(57)【要約】【課題】  電解質膜を薄膜化して、膜抵抗を低減する。【解決手段】  固体酸化物型燃料電池において、電解質膜２０を、アモルファス合金を用いて形成した水素透過性金属層２２の表面に電解質層２４を成膜することにより作製した構成とする。こうすることにより、電解質層を十分に薄膜化することができ、動作温度の低減を図ることができる。【選択図】  図１
2005166531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素透過性材料により形成された水素透過性材料層を備え、該水素透過性材料層の少なくとも一方の面側に電解質層を設けた電解質膜と、
該電解質膜の一方の面に配置され、水素を含有する燃料ガスの供給を受ける燃料極と、
該電解質膜の他方の面に配置され、酸素を含有する酸化ガスの供給を受ける酸素極と
を備え、
前記水素透過性材料層は、
前記水素透過性材料として、水素透過能を有するアモルファス材料が用いられた構成である燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記水素透過性材料層は、
多孔質材を備え、該多孔質材の表面に前記アモルファス材料を被覆した構成である燃料電池。
【請求項３】
水素透過性材料層を備え、該水素透過性材料層の少なくとも一方の面側に電解質層を設けた電解質膜と、
該電解質膜の一方の面に配置され、水素を含有する燃料ガスの供給を受ける燃料極と、
該電解質膜の他方の面に配置され、酸素を含有する酸化ガスの供給を受ける酸素極と
を備え、
前記水素透過性材料層は、
バナジウム、ニオブ、タンタル、パラジウムおよびこれらの少なくとも一つを含む合金のいずれかで形成された基材と、
該基材の少なくとも一方の面に配設され、水素透過能を有するアモルファス材料により形成されたアモルファス材料層と
を備える燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池であって、
前記アモルファス材料層は、
多孔質材を備え、該多孔質材の表面に前記アモルファス材料を被覆した構成である燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記電解質層は、固体酸化物で形成される燃料電池。
【請求項６】
電解質膜と、
該電解質膜の一方の面に配置され、水素を含有する燃料ガスの供給を受ける燃料極と、
該電解質膜の他方の面に配置され、酸素を含有する酸化ガスの供給を受ける酸素極と
を備える燃料電池において、
前記電解質膜は、
水分を含んだ含水電解質層と、
該含水電解質層の両面に設けられ、水素透過能を有するアモルファス材料により形成されたアモルファス材料層と
を備える燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池であって、
前記含水電解質層は、固体高分子膜である燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記アモルファス材料は、
ＺｒＮｉ、ＺｒＮｉＨｆ、ＴｉＮｉ、ＴｉＣｕ、ＺｒＡｌＮｉ、ＴｉＺｒＮｉＣｕ、ＭｇＮｉ、ＺｒＮｉＭｎ、ＰｄＳｉ、ＰｄＳｉＡｕ、ＬａＮｉ、ＷＯ３、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂの内の少なくとも一つを含有する材料である燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜を燃料極と酸素極で挟んだ構成の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と空気の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池のうち、固体の電解質膜を用いたものとして、固体酸化物型などの高温型の燃料電池が存在する。
【０００３】
固体酸化物型の燃料電池は、電極間に挟まれる電解質膜にジルコニアその他の無機質の薄膜を用いるものである。かかる電解質膜の膜抵抗は、低温になるほど増加する傾向にあるため、膜抵抗を実用的な範囲に抑えるために、比較的高温での運転が必要とされる。
【０００４】
