DE112004002382T5

DE112004002382T5 - Brennstoffzellen-Herstellungsverfahren und Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112004002382T5
Application number: DE112004002382T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Toyota Aoyama; Naoki Toyota Ito; Hiromichi Toyota Sato
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-12-08
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2024-11-30
Also published as: US20070082125A1; US7611795B2; CA2546791A1; WO2005057711A3; JP4186810B2; JP2005174570A; WO2005057711A2; DE112004002382B4; CA2546791C

Abstract

Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle, die eine wasserstoffdurchlässige Metallschicht eines wasserstoffdurchlässigen Metalls und eine Elektrolytschicht hat, die an der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht gelegen ist und eine Protonenleitfähigkeit hat, wobei das Herstellungsverfahren Folgendes aufweist:
Ausbilden der Elektrolytschicht an der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht; und
Ausbilden einer leitenden Schicht, die eine elektrische Leitfähigkeit hat, an der ausgebildeten Elektrolytschicht, um eine elektrische Verbindung zwischen der leitenden Schicht und den wasserstoffdurchlässigen Metallschichten über Poren zu verhindern, die in der Elektrolytschicht vorhanden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle und genauer gesagt bezieht sie sich auf eine Brennstoffzelle, die eine Elektrolytschicht und eine wasserstoffdurchlässige Metallschicht hat.

Unter einer Vielfalt vorgeschlagener Brennstoffzellen gibt es eine bekannte Brennstoffzelle, die einen wasserstoffdurchlässigen Palladiummetallfilm hat, der an einer protonenleitenden Elektrolytschicht ausgebildet ist und als eine Anode funktioniert. Die Brennstoffzelle dieser Struktur wird z.B. durch Ausbilden eines Films von einer festen Elektrolytschicht, wie einer Keramikschicht, auf einem dünnen Film von einer wasserstoffdurchlässigen Metallschicht ausgebildet.

Es gibt jedoch große Schwierigkeiten beim Erzeugen eines ausreichend dünnen und dichten Films von der festen Elektrolytschicht, und es ist hochwahrscheinlich, dass Poren in der Form von Mikrorissen oder kleinen Löchern in der festen Elektrolytschicht vorhanden sind. In dem Prozess des Ausbildens einer Elektrolytschicht an einer wasserstoffdurchlässigen Metallschicht und des anschließenden Ausbildens einer leitenden Schicht, wie einer Elektrode, an der Elektrolytschicht, kann ein Elektrodenmaterial oder ein anderes elektrisch leitendes Material in die Poren eindringen, die in der Elektrolytschicht vorhanden sind. Solch ein Eindringen des elektrisch leitenden Materials in die Poren kann einen Kurzschluss zwischen der leitenden Schicht und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht verursachen und die Leistung der resultierenden Brennstoffzelle erniedrigen.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist somit, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen und einen Potentialkurzschluss in einer Brennstoffzelle aufgrund von Poren zu verhindern, die in einer Elektrolytschicht vorhanden sind.

Um wenigstens einen Teil der vorstehenden und der anderen verknüpften Aufgaben zu erreichen, ist die vorliegende Erfindung auf ein Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle gerichtet, die eine wasserstoffdurchlässige Metallschicht von einem wasserstoffdurchlässigen Metall und eine Elektrolytschicht hat, die an der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht gelegen ist und eine Protonenleitfähigkeit hat. Das Herstellungsverfahren umfasst: Ausbilden der Elektrolytschicht an der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht; und Ausbilden einer leitenden Schicht, die eine elektrische Leitfähigkeit hat, an der ausgebildeten Elektrolytschicht, um eine elektrische Verbindung zwischen der leitenden Schicht und den wasserstoffdurchlässigen Metallschichten mittels Poren zu blockieren, die in der Elektrolytschicht vorhanden sind.

Sogar wenn die Elektrolytschicht Poren in der Form von Mikrorissen oder kleinen Löchern hat, bildet das Brennstoffzellenherstellungsverfahren der Erfindung die leitende Schicht aus, um eine elektrische Verbindung zwischen der leitenden Schicht und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht zu blockieren.

Diese Anordnung verhindert wirksam einen Potentialkurzschluss zwischen der leitenden Schicht und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht aufgrund des Vorhandenseins der Poren in der Elektrolytschicht, und beschränkt auf diese Weise eine Verschlechterung der Leistung der resultierenden Brennstoffzelle.

