燃料電池
【課題】酸化剤電極へ酸素を効率良く供給できると共に酸化剤電極の近傍から水を排出できて、出力の向上を図れる燃料電池を提供する。
【解決手段】この燃料電池によれば、酸素透過層５を構成するセリア(酸化セリウム(ＣｅＯ２))を含む材料の粒構造を通して、酸化剤電極４へ酸素をより効率よく供給できる。また、酸化剤電極４付近の水を酸素透過層５の上記セリアを含む材料の粒界を通して排出できる。よって、この酸素透過層５によれば、酸素の透過経路と水の排出経路とを分けることができ、水の排出が酸素の透過を阻害するのを抑制できる。
【解決手段】この燃料電池によれば、酸素透過層５を構成するセリア(酸化セリウム(ＣｅＯ２))を含む材料の粒構造を通して、酸化剤電極４へ酸素をより効率よく供給できる。また、酸化剤電極４付近の水を酸素透過層５の上記セリアを含む材料の粒界を通して排出できる。よって、この酸素透過層５によれば、酸素の透過経路と水の排出経路とを分けることができ、水の排出が酸素の透過を阻害するのを抑制できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電極、電解質膜、および酸化剤電極を有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素含有ガスまたは有機アルコール等と、酸素を含むガスとを電極に供給して、発電を行う発電機である。水素は電極上で酸化され、水素イオンは電解質を伝導し、酸化剤電極側に移動する。酸化剤電極側では、供給された酸素と移動してきた水素イオンが反応して水を生成する。また、電子は外部回路を流通することにより、電気エネルギーを生成する。
【０００３】
燃料電池は、発電による排出物の環境に対する負荷が少なく、クリーンな発電システムとして注目されている。燃料電池のうち、電解質として水素イオン導電体を有する固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池は、現在、宇宙用や車両用等の移動用電源としての用途が提案されている。
【０００４】
図５に示す従来例の燃料電池は、例えば、特開２００３−８６１９２号公報(特許文献１)に開示されるような固体高分子型燃料電池である。この燃料電池は、燃料電極１１０と、酸化剤電極１１１と、この燃料電極１１０と酸化剤電極１１１とに挟まれた電解質膜１１２とで構成した発電素子１１３を有する。
【０００５】
この発電素子１１３の両側の面にそれぞれ流路板１１６,１１７を配置して、発電素子１１３の両側に燃料流路１１４,酸化剤流路１１５を形成している。 図５に示すような固体高分子型燃料電池に用いる高分子電解質膜１１２は、膜内に水を含有することによって高いプロトン導伝性を示す。このため、電解質膜１１２がプロトン導伝性を維持するためには、電解質膜１１２が水を含有している必要がある。
【０００６】
しかし、発電素子１１３の発電反応によって生成された水が酸化剤電極１１１の近傍に留まると、酸化剤電極１１１への酸素の供給が妨げられる。よって、酸化剤電極１１１の近傍の水は速やかに排出しなければならない。
【０００７】
そこで、この従来例では、図５に示すように、酸化剤電極１１１と酸化剤流路１１５とに挟まれたガス拡散層１１９を有し、このガス拡散層１１９を通して、酸化剤流路１１５から酸化剤電極１１１への酸素の供給と、酸化剤電極１１１の近傍から酸化剤流路１１５への水の排出とを行っている。なお、このガス拡散層１１９は、カーボン繊維などの多孔質材料によって形成される。
【０００８】
ところが、図５に示す従来例の燃料電池では、酸化剤電極１１１の近傍の水がガス拡散層１１９を通して酸化剤流路１１５に排出されることに起因して、酸化剤流路１１５からガス拡散層１１９を経由する酸化剤電極１１１への酸素の供給が阻害される。このため、燃料電池の出力低下を招き、酸化剤流路１１５への酸化剤の供給量を増加させても、燃料電池の出力が向上しないという問題が生じる。
【特許文献１】特開２００３−８６１９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、この発明の課題は、酸化剤電極へ酸素を効率良く供給できると共に酸化剤電極の近傍から水を排出できて、出力の向上を図れる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、この発明の燃料電池は、液体燃料が供給されると共にこの液体燃料から陽イオンと電子を生成する燃料電極と、
上記燃料電極に対向するように配置されると共に上記燃料電極からの陽イオンが透過する電解質膜と、
酸化剤が供給されると共に上記電解質膜に対向するように配置され、上記電解質膜を透過した上記陽イオンと上記酸化剤とを反応させる酸化剤極とを備え、
上記燃料電極に対向するように配置されると共に上記燃料電極に上記液体燃料を供給する第１の流路を形成する第１の流路板と、
上記酸化剤電極に対向するように配置されると共に上記酸化剤電極に上記酸化剤を供給する第２の流路を形成する第２の流路板と、
上記酸化剤電極と上記第２の流路板との間に配置されると共に酸素透過性を有する材料で作製された酸素透過層とを備えることを特徴としている。
【００１１】
この発明の燃料電池によれば、上記酸化剤電極と上記第２の流路板との間に配置した酸素透過層が酸素透過性を有する材料で作製されている。よって、第２の流路から上記酸素透過層を通して酸化剤電極へ酸素を効率よく供給できると共に、酸化剤電極付近の水を上記酸素透過層を通して排出することができる。
【００１２】
また、一実施形態の燃料電池は、上記酸素透過性を有する材料が、少なくともセリアを含む。
【００１３】
この実施形態の燃料電池によれば、この酸素透過層を構成するセリア(酸化セリウム(ＣｅＯ２))を含む材料の粒構造を通して、酸化剤電極へ酸素をより効率よく供給できる。また、上記酸素透過層の上記セリアを含む材料の粒界を通して酸化剤電極付近の水を排出できる。よって、この酸素透過層によれば、酸素の透過経路と水の排出経路とを分けることができ、水の排出が酸素の透過を阻害するのを抑制できる。
【００１４】
また、一実施形態の燃料電池は、上記酸素透過性を有する材料が、少なくともセリアとジルコニアとの固溶体を含む。
【００１５】
この実施形態の燃料電池によれば、セリア(酸化セリウム(ＣｅＯ２))とジルコニア(ＺｒＯ２)との固溶体を含む材料で上記酸素透過層を作製したので、この酸素透過層を通して酸化剤電極へ酸素をより効率よく供給できる。
【００１６】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸素透過層の粒構造が、柱状構造である。
【００１７】
この実施形態の燃料電池によれば、上記酸素透過層の粒構造が柱状構造であるので、第２の流路から酸化剤電極への酸素の供給、および、酸化剤電極近傍からの水の排出を効率良く行うことが可能となる。
【００１８】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸素透過層の柱状構造の平均粒サイズが、５ｎｍ以上である。
【００１９】
この実施形態の燃料電池によれば、上記酸素透過層の柱状構造の平均的な粒サイズが５ｎｍ以上であるので、第２の流路から上記柱状構造の酸素透過層を通して酸化剤電極へ酸素を効率的に供給できる。なお、上記酸素透過層の柱状構造の平均粒サイズが５ｎｍを下回る場合には、酸素透過層による酸素の透過性能が著しく低下する。
