(57)【要約】【課題】  発電生成水による電解質の溶出を抑制することができる燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池（１００）は、プロトン導電性を有する水溶性電解質（２２）を含む電解質層（２０）と、水素透過性を有し電解質層（２０）のカソード側に形成された水素透過性層（３０）とを備えることを特徴とする。電解質層（２０）と水素透過性層（３０）との間で水が生成されることが抑制される。また、水素透過性層（３０）は発電生成水の透過を抑制する。それにより、発電生成水が電解質層（２０）に到達することが防止される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン導電性を有する水溶性電解質を含む電解質層と、
水素透過性を有し、前記電解質層のカソード側に形成された水素透過性層とを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記水溶性電解質は、水溶性固体酸化物であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電解質層は、多孔質層に前記水溶性固体酸化物が担持された層であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記多孔質層は、多孔質状のシリカまたはシリカゲルであることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記水溶性電解質は、水溶性リン酸系ガラスであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
前記水素透過性層の前記電解質層と反対側の少なくとも表面部は、水素解離吸着能を有す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】
前記水素透過性層の前記電解質層と反対側の少なくとも表面部は、パラジウムまたはパラジウム合金であることを特徴とする請求項６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、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池はアノードとカソードとの間に電解質層を備える構造を有する。この電解質層は一般的に高価であるという欠点を有する。そこで、多孔質担体の細孔内に比較的安価な無機系プロトン導電体を担持させた電解質層を有する燃料電池が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２１１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術によれば、発電に伴って生成された水にプロトン導電性物質が溶出するおそれがある。この場合、電解質層の電気抵抗が上昇することから、燃料電池の発電性能が劣化する可能性がある。
【０００６】
本発明は、発電生成水による電解質の溶出を抑制することができる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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池は、プロトン導電性を有する水溶性電解質を含む電解質層と、水素透過性を有し電解質層のカソード側に形成された水素透過性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、水素透過性層は酸素の透過を抑制する。それにより、電解質層と水素透過性層との間で水が生成されることが抑制される。また、水素透過性層は発電生成水の透過を抑制する。それにより、発電生成水が電解質層に到達することが防止される。したがって、水溶性電解質の発電生成水による溶出を抑制することができる。以上のことから、本発明によれば、プロトン導電性を有する水溶性電解質を備えた燃料電池の発電性能低下を抑制することができる。
【０００８】
水溶性電解質は、水溶性固体酸化物であってもよい。この場合、発電生成水による水溶性固体酸化物の溶出を抑制することができる。したがって、優れたプロトン導電性を有する水溶性固体酸化物を電解質として用いることができる。また、電解質層は、多孔質層に水溶性固体酸化物が担持された層であってもよい。さらに、多孔質層は、多孔質状のシリカまたはシリカゲルであってもよい。この場合、電解質層の物理的強度が向上する。
【０００９】
水溶性電解質は、水溶性リン酸系ガラスであってもよい。この場合、発電生成水による水溶性リン酸系ガラスの溶出を抑制することができる。したがって、優れたプロトン導電性を有する水溶性リン酸系ガラスを電解質として用いることができる。
【００１０】