In dem Brennstoffzellenherstellungsverfahren der Erfindung kann die leitende Schicht eine Elektrode sein. In diesem Fall verhindert die Anordnung der Erfindung wirksam einen Potentialkurzschluss zwischen der Elektrode und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellenherstellungsverfahrens der Erfindung wird das Ausbilden einer leitenden Schicht durch Freisetzen eines leitenden Materials zu der Elektrolytschicht in einer Richtung durchgeführt, die im Wesentlichen senkrecht zu der Elektrolytschicht ist, um die leitende Schicht auszubilden, die dünner als die Elektrolytschicht ist.

Das Verfahren dieser Ausführungsform bewirkt, dass die leitende Schicht, die an der Elektrolytschicht ausgebildet ist, von der leitenden Schicht des elektrisch leitenden Materials getrennt ist, die im Inneren der Poren der Elektrolytschicht ausgebildet ist. Diese Anordnung blockiert eine elektrische Verbindung zwischen der leitenden Schicht, die an der Elektrolytschicht ausgebildet ist, und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht, wodurch ein Potentialkurzschluss wirksam verhindert wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellenherstellungsverfahrens der Erfindung wird das Ausbilden einer leitenden Schicht durch Freisetzen eines leitenden Materials zu der Elektrolytschicht hin bei einem vorbestimmten Winkel durchgeführt, der verhindert, dass das leitende Material an einer Oberfläche der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht abgelagert wird, die an den Poren freiliegt, die in der Elektrolytschicht vorhanden sind, um die leitende Schicht auszubilden.

Das Verfahren dieser Ausführungsform verhindert, dass das elektrisch leitende Material an der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht abgelagert wird, die an den Poren in der Elektrolytschicht freiliegt, und bildet somit leicht die leitende Schicht aus, die nicht elektrisch mit der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht verbunden ist. Diese Anordnung verhindert somit wünschenswerterweise Potentialprobleme aufgrund eines Kurzschlusses zwischen der leitenden Schicht und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht.

In jeder der Ausführungsformen des Brennstoffzellenherstellungsverfahrens der Erfindung kann das Ausbilden einer leitenden Schicht durch Verwenden einer Unterdruck-Abscheidetechnik durchgeführt werden, um die leitende Schicht auszubilden.

Ein Verfahren des Freisetzens des elektrisch leitenden Materials von einer Freisetzquelle für leitendes Material in einer festen Richtung kann angewendet werden, um das elektrisch leitende Material bei dem bestimmten Winkel zu der Elektrolytschicht hin freizusetzen. Typische Beispiele dieses Verfahrens umfassen Physical Vapor Deposition (PVD)- Techniken, eingeschlossen Zerstäuben, Ionenplattieren und Unterdruckabscheidung, und eine thermische Zerstäubetechnik. Insbesondere ist die Unterdruck-Abscheidetechnik bevorzugt, die das elektrisch leitende Material abscheidet, um die leitende Schicht auszubilden, unter dem Zustand eines höheren Grads eines Unterdrucks im Vergleich zu den Sputter- und den Ionen-Plattierungstechniken. In dem Filmausbildungsprozess unter dem Hoch-Unterdruckzustand kollidieren Partikel des freigesetzten, elektrisch leitenden Materials kaum miteinander, sondern behalten ihre Richtung bei, um die Elektrolytschicht zu erreichen. Demzufolge gibt es eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass das elektrisch leitende Material an unerwünschten Stellen der Poren abgeschieden wird. Dies verhindert wirksam einen Potentialkurzschluss zwischen der leitenden Schicht und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht.

In einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellenherstellungsverfahrens der Erfindung umfasst das Ausbilden einer leitenden Schicht Folgendes Ausbilden einer dielektrischen Schicht in den Poren, die in der Elektrolytschicht vorhanden sind, wobei die dielektrische Schicht hauptsächlich aus einem isolierenden Material gemacht ist und eine Verbindung zwischen einer Oberfläche der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht, die an den Poren freiliegt, die in der Elektrolytschicht vorhanden sind, und einer Außenseite der Poren blockiert; und Bedecken der Elektrolytschicht und der dielektrischen Schicht, die in den Poren der Elektrolytschicht ausgebildet ist, mit der leitenden Schicht.

Das Verfahren dieser Ausführungsform bildet die dielektrische Schicht in den Poren der Elektrolytschicht aus und stellt dadurch das Verhindern eines Potentialkurschlusses zwischen der leitenden Schicht und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht aufgrund des Vorhandenseins der Poren sicher.

