(57)【要約】【課題】本開示の燃料電池は、堅牢性を損なうことなく、発電出力の大きい燃料電池を提供する。【解決手段】カソードと、アノードと、前記アノード及び前記カソードの間に位置する固体電解質膜とを有する積層体と、複数の貫通孔、および下面を有する支持基板と、前記積層体と前記支持基板の下面との間に配置される接着層とを備え、前記支持基板は、前記支持基板の下面に垂直な方向に切断した断面において、前記複数の貫通孔の間に規定される複数の柱部を有し、前記複数の柱部の少なくとも一部と、前記カソードとの間には、前記接着層は配置されない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードと、アノードと、前記アノード及び前記カソードの間に位置する固体電解質膜とを有する積層体と、
複数の貫通孔、および下面を有する支持基板と、
前記積層体と前記支持基板の下面との間に配置される接着層とを備え、
前記支持基板は、前記支持基板の下面に垂直な方向に切断した断面において、前記複数の貫通孔の間に規定される複数の柱部を有し、
前記複数の柱部の少なくとも一部と、前記カソードとの間には、前記接着層は配置されない、
燃料電池。
【請求項２】
前記接着層は、金およびシリコン、金および錫、金およびゲルマニウム、アルミニウムおよび銅、銅および錫からなる群から選択される１つを含む、
請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記支持基板は、ナトリウムまたはカリウム含むガラスを含み、
前記接着層は、シリコンを含み、
前記支持基板と前記接着層は、陽極接合により接着されている、
請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記接着層は、高分子の有機化合物を含み、
前記積層体と前記支持基板とは、前記高分子の有機化合物により、ポリマー接合されている、
請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記カソードは、パラジウム、ニオブ、およびバナジウムからなる群から選択される少なくとも１つを含む、
請求項１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】
特許文献１には、開口部を有するシリコン基板と、シリコン基板上に配置された固体電解質薄膜と、開口部の上面に配置された燃料極層と、開口部の下面に配置される酸素極層とを備える燃料電池が開示されている。
【０００３】
また、非特許文献１には、多孔質アルミナ基板と、多孔質アルミナ基板上に配置された、燃料極層、固体電解質膜、および酸素極層の積層体とを有する燃料電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２８９２２１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ  ５３４（２０１３）２８６−２９０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１および非特許文献１に開示の燃料電池は、機械的強度が弱い固体電解質膜は、シリコン基板または多孔質アルミナ基板の支持体に接して配置されることにより、堅牢性を高めている。
【０００７】
固体電解質は、水素または酸素を含む供給物と反応するために、環境中に暴露された表面積が大きいことが望ましい。しかし、固体電解質が支持体と接して配置されることにより、暴露された表面積は小さくなる。その結果として、燃料電池は、高い発電出力を得ることができない。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、堅牢性を損なうことなく、発電出力の大き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】
【０００９】
本開示の燃料電池は、
カソードと、アノードと、前記アノード及び前記カソードの間に位置する固体電解質膜とを有する積層体と、
複数の貫通孔、および下面を有する支持基板と、
前記積層体と前記支持基板の下面との間に配置される接着層とを備え、
前記支持基板は、前記支持基板の下面に垂直な方向に切断した断面において、前記複数の貫通孔の間に規定される複数の柱部を有し、
前記複数の柱部の少なくとも一部と、前記カソードとの間には、前記接着層は配置されない。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の燃料電池は、堅牢性を損なうことなく、発電出力の大きい燃料電池を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態における燃料電池の構成を示す横断面図
【図２】実施の形態における燃料電池の構成を示す分解斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態について、以下に図面を参照しながら説明する。
【００１３】
（実施の形態）
図１は、本実施の形態における燃料電池１００を示す断面図である。図２は、燃料電池を分解して示した斜視図である。図１は、図２中のＡ−Ｂで切断した切断面に相当する。
【００１４】
燃料電池１００は、固体電解質１０１、カソード１０２、およびアノード１０３の積層体１０４と、接着層１０７と、貫通孔１０５ａを有する支持基板１０５とを備える。