一方、水素に対して関わりを持つ膜として特許文献１に記載された複合金属膜が提案されている。この金属膜によれば、水素を他のガスと分離可能である。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１８５２７７号公報
【０００６】
固体酸化物型の燃料電池では、電解質膜の膜厚を薄くすることにより膜抵抗を低減することも可能ではあるが、多孔質体で形成される電極上に緻密な薄膜を形成することは非常に困難であり、十分な薄膜化は図られていない。現状では、固体酸化物型の燃料電池は、一般に約７００℃以上の温度で運転される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電解質膜の薄膜化による膜抵抗の低減は、固体酸化物型のみならず、種々の形式の燃料電池に共通の課題であった。本発明では、こうした課題に鑑み、電解質膜の薄膜化を実現する技術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】
上記目的を達成するために、本発明の第１の燃料電池は、
水素透過性材料により形成された水素透過性材料層を備え、該水素透過性材料層の少なくとも一方の面側に電解質層を設けた電解質膜と、
該電解質膜の一方の面に配置され、水素を含有する燃料ガスの供給を受ける燃料極と、
該電解質膜の他方の面に配置され、酸素を含有する酸化ガスの供給を受ける酸素極と
を備え、
前記水素透過性材料層は、
前記水素透過性材料として、水素透過能を有するアモルファス材料が用いられた構成であることを要旨とする。
【０００９】
従来より、金属からなる水素透過膜としてパラジウム（Ｐｄ）またはＰｄ合金や、５族金属（例えば、バナジウム、ニオブ、タンタル等）または５族金属の合金（例えば、ＶＮｉ合金）が知られている。これに対して、近年、アモルファス材料を用いた水素透過膜の開発が盛んである。本発明は、プロトン伝導性を有する電解質膜に、上記アモルファス材料を用いた水素透過膜を設けたものである。かかる構成により、電解質膜中をプロトンが伝導し、燃料電池としての発電が可能となる。
【００１０】
また、前記構成の第１の燃料電池によれば、電解質層を、アモルファス材料により形成された水素透過性材料層とともに設けることにより、十分に薄膜化することができる。アモルファス材料は、高強度で緻密な材料であることから、電解質層の薄膜化が可能である。例えば、従来、１０μｍ以上であった電解質層の厚さを、０．１〜１μｍ程度にまで薄くすることが可能である。これに伴い、電解質層の膜抵抗の低減を図ることができることから、高温型の燃料電池の動作温度を低温化することができる。
【００１１】
前記構成の第１の燃料電池において、前記水素透過性材料層は、多孔質材を備え、該多孔質材の表面に前記アモルファス材料を被覆した構成としてもよい。
【００１２】
水素透過性材料層は、アモルファス材料単体でなく、アモルファス材料を多孔質材の表面に被覆して構成されていることから、強度がより高いものとなる。
【００１３】
本発明の第２の燃料電池は、
水素透過性材料層を備え、該水素透過性材料層の少なくとも一方の面側に電解質層を設けた電解質膜と、
該電解質膜の一方の面に配置され、水素を含有する燃料ガスの供給を受ける燃料極と、
該電解質膜の他方の面に配置され、酸素を含有する酸化ガスの供給を受ける酸素極と
を備え、
前記水素透過性材料層は、
バナジウム、ニオブ、タンタル、パラジウムおよびこれらの少なくとも一つを含む合金のいずれかで形成された基材と、
該基材の少なくとも一方の面に配設され、水素透過能を有するアモルファス材料により形成されたアモルファス材料層と
を備えることを要旨としている。
【００１４】
この第２の燃料電池によれば、電解質層を、基材とアモルファス材料層を備える水素透過性材料層とともに設けることにより、十分に薄膜化することができる。バナジウム、ニオブ、タンタル、パラジウムおよびこれらの少なくとも一つを含む合金のいずれかで形成された基材は緻密であり、アモルファス材料も緻密であることから、電解質層の薄膜化が可能である。例えば、従来、１０μｍ以上であった電解質層の厚さを、０．１〜１μｍ程度にまで薄くすることが可能である。これに伴い、電解質層の膜抵抗の低減を図ることができることから、高温型の燃料電池の動作温度を低温化することができる。