【００２０】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸素透過層の柱状構造の平均粒サイズが、１０００ｎｍ以下である。
【００２１】
この実施形態の燃料電池によれば、上記酸素透過層の柱状構造の平均粒サイズが１０００ｎｍ以下であるので、水の排出性能を著しく低下させることなく、酸素の透過性能を確保できる。なお、上記酸素透過層の柱状構造の平均的な粒サイズが１０００ｎｍを上回る場合には、酸素透過層による酸素の透過性能に対する水の排出性能が著しく低下する。
【００２２】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸素透過層の層厚が、５０ｎｍ以上、かつ、５０００ｎｍ以下である。
【００２３】
この実施形態の燃料電池によれば、上記酸素透過層の層厚が５０００ｎｍ以下であるので、第２の流路から上記柱状構造の酸素透過層を通して酸化剤電極へ酸素を効率的に供給できる。なお、上記酸素透過層の層厚が５０００ｎｍを超える場合には酸素の透過性能に比べて水の排出性能が著しく低下する。上記酸素透過層の層厚が５０ｎｍを下回る場合には所望の柱状構造の層を得るのが困難となる。
【００２４】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸素透過層の上記柱状構造の結晶成長方位が<１００>を含む。
【００２５】
この実施形態の燃料電池によれば、上記酸素透過層の結晶構造が均質になるので、均一な酸素透過性能が得られる。
【００２６】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸素透過層の上記柱状構造の結晶成長方位が<１１０>および<１１１>を含む。
【００２７】
この実施形態の燃料電池によれば、上記酸素透過層の上記柱状構造の結晶成長方位が＜１００＞単一配向である場合に比べて、上記酸素透過層のうちのセリア層の粒界比率を高めることができる。よって、この酸素透過層を通して酸素を酸化剤電極へより効率よく供給できる。
【００２８】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸素透過層の上記柱状構造の結晶成長方位が<１１１>を含む。
【００２９】
この実施形態の燃料電池によれば、酸素透過層の柱状構造の結晶成長方位が＜１００＞配向である場合と比較して、酸素透過面を大きく確保することができる。
【００３０】
また、一実施形態の燃料電池では、上記発電素子を形成する基板が、イットリウム安定化ジルコニア基板である。
【００３１】
この実施形態の燃料電池によれば、上記発電素子を形成する基板を、例えば厚さが５０μｍ程度の薄膜基板とし、この薄膜基板上にセリア(あるいはセリアとジルコニアとの固溶体)を材料として酸素透過層を高温で成膜することが可能となる。
【００３２】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸化剤電極が、ルテニウム酸化膜である。
【００３３】
この実施形態の燃料電池によれば、上記酸化剤電極を、酸素透過層を作製する材料としてのセリア(あるいはセリアとジルコニアとの固溶体)のように高温で成膜する材料の下地としても使用することができる。
【発明の効果】
【００３４】
この発明の燃料電池によれば、酸化剤電極と第２の流路板との間に配置した酸素透過層が酸素透過性を有する材料で作製されている。よって、第２の流路から酸素透過層を通して酸化剤電極へ酸素を効率よく供給できると共に、酸素透過層を通して酸化剤電極付近の水を排出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３６】
図１は、この発明の燃料電池の実施形態の層構造を示す断面図である。この実施形態は、燃料電極２と、燃料電極２に対向するように配置された電解質膜３と、燃料電極２の反対側で電解質膜３に対向するように配置された酸化剤電極４を備える。燃料電極２と電解質膜３と酸化剤電極４とが発電素子を構成している。また、この燃料電池は、燃料電極２に対向するように配置されると共に燃料電極２に液体燃料を供給する燃料流路１１を形成する燃料流路板１を有する。この燃料流路板１が第１の流路板であり、燃料流路１１が第１の流路である。
【００３７】
上記燃料電極２は、金属触媒を含む樹脂層で作製される。この金属触媒としては、一例として白金−ルテニウム合金などが用いられるが、その他に、白金と金、白金とオスミウム、白金とロジウムなどの合金を用いることができる。また、燃料電極２の樹脂層としては、例えば、パーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂が用いられる。
【００３８】
また、電解質膜３の材質としては、例えば、プロトン伝導性の耐熱耐酸性の材料であれば有機材料、無機材料を問わないが、ここでは、有機系の含フッ素高分子を骨格とするスルホン酸基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン１１７(デュポン社製)(登録商標))を用いている。また、電解質膜３はプロトン伝導性の機能を有すればよく、他の基材に電解質膜を埋め込んだものであってもよい。
【００３９】
また、燃料流路板１としては、金属、シリコン基板、ガラス基板、樹脂基板など液体燃料に対する透過性の無い基板が使用可能であるが、ここでは微細加工を施したニッケル板を用いている。
【００４０】
そして、この燃料流路板１と燃料電極２との間に拡散層７が配置されている。この拡散層７としては、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属などの多孔質材を用いることができる。
【００４１】
また、この燃料電池は、上記酸化剤電極４に対向するように配置されると共に酸化剤電極４に酸化剤を供給する酸化剤流路１２を形成する酸化剤流路板６を有する。この酸化剤流路板６が第２の流路板であり、酸化剤流路１２が第２の流路である。そして、この酸化剤流路板６と酸化剤電極４との間に拡散層８が配置されている。
【００４２】
この拡散層８としては、燃料電極２側の拡散層７と同様に、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属などの多孔質材を用いることができる。また、酸化剤電極４は、燃料電極２と同様に、金属触媒を含む樹脂層で作製される。
【００４３】
さらに、この実施形態は、酸化剤電極４と拡散層８との間に配置されると共に酸素透過性を有する材料で作製された酸素透過層５を備える。この実施形態では、酸素透過層５を作製する酸素透過性を有する材料の一例として、セリア(酸化セリウム)を含む材料を用いた。このセリアの代表的な組成はＣｅＯ２であるが、ＣｅＯ２結晶はその結晶構造内を酸素が透過する性質を有する。参考文献(R&D Review of Toyota CRDL Vol. ３７ No.４ pp.１−５)に示されるように、ＣｅＯ２結晶は酸素を高濃度側から吸収し、低濃度側へ吸蔵した酸素を放出する性質を有することが分かっている。
【００４４】
