JP6850837B2 - Fuel cell joints and fuel cells - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用接合体、及び燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell junction and a fuel cell.
アルカリ形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び固体高分子形燃料電池などの燃料電池は、電解質及び一対の電極を含んでいる。この燃料電池は、一方の電極に燃料が供給され、他方の電極に酸化剤が供給されることによって、発電する(例えば、特許文献1参照)。 Fuel cells such as alkaline fuel cells, solid oxide fuel cells, and polymer electrolyte fuel cells include an electrolyte and a pair of electrodes. This fuel cell generates electricity by supplying fuel to one electrode and an oxidizing agent to the other electrode (see, for example, Patent Document 1).
燃料電池の電極内において、酸化剤又は燃料を十分に拡散させることが好ましい。そこで、本発明は、電極内における酸化剤又は燃料の拡散性を向上させることを課題とする。 It is preferable to sufficiently diffuse the oxidant or fuel in the electrodes of the fuel cell. Therefore, it is an object of the present invention to improve the diffusibility of the oxidizing agent or the fuel in the electrode.
本発明の第1側面に係る燃料電池用接合体は、電解質と、第1電極と、第2電極と、複数の第1溝部とを備える。第1電極は、電解質の第1面側に配置される。第2電極は、電解質の第2面側に配置される。各第1溝部は、第1電極上において、第1方向に沿って延びる。 The fuel cell junction according to the first aspect of the present invention includes an electrolyte, a first electrode, a second electrode, and a plurality of first grooves. The first electrode is arranged on the first surface side of the electrolyte. The second electrode is arranged on the second surface side of the electrolyte. Each first groove extends along the first direction on the first electrode.
この構成によれば、第1電極上に複数の第1溝部が形成されているため、この複数の第1溝部を介して第1電極内に酸化剤又は燃料が進入し易くなる。この結果、第1電極内において酸化剤又は燃料が拡散しやすくなり、第1電極内における酸化剤又は燃料の拡散性を向上させることができる。また、各第1溝部は、第1方向に沿って延びている。すなわち、各第1溝部は、互いに同じ方向に沿って延びている。このため、例えば、第1方向を酸化剤又は燃料の供給方向と交差するように配置することによって、酸化剤又は燃料の拡散性をより向上させることができる。 According to this configuration, since a plurality of first groove portions are formed on the first electrode, the oxidizing agent or fuel easily enters the first electrode through the plurality of first groove portions. As a result, the oxidant or fuel is easily diffused in the first electrode, and the diffusibility of the oxidant or fuel in the first electrode can be improved. Further, each first groove portion extends along the first direction. That is, each first groove extends along the same direction as each other. Therefore, for example, by arranging the first direction so as to intersect the supply direction of the oxidant or fuel, the diffusibility of the oxidant or fuel can be further improved.
好ましくは、燃料電池用接合体は、複数の第2溝部をさらに備える。各第2溝部は、第2電極上において、第1方向に沿って延びる。 Preferably, the fuel cell junction further comprises a plurality of second grooves. Each second groove extends along the first direction on the second electrode.
好ましくは、第1溝部の数は、第2溝部の数よりも多い。 Preferably, the number of first grooves is greater than the number of second grooves.
好ましくは、第1電極は、カソードである。 Preferably, the first electrode is a cathode.
好ましくは、電解質は、多孔質基材と、イオン伝導体と、を有する。イオン伝導体は、多孔質基材に充填され、イオン伝導性を有する。 Preferably, the electrolyte has a porous substrate and an ionic conductor. The ionic conductor is packed in a porous substrate and has ionic conductivity.
好ましくは、電解質は、層状複水酸化物を含む。 Preferably, the electrolyte comprises a layered double hydroxide.
本発明の第2側面に係る燃料電池は、上記いずれかの燃料電池用接合体と、第1セパレータと、第2セパレータと、を備える。第1セパレータは、第1電極に酸化剤又は燃料を供給するための第1流路を有する。第2セパレータは、第2電極に燃料又は酸化剤を供給するための第2流路を有する。 The fuel cell according to the second aspect of the present invention includes any of the above-mentioned fuel cell joints, a first separator, and a second separator. The first separator has a first flow path for supplying an oxidizing agent or fuel to the first electrode. The second separator has a second flow path for supplying fuel or an oxidant to the second electrode.
好ましくは、平面視において、第1溝部は、第1流路と交差するように延びる。 Preferably, in plan view, the first groove extends so as to intersect the first flow path.
本発明によれば、電極内における酸化剤又は燃料の拡散性を向上させることができる。 According to the present invention, the diffusibility of the oxidizing agent or fuel in the electrode can be improved.