In dem Brennstoffzellenherstellungsverfahren dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass der Schritt des Ausbildens einer dielektrischen Schicht durch Füllen der Poren der Elektrolytschicht mit dielektrischen, feinen Partikeln durchgeführt wird, um die dielektrische Schicht auszubilden.

Im dem Brennstoffzellenherstellungsverfahren dieser Ausführungsform ist es auch bevorzugt, dass das Ausbilden einer dielektrischen Schicht durch Bedecken des Inneren der Poren der Elektrolytschicht mit einem Isoliermaterial durch Plattieren durchgeführt wird, um die dielektrische Schicht auszubilden.

In dem Brennstoffzellenherstellungsverfahren dieser Ausführungsform ist es des weiteren bevorzugt, dass das Ausbilden einer dielektrischen Schicht Folgendes umfasst:
Bedecken des Inneren der Poren der Elektrolytschicht mit einem Metall, das zu einem isolierenden Material oxidiert ist, um eine Metalldeckschicht auszubilden; und Oxidieren der Metalldeckschicht, um die dielektrische Schicht auszubilden.

Jede dieser Anordnungen ermöglicht, dass die dielektrische Schicht wirksam in den Poren der Elektrolytschicht ausgebildet werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellenherstellungsverfahrens der Erfindung umfasst das Ausbilden einer leitenden Schicht Folgendes-Füllen der Poren, die in der Elektrolytschicht vorhanden sind, mit feinen Partikeln; Ausbilden der leitenden Schicht an der Elektrolytschicht, die die Poren hat, die mit den feinen Partikeln gefüllt sind; und Entfernen der feinen Partikel von den Poren, im Anschluss an das Ausbilden der leitenden Schicht an der Elektrolytschicht.

Ein Teil der leitenden Schicht, die die feinen Partikel in den Poren bedeckt, wird gleichzeitig in dem Prozess des Entfernens der feinen Partikel von den Poren der Elektrolytschicht entfernt. Diese Anordnung verbessert die Zuverlässigkeit der Isolierung zwischen der leitenden Schicht und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht weiter.

In dem Brennstoffzellenherstellungsverfahren dieser Ausführungsform kann das Entfernen der feinen Partikel durch Verwenden einer chemischen Technik durchgeführt werden, um die feinen Partikel zu entfernen, oder einer physikalischen Technik, um die feinen Partikel zu entfernen. Sowohl die chemische als auch die physikalische Technik entfernen die feinen Partikel von den Poren der Elektrolytschicht, und entfernen demzufolge das elektrisch leitende Material von der Umgebung der Poren, wodurch somit die Zuverlässigkeit der Isolierung zwischen der leitenden Schicht und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht sichergestellt wird.

In einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellenherstellungsverfahrens der Erfindung umfasst das Ausbilden einer leitenden Schicht Folgendes:
Ausbilden einer Schutzschicht, um die Elektrolytschicht zu bedecken; und Ausbilden der leitenden Schicht an der Schutzschicht.

Die Schutzschicht wird an der Elektrolytschicht ausgebildet, bevor die leitende Schicht ausgebildet wird. Diese Anordnung verhindert wirksam, dass das elektrisch leitende Material in die Poren der Elektrolytschicht in dem Verlauf der Ausbildung der leitenden Schicht eindringt, wodurch wünschenswerterweise ein Potentialkurzschluss zwischen der leitenden Schicht und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht verhindert wird.

In dem Brennstoffzellenherstellungsverfahren dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass der Schritt des Ausbildens einer leitenden Schicht des weiteren Folgendes umfasst: Entfernen der Schutzschicht und Fixieren der leitenden Schicht an der Elektrolytschicht.

Dieses Herstellungsverfahren bringt die leitende Schicht in direkten Kontakt mit der Elektrolytschicht und verleiht der Brennstoffzelle die gesicherte Isolation zwischen der leitenden Schicht und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht.

In dem Brennstoffzellenherstellungsverfahren dieser Ausführungsform kann die Schutzschicht hauptsächlich aus einem isolierenden Material gemacht sein, das eine Protonenleitfähigkeit hat.

Die Schutzschicht dieser Struktur hat die gleichen Funktionen wie diejenigen der Elektrolytschicht und verursacht keine Notwendigkeit des Entfernens.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellenherstellungsverfahrens der Erfindung wird das Ausbilden einer leitenden Schicht durch Bedecken der Elektrolytschicht mit Partikeln eines elektrisch leitenden Materials durchgeführt, die einen größeren Partikeldurchmesser haben als eine Breite der Poren, die in der Elektrolytschicht vorhanden sind, um die leitende Schicht auszubilden.