【００１５】
前記構成の第２の燃料電池において、前記アモルファス材料層は、多孔質材を備え、該多孔質材の表面に前記アモルファス材料を被覆した構成としてもよい。
【００１６】
アモルファス材料層は、アモルファス材料単体でなく、アモルファス材料を多孔質材の表面に被覆して構成されていることから、強度がより高いものとなる。
【００１７】
前記第１または第２の燃料電池において、前記電解質層は、固体酸化物で形成される構成とすることができる。固体酸化物型の燃料電池は、高温型の燃料電池であるが、前記第１または第２の燃料電池によれば、動作温度を十分に低温化することができる。
【００１８】
本発明の第３の燃料電池は、
電解質膜と、
該電解質膜の一方の面に配置され、水素を含有する燃料ガスの供給を受ける燃料極と、
該電解質膜の他方の面に配置され、酸素を含有する酸化ガスの供給を受ける酸素極と
を備える燃料電池において、
前記電解質膜は、
水分を含んだ含水電解質層と、
該含水電解質層の両面に設けられ、水素透過能を有するアモルファス材料により形成されたアモルファス材料層と
を備えることを要旨としている。
【００１９】
前記構成の第３の燃料電池によれば、電解質膜は、水分を含んだ含水電解質層と、その両面に設けられる水素透過能を有するアモルファス材料のアモルファス材料層とを有する３層構造となっている。アモルファス材料層で含水電解質層の両面を被覆することにより、高温下で運転しても含水電解質層の水分の蒸発を抑制することができ、膜抵抗の増大を抑制することができる。したがって、かかる電解質膜を用いることにより、低温型の燃料電池の動作温度を向上させることができる。なお、上記のように、含水電解質層をアモルファス材料層とともに設けることにより、含水電解質層の薄膜化が可能である。含水電解質層は、固体高分子膜とすることができる。
【００２０】
前記第１ないし第３の各燃料電池において、前記アモルファス材料は、ＺｒＮｉ、ＺｒＮｉＨｆ、ＴｉＮｉ、ＴｉＣｕ、ＺｒＡｌＮｉ、ＴｉＺｒＮｉＣｕ、ＭｇＮｉ、ＺｒＮｉＭｎ、ＰｄＳｉ、ＰｄＳｉＡｕ、ＬａＮｉ、ＷＯ３、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂの内の少なくとも一つを含有する材料とすることができる。これらのアモルファス材料は、水素透過能が高く、燃料電池の用途に適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明を実施するための最良の形態を、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．製造方法：
Ｃ．その他の実施例：
Ｄ．変形例：
【００２２】
Ａ．燃料電池の構成：
図１は、第１実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。この図では、燃料電池を構成する単位燃料電池（以下、セルと呼ぶ）１０の断面を示した。このセル１０は、電解質膜２０と、電解質膜２０上に形成されるカソード電極３０と、電解質膜２０とカソード電極３０との構造体を両側から挟み込むガスセパレータ３２，３４とを備えている。
【００２３】
ガスセパレータ３２，３４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。ガスセパレータ３２の表面には、所定の凹凸形状が形成されており、電解質膜２０との間で、水素を含有する燃料ガスが通過する燃料ガス流路３６が形成されている。他方側のガスセパレータ３４の表面にも、所定の凹凸形状が形成されており、カソード電極３０との間で、酸素を含有する酸化ガスが通過する酸化ガス流路３８が形成されている。
【００２４】
電解質膜２０は、水素透過性金属層（特許請求の範囲の水素透過性材料層に相当する）２２と電解質層２４との２層構造となっている。水素透過性金属層２２は、水素を選択的に透過する水素透過性金属により形成される。水素透過性金属としては、水素透過能を有するアモルファス合金が用いられている。水素透過能を有するアモルファス合金は、この実施例では、ＺｒＮｉを主成分とする合金（以下、ＺｒＮｉ合金と呼ぶ）が用いられている。ＺｒＮｉ合金は、液体急冷法によって作製されている。なお、本実施例では、水素透過性金属層２２は、アノード電極としての機能も果たす。