以下、本発明に係る燃料電池の一例として、水酸化物イオンをキャリアとするアルカリ形燃料電池(AFC)の一種である固体アルカリ形燃料電池100の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
Hereinafter, as an example of the fuel cell according to the present invention, an embodiment of a solid
(固体アルカリ形燃料電池100)
図1は、実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池100の構成を示す断面図である。固体アルカリ形燃料電池100は、燃料電池用接合体10と、第1セパレータ11と、第2セパレータ12と、を備えている。なお、本実施形態では、固体アルカリ形燃料電池100は1つの燃料電池用接合体10を有しているが、実際に使用する際は、複数の燃料電池用接合体10が第1及び第2セパレータ11、12を介してスタックされていることが好ましい。
(Solid alkaline fuel cell 100)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the solid
(第1及び第2セパレータ11、12)
第1及び第2セパレータ11、12は、燃料電池用接合体10を厚さ方向(z軸方向)の両側から挟むように配置されている。第1セパレータ11は、後述する燃料電池用接合体10のカソード2に酸素(O2)を含む酸化剤を供給するように構成されている。第1セパレータ11は、第1流路111を有している。第1流路111は、カソード2と対向している。この第1流路111には、酸素(O2)を含む酸化剤が供給される。
(1st and
The first and
第2セパレータ12は、後述する燃料電池用接合体10のアノード3に水素原子(H)を含む燃料を供給するように構成されている。第2セパレータ12は、第2流路121を有している。第2流路121は、後述する燃料電池用接合体10のアノード3と対向している。この第2流路121には、水素(H)を含む燃料が供給される。
The
複数の燃料電池用接合体10が第1及び第2セパレータ11,12を介してスタックされている場合は、第1セパレータ11は、第1流路111が形成される面とは反対側の面に第2流路が形成されている。また、第2セパレータ12は、第2流路121が形成される面とは反対側の面に第1流路が形成されている。
When a plurality of
第1セパレータ11と燃料電池用接合体10との間、及び第2セパレータ12と燃料電池用接合体10との間には、シール部材13が配置されている。シール部材13は、第1セパレータ11と燃料電池用接合体10との間、及び第2セパレータ12と燃料電池用接合体10との間の密着性を向上させて、酸化剤又は燃料が外部へ漏出することを防止する。シール部材13は、環状であり、燃料電池用接合体10の電解質4の外周縁部に当接している。シール部材13として、例えば、Oリング、ゴムシートなどを例示することができる。なお、シール部材13は、第1又は第2セパレータ11、12と一体的に構成されていてもよい。
A
(燃料電池用接合体10)
燃料電池用接合体10は、カソード2(第1電極の一例)、アノード3(第2電極の一例)、電解質4、及び複数の第1溝部7を備える。燃料電池用接合体10は、下記の電気化学反応式に基づいて、比較的低温(例えば、50℃〜250℃)で発電する。ただし、下記の電気化学反応式では、燃料の一例としてメタノールが用いられている。
(Fuel cell junction 10)
The
・カソード2: 3/2O2+3H2O+6e−→6OH−
・アノード3: CH3OH+6OH−→6e−+CO2+5H2O
・全体 : CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O
・ Cathode 2: 3 / 2O 2 + 3H 2 O + 6e − → 6OH −
・ Anode 3: CH 3 OH + 6OH − → 6e − + CO 2 + 5H 2 O
・ Overall: CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
(カソード2)
カソード2は、電解質4の第1面41側(図1の上面側)に配置されている。詳細には、カソード2は、電解質4の第1面41上に配置されている。カソード2は、一般的に空気極と呼ばれる陽極である。
(Cathode 2)
The
図2は、カソード2の平面図である。図2に示すように、カソード2は、平面視において、矩形状である。カソード2は、長手方向(x軸方向)と短手方向(y軸方向)とを有している。なお、アノード3も、平面視において矩形状であり、長手方向(x軸方向)と短手方向(y軸方向)とを有している。
FIG. 2 is a plan view of the
固体アルカリ形燃料電池100の発電中、カソード2には、第1セパレータ11の第1流路111を介して酸素(O2)を含む酸化剤が供給される。酸化剤としては、空気を用いるのが好ましく、空気は加湿されていることがより好ましい。カソード2は、内部に酸化剤を拡散可能な多孔質体である。カソード2の気孔率は特に制限されない。カソード2の厚みは特に制限されないが、例えば10〜200μmとすることができる。
During power generation of the solid
カソード2は、AFCに使用される公知の空気極触媒を含むものであればよく、特に限定されない。カソード触媒の例としては、白金族元素(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)、鉄族元素(Fe、Co、Ni)等の第8〜10族元素(IUPAC形式での周期表において第8〜10族に属する元素)、Cu、Ag、Au等の第11族元素(IUPAC形式での周期表において第11族に属する元素)、ロジウムフタロシアニン、テトラフェニルポルフィリン、Coサレン、Niサレン(サレン=N,N’−ビス(サリチリデン)エチレンジアミン)、銀硝酸塩、及びこれらの任意の組み合わせが挙げられる。カソード2における触媒の担持量は特に限定されないが、好ましくは0.1〜10mg/cm2、より好ましくは、0.1〜5mg/cm2である。カソード触媒はカーボンに担持させるのが好ましい。カソード2ないしそれを構成する触媒の好ましい例としては、白金担持カーボン(Pt/C)、パラジウム担持カーボン(Pd/C)、ロジウム担持カーボン(Rh/C)、ニッケル担持カーボン(Ni/C)、銅担持カーボン(Cu/C)、及び銀担持カーボン(Ag/C)が挙げられる。
The
カソード2の作製方法は特に限定されないが、例えば、カソード触媒及び所望により担体をバインダーと混合してペースト状にし、このペースト状混合物を電解質4の第1面41上に塗布することにより形成することができる。
The method for producing the
(第1溝部7)
各第1溝部7は、カソード2上において、第1方向に沿って延びている。すなわち、各第1溝部7は、互いに同じ方向に沿って延びている。本実施形態では、各第1溝部7は、カソード2の短手方向(y軸方向)に沿って延びている。すなわち、本実施形態では、カソード2の短手方向が第1方向に相当する。なお、各第1溝部7は、互いに平行に延びていなくてもよい。なお、各第1溝部7は、隣りの第1溝部7に対する角度が±15度以内であることが好ましい。
(1st groove 7)
Each
平面視(z軸方向視)において、各第1溝部7は、第1流路111と交差するように延びている。具体的には、各第1溝部7はカソード2の短手方向(y軸方向)に沿って延びており、第1流路111はカソード2の長手方向(x軸方向)に沿って延びている。特に限定されるものではないが、例えば、平面視において第1溝部7と第1流路111とがなす角度は、90度±10度以下とすることが好ましい。
In the plan view (z-axis direction view), each
各第1溝部7の長さは、例えば、2〜70mm程度とすることができる。また、各第1溝部7の幅は、例えば、10〜500μm程度とすることができる。
The length of each