この実施形態に示すように、酸素透過層５を構成する酸素透過性を有する材料としてセリアを含む材料を用いることにより、酸素透過層５は酸素濃度の高い酸化剤流路１２側から結晶中に酸素を取り込むと共に、酸素濃度の低い酸化剤電極４側へ酸素を効率よく供給することができる。
【００４５】
この実施形態の燃料電池では、例えばメタノールと水との混合物が液体燃料として燃料流路１１内に供給される。この液体燃料は、燃料流路１１から燃料電極２に隣接する拡散層７に供給され、拡散層７内を拡散し浸透して燃料電極２に達して反応し、陽イオン(Ｈ＋)と電子および排出ガスとしての二酸化炭素が生成する。陽イオン(Ｈ＋)は、電解質膜３を経由して、酸化剤極４に至る。一方、上記電子は、燃料電極２から外部回路(図示せず)を経由して、酸化剤電極４に導かれる。また、燃料電極２で生成した二酸化炭素は、拡散層７内を拡散して、排出口(図示せず)から排出される。
【００４６】
一方、酸化剤流路１２から導入された酸化剤の一例としての酸素は、拡散層８内に拡散し、図２に例示するように、酸素透過層５のセリアを含む材料内を透過して、酸化剤電極４へ供給される。上記酸素は、酸化剤電極４において燃料電極２からの陽イオン(Ｈ＋)および電子と反応して水が生成する。この水は、図２に例示するように、酸素透過層５のセリアを含む材料の粒界を通して拡散し、拡散層８内を拡散し、排出口(図示せず)から排出される。
【００４７】
このように、この実施形態によれば、酸素透過層５における酸素の透過経路と水の排出経路とを分けることができ、水の排出が酸素の透過を阻害するのを抑制できる。したがって、この実施形態によれば、酸化剤電極４へ酸素を効率良く供給できると共に酸化剤電極４の近傍から水を排出できて、出力の向上を図れる。
【００４８】
なお、上記実施形態では、酸素透過層５を構成する酸素透過性を有する材料としてＣｅＯ２(酸化セリウム)の結晶構造を有するセリアを用いたが、上記酸素透過性を有する材料としてはセリアとジルコニアの固溶体を用いてもよい。ＣｅＯ２−ＺｒＯ２またはＣｅ１−ＸＺｒＸＯ２は、ＣｅＯ２結晶と同様に、酸素透過性を有している。よって、酸素透過層５をセリアとジルコニアの固溶体を含む材料で作製した場合も、上記実施形態と同様の効果が得られる。さらに、セリアとジルコニアの固溶比率を変えることによって、上記固溶体の格子定数が変わり、酸素透過性能を変えることが可能であるから、燃料電池の動作状況に合わせて酸素透過性の異なる酸素透過層５が得られる。
【００４９】
また、上記セリアを含む材料またはセリアとジルコニアの固溶体を含む材料で作製した酸素透過層５において、上記酸素透過層５の粒構造が柱状構造である場合は、酸化剤流路１２から酸化剤電極４への酸素の供給、および、酸化剤電極４近傍から拡散層８への水の排出をより効率良く行うことが可能となる。
【００５０】
さらに、上記セリアを含む材料またはセリアとジルコニアの固溶体を含む材料で作製した粒構造が柱状構造である酸素透過層５において、この柱状構造の平均的な粒サイズが５ｎｍ以上にすれば、酸化剤流路１２から上記柱状構造の酸素透過層５を通して酸化剤電極４へ酸素を効率的に供給できる。なお、上記酸素透過層５の柱状構造の平均的な粒サイズが５ｎｍを下回る場合には、酸素透過層５による酸素の透過性能が著しく低下する。
【００５１】
また、上記酸素透過層５の柱状構造の平均的な粒サイズを１０００ｎｍ以下にすれば、水の排出性能を著しく低下させることなく、酸素の透過性能を確保できる。なお、上記酸素透過層５の柱状構造の平均的な粒サイズが１０００ｎｍを上回る場合には、酸素透過層５による酸素の透過性能に対する水の排出性能が著しく低下する。
【００５２】
また、上記柱状構造の酸素透過層５の層厚が５０００ｎｍ以下である場合は、酸化剤流路１２から酸素透過層５を通して酸化剤電極４へ酸素を効率的に供給できる。なお、上記酸素透過層５の層厚が５０００ｎｍを超える場合には酸素の透過性能に比べて水の排出性能が著しく低下する。
【００５３】
また、上記酸素透過層５の上記柱状構造の結晶成長方位が<１００>を含む場合は、上記酸素透過層５の結晶構造が均質になるので、均一な酸素透過性能が得られる。また、上記酸素透過層５の上記柱状構造の結晶成長方位が<１１１>を含む場合は、上記酸素透過層５の上記柱状構造の結晶成長方位が＜１００＞単一配向である場合に比べて、上記酸素透過層５のうちのセリア層の粒界比率を高めることができる。よって、この酸素透過層５を通して酸素を酸化剤電極４へより効率よく供給できる。また、上記酸素透過層５の上記柱状構造の結晶成長方位が<１１０>を含む場合は、上記酸素透過層５の上記柱状構造の結晶成長方位が＜１００＞配向である場合と比較して、酸素透過面を大きく確保することができる。
【００５４】
次に、図３Ａ〜図３Ｄ、図４Ａ〜図４Ｃを順に参照して、上記実施形態の燃料電池の製造方法の一例を説明する。
【００５５】
まず、図３Ａに示すように、下地基板２０としては、例えば、イットリウム安定化ジルコニア基板(以下、ＹＳＺ基板という)を用いる。このＹＳＺ基板は、耐熱性に優れているので、厚さが５０μｍ程度であっても、下地基板２０上にセリア、あるいはセリアとジルコニアとの固溶体のような材料を高温で成膜することが可能となる。この下地基板２０上に、公知のスパッタ法によって酸化剤電極としてのルテニウム酸化膜２４を形成する。このルテニウム酸化膜２４は、導電性であると共に耐熱性に優れているので、セリア、あるいはセリアとジルコニアとの固溶体のような高温で成膜する材料の下地としての役割も果たす。
【００５６】
次に、図３Ｂに示すように、ルテニウム酸化膜２４の表面全体に、例えば、公知のパルスレーザー堆積法(以下、ＰＬＤ法という)により酸素透過性を有する材料から成る薄膜層(酸素透過層)として３００ｎｍのセリア層２５を形成する。このセリア層２５を形成する時の成膜チャンバー内の酸素圧力を７Ｐａ以上に保つことにより、柱状構造のＣｅＯ２を有するセリア層２５が得られる。これにより、セリア層２５の結晶粒および粒界を膜厚方向に貫く構造にできるので、酸素の供給と水の排出とを上述のように効率良く行うことが可能となる。また、上記セリア層２５の形成時の圧力を低くすることにより、柱状構造のＣｅＯ２結晶の粒サイズをさらに小さくすることができるが、平均粒サイズは５ｎｍ以上が好ましい。その理由は、柱状構造のＣｅＯ２結晶の平均粒サイズが５ｎｍを下回ると、粒界の比率が大きくなり過ぎて、酸素の透過性能が低下してしまうからである。
【００５７】
一方、上記セリア層２５の形成時の圧力を高くすることにより、柱状構造のＣｅＯ２結晶の平均の粒サイズを大きくすることができるが、上記柱状構造のＣｅＯ２結晶の平均粒サイズは、５０００ｎｍ以下であることが好ましい。その理由は、上記柱状構造のＣｅＯ２結晶の平均粒サイズが５０００ｎｍを超えると、粒界の比率が小さくなり過ぎて酸素の透過能に比べて、水の排出性能が低下しまうからである。なお、上記柱状構造のＣｅＯ２結晶の平均粒サイズが、１０００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００５８】