【００２５】
水素透過性金属層２２に用いられるアモルファス合金は、水素透過能を有するものであれば、ＺｒＮｉ合金に換えて、ＺｒＮｉＨｆ、ＴｉＮｉ、ＴｉＣｕ、ＺｒＡｌＮｉ、ＴｉＺｒＮｉＣｕ、ＭｇＮｉ、ＺｒＮｉＭｎ、ＰｄＳｉ、ＰｄＳｉＡｕ、ＬａＮｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂの内のいずれかを含む合金としてもよい。また、前述してきたＺｒＮｉ、ＺｒＮｉＨｆ、ＴｉＮｉ、ＴｉＣｕ、ＺｒＡｌＮｉ、ＴｉＺｒＮｉＣｕ、ＭｇＮｉ、ＺｒＮｉＭｎ、ＰｄＳｉ、ＰｄＳｉＡｕ、ＬａＮｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂの内の２つ以上を含む合金としてもよい。あるいは、ＺｒＮｉ、ＺｒＮｉＨｆ、ＴｉＮｉ、ＴｉＣｕ、ＺｒＡｌＮｉ、ＴｉＺｒＮｉＣｕ、ＭｇＮｉ、ＺｒＮｉＭｎ、ＰｄＳｉ、ＰｄＳｉＡｕ、ＬａＮｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂの内のいずれか単体からなる金属とすることもできる。
【００２６】
さらには、水素透過性金属層２２を、金属以外のアモルファス材料により形成されるアモルファス材料層としてもよい。金属以外のアモルファス材料としては、金属酸化物やガラス等のアモルファス材料が該当し、例えば、ＷＯ３をあげることができる。
【００２７】
上記ＺｒＮｉ合金は、液体急冷法に換えて、物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、メッキ、ゾルゲル等の各手法によって作製される構成としてもよい。
【００２８】
電解質層２４は、プロトン導電性を有する固体酸化物から成る層である。電解質層２４を構成する固体酸化物としては、例えば、ＢａＣｅＯ3、ＳｒＣｅＯ3系のセラミックスプロトン伝導体等の金属酸化物を用いることができる。電解質層２４は、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、従来の固体酸化物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。
【００２９】
カソード電極３０は、電解質層２４上に成膜された金属層であり、電気化学反応を促進する触媒活性を有する貴金属により形成されている。本実施例では、カソード電極３０はパラジウム（Ｐｄ）により形成されている。
【００３０】
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。また、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。
【００３１】
前記のように構成されたセル１０では、発電過程において、ガスセパレータ３２の燃料ガス流路３６に供給された燃料ガス中の水素は、水素透過性金属層２２でプロトンと電子に乖離して、プロトンは水素透過性金属層２２、電解質層２４を移動し、カソード電極３０で酸素と結合して水を生成する。このように水素と酸素が結びついて電気と水が発生する。
【００３２】
Ｂ．製造方法：
燃料電池の製造方法としてセル１０の製造方法を、以下に説明する。図２は、セル１０の製造工程を表わすフローチャートである。
【００３３】
セル１０を作成する際には、まず、水素透過性金属層２２を用意する（ステップＳ５０）。水素透過性金属層２２は、既述したように、ＺｒＮｉ合金により形成された層であり、ステップＳ５０では、ＺｒＮｉ合金膜を用意する。水素透過性金属層２２としてのＺｒＮｉ合金膜の厚みは、例えば、４０μｍとすることができる。
【００３４】
次に、ステップＳ５０で用意した水素透過性金属層２２上に、電解質層２４を形成する（ステップＳ６０）。この電解質層２４は、水素透過性金属層２２上に、既述した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、物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）など種々の手法を用いることができる。電解質層２４の厚みは、例えば、０．１μｍとすることができる。