各第1溝部7は、カソード2を厚さ方向(z軸方向)に貫通しており、電解質4まで到達している。すなわち、電解質4は、各第1溝部7を介して露出している。なお、各第1溝部7は、カソード2を貫通していなくてもよい。この場合、第1溝部7は、カソード2上に形成されている。すなわち、カソード2の第1流路111側を向く面に形成されている。
Each
各第1溝部7の形成方法は、特に限定されるものではないが、例えば、カソード2をスクリーン印刷法により形成する場合には、第1溝部7が形成されるようなパターン形成した製版を用いることによって形成することができる。あるいは、レーザー加工又は溝部形成材を用いることによって、各第1溝部7を形成してもよい。なお、溝部形成材とは、カソード2の形成後に熱処理や酸アルカリ処理によって除去可能な材料である。カソード2を形成した後に溝部形成材を除去することによって、第1溝部7を形成することができる。
The method for forming each of the
(アノード3)
図1に示すように、アノード3は、電解質4の第2面42側(図1の下面側)に配置されている。詳細には、アノード3は、電解質4の第2面42上に配置されている。アノード3は、一般的に燃料極と呼ばれる陰極である。
(Anode 3)
As shown in FIG. 1, the
固体アルカリ形燃料電池100の発電中、アノード3には、第2セパレータ12の第2流路121を介して、水素原子(H)を含む燃料が供給される。アノード3は、内部に燃料を拡散可能な多孔質体である。アノード3の気孔率は特に制限されない。アノード3の厚みは特に制限されないが、例えば10〜500μmとすることができる。
During power generation of the solid
燃料は、アノード3において水酸化物イオン(OH−)と反応可能な燃料化合物を含んでいればよく、液体燃料及び気体燃料のいずれの形態であってもよい。
The fuel may contain a fuel compound capable of reacting with hydroxide ions (OH − ) at the
燃料化合物としては、例えば、(i)ヒドラジン(NH2NH2)、水加ヒドラジン(NH2NH2・H2O)、炭酸ヒドラジン((NH2NH2)2CO2)、硫酸ヒドラジン(NH2NH2・H2SO4)、モノメチルヒドラジン(CH3NHNH2)、ジメチルヒドラジン((CH3)2NNH2、CH3NHNHCH3)、及びカルボンヒドラジド((NHNH2)2CO)等のヒドラジン類、(ii)尿素(NH2CONH2)、(iii)アンモニア(NH3)、(iv)イミダゾール、1,3,5−トリアジン、3−アミノ−1,2,4−トリアゾール等の複素環類化合物、(v)ヒドロキシルアミン(NH2OH)、硫酸ヒドロキシルアミン(NH2OH・H2SO4)等のヒドロキシルアミン類、及びこれらの組合せが挙げられる。これらの燃料化合物のうち炭素を含まない化合物(すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、アンモニア、ヒドロキシルアミン、硫酸ヒドロキシルアミン等)は、一酸化炭素による触媒被毒の問題が無いため特に好適である。 Examples of the fuel compound include (i) hydrazine (NH 2 NH 2 ), hydrated hydrazine (NH 2 NH 2 · H 2 O), hydrazine carbonate ((NH 2 NH 2 ) 2 CO 2 ), and hydrazine sulfate (NH). 2 NH 2 · H 2 SO 4 ), monomethylhydrazine (CH 3 NHNH 2 ), dimethylhydrazine ((CH 3 ) 2 NNH 2 , CH 3 NHNHCH 3 ), and hydrazines such as carboxylic hydrazine ((NHNH 2 ) 2 CO). Class, (ii) urea (NH 2 CONH 2 ), (iii) ammonia (NH 3 ), (iv) imidazole, 1,3,5-triazine, 3-amino-1,2,4-triazole and other heterocycles. Examples thereof include hydroxylamines such as (v) hydroxylamine (NH 2 OH) and hydroxylamine sulfate (NH 2 OH · H 2 SO 4 ), and combinations thereof. Of these fuel compounds, carbon-free compounds (ie, hydrazine, hydrated hydrazine, hydrazine sulfate, ammonia, hydroxylamine, hydroxylamine sulfate, etc.) are particularly suitable because they do not have the problem of catalyst poisoning by carbon monoxide. is there.
燃料化合物は、そのまま燃料として用いてもよいが、水及び/又はアルコール(例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの低級アルコール等)に溶解させた溶液として用いてもよい。例えば、上記燃料化合物のうち、ヒドラジン、水化ヒドラジン、モノメチルヒドラジン及びジメチルヒドラジンは液体であるので、そのまま液体燃料として使用可能である。また、炭酸ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、カルボンヒドラジド、尿素、イミダゾール、及び3−アミノ−1,2,4−トリアゾール、及び硫酸ヒドロキシルアミンは固体であるが水に可溶である。1,3,5−トリアジン及びヒドロキシルアミンは固体であるがアルコールに可溶である。アンモニアは気体であるが水に可溶である。このように、固体の燃料化合物は、水又はアルコールに溶解させて液体燃料として使用可能である。燃料化合物を水及び/又はアルコールに溶解させて用いる場合、溶液中の燃料化合物の濃度は、例えば1〜90重量%であり、好ましくは1〜30重量%である。 The fuel compound may be used as a fuel as it is, or may be used as a solution dissolved in water and / or an alcohol (for example, a lower alcohol such as methanol, ethanol, propanol or isopropanol). For example, among the above fuel compounds, hydrazine, hydrated hydrazine, monomethylhydrazine and dimethylhydrazine are liquids and can be used as they are as liquid fuels. In addition, hydrazine carbonate, hydrazine sulfate, carboxylic hydrazine, urea, imidazole, and 3-amino-1,2,4-triazole, and hydroxylamine sulfate are solid but soluble in water. 1,3,5-triazine and hydroxylamine are solid but soluble in alcohol. Ammonia is a gas but is soluble in water. As described above, the solid fuel compound can be dissolved in water or alcohol and used as a liquid fuel. When the fuel compound is dissolved in water and / or alcohol and used, the concentration of the fuel compound in the solution is, for example, 1 to 90% by weight, preferably 1 to 30% by weight.