また、セリア層２５を形成する時の成膜チャンバー内の酸素圧力を１２Ｐａに保つことが好ましい。この場合、ＣｅＯ２結晶の粒サイズは１０ｎｍ程度で粒界を緻密に分布させることができる。なお、ここでは、柱状構造のセリア層２５の成膜厚さを、３００ｎｍとしているが、成膜厚さはこれに限るものではない。しかし、柱状構造のセリア層２５の厚さが５０００ｎｍを超えると、粒界が長くなり、酸素の透過性能に比べて水の排出効率が著しく低下するので、セリア層２５の厚さを５０００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００５９】
こうして、セリア層２５を形成した後、図３Ｃに示すように、公知のフォトリソグラフィー法により、ＹＳＺ基板である下地基板２０の裏面をパターニングし、下地基板２０の裏面２０Ａからエッチングしてルテニウム酸化膜２４の裏面２４Ａを露出させる。次に、図３Ｄに示すように、この露出したルテニウム酸化膜２４の裏面２４Ａ上に電解質膜２３としての陽イオン交換高分子膜を形成する。
【００６０】
次に、図４Ａに示すように、この電解質膜２３の表面に燃料電極２２としてのＡｕ層を形成する。
【００６１】
次に、図４Ｂに示すように、このようにして作製した燃料電極２２,電解質膜２３,酸化剤電極２４およびセリア層２５で構成される積層基板の両側面に、燃料供給用の拡散層２７および酸化剤供給用の拡散層２８を接合する。次に、図４Ｃに示すように、上記拡散層２７,２８を接合した積層基板を挟むように、流路板２１および２６を接合する。
【００６２】
これにより、図１に示す実施形態と実質的に同じ構造の燃料電池を製造することができる。
【００６３】
なお、上記燃料電池の製造方法では、酸化剤供給用のガス拡散層２８をセリア層２５に接合したが、この実施形態では、セリア層の粒サイズが十分小さいので、拡散層２８を省くこともできる。
【００６４】
また、上記燃料電池の製造方法において、(１００)面のＹＳＺ単結晶基板を下地基板２０として用い、＜１００＞配向したルテニウム酸化膜２４上に、セリアを成膜温度５００℃以上で形成することによって、＜１００＞に単一配向したセリア層２５が得られる。セリア層２５を、＜１００＞に単一配向させた場合、結晶構造が均質なため、均一な酸素透過性能が得られる。
【００６５】
また、＜１００＞配向したルテニウム酸化膜２４上にセリアを成膜温度５００℃以下で形成した場合、＜１００＞、＜１１０＞、＜１１１＞配向の混在したセリア層２５が得られる。これにより、＜１００＞に単一配向させた場合に比べてセリア層２５の粒界比率を高めることができる。
【００６６】
また、多結晶のＹＳＺ基板(イットリウム安定化ジルコニア基板)上では、＜１１１＞に優先配向したルテニウム酸化膜２４が得られるので、このルテニウム酸化膜２４上に形成されるセリア層２５を、＜１１１＞に優先配向させることができる。セリア層２５を＜１１１＞に優先配向させた場合、セリア層２５の表面に凹凸が形成されるので、同じ面積の＜１００＞配向させたセリア層と比較して酸素透過面を大きく確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】この発明の燃料電池の実施形態の構造を説明する概略図である。
【図２】上記実施形態の酸素透過層５において酸素と水が透過する様子を説明する概略模式図である。
【図３Ａ】上記実施形態の燃料電池の作製工程を説明する概略図である。
【図３Ｂ】上記実施形態の燃料電池の作製工程を説明する概略図である。
【図３Ｃ】上記実施形態の燃料電池の作製工程を説明する概略図である。
【図３Ｄ】上記実施形態の燃料電池の作製工程を説明する概略図である。
【図４Ａ】上記実施形態の燃料電池の作製工程を説明する概略図である。
【図４Ｂ】上記実施形態の燃料電池の作製工程を説明する概略図である。
【図４Ｃ】上記実施形態の燃料電池の作製工程を説明する概略図である。
【図５】従来例の燃料電池の構造を説明する概略図である。
【符号の説明】
【００６８】
１ 燃料流路板
２ 燃料電極
３ 電解質膜
４ 酸化剤電極
５ 酸素透過層
６ 酸化剤流路板
７ 燃料供給用の拡散層
８ 酸化剤供給用の拡散層
１１ 燃料流路
１２ 酸化剤流路
２０ 下地基板
２１ 燃料流路板
２２ 燃料電極
２３ 電解質膜
２４ ルテニウム酸化膜
２５ セリア層
２６ 酸化剤流路板
２７ 燃料供給用の拡散層
２８ 酸化剤供給用の拡散層
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電極、電解質膜、および酸化剤電極を有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素含有ガスまたは有機アルコール等と、酸素を含むガスとを電極に供給して、発電を行う発電機である。水素は電極上で酸化され、水素イオンは電解質を伝導し、酸化剤電極側に移動する。酸化剤電極側では、供給された酸素と移動してきた水素イオンが反応して水を生成する。また、電子は外部回路を流通することにより、電気エネルギーを生成する。
【０００３】
燃料電池は、発電による排出物の環境に対する負荷が少なく、クリーンな発電システムとして注目されている。燃料電池のうち、電解質として水素イオン導電体を有する固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池は、現在、宇宙用や車両用等の移動用電源としての用途が提案されている。
【０００４】
図５に示す従来例の燃料電池は、例えば、特開２００３−８６１９２号公報(特許文献１)に開示されるような固体高分子型燃料電池である。この燃料電池は、燃料電極１１０と、酸化剤電極１１１と、この燃料電極１１０と酸化剤電極１１１とに挟まれた電解質膜１１２とで構成した発電素子１１３を有する。
【０００５】
この発電素子１１３の両側の面にそれぞれ流路板１１６,１１７を配置して、発電素子１１３の両側に燃料流路１１４,酸化剤流路１１５を形成している。 図５に示すような固体高分子型燃料電池に用いる高分子電解質膜１１２は、膜内に水を含有することによって高いプロトン導伝性を示す。このため、電解質膜１１２がプロトン導伝性を維持するためには、電解質膜１１２が水を含有している必要がある。
【０００６】
しかし、発電素子１１３の発電反応によって生成された水が酸化剤電極１１１の近傍に留まると、酸化剤電極１１１への酸素の供給が妨げられる。よって、酸化剤電極１１１の近傍の水は速やかに排出しなければならない。
【０００７】
そこで、この従来例では、図５に示すように、酸化剤電極１１１と酸化剤流路１１５とに挟まれたガス拡散層１１９を有し、このガス拡散層１１９を通して、酸化剤流路１１５から酸化剤電極１１１への酸素の供給と、酸化剤電極１１１の近傍から酸化剤流路１１５への水の排出とを行っている。なお、このガス拡散層１１９は、カーボン繊維などの多孔質材料によって形成される。
【０００８】
ところが、図５に示す従来例の燃料電池では、酸化剤電極１１１の近傍の水がガス拡散層１１９を通して酸化剤流路１１５に排出されることに起因して、酸化剤流路１１５からガス拡散層１１９を経由する酸化剤電極１１１への酸素の供給が阻害される。このため、燃料電池の出力低下を招き、酸化剤流路１１５への酸化剤の供給量を増加させても、燃料電池の出力が向上しないという問題が生じる。