【００３５】
その後、電解質層２４上にカソード電極３０を形成する（ステップＳ７０）。カソード電極３０は、ＰＶＤにより形成する。カソード電極３０の厚みは、例えば、０．１μｍとすることができる。
【００３６】
ステップＳ７０の実行後、ステップＳ７０までで作製した構造体を挟持するようにガスセパレータ３２およびガスセパレータ３４を配設してセル１０を形成する。燃料電池を組み立てる際には、さらにこのセル１０を所定数積層する。
【００３７】
以上のように構成された燃料電池によれば、電解質層２４を、アモルファス合金からなる基材（水素透過性金属層２２）とともに設けることにより十分に薄膜化することができる。アモルファス合金は、高強度で緻密な材料であることから、電解質層の薄膜化が可能である。したがって、電解質層２４の膜抵抗の低減を図ることができることから、固体酸化物型燃料電池の動作温度を、約２００〜６００℃と低温化することができる。
【００３８】
また、この第１実施例の燃料電池では、アモルファス材料であるＺｒＮｉ合金が、水素乖離能を有することから、水素透過性金属層２２の両面にパラジウム（Ｐｄ）を塗布する必要がない。このために、燃料電池の構造が簡単であるという効果も奏する。
【００３９】
図３は、前記第１実施例の燃料電池の第１の変形例の構成を模式的に示す説明図である。この第１の変形例の燃料電池を構成するセル１１０は、前記第１実施例のセル１０の構成を備え、さらに、水素透過性金属層２２の両面にパラジウム層１２６，１２８を備えた構成である。図中、第１実施例と同じパーツには、同じ番号を付けた。この第１の変形例の燃料電池の製造方法は、水素透過性金属層２２を構成するＺｒＮｉ合金膜の両面にパラジウム（Ｐｄ）を塗布して、その後、その片面に電解質層２４を形成することで、電解質膜１２０を作製する。その後、第１実施例と同様にしてセル１１０を組み立てる。
【００４０】
この第１の変形例によれば、アモルファス合金の有する水素乖離能に加えて、Ｐｄによる水素乖離の働きによって、より一層、水素乖離の能力が高くなる。したがって、燃料電池の発電効率をより高めることができる。
【００４１】
なお、パラジウム層１２６，１２８は、水素透過性金属層２２の両面に設けられていたが、これに換えて、いずれか一方の面だけに備える構成とすることもできる。
【００４２】
また、前記第１実施例の第２の変形例として、前記第１実施例のセル１０の構成において、電解質膜２０を、水素透過性金属層２２と電解質層２４との２層構造に換えて、水素透過性金属層２２の両面に電解質層を設けた３層構造とすることもできる。
【００４３】
Ｃ．その他の実施例：
Ｃ−１．第２実施例：
図４は、第２実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。この第２実施例の燃料電池を構成するセル２１０は、第１実施例のセル１０と比較して、電解質膜２２０の構成が相違するだけであり、その他の構成は同一である。図中、第１実施例と同じパーツには、同じ番号を付けた。
【００４４】
電解質膜２２０は、第１実施例と同様に、水素透過性金属層２２２と電解質層２４との２層構造となっている。水素透過性金属層２２２の構成が第１実施例と相違する。水素透過性金属層２２２は、バナジウム（Ｖ）を基材２３０として、基材２３０の両面にアモルファス合金膜２４０、２４２を形成した多層膜である。
【００４５】
なお、基材２３０は、バナジウムに換えて、水素透過能を有する５族金属（Ｖの他、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）等）または５族金属の合金により形成することができる。あるいは、基材２３０は、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。さらには、基材２３０は、これら合金の少なくとも一つを含む他の合金とすることもできる。
【００４６】