また、メタノール、エタノール等のアルコール類やエーテル類を含む炭化水素系液体燃料、メタン等の炭化水素系ガス、或いは純水素などは、そのまま燃料として用いることができる。特に、本実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池100に用いられる燃料としては、メタノールが好適である。メタノールは、気体状態、液体状態、及び、気液混合状態のいずれであってもよい。
Further, a hydrocarbon-based liquid fuel containing alcohols such as methanol and ethanol and ethers, a hydrocarbon-based gas such as methane, or pure hydrogen can be used as it is as a fuel. In particular, methanol is preferable as the fuel used in the solid
アノード3は、AFCに使用される公知のアノード触媒を含むものであればよく、特に限定されない。アノード触媒の例としては、Pt、Ni、Co、Fe、Ru、Sn、及びPd等の金属触媒が挙げられる。金属触媒は、カーボン等の担体に担持されるのが好ましいが、金属触媒の金属原子を中心金属とする有機金属錯体の形態としてもよく、この有機金属錯体を担体として担持されていてもよい。また、アノード触媒の表面には多孔質材料等で構成された拡散層を配置してもよい。アノード3及びそれを構成する触媒の好ましい例としては、ニッケル、コバルト、銀、白金担持カーボン(Pt/C)、パラジウム担持カーボン(Pd/C)、ロジウム担持カーボン(Rh/C)、ニッケル担持カーボン(Ni/C)、銅担持カーボン(Cu/C)、及び銀担持カーボン(Ag/C)が挙げられる。
The
アノード3の作製方法は特に限定されないが、例えば、アノード触媒及び所望により担体をバインダーと混合してペースト状にし、このペースト状混合物を電解質4の第2面42上に塗布することにより形成することができる。
The method for producing the
(電解質4)
電解質4は、カソード2とアノード3との間に配置される。電解質4は、カソード2及びアノード3のそれぞれに接続される。電解質4は、膜状であって、第1面41と第2面42とを有している。第1面41と第2面42とは、互いに逆側を向いている。電解質4の第1面41側にはカソード2が配置されており、第2面42側にはアノード3が配置されている。電解質4の外周縁部に、シール部材13が配置されている。
(Electrolyte 4)
The
図3は、電解質4の断面を拡大して示す模式図である。電解質4は、多孔質基材5と、無機固体電解質体6とを有する。
FIG. 3 is a schematic view showing an enlarged cross section of the
多孔質基材5は、三次元網目構造を有する。「三次元網目構造」とは、基材の構成物質が立体的かつ網目状に繋がった構造である。多孔質基材5は、連続孔5aを形成する。連続孔5aは、立体的かつ網目状に孔が繋がることによって構成されており、多孔質基材5の外表面に露出している。連続孔5aには、無機固体電解質体6が含浸されている。
The porous base material 5 has a three-dimensional network structure. The "three-dimensional network structure" is a structure in which the constituent substances of the base material are three-dimensionally and network-likely connected. The porous base material 5 forms
多孔質基材5は、高分子材料などによって構成することができる。このような高分子材料としては、例えば、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、親水化したフッ素樹脂(四フッ素化樹脂:PTFE等、ポリフッ化ビニリデン)、セルロース、ナイロン、ポリエチレン及びこれらの任意の組合せが挙げられる。多孔質基材5をフレキシブル性の高分子材料で構成する場合には、気孔率を高めながら厚さを薄くしやすいため、水酸化物イオン伝導性を向上させることができる。高分子材料によって構成される多孔質基材5としては、リチウム電池用セパレータとして市販されているような微多孔膜を用いることができる。 The porous base material 5 can be made of a polymer material or the like. Examples of such polymer materials include polystyrene, polyether sulfone, polypropylene, epoxy resin, polyphenylene sulfide, hydrophilic fluororesin (tetrafluororesin: PTFE, etc., polyvinylidene fluoride), cellulose, nylon, and polyethylene. And any combination thereof. When the porous base material 5 is made of a flexible polymer material, the thickness can be easily reduced while increasing the porosity, so that the hydroxide ion conductivity can be improved. As the porous base material 5 made of a polymer material, a microporous membrane as commercially available as a separator for a lithium battery can be used.
多孔質基材5の厚さは特に制限されないが、例えば、200μm以下とすることができ、好ましくは100μm以下、より好ましくは75μm以下、さらに好ましくは50μm以下、特に好ましくは25μm以下であり、5μm以下が最も好ましい。多孔質基材5の厚さの下限値は、用途に応じて適宜設定すればよいが、ある程度の堅さを確保するには1μm以上が好ましく、2μm以上がより好ましい。 The thickness of the porous substrate 5 is not particularly limited, but can be, for example, 200 μm or less, preferably 100 μm or less, more preferably 75 μm or less, still more preferably 50 μm or less, particularly preferably 25 μm or less, and 5 μm. The following are the most preferable. The lower limit of the thickness of the porous base material 5 may be appropriately set according to the intended use, but is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more in order to secure a certain degree of hardness.
多孔質基材5の断面における連続孔5aの平均内径は特に制限されないが、例えば、0.001〜1.5μmとすることができ、好ましくは0.001〜1.25μm、より好ましくは0.001〜1.0μm、さらに好ましくは0.001〜0.75μm、特に好ましくは0.001〜0.5μmである。これらの範囲内とすることによって、多孔質基材5に支持体としての強度を付与しつつ、無機固体電解質体6の緻密度を向上させることができる。連続孔5aの平均内径とは、多孔質基材5の断面を電子顕微鏡で観察した場合に、観察画像上で無作為に選出した20箇所における連続孔5aの円相当径を算術平均することによって得られる。連続孔5aの円相当径とは、観察画像において、連続孔5aの断面積と同じ面積を有する円の直径である。なお、電子顕微鏡の倍率は、連続孔5aの断面サイズに応じて適宜設定すればよい。
The average inner diameter of the
連続孔5aの体積率は特に制限されないが、例えば、10〜60%とすることができ、好ましくは15〜55%、より好ましくは20〜50%である。これらの範囲内とすることによって、多孔質基材5に支持体としての強度を確保しつつ、無機固体電解質体6の緻密度を向上させることができる。連続孔5aの体積率は、アルキメデス法により測定することができる。
The volume fraction of the