【００１５】
（積層体１０４）
積層体１０４は、固体電解質１０１、カソード１０２、およびアノード１０３を有する。固体電解質１０１は、カソード１０２、およびアノード１０３の間に配置される。
【００１６】
固体電解質１０１の材料の例は、プロトン伝導体であるバリウムジルコネート（ＢａＺｒ１−ｘＹｘＯ３−δ）、酸素イオン伝導体であるイットリウム安定ジルコニア（ＹＳＺ）である。固体電解質１０１は、５００ｎｍ以上２μｍ以下の厚みを有することが望ましい。固体電解質１０１は、５００ｎｍより薄い膜厚を有する場合、ピンホールができ、ガスリークが発生する。また、固体電解質１０１は、２μｍより厚い膜厚を有する場合、イオン伝導度が低くなる。
【００１７】
積層体１０４は、カソード１０２、およびアノード１０３を電気的に接続する電気回路を有する。
カソード１０２、およびアノード１０３は、触媒を含有する。加えて、カソード１０２、およびアノード１０３は、集電電極となる。
【００１８】
カソード１０２、およびアノード１０３は、触媒として、パラジウム（Ｐｄ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、またはそれらの合金を含有する。カソード１０２およびアノード１０３は、触媒として作用する材料と、集電電極として作用する材料とを積層した膜で構成しても良い。
【００１９】
カソード１０２、およびアノード１０３は、水素または酸素を透過するための孔を有するポーラス形状の膜であることが望ましい。
【００２０】
（支持基板１０５）
支持基板１０５は、複数の貫通孔１０５１を有する。図１に示す支持基板１０５の下面に垂直な方向に切断された断面図において、支持基板１０５は、複数の貫通孔１０５１の間に位置する柱部１０５２ａ、１０５２ｂ、１０５２ｃ、１０５３ａ、１０５３ｂを有する。貫通孔１０５１ａ、１０５１ｂ、１０５１ｃ、１０５１ｄ、１０５１ｅ、１０５１ｆを総称して、貫通孔１０５１と表記する。
【００２１】
支持基板１０５の材料は、単結晶シリコン基板、コバール、インバーを含む合金である。基板にエッチング又は機械加工により貫通孔１０５ａを形成し、支持基板１０５を作製し得る。
【００２２】
（接着層１０７）
接着層１０７は、積層体１０４と支持基板１０５との間に位置し、積層体１０４の上面と支持基板１０５の下面とを接着する。
【００２３】
支持基板１０５の下面に垂直な方向に切断した断面において、支持基板１０５の複数の貫通孔１０５１ａ、１０５１ｂ、１０５１ｃ、１０５１ｄ、１０５１ｅ、１０５１ｆの間に複数の柱部が位置する。複数の柱部の少なくとも一部の第１の柱部１０５３ａ、１０５３ｂの下面とアノード１０３の上面との間に、接着層１０７が位置する。言い換えると、支持基板１０５の下面に垂直な方向に切断した断面において、複数の柱部の少なくとも一部の第２の柱部１０５２ａ、１０５２ｂ、１０５２ｃとカソード１０２の上面との間には、接着層１０７は位置しない。これにより、例えば、接着層１０７が位置しない柱部１０５２ａとカソード１０２の上面との間の空間を介して、貫通孔１０５ａと貫通孔１０５ｂとが連通する。なお、支持基板１０５の下面に垂直な方向に切断した断面は、少なくとも複数の貫通孔１０５１を含む。
【００２４】
接着層１０７の材料は、ポリイミド、エポキシを含む高分子有機材料である。この場合、接着層１０７は、ポリマー接合により、カソード１０２および支持基板１０５に接着される。
【００２５】
または、接着層１０７の材料は、シリコンであり、支持基板１０５の材料は、ナトリウム（Ｎａ）、およびカリウム（Ｋ）などのアルカリ金属を含むガラスである。この場合、接着層１０７は、陽極接合により、カソード１０２および支持基板１０５に接着される。
【００２６】
接着層１０７の材料は、（金（Ａｕ）およびシリコン（Ｓｉ））、（金（Ａｕ）および錫（Ｓｎ））、（金（Ａｕ）およびゲルマニウム（Ｇｅ））、（アルミニウム（Ａｌ）および銅（Ｃｕ））、（銅（Ｃｕ）および錫（Ｓｎ））のいずれかの組み合わせである。この場合、接着層１０７は、共晶接合により支持基板１０５接着される。
【００２７】
または、接着層１０７の材料は、（金（Ａｕ）および金（Ａｕ））、（銅（Ｃｕ）および銅（Ｃｕ））、（アルミニウム（Ａｌ）およびアルミニウム（Ａｌ））の組み合わせである。この場合、接着層１０７は、金属拡散接合により、カソード１０２および支持基板１０５に接着される。
【００２８】
積層体１０４が支持基板１０５に向かって撓んだときに、支持基板１０５に含まれる第２の柱部は、積層体１０４の撓んだ部分に接する。これにより、支持基板１０５に含まれる第２の柱部は、積層体１０４を支えることができる。
【００２９】
支持基板１０５における積層体１０４に接していない部分である第２の柱部により、積層体１０４を支えることができる。つまり、供給される水素、水素化化合物、または酸素を受け付ける積層体１０４の表面積を減らすことなく、積層体１０４を支えることができる。
【００３０】
接着層１０７は、５０ｎｍ以上、１００μｍ以下の厚みを有する。接着層１０７が５０ｎｍ以上の厚みを有することにより、製造上、均一な厚みにすることができるため、積層体１０４と支持基板１０５とを良好に接合することができる。接着層１０７が１００μｍ以下の厚みを有することにより、接着層１０７が位置しない柱部１０５２ａとカソード１０２の上面との間の空間のギャップを、機械組み立てにより作製することが困難な幅のギャップにすることができる。