アモルファス合金膜２４０、２４２は、第１実施例と同様に、ＺｒＮｉ合金が用いられている。なお、ＺｒＮｉ合金に換えて、第１実施例で例示した他のアモルファス材料とすることもできる。第１実施例で例示した各アモルファス材料は、水素乖離能を備えていることから、アモルファス合金膜２４０、２４２として用いることで、水素透過性金属層２２２の外側にＰｄを設ける必要がなくなる。なお、水素乖離能を高めることを目的として、水素透過性金属層２２２の外側にＰｄを設けることも可能である。
【００４７】
上記構成のセル２１０は、バナジウムの基材２３０と、ＺｒＮｉ合金のアモルファス合金膜２４０、２４２とを用意して、基材２３０の両面側にアモルファス合金膜２４０、２４２を配設する。次いで、片側のアモルファス合金膜２４２の他方側の面に、第１実施例と同様にして電解質層２４を形成することで、電解質膜２２０を作製する。その後、第１実施例と同様にしてセル２１０を組み立てる。
【００４８】
以上のように構成された第２実施例によれば、電解質層２４を、第１実施例と同様にアモルファス合金に成膜することにより、十分に薄膜化することができる。したがって、電解質層２４の膜抵抗の低減を図ることができることから、固体酸化物型燃料電池の動作温度を、約２００〜６００℃と低温化することができる。また、バナジウムから構成される基材２３０によって水素透過能が向上することから、第１実施例と比較して水素透過性金属層２２２を薄くすることができ、したがって、セルの小型化を図ることもできる。
【００４９】
なお、この第２実施例の変形例として、基材２３０の両面にアモルファス合金膜２４０、２４２を形成する構成に換えて、基材２３０の片面だけにアモルファス合金膜を形成した構成とすることもできる。
【００５０】
Ｃ−２．第３実施例：
図５は、第３実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。この第３実施例の燃料電池を構成するセル３１０は、第１実施例のセル１０と比較して、電解質膜３２０の構成が相違するだけであり、その他の構成は同一である。図中、第１実施例と同じパーツには、同じ番号を付けた。
【００５１】
電解質膜３２０は、第１実施例と同様に、水素透過性金属層３２２と電解質層２４との２層構造となっている。この水素透過性金属層３２２の構成が第１実施例と相違する。水素透過性金属層３２２は、多孔質材を基材３４０として、基材３４０の片面にアモルファス合金３４２を被覆した構成である。多孔質材は、セラミックス、金属などが用いられている。
【００５２】
アモルファス合金３４２は、第１実施例と同様に、ＺｒＮｉ合金が用いられている。なお、ＺｒＮｉ合金に換えて、第１実施例で例示した他のアモルファス材料とすることもできる。
【００５３】
上記構成の燃料電池は、基材３４０を構成する多孔質材の表面に上記アモルファス合金３４２を、メッキ、各種蒸着法、ゾルゲルの各手法等によって塗布する。次いで、アモルファス合金３４２の他方側の面に、第１実施例と同様にして電解質層２４を形成することで、電解質膜３２０を作製する。その後、第１実施例と同様にしてセル３１０を組み立てる。
【００５４】
以上のように構成された第３実施例によれば、電解質層２４を、第１実施例と同様にアモルファス合金に成膜することにより、十分に薄膜化することができる。したがって、電解質層２４の膜抵抗の低減を図ることができることから、固体酸化物型燃料電池の動作温度を、約２００〜６００℃と低温化することができる。また、水素透過性金属層３２２を、アモルファス合金単体でなく、アモルファス合金３４２を多孔質材からなる基材３４０の表面に被覆して構成していることから、水素透過性金属層３２２の強度を高めることができる。
【００５５】
Ｃ−３．第４実施例：
前記第３実施例のセル３１０の構成は、第１実施例のセル１０の構成において、アモルファス合金の部分を、多孔質材の表面にアモルファス合金３４２を被覆した膜体に換えたものであるが、第２実施例のセル２１０に対しても同様な変形が可能である。この変形例を第４実施例として、以下に説明する。
【００５６】
図６は、第４実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。この第４実施例の燃料電池を構成するセル４１０は、第２実施例のセル２１０と比較して、アモルファス合金膜４４０、４４２の構成が相違するだけであり、その他の構成は同一である。図中、第２実施例と同じパーツには、同じ番号を付けた。
【００５７】