また、図3では図示されていないが、多孔質基材5は、それ自体の内部に複数の細孔を有することが好ましい。複数の細孔は、多孔質基材5の内部において、互いに繋がっていてもよい。そして、各細孔は多孔質基材5の表面に開口する開気孔であって、各細孔には無機固体電解質体6が含浸していることがより好ましい。これによって、連続孔5a→多孔質基材5内の細孔→連続孔5aという短距離イオン伝導パスや、連続孔5a→多孔質基材5内の細孔→第2膜状部63、或いは、第1膜状部62→多孔質基材5内の細孔→第2膜状部63という長距離イオン伝導パスを形成することができる。その結果、複合部61内のイオン伝導可能領域が広がるため、電解質4全体としてのイオン伝導性を向上させることができる。
Further, although not shown in FIG. 3, the porous base material 5 preferably has a plurality of pores inside itself. The plurality of pores may be connected to each other inside the porous base material 5. It is more preferable that each pore is an open pore that opens on the surface of the porous base material 5, and each pore is impregnated with the inorganic
無機固体電解質体6は、水酸化物イオン伝導性を有する。固体アルカリ形燃料電池100の発電中、無機固体電解質体6は、カソード2側からアノード3側に水酸化物イオン(OH−)を伝導させる。無機固体電解質体6の水酸化物イオン伝導率は特に制限されないが、0.1mS/cm以上が好ましく、より好ましくは0.5mS/cm以上、さらに好ましくは1.0mS/cm以上である。無機固体電解質体6の水酸化物イオン伝導率は、高いほど好ましく、その上限値は特に制限されないが、例えば10mS/cmである。
The inorganic
無機固体電解質体6は、水酸化物イオン伝導性を有するセラミックス材料によって構成することができる。このようなセラミックス材料としては、層状複水酸化物(LDH:Layered Double Hydroxide)が好適である。
The inorganic
LDHは、M2+ 1−xM3+ x(OH)2An−x/n・mH2O(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An−はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1〜0.4、mは水のモル数を意味する任意の整数である)の一般式で示される基本組成を有する。M2+の例としてはMg2+、Ca2+、Sr2+、Ni2+、Co2+、Fe2+、Mn2+、及びZn2+が挙げられ、M3+の例としては、Al3+、Fe3+、Ti3+、Y3+、Ce3+、Mo3+、及びCr3+が挙げられ、An−の例としてはCO3 2−及びOH−が挙げられる。M2+及びM3+としては、それぞれ1種単独で又は2種以上を組み合わせて用いることもできる。 LDH is M 2+ 1-x M 3+ x (OH) 2 A n− x / n · mH 2 O (in the formula, M 2+ is a divalent cation, M 3+ is a trivalent cation, and A The basic composition represented by the general formula of n− is an n-valent anion, n is an integer of 1 or more, x is 0.1 to 0.4, and m is an arbitrary integer meaning the number of moles of water). Have. Examples of M 2+ include Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , and Zn 2+ , and examples of M 3+ include Al 3+ , Fe 3+ , Ti 3+ , Y 3+, Ce 3+, Mo 3+ , and Cr 3+, and examples of a n- is CO 3 2- and OH - are exemplified. As M 2+ and M 3+ , one type may be used alone or two or more types may be used in combination.
LDHは、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。中間層は、陰イオン及びH2Oで構成される。水酸化物基本層は、例えば金属MがNi、Al、Tiの場合には、Ni、Al、Ti及びOH基を含む。以下、LDHの水酸化物基本層がNi、Al、Ti及びOH基を含む場合について説明する。 LDH is composed of a plurality of hydroxide basic layers and an intermediate layer interposed between the plurality of hydroxide basic layers. Intermediate layer is composed of an anion and H 2 O. The hydroxide basic layer contains, for example, Ni, Al, Ti and OH groups when the metal M is Ni, Al, Ti. Hereinafter, a case where the hydroxide basic layer of LDH contains Ni, Al, Ti and OH groups will be described.
LDH中のNiはニッケルイオンの形態を採りうる。LDH中のニッケルイオンは典型的にはNi2+であると考えられるが、Ni3+等の他の価数もありうるため、特に限定されない。LDH中のAlはアルミニウムイオンの形態を採りうる。LDH中のアルミニウムイオンは典型的にはAl3+であると考えられるが、他の価数もありうるため、特に限定されない。LDH中のTiはチタンイオンの形態を採りうる。LDH中のチタンイオンは典型的にはTi4+であると考えられるが、Ti3+等の他の価数もありうるため、特に限定されない。水酸化物基本層は、Ni、Al、Ti及びOH基を主要構成要素として含むのが好ましいが、他の元素ないしイオンを含んでいてもよいし、不可避不純物を含んでいてもよい。不可避不純物は、製法上不可避的に混入されうる任意元素であり、例えば原料や基材に由来してLDH中に混入しうる。 Ni in LDH can take the form of nickel ions. Nickel ions in LDH are typically considered to be Ni 2+ , but are not particularly limited as other valences such as Ni 3+ are possible. Al in LDH can take the form of aluminum ions. Aluminum ions in LDH are typically considered to be Al 3+ , but are not particularly limited as other valences are possible. Ti in LDH can take the form of titanium ions. Titanium ions in LDH are typically considered to be Ti 4+ , but are not particularly limited as other valences such as Ti 3+ are possible. The hydroxide basic layer preferably contains Ni, Al, Ti and OH groups as main constituent elements, but may contain other elements or ions, or may contain unavoidable impurities. The unavoidable impurity is an arbitrary element that can be unavoidably mixed in the production method, and can be mixed in LDH from, for example, a raw material or a base material.
LDHの中間層は、陰イオン及びH2Oで構成される。陰イオンは1価以上の陰イオン、好ましくは1価又は2価のイオンである。好ましくは、LDH中の陰イオンはOH−及び/又はCO3 2−を含む。 Intermediate layer of LDH is composed of anionic and H 2 O. The anion is a monovalent or higher anion, preferably a monovalent or divalent ion. Preferably, the anions in LDH contain OH − and / or CO 3 2- .