水素透過性層の電解質層と反対側の少なくとも表面部は、水素解離吸着能を有していてもよい。この場合、水素透過性層がカソードとして機能する。その結果、プロトンの水素化のための触媒層をあらたに設ける必要がない。また、水素透過性層全体が水素解離吸着能を有する必要がなくなる。したがって、本発明に係る燃料電池の生産コストを低減させることができる。また、水素透過性層の電解質層と反対側の少なくとも表面部は、パラジウムまたはパラジウム合金であってもよい。この場合、水素透過性層の電解質層と反対側の表面部が水素解離吸着能を有するようになる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発電生成水による電解質の溶出を抑制することができる。したがって、燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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】
【００１３】
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、アノード１０上に電解質層２０および水素透過性層３０が積層された構造を有する。アノード１０は、例えば、白金が担持されたカーボンから構成される。アノード１０中の白金は、水素をプロトン化するための触媒として機能する。アノード１０の膜厚は、例えば、１５μｍ程度である。
【００１４】
電解質層２０は、多孔質層２１に電解質２２を含浸させた構造を有する。多孔質層２１は、例えば、多孔質状のシリカ、シリカゲル等から構成される。多孔質層２１の多孔度は、例えば、５０％〜９０％程度であり、多孔質層２１の比表面積は、例えば、１００ｍ２／ｇ〜７００ｍ２／ｇ程度である。電解質２２は、例えば、ＣｓＨＳＯ４、ＣｓＨ２ＰＯ４等の水溶性固体酸化物から構成され、プロトン導電性を有する。ＣｓＨＳＯ４およびＣｓＨ２ＰＯ４は中温域（１５０℃〜２５０℃程度）において優れたプロトン導電性を有する。ＣｓＨＳＯ４は、１５０℃〜２５０℃において１０−２程度のプロトン導電率σ（Ｓ／ｃｍ（Ｓはジーメンス））を有する。ＣｓＨ２ＰＯ４は、２３０℃〜２５０℃において１０−２程度のプロトン導電率σ（Ｓ／ｃｍ）を有する。また、電解質層２０の膜厚は、例えば、１μｍ〜１０μｍ程度である。
【００１５】
水素透過性層３０は、水素透過性を有する金属等から構成される。水素透過性層３０は、水および酸素を透過しないが水素を透過する程度に緻密な構造を有する。本実施例においては、水素透過性層３０は、例えば、パラジウムまたはパラジウム合金から構成される。パラジウムおよびパラジウム合金は、水素透過性能および水素解離吸着能を備える。それにより、水素透過性層３０がカソードとして機能する。その結果、本実施例においては、プロトンを水素化するための触媒層を設ける必要がない。水素透過性層３０の膜厚は、例えば、２μｍ程度である。
【００１６】
続いて、燃料電池１００の作用について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスがアノード１０に供給される。燃料ガス中の水素は、アノード１０においてプロトンと電子とに分離される。プロトンは、電解質層２０の電解質２２および水素透過性層３０を伝導し、水素透過性層３０の上面に到達する。一方、水素透過性層３０の上面には酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。水素透過性層３０の上面においては、酸化剤ガス中の酸素と水素透過性層３０の上面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。発生した電力は、図示しないセパレータ等によって回収される。以上の動作により、燃料電池１００は発電を行う。
【００１７】
本実施例においては、水素透過性層３０は酸素の透過を抑制する。それにより、電解質層２０と水素透過性層３０との間で水が生成されることが抑制される。また、水素透過性層３０は発電生成水の透過を抑制する。それにより、発電生成水が電解質層２０に到達することが防止される。したがって、水溶性電解質である電解質２２の発電生成水による溶出を抑制することができる。以上のことから、本発明によれば、優れたプロトン導電性を有する水溶性電解質を備えた燃料電池の発電性能低下を抑制することができる。
【００１８】
なお、アノード１０の膜厚は、アノード１０が自立膜として機能する程度に大きくてもよい。例えば、アノード１０の膜厚を５０μｍ〜１００μｍ程度にしてもよい。この場合、アノード１０が電解質層２０を支持することができるため、電解質層２０の膜厚をさらに小さくすることができる。それにより、電解質層２０の電解質抵抗を低減させることができる。その結果、燃料電池１００の発電性能が向上する。
【００１９】
また、本実施例においては電解質２２として、ＣｓＨＳＯ４またはＣｓＨ２ＰＯ４が用いられているが、それに限られない。例えば、硫酸、リン酸、ポリリン酸、過塩素酸のような過ハロゲン酸類のようなプロトン酸性基を有する化合物、各種のヘテロポリ酸、固体酸等が挙げられる。ヘテロポリ酸は、通常、例えば７００〜８５００程度の高分子量を有し、二量錯体の構造を採る場合もある。また、ヘテロポリ酸は比較的高い水溶性を有する。本実施例に用いることができるヘテロポリ酸としては、下記のものが挙げられる。
【００２０】