アモルファス合金膜４４０（４４２）は、多孔質材４５０（４５２）を備え、多孔質材４５０（４５２）の片面にアモルファス合金層４５１（４５３）を被覆した構成である。多孔質材４５０（４５２）は、セラミックス、金属などが用いられている。
【００５８】
アモルファス合金層４５１（４５３）は、第１実施例と同様に、ＺｒＮｉ合金が用いられている。なお、ＺｒＮｉ合金に換えて、第１実施例で例示した他のアモルファス材料とすることもできる。アモルファス合金層４５１（４５３）は、多孔質材４５０（４５２）の表面に、メッキ、各種蒸着法、ゾルゲルの各手法等によって塗布される。
【００５９】
上記構成のセル４１０は、次のようにして作製される。多孔質材４５０、４５２を用意して、各多孔質材４５０、４５２の表面にアモルファス合金層４５１、４５３をそれぞれ被覆することにより、アモルファス合金膜４４０（４４２）を形成する。そうして、バナジウムの基材２３０の両面側にアモルファス合金膜４４０、４４２を、アモルファス合金層４５１、４５３側が一方側（図中、左側）を向くように配設する。次いで、アモルファス合金膜４４２の外側の面に、第１実施例と同様にして電解質層２４を形成することで、電解質膜４２０を作製する。その後、第２実施例と同様にしてセル４１０を組み立てる。
【００６０】
以上のように構成された第４実施例によれば、第２実施例と同様の効果を備え、さらに、アモルファス合金膜４４０、４４２を、アモルファス合金単体でなく、アモルファス合金を多孔質材の表面に被覆して構成していることから、アモルファス合金膜４４０、４４２の強度を高めることができる
【００６１】
Ｃ−４．第５実施例：
前記第１ないし第４実施例の燃料電池は、電解質層に固体酸化物を用いた固体酸化物型の燃料電池であったが、これに換えて、電解質層に固体高分子膜を用いた固体高分子型の燃料電池とすることもできる。すなわち、第５実施例の燃料電池は、前記第１ないし第４実施例の燃料電池の構成を備えた上で、第１ないし第４実施例（変形例も含む）の各セル１０，１１０，２１０，３１０，４１０に設けられた電解質層２４を、固体高分子膜、例えばフッ素系樹脂により形成されたイオン交換膜に換えた構成とすることができる。ここではナフィオン（登録商標）膜を使用する。
【００６２】
上記構成の第５実施例の燃料電池は、第１ないし第４実施例と同様に、電解質層の薄膜化を図る効果を奏する。
【００６３】
Ｃ−５．第６実施例：
図７は、第６実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。この図では、燃料電池を構成するセル５１０の断面を示した。このセル５１０は、電解質膜５２０と、電解質膜５２０を両側から挟み込むガスセパレータ５３２，５３４とを備えている。ガスセパレータ５３２，５３４は、第１実施例のガスセパレータ３２，３４と同じもので、燃料ガス流路５３６または酸化ガス流路５３８を備える。ガスセパレータ５３２，５３４は、燃料極、酸素極として機能する。
【００６４】
電解質膜５２０は、固体高分子膜で形成された電解質層５２２の両面を、アモルファス合金層５２４，５２６が挟んだ多層構造となっている。電解質層５２２は、固体高分子膜、例えば、フッ素系樹脂により形成されたイオン交換膜とすることができる。具体的には、ナフィオン（登録商標）膜などを用いることができる。
【００６５】
アモルファス合金層５２４，５２６は、アモルファス合金により形成されている。アモルファス合金としては、第１実施例と同様に、ＺｒＮｉ合金が用いられている。なお、ＺｒＮｉ合金に換えて、第１実施例で例示した他のアモルファス材料とすることもできる。第１実施例で例示した各アモルファス材料は、水素乖離能を備えていることから、アモルファス合金層５２４，５２６として用いることで、電解質膜５２０の外側にＰｄを設ける必要がなくなる。なお、水素乖離能を高めることを目的として、電解質膜５２０の外側にＰｄを設けることも可能である。
【００６６】
電解質層５２２は、水分を含有している。電解質層５２２の両面は、上述の通り、アモルファス合金層５２４，５２６で挟まれているため、電解質層５２２内の水分が、これらのアモルファス合金層５２４，５２６を通り抜けて電極として機能するガスセパレータ５３２，５３４、ひいてはセル外に離脱していく可能性は低い。また、電解質層５２２の周囲（例えば、図中の領域Ａ）をシールすることにより、周囲からの水分の離脱も抑制することができる。本実施例におけるアモルファス合金層５２４，５２６および周囲のシールは、電解質層５２２の水分を保持する保持機構として機能する。