上記のとおり、Ni、Al及びTiの価数は必ずしも定かではないため、LDHを一般式で厳密に特定することは非実際的又は不可能である。仮に水酸化物基本層が主としてNi2+、Al3+、Ti4+及びOH基で構成されるものと想定した場合、LDHは、一般式:Ni2+ 1−x−yAl3+ xTi4+ y(OH)2An− (x+2y)/n・mH2O(式中、An−はn価の陰イオン、nは1以上の整数、好ましくは1又は2であり、0<x<1、好ましくは0.01≦x≦0.5、0<y<1、好ましくは0.01≦y≦0.5、0<x+y<1、mは0以上、典型的には0を超える又は1以上の実数である)なる基本組成で表すことができる。もっとも、上記一般式はあくまで「基本組成」と解されるべきであり、Ni2+、Al3+、Ti4+等の元素がLDHの基本的特性を損なわない程度に他の元素又はイオン(同じ元素の他の価数の元素又はイオンや製法上不可避的に混入されうる元素又はイオンを含む)で置き換え可能なものとして解されるべきである。 As described above, since the valences of Ni, Al and Ti are not always fixed, it is impractical or impossible to specify LDH strictly by a general formula. Assuming that the basic hydroxide layer is mainly composed of Ni 2+ , Al 3+ , Ti 4+ and OH groups, LDH is expressed by the general formula: Ni 2+ 1-xy Al 3+ x Ti 4+ y (OH). ) 2 a n- (x + 2y ) / n · mH 2 O ( wherein, a n-n-valent anion, n is an integer of 1 or more, preferably 1 or 2, 0 <x <1, preferably 0.01 ≦ x ≦ 0.5, 0 <y <1, preferably 0.01 ≦ y ≦ 0.5, 0 <x + y <1, m is 0 or more, typically more than 0 or 1 or more It can be expressed by the basic composition (which is a real number of). However, the above general formula should be understood as "basic composition" to the extent that elements such as Ni 2+ , Al 3+ , and Ti 4+ do not impair the basic characteristics of LDH, and other elements or ions (of the same element). It should be understood as replaceable with other valence elements or ions or elements or ions that can be unavoidably mixed in the process.
無機固体電解質体6は、複合部61(イオン伝導体の一例)、第1膜状部62、及び第2膜状部63を有する。
The inorganic
複合部61は、第1膜状部62と第2膜状部63との間に配置される。複合部61は、多孔質基材5に充填されている。詳細には、複合部61は、多孔質基材5の連続孔5a内に配置される。複合部61は、多孔質基材5の連続孔5a内に含浸されており、多孔質基材5と一体化している。このように、無機固体電解質体6を多孔質基材5で支持することによって、無機固体電解質体6の強度を向上できるため、無機固体電解質体6を薄くすることができる。その結果、電解質4の低抵抗化を図ることができる。
The
本実施形態において、複合部61は、多孔質基材5の連続孔5aの略全域に広がる。ただし、無機固体電解質体6が第1膜状部62及び第2膜状部63の少なくとも一方を有さない場合、複合部61は、多孔質基材5の一部にのみ含浸されていてもよい。
In the present embodiment, the
ここで、複合部61は、その内部に形成された複数の閉気孔611を有する。このような閉気孔611が複合部61の内部に形成されるため、固体アルカリ形燃料電池100の作動中に複合部61の含水状況の変動に起因する電解質4の体積変化を緩和させることができる。これにより、電解質4とカソード2との界面、又は/及び電解質4とアノード3との界面に応力が発生することを抑制できる。その結果、カソード2又は/及びアノード3から電解質4が剥離したり、電解質4自体が変形したりすることを抑制できる。
Here, the
さらに、閉気孔611が複合部61の内部に形成されることで、複合部61に柔軟性を付与することができるため、固体アルカリ形燃料電池100内の温度分布に起因して、カソード2と電解質4との界面、又は/及び、アノード3と電解質4との界面に熱応力が発生することを抑制できる。そのため、カソード2又は/及びアノード3から電解質4が剥離したり、或いは、電解質4自体が変形したりすることを抑制できる。
Further, since the
図3に示すように、閉気孔611は、多孔質基材5から離れている。すなわち、閉気孔611は、複合部61の内部に閉じこめられており、連続孔5aの内表面と直接的に接触しない。これによって、閉気孔611が多孔質基材5に直接接触する場合に比べて、電解質4に体積変化や変形が生じた場合に、多孔質基材5、複合部61及び閉気孔611の三者で作られる角部を起点として、複合部61が多孔質基材5から剥離することを抑制できる。
As shown in FIG. 3, the
各閉気孔611の平均円相当径は特に制限されないが、例えば、0.001〜1.0μmとすることができる。各閉気孔611の平均円相当径は、0.001μm以上が好ましく、0.002μm以上がより好ましい。これによって、複合部61の柔軟性をより向上させることができる。また、各閉気孔611の平均円相当径は、1.0μm以下が好ましく、0.8μm以下がより好ましい。これによって、カソード2に供給される酸化剤がアノード3側に透過したり、或いは、アノード3に供給される燃料がカソード2側に透過したりすることを抑制できる。
The average circle-equivalent diameter of each
各閉気孔611の平均円相当径は、電解質4の断面を20,000〜1,500,000倍の電子顕微鏡で観察し、無作為に選出した20個の閉気孔611の円相当径を算術平均することによって得られる。閉気孔611の円相当径とは、電解質4の断面において、閉気孔611と同じ面積を有する円の直径である。ただし、0.001μm以下の円相当径を有する閉気孔611は、複合部61の柔軟性向上への寄与が極めて小さいため、各閉気孔611の平均円相当径を求める際には除外するものとする。
For the average circle-equivalent diameter of each
第1膜状部62は、複合部61のカソード2側に連なる。第1膜状部62は、膜状に形成される。第1膜状部62は、複合部61と一体的に形成される。第2膜状部63は、複合部61のアノード3側に連なる。第2膜状部63は、膜状に形成される。第2膜状部63は、複合部61と一体的に形成される。第1膜状部62及び第2膜状部63それぞれは、水酸化物イオン伝導性を有するセラミックス材料によって構成することができる。第1膜状部62及び第2膜状部63それぞれは、一様な平面状に形成されていてもよいし、縞状など所望の平面形状にパターン化されていてもよい。第1膜状部62及び第2膜状部63それぞれの厚さは特に制限されないが、例えば、10μm以下とすることができ、好ましくは7μm以下、より好ましくは5μm以下である。
The first film-
(無機固体電解質体6の製造方法)
無機固体電解質体6の作製方法は特に限定されないが、無機固体電解質体6をLDHで構成する場合であって、LDHの水酸化物基本層がNi、Al、Ti及びOH基を含むとき、以下の工程(1)〜(4)で作製することができる。
(Manufacturing method of inorganic solid electrolyte body 6)
The method for producing the inorganic
(1)多孔質基材5を用意する。 (1) Prepare the porous base material 5.