【特許文献１】特開２００３−８６１９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、この発明の課題は、酸化剤電極へ酸素を効率良く供給できると共に酸化剤電極の近傍から水を排出できて、出力の向上を図れる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、この発明の燃料電池は、液体燃料が供給されると共にこの液体燃料から陽イオンと電子を生成する燃料電極と、
上記燃料電極に対向するように配置されると共に上記燃料電極からの陽イオンが透過する電解質膜と、
酸化剤が供給されると共に上記電解質膜に対向するように配置され、上記電解質膜を透過した上記陽イオンと上記酸化剤とを反応させる酸化剤極とを備え、
上記燃料電極に対向するように配置されると共に上記燃料電極に上記液体燃料を供給する第１の流路を形成する第１の流路板と、
上記酸化剤電極に対向するように配置されると共に上記酸化剤電極に上記酸化剤を供給する第２の流路を形成する第２の流路板と、
上記酸化剤電極と上記第２の流路板との間に配置されると共に酸素透過性を有する材料で作製された酸素透過層とを備えることを特徴としている。
【００１１】
この発明の燃料電池によれば、上記酸化剤電極と上記第２の流路板との間に配置した酸素透過層が酸素透過性を有する材料で作製されている。よって、第２の流路から上記酸素透過層を通して酸化剤電極へ酸素を効率よく供給できると共に、酸化剤電極付近の水を上記酸素透過層を通して排出することができる。
【００１２】
また、一実施形態の燃料電池は、上記酸素透過性を有する材料が、少なくともセリアを含む。
【００１３】
この実施形態の燃料電池によれば、この酸素透過層を構成するセリア(酸化セリウム(ＣｅＯ２))を含む材料の粒構造を通して、酸化剤電極へ酸素をより効率よく供給できる。また、上記酸素透過層の上記セリアを含む材料の粒界を通して酸化剤電極付近の水を排出できる。よって、この酸素透過層によれば、酸素の透過経路と水の排出経路とを分けることができ、水の排出が酸素の透過を阻害するのを抑制できる。
【００１４】
また、一実施形態の燃料電池は、上記酸素透過性を有する材料が、少なくともセリアとジルコニアとの固溶体を含む。
【００１５】
この実施形態の燃料電池によれば、セリア(酸化セリウム(ＣｅＯ２))とジルコニア(ＺｒＯ２)との固溶体を含む材料で上記酸素透過層を作製したので、この酸素透過層を通して酸化剤電極へ酸素をより効率よく供給できる。
【００１６】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸素透過層の粒構造が、柱状構造である。
【００１７】
この実施形態の燃料電池によれば、上記酸素透過層の粒構造が柱状構造であるので、第２の流路から酸化剤電極への酸素の供給、および、酸化剤電極近傍からの水の排出を効率良く行うことが可能となる。
【００１８】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸素透過層の柱状構造の平均粒サイズが、５ｎｍ以上である。
【００１９】
この実施形態の燃料電池によれば、上記酸素透過層の柱状構造の平均的な粒サイズが５ｎｍ以上であるので、第２の流路から上記柱状構造の酸素透過層を通して酸化剤電極へ酸素を効率的に供給できる。なお、上記酸素透過層の柱状構造の平均粒サイズが５ｎｍを下回る場合には、酸素透過層による酸素の透過性能が著しく低下する。
【００２０】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸素透過層の柱状構造の平均粒サイズが、１０００ｎｍ以下である。
【００２１】
この実施形態の燃料電池によれば、上記酸素透過層の柱状構造の平均粒サイズが１０００ｎｍ以下であるので、水の排出性能を著しく低下させることなく、酸素の透過性能を確保できる。なお、上記酸素透過層の柱状構造の平均的な粒サイズが１０００ｎｍを上回る場合には、酸素透過層による酸素の透過性能に対する水の排出性能が著しく低下する。
【００２２】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸素透過層の層厚が、５０ｎｍ以上、かつ、５０００ｎｍ以下である。
【００２３】
この実施形態の燃料電池によれば、上記酸素透過層の層厚が５０００ｎｍ以下であるので、第２の流路から上記柱状構造の酸素透過層を通して酸化剤電極へ酸素を効率的に供給できる。なお、上記酸素透過層の層厚が５０００ｎｍを超える場合には酸素の透過性能に比べて水の排出性能が著しく低下する。上記酸素透過層の層厚が５０ｎｍを下回る場合には所望の柱状構造の層を得るのが困難となる。
【００２４】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸素透過層の上記柱状構造の結晶成長方位が<１００>を含む。
【００２５】
この実施形態の燃料電池によれば、上記酸素透過層の結晶構造が均質になるので、均一な酸素透過性能が得られる。
【００２６】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸素透過層の上記柱状構造の結晶成長方位が<１１０>および<１１１>を含む。
【００２７】
この実施形態の燃料電池によれば、上記酸素透過層の上記柱状構造の結晶成長方位が＜１００＞単一配向である場合に比べて、上記酸素透過層のうちのセリア層の粒界比率を高めることができる。よって、この酸素透過層を通して酸素を酸化剤電極へより効率よく供給できる。
【００２８】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸素透過層の上記柱状構造の結晶成長方位が<１１１>を含む。
【００２９】
この実施形態の燃料電池によれば、酸素透過層の柱状構造の結晶成長方位が＜１００＞配向である場合と比較して、酸素透過面を大きく確保することができる。
【００３０】
また、一実施形態の燃料電池では、上記発電素子を形成する基板が、イットリウム安定化ジルコニア基板である。
【００３１】
この実施形態の燃料電池によれば、上記発電素子を形成する基板を、例えば厚さが５０μｍ程度の薄膜基板とし、この薄膜基板上にセリア(あるいはセリアとジルコニアとの固溶体)を材料として酸素透過層を高温で成膜することが可能となる。
【００３２】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸化剤電極が、ルテニウム酸化膜である。
【００３３】
この実施形態の燃料電池によれば、上記酸化剤電極を、酸素透過層を作製する材料としてのセリア(あるいはセリアとジルコニアとの固溶体)のように高温で成膜する材料の下地としても使用することができる。
【発明の効果】
【００３４】
この発明の燃料電池によれば、酸化剤電極と第２の流路板との間に配置した酸素透過層が酸素透過性を有する材料で作製されている。よって、第２の流路から酸素透過層を通して酸化剤電極へ酸素を効率よく供給できると共に、酸素透過層を通して酸化剤電極付近の水を排出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３６】
図１は、この発明の燃料電池の実施形態の層構造を示す断面図である。この実施形態は、燃料電極２と、燃料電極２に対向するように配置された電解質膜３と、燃料電極２の反対側で電解質膜３に対向するように配置された酸化剤電極４を備える。燃料電極２と電解質膜３と酸化剤電極４とが発電素子を構成している。また、この燃料電池は、燃料電極２に対向するように配置されると共に燃料電極２に液体燃料を供給する燃料流路１１を形成する燃料流路板１を有する。この燃料流路板１が第１の流路板であり、燃料流路１１が第１の流路である。