Diese Anordnung verhindert wünschenswerterweise, dass das elektrisch leitende Material in die Poren der Elektrolytschicht eindringt, und verhindert somit wirksam einen Potentialkurzschluss zwischen der leitenden Schicht und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht.

In dem Brennstoffzellenherstellungsverfahren dieser Ausführungsform wird das Ausbilden einer leitenden Schicht durch Anwenden einer Technik von einer Lichtbogen-Ionen-Plattierungstechnik, einer Emulsions-Abscheidetechnik und einer Clusterstrahl-Abscheidetechnik durchgeführt, um die Elektrolytschicht mit dem elektrisch leitenden Material zu bedecken.

Jede dieser Techniken wird angewendet, um den Partikeldurchmesser des elektrisch leitenden Materials zu regulieren, um größer zu sein als die Breite der Poren, die in der Elektrolytschicht vorhanden sind.

In einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellenherstellungsverfahrens der Erfindung wird das Ausbilden einer leitenden Schicht durch Aufbringen einer Paste, die ein elektrisch leitendes Material enthält und ein vorbestimmtes Viskositätslevel hat für ein wirksames Verhindern des Eindringens der Paste in die Poren hat, die in der Elektrolytschicht vorhanden sind, auf die Elektrolytschicht durchgeführt, um die leitende Schicht auszubilden.

Eine Regulierung der Viskosität der Paste, die das elektrisch leitende Material enthält, verhindert leicht einen Potentialkurzschluss zwischen der leitenden Schicht und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellenherstellungsverfahrens der Erfindung umfasst das Ausbilden einer leitenden Schicht Folgendes:
Ausbilden eines leitenden Films von einem elektrisch leitenden Material; und Übertragen des leitenden Films auf die Elektrolytschicht, um die leitende Schicht auszubilden.

Das Verfahren dieser Ausführungsform bildet den leitenden Film von dem elektrisch leitenden Material und verbessert demzufolge die gegenseitige Bindekraft der Partikel des elektrisch leitenden Materials. Diese Anordnung verhindert wünschenswerterweise, dass das elektrisch leitende Material in die Poren der Elektrolytschicht in dem Prozess des Übertragens des leitenden Films auf die Elektrolytschicht eindringt, wodurch somit ein Potentialkurzschluss zwischen der leitenden Schicht und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht wirksam verhindert wird.