(2)多孔質基材5の全体にアルミナ及びチタニアの混合ゾルを含浸させて熱処理することでアルミナ・チタニア層を形成させる。後述するように、多孔質基材5の表面全体からLDHを成長させるには、多孔質基材5の表面全体にアルミナ・チタニア層を形成させることが重要となるため、アルミナ及びチタニアの混合ゾルを含浸させて熱処理することを複数回実施する。これにより、多孔質基材5の表面全体にアルミナ・チタニア層を形成することができる。 (2) The entire porous base material 5 is impregnated with a mixed sol of alumina and titania and heat-treated to form an alumina-titania layer. As will be described later, in order to grow LDH from the entire surface of the porous base material 5, it is important to form an alumina-titania layer on the entire surface of the porous base material 5. Therefore, a mixed sol of alumina and titania. Is impregnated and heat-treated a plurality of times. As a result, the alumina-titania layer can be formed on the entire surface of the porous base material 5.
(3)ニッケルイオン(Ni2+)及び尿素を含む原料水溶液に多孔質基材5を浸漬させる。 (3) The porous base material 5 is immersed in an aqueous solution of a raw material containing nickel ions (Ni 2+) and urea.
(4)原料水溶液中で多孔質基材5を水熱処理して、LDHを多孔質基材5上及び多孔質基材5中に形成させることによって、複合部61、第1膜状部62、及び第2膜状部63を有する無機固体電解質体6を形成する。この際、水熱処理時間および溶液濃度を適宜調整することによって、気孔が閉塞する前に反応を停止することで複合部61内に閉気孔611を形成させることができる。LDHは多孔質基材5の表面に形成されたアルミナ・チタニア層を核として成長するため、多孔質基材5の表面全体にアルミナ・チタニア層を形成させた場合においては、多孔質基材5の表面全体からLDHが成長することになる。その結果として、閉気孔611を多孔質基材5から離すことができる。
(4) The
(実施形態の変形例)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
(Modified example of the embodiment)
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
変形例1
上記実施形態では、カソード2に第1溝部7が形成されていたが、燃料電池用接合体10の構成はこれに限定されない。例えば、図4に示すように、アノード3に第1溝部7が形成されていてもよい。この場合、アノード3が本発明の第1電極に相当する。
Modification 1
In the above embodiment, the
変形例2
図5に示すように、カソード2上に複数の第1溝部7が形成されるとともに、アノード3上に複数の第2溝部8が形成されていてもよい。各第2溝部8は、第1方向に沿って延びている。具体的には、各第2溝部8は、アノード3の短手方向に沿って延びている。各第1溝部7が延びる方向と、各第2溝部8が延びる方向とは略同じとすることができる。平面視において、各第1溝部7と各第2溝部8とは、互いに重複していない。
As shown in FIG. 5, a plurality of
第1溝部7の数は、第2溝部8の数よりも多くすることができる。なお、第1方向の中央部及び両端部のそれぞれにおいて第1方向と直交する切断面を作成し、その各切断面における第1及び第2溝部7,8の数の平均値を第1及び第2溝部7,8の数とすることができる。
The number of the
変形例3
上記実施形態では、各第1溝部7は、カソード2の短手方向に沿って延びているが、各第1溝部7の延びる方向はこれに限定されない。例えば、各第1溝部7は、カソード2の長手方向に沿って延びていてもよい。この場合、カソード2の長手方向が本発明の第1方向に相当する。
In the above embodiment, each of the
変形例4
図6に示すように、各第1溝部7は、長さが異なっていてもよい。
As shown in FIG. 6, each
変形例5
上記実施形態では、各第1溝部7は、カソード2を厚さ方向に貫通していたが、この構成に限定されない。例えば、図7に示すように、各第1溝部7は、カソード2を貫通していなくてもよい。
Modification 5
In the above embodiment, each
変形例6
上記実施形態では、閉気孔611は、多孔質基材5から離れていたが、図8に示すように、閉気孔611は、多孔質基材5に接していてもよい。すなわち、閉気孔611は、連続孔5aの内表面と直接的に接触していてもよい。これによって、閉気孔611が多孔質基材5から離れている場合に比べて、閉気孔611の存在による多孔質基材5の拘束面積を低減できるため、多孔質基材5自体の柔軟性を向上させることができる。そのため、電解質4に体積変化や変形が生じた場合に、カソード2と電解質4との界面、又は/及び、アノード3と電解質4との界面に応力が発生することをより抑制できる。
In the above embodiment, the
変形例7
上記実施形態では、電解質4は、複数の閉気孔611を有することとしたが、閉気孔611を少なくとも1つ有していれば、閉気孔611を全く有していない場合に比べて、複合部61に柔軟性を付与することができるため、電解質4の剥離を抑制できる。
In the above embodiment, the
変形例8
上記実施形態では、閉気孔611の形状は断面が円形状に構成されていたが、閉気孔611の形状はこれに限定されない。例えば、閉気孔611は、断面が楕円形状となっていてもよいし、その他の形状であってもよい。
In the above embodiment, the shape of the
変形例9
上記実施形態では、多孔質基材5は、高分子材料によって構成されていたが、多孔質基材5の材質はこれに限定されない。例えば、多孔質基材5は、金属材料によっても構成することができる。多孔質基材5を構成する金属材料としては、ステンレス(Fe−Cr系合金、Fe−Ni−Cr系合金など)、アルミニウム、亜鉛、ニッケル、又は、チタンなどを用いることができる。このような金属材料は、高分子材料に比べて熱伝導性が高いため、多孔質基材5の放熱効率を向上させることができるとともに、多孔質基材5内の温度分布を低減させることができる。
Modification 9
In the above embodiment, the porous base material 5 is made of a polymer material, but the material of the porous base material 5 is not limited to this. For example, the porous base material 5 can also be made of a metal material. As the metal material constituting the porous base material 5, stainless steel (Fe—Cr alloy, Fe—Ni—Cr alloy, etc.), aluminum, zinc, nickel, titanium, or the like can be used. Since such a metal material has higher thermal conductivity than a polymer material, it is possible to improve the heat dissipation efficiency of the porous base material 5 and reduce the temperature distribution in the porous base material 5. it can.