【００３７】
上記燃料電極２は、金属触媒を含む樹脂層で作製される。この金属触媒としては、一例として白金−ルテニウム合金などが用いられるが、その他に、白金と金、白金とオスミウム、白金とロジウムなどの合金を用いることができる。また、燃料電極２の樹脂層としては、例えば、パーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂が用いられる。
【００３８】
また、電解質膜３の材質としては、例えば、プロトン伝導性の耐熱耐酸性の材料であれば有機材料、無機材料を問わないが、ここでは、有機系の含フッ素高分子を骨格とするスルホン酸基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン１１７(デュポン社製)(登録商標))を用いている。また、電解質膜３はプロトン伝導性の機能を有すればよく、他の基材に電解質膜を埋め込んだものであってもよい。
【００３９】
また、燃料流路板１としては、金属、シリコン基板、ガラス基板、樹脂基板など液体燃料に対する透過性の無い基板が使用可能であるが、ここでは微細加工を施したニッケル板を用いている。
【００４０】
そして、この燃料流路板１と燃料電極２との間に拡散層７が配置されている。この拡散層７としては、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属などの多孔質材を用いることができる。
【００４１】
また、この燃料電池は、上記酸化剤電極４に対向するように配置されると共に酸化剤電極４に酸化剤を供給する酸化剤流路１２を形成する酸化剤流路板６を有する。この酸化剤流路板６が第２の流路板であり、酸化剤流路１２が第２の流路である。そして、この酸化剤流路板６と酸化剤電極４との間に拡散層８が配置されている。
【００４２】
この拡散層８としては、燃料電極２側の拡散層７と同様に、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属などの多孔質材を用いることができる。また、酸化剤電極４は、燃料電極２と同様に、金属触媒を含む樹脂層で作製される。
【００４３】
さらに、この実施形態は、酸化剤電極４と拡散層８との間に配置されると共に酸素透過性を有する材料で作製された酸素透過層５を備える。この実施形態では、酸素透過層５を作製する酸素透過性を有する材料の一例として、セリア(酸化セリウム)を含む材料を用いた。このセリアの代表的な組成はＣｅＯ２であるが、ＣｅＯ２結晶はその結晶構造内を酸素が透過する性質を有する。参考文献(R&D Review of Toyota CRDL Vol. ３７ No.４ pp.１−５)に示されるように、ＣｅＯ２結晶は酸素を高濃度側から吸収し、低濃度側へ吸蔵した酸素を放出する性質を有することが分かっている。
【００４４】
この実施形態に示すように、酸素透過層５を構成する酸素透過性を有する材料としてセリアを含む材料を用いることにより、酸素透過層５は酸素濃度の高い酸化剤流路１２側から結晶中に酸素を取り込むと共に、酸素濃度の低い酸化剤電極４側へ酸素を効率よく供給することができる。
【００４５】
この実施形態の燃料電池では、例えばメタノールと水との混合物が液体燃料として燃料流路１１内に供給される。この液体燃料は、燃料流路１１から燃料電極２に隣接する拡散層７に供給され、拡散層７内を拡散し浸透して燃料電極２に達して反応し、陽イオン(Ｈ＋)と電子および排出ガスとしての二酸化炭素が生成する。陽イオン(Ｈ＋)は、電解質膜３を経由して、酸化剤極４に至る。一方、上記電子は、燃料電極２から外部回路(図示せず)を経由して、酸化剤電極４に導かれる。また、燃料電極２で生成した二酸化炭素は、拡散層７内を拡散して、排出口(図示せず)から排出される。
【００４６】
一方、酸化剤流路１２から導入された酸化剤の一例としての酸素は、拡散層８内に拡散し、図２に例示するように、酸素透過層５のセリアを含む材料内を透過して、酸化剤電極４へ供給される。上記酸素は、酸化剤電極４において燃料電極２からの陽イオン(Ｈ＋)および電子と反応して水が生成する。この水は、図２に例示するように、酸素透過層５のセリアを含む材料の粒界を通して拡散し、拡散層８内を拡散し、排出口(図示せず)から排出される。
【００４７】
このように、この実施形態によれば、酸素透過層５における酸素の透過経路と水の排出経路とを分けることができ、水の排出が酸素の透過を阻害するのを抑制できる。したがって、この実施形態によれば、酸化剤電極４へ酸素を効率良く供給できると共に酸化剤電極４の近傍から水を排出できて、出力の向上を図れる。
【００４８】
なお、上記実施形態では、酸素透過層５を構成する酸素透過性を有する材料としてＣｅＯ２(酸化セリウム)の結晶構造を有するセリアを用いたが、上記酸素透過性を有する材料としてはセリアとジルコニアの固溶体を用いてもよい。ＣｅＯ２−ＺｒＯ２またはＣｅ１−ＸＺｒＸＯ２は、ＣｅＯ２結晶と同様に、酸素透過性を有している。よって、酸素透過層５をセリアとジルコニアの固溶体を含む材料で作製した場合も、上記実施形態と同様の効果が得られる。さらに、セリアとジルコニアの固溶比率を変えることによって、上記固溶体の格子定数が変わり、酸素透過性能を変えることが可能であるから、燃料電池の動作状況に合わせて酸素透過性の異なる酸素透過層５が得られる。
【００４９】
また、上記セリアを含む材料またはセリアとジルコニアの固溶体を含む材料で作製した酸素透過層５において、上記酸素透過層５の粒構造が柱状構造である場合は、酸化剤流路１２から酸化剤電極４への酸素の供給、および、酸化剤電極４近傍から拡散層８への水の排出をより効率良く行うことが可能となる。
【００５０】
さらに、上記セリアを含む材料またはセリアとジルコニアの固溶体を含む材料で作製した粒構造が柱状構造である酸素透過層５において、この柱状構造の平均的な粒サイズが５ｎｍ以上にすれば、酸化剤流路１２から上記柱状構造の酸素透過層５を通して酸化剤電極４へ酸素を効率的に供給できる。なお、上記酸素透過層５の柱状構造の平均的な粒サイズが５ｎｍを下回る場合には、酸素透過層５による酸素の透過性能が著しく低下する。
【００５１】
また、上記酸素透過層５の柱状構造の平均的な粒サイズを１０００ｎｍ以下にすれば、水の排出性能を著しく低下させることなく、酸素の透過性能を確保できる。なお、上記酸素透過層５の柱状構造の平均的な粒サイズが１０００ｎｍを上回る場合には、酸素透過層５による酸素の透過性能に対する水の排出性能が著しく低下する。
【００５２】
また、上記柱状構造の酸素透過層５の層厚が５０００ｎｍ以下である場合は、酸化剤流路１２から酸素透過層５を通して酸化剤電極４へ酸素を効率的に供給できる。なお、上記酸素透過層５の層厚が５０００ｎｍを超える場合には酸素の透過性能に比べて水の排出性能が著しく低下する。
【００５３】