リン−１２−タングステン酸（Ｈ３[ＰＷ１２Ｏ４０]ｘＨ２Ｏ）、リン−１２−モリブデン酸（Ｈ３[ＰＭｏ１２Ｏ４０]ｘＨ２Ｏ）、ケイ−１２−タングステン酸（Ｈ４[ＳｉＷ１２Ｏ４０]ｘＨ２Ｏ）、ケイ−１２−タングステン酸モノナトリウム（Ｈ３Ｎａ[ＳｉＷ１２Ｏ４０]ｘＨ２Ｏ）、ケイ−１２−モリブデン酸（Ｈ４[ＳｉＭｏ１２Ｏ４０]ｘＨ２Ｏ）、リンタングステン酸カリウム（Ｋ６[Ｐ２Ｗ１８Ｏ６２]ｘＨ２Ｏ）、リンモリブデン酸ナトリウム（Ｎａ３[ＰＭｏ１２Ｏ４０]ｘＨ２Ｏ）、２リン−モリブデン酸アンモニウム（（ＮＨ４）６[Ｐ２Ｍｏ１８Ｏ６２]ｘＨ２Ｏ）、ニッケル−タングステン酸ナトリウム（Ｎａ４[ＮｉＷ６Ｏ２４Ｈ６]ｘＨ２Ｏ）、２コバルト−モリブデン酸アンモニウム（（ＮＨ４）[Ｃｏ２Ｍｏ１０Ｏ３６]ｘＨ２Ｏ）、ケイタングステン酸セシウム水素（Ｃｓ３Ｈ[ＳｉＷ１２Ｏ４０]ｘＨ２Ｏ）、リンモリブドジバナジウム酸カリウム（Ｋ５[ＰＭｏＶ２Ｏ４０]ｘＨ２Ｏ）。
【００２１】
なお、ヘテロポリ酸の上記具体例の多価酸化状態および水和状態は、多孔質層２１に含浸させる前の状態である。したがって、ヘテロポリ酸の上記具体例の多価酸化状態および水和状態は、例えば、燃料電池１００の発電条件下において変化すると考えられる。
【００２２】
固体酸としては公知の固体酸を用いることができる。例えば、ゼオライト類、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の各種の無機酸化物や、Ｚｒ，Ｓｎ等の金属酸化物を用いることができる。これらの無機酸化物、金属酸化物等は、無水状態でも、水を化学的もしくは物理的に含有した状態のいずれで用いられてもよい。また、シリカ−アルミナ、シリカ−ジルコニア、シリカ−チタニア等のように、二種類以上の元素の混合酸化物、複合酸化物等であっても構わない。
【００２３】
また、プロトン伝導化合物として公知の、Ｃｓ２（ＨＳＯ４）（Ｈ２ＰＯ４）等の他のＣｓ塩類や、Ｒｂ３Ｈ（ＳｅＯ４）２のようなＲｂ塩類、（ＮＨ４）３Ｈ（ＳＯ４）２のようなアンモニウム塩類、Ｋ３Ｈ（ＳＯ４）２のような硫酸水素塩類を用いることもできる。
【実施例２】
【００２４】
続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００ａについて説明する。図２は、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、水素透過性層３０の代わりに水素透過性層３０ａが形成され、水素透過性層３０ａ上に触媒層４０が形成されている点である。その他の点においては、燃料電池１００ａは燃料電池１００と同様の構成を有する。なお、実施例１と同様の部位には同一符号を付すことで重複する説明を省略する。
【００２５】
水素透過性層３０ａは、バナジウム、タンタル、ジルコニウム、ニオブ等またはこれらを含有する合金からなる。水素透過性層３０ａの膜厚は、例えば、１μｍ程度である。触媒層４０は、水素吸着解離能を有する触媒層である。触媒層成分が水素透過能を有するパラジウム、パラジウム合金等であれば、触媒層４０は膜状に配置される。一方、触媒層成分が水素透過能を有さない白金等であれば、触媒層４０はアイランド状等の反応ガスが透過する形状で配置される。触媒層４０の膜厚は、例えば、１μｍ程度である。本実施例においては、電解質層２０および水素透過性層３０ａを伝導したプロトンは、触媒層４０に到達する。触媒層４０に到達したプロトンは、触媒層４０に供給された酸化剤ガス中の酸素と反応する。したがって、本実施例においては、発電生成水は、触媒層４０において生成される。その結果、発電生成水が電解質層２０に接触することが抑制される。
【００２６】
本実施例においては、水素透過性層３０ａとしてパラジウムまたはパラジウム合金のような高価な金属を用いる必要がない。また、触媒層４０としてパラジウムまたはパラジウム合金を用いても、触媒層４０の膜厚を小さくすることができる。したがって、パラジウムまたはパラジウム合金の使用量を少なくすることができる。その結果、製造コストを低減させることができる。また、水素透過性層３０ａ上に触媒層４０が形成されていることから、水素透過性層３０ａの酸化を抑制することができる。
【実施例３】
【００２７】
続いて、本発明の第３実施例に係る燃料電池１００ｂについて説明する。図３は、燃料電池１００ｂの模式的断面図である。燃料電池１００ｂが図１の燃料電池１００と異なる点は、電解質層２０の代わりに電解質層２０ｂが形成されている点である。電解質層２０ｂは、リン酸系ガラス電解質からなる。電解質層２０ｂは、シリカまたはシリカゲルにリン酸をドープすることにより作製することができる。リン酸系ガラス電解質は水溶性を有する。しかしながら、電解質層２０ｂと発電生成水との接触は、水素透過性層３０によって防止される。したがって、本実施例においても、電解質の発電生成水による溶出を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【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】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３】本発明の第３実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  アノード
２０，２０ｂ  電解質層
３０，３０ａ  水素透過性層
４０  触媒層
１００，１００ａ，１００ｂ  燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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