多孔質基材5は、例えば、多孔質金属材料(例えば、発砲金属材料)によって構成されるセル状又はモノリス状の構造物であってもよいし、細線金属材料によって構成されるメッシュ状の塊であってもよい。 The porous base material 5 may be, for example, a cell-like or monolith-like structure made of a porous metal material (for example, a foamed metal material), or a mesh-like mass made of a fine wire metal material. It may be.
多孔質基材5の表面には、絶縁膜が形成されていてもよい。絶縁膜は、Cr2O3、Al2O3、ZrO2、MgO、MgAl2O4などによって構成することができる。多孔質基材5をステンレスによって構成する場合、ステンレスを酸化処理することにより、絶縁膜としてのCr2O3膜を簡便に形成することができる。なお、第1及び第2膜状部62,63が、カソード2とアノード3との間に絶縁膜として機能するため、多孔質基材5の表面には、絶縁膜が形成されていなくてもよい。
An insulating film may be formed on the surface of the porous base material 5. The insulating film can be composed of Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , MgO, Mg Al 2 O 4, and the like. When the porous base material 5 is made of stainless steel, a Cr 2 O 3 film as an insulating film can be easily formed by oxidizing the stainless steel. Since the first and second film-
変形例10
上記実施形態では、無機固体電解質体6は、複合部61、第1膜状部62、及び第2膜状部63を有することとしたが、少なくとも複合部61を有していればよい。すなわち、無機固体電解質体6は、第1膜状部62及び第2膜状部63の少なくとも一方を備えていなくてよい。
In the above embodiment, the inorganic
無機固体電解質体6が第1膜状部62を備えていない場合、複合部61は、多孔質基材5の連続孔5aの全体に含浸されていてもよいし、多孔質基材5の連続孔5aのうちカソード2側の領域にのみ含浸されていてもよい。多孔質基材5の連続孔5aのうちカソード2側の領域にのみ複合部61が含浸される場合、連続孔5aの空隙領域にはアノード3の少なくとも一部を配置すればよい。連続孔5aの空隙領域に配置されるアノード3は、連続孔5aに充填されていてもよいし、連続孔5aの内表面を覆うように膜状に形成されていてもよい。
When the inorganic
無機固体電解質体6が第2膜状部63を備えていない場合、複合部61は、多孔質基材5の連続孔5aの全体に含浸されていてもよいし、多孔質基材5の連続孔5aのうちアノード3側の領域にのみ含浸されていてもよい。多孔質基材5の連続孔5aのうちアノード3側の領域にのみ複合部61が含浸される場合、連続孔5aの空隙領域にはカソード2の少なくとも一部を配置すればよい。連続孔5aの空隙領域に配置されるカソード2は、連続孔5aに充填されていてもよいし、連続孔5aの内表面を覆うように膜状に形成されていてもよい。
When the inorganic
変形例11
上記実施形態では、本発明に係る燃料電池を固体アルカリ形燃料電池に適用した実施形態を説明したが、本発明に係る燃料電池が適用される対象は固体アルカリ形燃料電池に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池などの他の燃料電池にも適用することができる。
In the above embodiment, the embodiment in which the fuel cell according to the present invention is applied to the polymer electrolyte fuel cell has been described, but the object to which the fuel cell according to the present invention is applied is not limited to the polymer electrolyte fuel cell, for example. It can also be applied to other fuel cells such as polymer electrolyte fuel cells.
変形例12
上記実施形態では、電解質膜4が支持体となっているが、接合体10の構成はこれに限定されない。例えば、カソード2が支持体となっていてもよいし、アノード3が支持体となっていてもよい。
In the above embodiment, the
2 カソード
3 アノード
4 電解質
5 多孔質基材
7 第1溝部
8 第2溝部
10 燃料電池用接合体
11 第1セパレータ
12 第2セパレータ
2
Claims (9)
前記第1電極に酸化剤又は燃料を供給するための第1流路を有する第1セパレータと、
前記第2電極に燃料又は酸化剤を供給するための第2流路を有する第2セパレータと、
を備え、
平面視において、前記第1溝部は、前記第1流路と交差するように延び、
各第1溝部は、互いに独立しており、
平面視において、各第1溝部と各第2溝部とは、互いに重複していない
燃料電池。
An electrolyte, a first electrode arranged on the first surface side of the electrolyte, a second electrode arranged on the second surface side of the electrolyte, and a plurality of electrodes extending along the first direction on the first electrode. A fuel cell junction having a first groove and a plurality of second grooves extending along the first direction on the second electrode.
A first separator having a first flow path for supplying an oxidizing agent or fuel to the first electrode,
A second separator having a second flow path for supplying fuel or an oxidant to the second electrode,
Equipped with a,
In the flat plane view, the first groove extends so as to intersect the first passage,
Each first groove is independent of each other
In a plan view, each first groove portion and each second groove portion are fuel cells that do not overlap each other.
請求項1に記載の燃料電池。
The number of the first groove portions is larger than the number of the second groove portions.
The fuel cell according to claim 1.
請求項1又は2に記載の燃料電池。
The first electrode is a cathode.
The fuel cell according to claim 1 or 2.
多孔質基材と、
前記多孔質基材に充填され、イオン伝導性を有するイオン伝導体と、
を有する、請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池。
The electrolyte is
Porous substrate and
An ionic conductor filled in the porous substrate and having ionic conductivity,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池。
The electrolyte comprises a layered double hydroxide.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 4.
請求項1から5のいずれかに記載の燃料電池。
The first groove portion penetrates the first electrode in the thickness direction.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5.
請求項1から6のいずれかに記載の燃料電池。
The second groove portion penetrates the second electrode in the thickness direction.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 6.
請求項1から5のいずれかに記載の燃料電池。
The first groove portion does not penetrate the first electrode in the thickness direction.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5.
請求項1から8のいずれかに記載の燃料電池。
In the first direction, the size of the first groove is smaller than the size of the first electrode.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 8.
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