【００６７】
発電過程において、ガスセパレータ５３２の燃料ガス流路５３６に供給された燃料ガス中の水素は、プロトンとなり、電解質層５２２を移動し、ガスセパレータ５３４の酸化ガス流路５３８で酸素と結合して水を生成する。電解質層５２２に含有される水分が、プロトンの移動に寄与する。燃料極および酸素極での反応を促進するために、セル中には白金（Ｐｔ）等の触媒層を設けるのが通常である。図示を省略したが、触媒層は、例えば、電解質膜５２０とガスセパレータ５３２、ガスセパレータ５３４との間に設けることができる。
【００６８】
上記構成のセル５１０の製造は、次のようにして行なう。まず、電解質層５２２を生成する。次に、電解質層５２２の両面にアモルファス合金層５２４，５２６を形成する。そして、アモルファス合金層５２４，５２６の両側にそれぞれガスセパレータ５３２，５３４を取り付ける。
【００６９】
以上で説明した燃料電池によれば、電解質層５２２の水分を保持することが可能となるため、比較的高温での運転が可能となる。例えば、ナフィオン膜を電解質層５２２に用いた場合には、約２００℃程度での運転が可能である。また、電解質層５２２が、アモルファス合金層５２４，５２６とともに設けることにより、含水電解質層の薄膜化が可能である。
【００７０】
前記電解質層５２２は、ナフィオンなどの固体高分子膜が用いられていたが、これに換えて、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用いることができる。
【００７１】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】第１実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。
【図２】セル１０の製造工程を表わすフローチャートである。
【図３】第１実施例の燃料電池の第１の変形例の構成を模式的に示す説明図である。
【図４】第２実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。
【図５】第３実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。
【図６】第４実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。
【図７】第６実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０...セル
２０...電解質膜
２２...水素透過性金属層
２４...電解質層
３０...カソード電極
３２，３４...ガスセパレータ
３６...燃料ガス流路
３８...酸化ガス流路
１１０...セル
１２０...電解質膜
１２６，１２８...パラジウム層
２１０...セル
２２０...電解質膜
２２２...水素透過性金属層
２３０...基材
２４０，２４２...アモルファス合金膜
３１０...セル
３２０...電解質膜
３２２...水素透過性金属層
３４０...基材
３４２...アモルファス合金
４１０...セル
４２０...電解質膜
４４０，４４２...アモルファス合金膜
４５０，４５２...多孔質材
４５１，４５３...アモルファス合金層
５１０...セル
５２０...電解質膜
５２２...電解質層
５２４，５２６...アモルファス合金層
５３２，５３４...ガスセパレータ
５３６...燃料ガス流路
５３８...酸化ガス流路
５３２，５３４...ガスセパレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005166531.tif 000007
【図６】
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【図７】
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