また、上記酸素透過層５の上記柱状構造の結晶成長方位が<１００>を含む場合は、上記酸素透過層５の結晶構造が均質になるので、均一な酸素透過性能が得られる。また、上記酸素透過層５の上記柱状構造の結晶成長方位が<１１１>を含む場合は、上記酸素透過層５の上記柱状構造の結晶成長方位が＜１００＞単一配向である場合に比べて、上記酸素透過層５のうちのセリア層の粒界比率を高めることができる。よって、この酸素透過層５を通して酸素を酸化剤電極４へより効率よく供給できる。また、上記酸素透過層５の上記柱状構造の結晶成長方位が<１１０>を含む場合は、上記酸素透過層５の上記柱状構造の結晶成長方位が＜１００＞配向である場合と比較して、酸素透過面を大きく確保することができる。
【００５４】
次に、図３Ａ〜図３Ｄ、図４Ａ〜図４Ｃを順に参照して、上記実施形態の燃料電池の製造方法の一例を説明する。
【００５５】
まず、図３Ａに示すように、下地基板２０としては、例えば、イットリウム安定化ジルコニア基板(以下、ＹＳＺ基板という)を用いる。このＹＳＺ基板は、耐熱性に優れているので、厚さが５０μｍ程度であっても、下地基板２０上にセリア、あるいはセリアとジルコニアとの固溶体のような材料を高温で成膜することが可能となる。この下地基板２０上に、公知のスパッタ法によって酸化剤電極としてのルテニウム酸化膜２４を形成する。このルテニウム酸化膜２４は、導電性であると共に耐熱性に優れているので、セリア、あるいはセリアとジルコニアとの固溶体のような高温で成膜する材料の下地としての役割も果たす。
【００５６】
次に、図３Ｂに示すように、ルテニウム酸化膜２４の表面全体に、例えば、公知のパルスレーザー堆積法(以下、ＰＬＤ法という)により酸素透過性を有する材料から成る薄膜層(酸素透過層)として３００ｎｍのセリア層２５を形成する。このセリア層２５を形成する時の成膜チャンバー内の酸素圧力を７Ｐａ以上に保つことにより、柱状構造のＣｅＯ２を有するセリア層２５が得られる。これにより、セリア層２５の結晶粒および粒界を膜厚方向に貫く構造にできるので、酸素の供給と水の排出とを上述のように効率良く行うことが可能となる。また、上記セリア層２５の形成時の圧力を低くすることにより、柱状構造のＣｅＯ２結晶の粒サイズをさらに小さくすることができるが、平均粒サイズは５ｎｍ以上が好ましい。その理由は、柱状構造のＣｅＯ２結晶の平均粒サイズが５ｎｍを下回ると、粒界の比率が大きくなり過ぎて、酸素の透過性能が低下してしまうからである。
【００５７】
一方、上記セリア層２５の形成時の圧力を高くすることにより、柱状構造のＣｅＯ２結晶の平均の粒サイズを大きくすることができるが、上記柱状構造のＣｅＯ２結晶の平均粒サイズは、５０００ｎｍ以下であることが好ましい。その理由は、上記柱状構造のＣｅＯ２結晶の平均粒サイズが５０００ｎｍを超えると、粒界の比率が小さくなり過ぎて酸素の透過能に比べて、水の排出性能が低下しまうからである。なお、上記柱状構造のＣｅＯ２結晶の平均粒サイズが、１０００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００５８】
また、セリア層２５を形成する時の成膜チャンバー内の酸素圧力を１２Ｐａに保つことが好ましい。この場合、ＣｅＯ２結晶の粒サイズは１０ｎｍ程度で粒界を緻密に分布させることができる。なお、ここでは、柱状構造のセリア層２５の成膜厚さを、３００ｎｍとしているが、成膜厚さはこれに限るものではない。しかし、柱状構造のセリア層２５の厚さが５０００ｎｍを超えると、粒界が長くなり、酸素の透過性能に比べて水の排出効率が著しく低下するので、セリア層２５の厚さを５０００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００５９】
こうして、セリア層２５を形成した後、図３Ｃに示すように、公知のフォトリソグラフィー法により、ＹＳＺ基板である下地基板２０の裏面をパターニングし、下地基板２０の裏面２０Ａからエッチングしてルテニウム酸化膜２４の裏面２４Ａを露出させる。次に、図３Ｄに示すように、この露出したルテニウム酸化膜２４の裏面２４Ａ上に電解質膜２３としての陽イオン交換高分子膜を形成する。
【００６０】
次に、図４Ａに示すように、この電解質膜２３の表面に燃料電極２２としてのＡｕ層を形成する。
【００６１】
次に、図４Ｂに示すように、このようにして作製した燃料電極２２,電解質膜２３,酸化剤電極２４およびセリア層２５で構成される積層基板の両側面に、燃料供給用の拡散層２７および酸化剤供給用の拡散層２８を接合する。次に、図４Ｃに示すように、上記拡散層２７,２８を接合した積層基板を挟むように、流路板２１および２６を接合する。
【００６２】
これにより、図１に示す実施形態と実質的に同じ構造の燃料電池を製造することができる。
【００６３】
なお、上記燃料電池の製造方法では、酸化剤供給用のガス拡散層２８をセリア層２５に接合したが、この実施形態では、セリア層の粒サイズが十分小さいので、拡散層２８を省くこともできる。
【００６４】
また、上記燃料電池の製造方法において、(１００)面のＹＳＺ単結晶基板を下地基板２０として用い、＜１００＞配向したルテニウム酸化膜２４上に、セリアを成膜温度５００℃以上で形成することによって、＜１００＞に単一配向したセリア層２５が得られる。セリア層２５を、＜１００＞に単一配向させた場合、結晶構造が均質なため、均一な酸素透過性能が得られる。
【００６５】
また、＜１００＞配向したルテニウム酸化膜２４上にセリアを成膜温度５００℃以下で形成した場合、＜１００＞、＜１１０＞、＜１１１＞配向の混在したセリア層２５が得られる。これにより、＜１００＞に単一配向させた場合に比べてセリア層２５の粒界比率を高めることができる。
【００６６】
また、多結晶のＹＳＺ基板(イットリウム安定化ジルコニア基板)上では、＜１１１＞に優先配向したルテニウム酸化膜２４が得られるので、このルテニウム酸化膜２４上に形成されるセリア層２５を、＜１１１＞に優先配向させることができる。セリア層２５を＜１１１＞に優先配向させた場合、セリア層２５の表面に凹凸が形成されるので、同じ面積の＜１００＞配向させたセリア層と比較して酸素透過面を大きく確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】この発明の燃料電池の実施形態の構造を説明する概略図である。
【図２】上記実施形態の酸素透過層５において酸素と水が透過する様子を説明する概略模式図である。
【図３Ａ】上記実施形態の燃料電池の作製工程を説明する概略図である。
【図３Ｂ】上記実施形態の燃料電池の作製工程を説明する概略図である。
【図３Ｃ】上記実施形態の燃料電池の作製工程を説明する概略図である。
【図３Ｄ】上記実施形態の燃料電池の作製工程を説明する概略図である。
【図４Ａ】上記実施形態の燃料電池の作製工程を説明する概略図である。
【図４Ｂ】上記実施形態の燃料電池の作製工程を説明する概略図である。
【図４Ｃ】上記実施形態の燃料電池の作製工程を説明する概略図である。
【図５】従来例の燃料電池の構造を説明する概略図である。
【符号の説明】
【００６８】
１ 燃料流路板
２ 燃料電極
３ 電解質膜
４ 酸化剤電極
５ 酸素透過層
６ 酸化剤流路板
７ 燃料供給用の拡散層
８ 酸化剤供給用の拡散層
１１ 燃料流路
１２ 酸化剤流路
２０ 下地基板
２１ 燃料流路板
２２ 燃料電極
２３ 電解質膜
２４ ルテニウム酸化膜
２５ セリア層
２６ 酸化剤流路板
２７ 燃料供給用の拡散層