【００３１】
接着層１０７の厚みは、支持基板１０５と積層体１０４との間の空間に相当する。これにより、支持基板１０５に含まれる第２の柱部により、積層体１０４が撓んだときに、積層体１０４を支えることができる。
【００３２】
（有機ハイドライド）
本明細書においては、有機ハイドライドは、水素を脱離することによって、Ｃ＝Ｃ二重結合（Ｃ＝Ｎを含む）がＣ−Ｃ単結合に変換される有機化合物である。また、有機ハイドライドは、水素を脱離することによって、Ｃ≡Ｃ三重結合がＣ＝Ｃ二重結合またはＣ−Ｃ単結合に変換されることになる有機化合物をも含む。
【００３３】
有機ハイドライドの具体例は、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ビシクロヘキシル、デカリン、１−メチルデカリン及び２−エチルデカリンである。
【００３４】
シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ビシクロヘキシル、デカリン、１−メチルデカリン及び２−エチルデカリンを脱水素化すると、それぞれ、ベンゼン、トルエン、ビフェニル、ナフタレン、１−メチルナフタレン、２−エチルナフタレンが得られる。
【００３５】
（燃料電池の動作）
アノード１０３に、メタノール、またはメチルシクロヘキサンを含む有機ハイドライドが供給される。
【００３６】
また、カソード１０２に、酸素が供給される。支持基板１０５の貫通孔１０５１に酸素が供給され、酸素は貫通孔１０５ａを通過し、カソード１０２の表面に到達する。
【００３７】
アノード１０３にメタノールが供給され、カソード１０２に酸素（Ｏ）が供給されるとき、アノード１０３、およびカソード１０２において、それぞれ、下記の反応式（１）（２）に示す。
【００３８】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→６Ｈ＋＋ＣＯ２＋６ｅ−  （１）
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ        （２）
また、アノード１０３にメチルシクロヘキサンが供給され、カソード１０２に酸素（Ｏ）が供給されるとき、アノード１０３、およびカソード１０２において、それぞれ、下記の反応式（３）（４）に示す。
【００３９】
Ｃ７Ｈ１４→Ｃ７Ｈ８＋６Ｈ＋＋６ｅ−        （３）
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ        （４）
アノード１０３上でプロトン（Ｈ＋）が発生し、プロトンは固体電解質１０１を通過して、カソード１０２に到達する。電子（ｅ−）は、カソード１０２およびアノード１０３を電気的に接続する電気回路を介して、カソード１０２に到達する。電子（ｅ−）の移動を電気エネルギーとして取り出して発電する。
【００４０】
アノード１０３による反応式（１）（２）の反応を、水素を脱離するとも表記する。
【００４１】
次に、第２の柱部１０５２ａ、１０５２ｂ、１０５２ｃによって、積層体１０４を支える作用効果を説明する。
【００４２】
（水素を脱離する速度）＞（プロトンによる酸素還元反応の速度）の場合には、積層体１０４中におけるアノード１０３側にプロトンが溜まり、積層体１０４中におけるアノード１０３側の圧力が積層体１０４中における支持基板１０５側よりも高くなる。
【００４３】
ここで、水素を脱離する速度とは、アノード１０３に含まれる触媒により、メタノール又は有機ハイドライドからプロトンを脱離させる速度を意味する。プロトンによる酸素還元反応の速度とは、プロトンが固体電解質１０１中を伝導し、カソード１０２で酸素還元反応する速度を意味する。
【００４４】
固体電解質１０１は、積層体１０４中の圧力差により、支持基板１０５側に向かって凸状に変形する力を受ける。特に、固体電解質１０１が無機酸化物で構成される場合には、積層体１０４中の圧力差により、固体電解質１０１が変形し、破損が発生する可能性がある。しかし、支持基板１０５に含まれる第２の柱部が固体電解質１０１の変形を制限するため、固体電解質１０１の破損を防止することができる。
【００４５】
また、積層体１０４中に圧力差が存在しない場合には、ストッパー部１０５ｂは固体電解質１０１と離間しているため、反応物であるプロトンと酸素が反応することができ、積層体１０４の反応面積を確保し、積層体１０４の堅牢性を向上させることができる。積層体１０４の反応面積とは、積層体１０４の表面における支持基板１０５と接していない面積を意味する。
【００４６】
燃料電池１００は、積層体１０４の堅牢性を損なうことなく、高い発電出力を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明にかかる燃料電池は、堅牢性を損なうことなく、発電出力の大きい燃料電池として有用である。
【符号の説明】
【００４８】
１００    燃料電池
１０１    固体電解質
１０２    カソード
１０３    アノード
１０５    支持基板
１０７    接着層
【図１】
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【図２】
2016201283.tif 000004