005190681.tif 000005
【図４】
2005190681.tif 000006
【図５】
2005190681.tif 000007
【図６】
2005190681.tif 000008
【図７】
2005190681.tif 000009
【図８】
2005190681.tif 000010
【図９】
2005190681.tif 000011
【図１０】
2005190681.tif 000012
【図１１】
2005190681.tif 000013
【図１２】
2005190681.tif 000014
【図１３】
2005190681.tif 000015
【図１４】
2005190681.tif 000016
【図１５】
2005190681.tif 000017