２８ 酸化剤供給用の拡散層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料が供給されると共にこの液体燃料から陽イオンと電子を生成する燃料電極と、
上記燃料電極に対向するように配置されると共に上記燃料電極からの陽イオンが透過する電解質膜と、
酸化剤が供給されると共に上記電解質膜に対向するように配置され、上記電解質膜を透過した上記陽イオンと上記酸化剤とを反応させる酸化剤極と、
上記燃料電極に対向するように配置されると共に上記燃料電極に上記液体燃料を供給する第１の流路を形成する第１の流路板と、
上記酸化剤電極に対向するように配置されると共に上記酸化剤電極に上記酸化剤を供給する第２の流路を形成する第２の流路板と、
上記酸化剤電極と上記第２の流路板との間に配置されると共に酸素透過性を有する材料で作製された酸素透過層とを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
上記酸素透過性を有する材料が、少なくともセリアを含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池において、
上記酸素透過性を有する材料が、少なくともセリアとジルコニアとの固溶体を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項２または３に記載の燃料電池において、
上記酸素透過層の粒構造が、柱状構造であることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池において、
上記酸素透過層の柱状構造の平均粒サイズが、５ｎｍ以上であることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項４または５に記載の燃料電池において、
上記酸素透過層の柱状構造の平均粒サイズが、１０００ｎｍ以下であることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池において、
上記酸素透過層の層厚が、５０００ｎｍ以下、かつ、５０ｎｍ以上であることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項４に記載の燃料電池において、
上記酸素透過層の上記柱状構造の結晶成長方位が<１００>を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項４に記載の燃料電池において、
上記酸素透過層の上記柱状構造の結晶成長方位が<１１０>および<１１１>を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項４に記載の燃料電池において、
上記酸素透過層の上記柱状構造の結晶成長方位が<１１１>を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項２に記載の燃料電池において、
上記発電素子を形成する基板が、イットリウム安定化ジルコニア基板であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項２に記載の燃料電池において、
上記酸化剤電極が、ルテニウム酸化膜であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
液体燃料が供給されると共にこの液体燃料から陽イオンと電子を生成する燃料電極と、
上記燃料電極に対向するように配置されると共に上記燃料電極からの陽イオンが透過する電解質膜と、
酸化剤が供給されると共に上記電解質膜に対向するように配置され、上記電解質膜を透過した上記陽イオンと上記酸化剤とを反応させる酸化剤極と、
上記燃料電極に対向するように配置されると共に上記燃料電極に上記液体燃料を供給する第１の流路を形成する第１の流路板と、
上記酸化剤電極に対向するように配置されると共に上記酸化剤電極に上記酸化剤を供給する第２の流路を形成する第２の流路板と、
上記酸化剤電極と上記第２の流路板との間に配置されると共に酸素透過性を有する材料で作製された酸素透過層とを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
上記酸素透過性を有する材料が、少なくともセリアを含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池において、
上記酸素透過性を有する材料が、少なくともセリアとジルコニアとの固溶体を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項２または３に記載の燃料電池において、
上記酸素透過層の粒構造が、柱状構造であることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池において、
上記酸素透過層の柱状構造の平均粒サイズが、５ｎｍ以上であることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項４または５に記載の燃料電池において、
上記酸素透過層の柱状構造の平均粒サイズが、１０００ｎｍ以下であることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池において、
上記酸素透過層の層厚が、５０００ｎｍ以下、かつ、５０ｎｍ以上であることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項４に記載の燃料電池において、
上記酸素透過層の上記柱状構造の結晶成長方位が<１００>を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項４に記載の燃料電池において、
上記酸素透過層の上記柱状構造の結晶成長方位が<１１０>および<１１１>を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項４に記載の燃料電池において、
上記酸素透過層の上記柱状構造の結晶成長方位が<１１１>を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項２に記載の燃料電池において、
上記発電素子を形成する基板が、イットリウム安定化ジルコニア基板であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項２に記載の燃料電池において、
上記酸化剤電極が、ルテニウム酸化膜であることを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【公開番号】特開２００８−３４２９０（Ｐ２００８−３４２９０Ａ）
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２０８０７９（Ｐ２００６−２０８０７９）
【出願日】平成１８年７月３１日（２００６．７．３１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月３１日（２００６．７．３１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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