Die Technik der Erfindung ist nicht auf das Brennstoffzellenherstellungsverfahren einer der vorstehenden Anordnungen beschränkt, sondern kann auch durch eine Vielfalt anderer Anwendungen erhalten werden, eingeschlossen einer Brennstoffzelle, die durch das Brennstoffzellenherstellungsverfahren der Erfindung hergestellt wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht, die schematisch die Struktur einer Einheitsbrennstoffzelle in einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ist ein Flussdiagramm, das einen Herstellungsprozess einer MEA in der Einheitsbrennstoffzelle zeigt;
3 zeigt die Ausbildung einer Kathode, die in der MEA enthalten ist;
4 zeigt schematisch einen essentiellen Teil eines Herstellungsprozesses der MEA der Brennstoffzelle in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
5 ist eine Schnittansicht, die einen essentiellen Teil einer MEA in einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
6 ist eine Schnittansicht, die einen essentiellen Teil einer MEA in einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
7 zeigt einen Herstellungsprozess einer MEA in einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
8 zeigt einen Herstellungsprozess einer MEA in einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
9 zeigt einen Herstellungsprozess einer MEA in einer siebten Ausführungsform der Erfindung;
10 zeigt einen essentiellen Teil eines Herstellungsprozesses einer MEA in einer neunten Ausführungsform der Erfindung;
11 zeigt einen essentiellen Teil eines Herstellungsprozesses einer MEA in einer zehnten Ausführungsform der Erfindung;
12 zeigt einen Herstellungsprozess einer MEA in einer elften Ausführungsform der Erfindung; und
13 ist eine Schnittansicht, die schematisch die Struktur einer Einheitsbrennstoffzelle darstellt, die eine MEA hat, in einem modifizierten Beispiel.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Mehrere Formen des Ausführens der Erfindung werden nachstehend als bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben.
Erste Ausführungsform:
A. Struktur einer Brennstoffzelle
1 ist eine Schnittansicht, die schematisch die Struktur einer Einheitsbrennstoffzelle 20 als eine Einheit von Brennstoffzellen in einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die Einheitsbrennstoffzelle 20 hat ein Elektrolytmodul 23, das eine wasserstoffdurchlässige Metallschicht 22 und eine Elektrolytschicht 21 hat, eine Kathode 24, die an der Elektrolytschicht 21 ausgebildet ist, und ein Paar von Gastrennelementen 27 und 29. Eine in die Brennstoffzellen gehende Gasleitung 30 ist definiert durch und ausgebildet zwischen dem Gastrennelement 27 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22, um ein Hindurchgehen eines wasserstoffenthaltenden Brenngases zu gestatten. In gleicher Weise ist eine in die Zellen gehende Oxidationsgasleitung 32 definiert durch und ausgebildet zwischen dem Gastrennelement 29 und der Kathode 24, um ein Durchgehen eines sauerstoffenthaltenden Oxidationsgases zu gestatten. Der Integralkörper der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22, die Elektrolytschicht 21 und die Kathode 24 bilden eine MEA (Membranelektrodenbaugruppe) 40. Die eigentlich verwendeten Brennstoffzellen haben eine Stapelstruktur, die eine Anzahl der Einheitsbrennstoffzellen 20 hat, die in 1 gezeigt sind. Kühlmittelleitungen für ein Durchgehen eines Kühlmittels sind zwischen jedem Paar von benachbarten Einheitszellen 20 oder bei Intervallen einer voreingestellten Anzahl von Einheitszellen 20 vorgesehen, um die interne Temperatur der Stapelstruktur zu regulieren, obwohl diese im Speziellen nicht dargestellt sind.
Die wasserstoffdurchlässige Metallschicht 22 ist hauptsächlich aus einem Metall gemacht, das wasserstoffdurchlässig ist. Das Metall der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 kann z.B. Palladium (Pd) oder eine Pd-Legierung sein. Die wasserstoffdurchlässige Metallschicht 22 kann ansonsten eine mehrschichtige Membran sein, die ein Basismaterial eines Metalls aus der Gruppe V hat, wie Vanadium (V), Niob (Nb) oder Tantal (Ta) oder eine Legierung, die ein Metall der Gruppe V enthält, und ein Pd oder eine Pd- oder eine Pd enthaltende Legierungsschicht hat, die an wenigstens einer Fläche des Basismaterials (an der Seite der in die Zelle gehenden Brenngasleitung 30) ausgebildet ist. Palladium, das an wenigstens einer Fläche der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 an der Seite der in die Zelle gehenden Brenngasleitung 30 vorhanden ist, hat die Aktivität des Dissoziierens von Wasserstoffmolekülen, während das Wasserstoffgas durch die wasserstoffdurchlässige Metallschicht 22 hindurch übertragen wird. In der Struktur dieser Ausführungsform funktioniert die wasserstoffdurchlässige Metallschicht 22 als eine Anode.
Die Elektrolytschicht 21 ist aus einem Festelektrolyt gemacht, der eine Protonenleitfähigkeit hat. Der Festelektrolyt der Elektrolytschicht 22 ist z.B. ein keramisches Protonenleitelement aus BaCeO₃ oder SrCeO₃. Die Elektrolytschicht 21 ist an der dichten, wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 ausgebildet, und ist somit ausreichend dünn gemacht, um einen ausreichend verringerten Membranwiderstand des festen Oxids zu haben. Die Brennstoffzelle 20 dieser Struktur wird demzufolge in einem Betriebstemperaturbereich von ungefähr 200°C bis 600°C betrieben, der signifikant niedriger ist als der Betriebstemperaturbereich der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle des Stands der Technik.
Die Kathode 24 ist eine Metallschicht, die an der Elektrolytschicht 21 ausgebildet ist, und ist hauptsächlich aus einem Edelmetall gemacht, das die katalytische Aktivität des Beschleunigens der elektrochemischen Reaktion hat. In der Struktur dieser Ausführungsform ist die Kathode 24 aus Pd gemacht. Wenn die Kathode 24 aus einem wasserstoffundurchlässigen Edelmetall wie Platin (Pt) gemacht ist, sollte die Kathode 24 ausreichend dünn gemacht sein, um die Gasdurchlässigkeit zwischen der Außenseite der Kathode 24 (an der Seite der in die Zelle gehenden Oxidationsgasleitung 32) und der Elektrolytschicht 21 sicherzustellen. Das Ausbilden der Kathode 24 ist ein essentieller Teil der Erfindung und wird später im Detail beschrieben.
Die Gastrennelemente 27 und 29 sind gasundurchlässige Elemente, die hauptsächlich aus einem elektrisch leitenden Material wie Carbon oder Metall gemacht sind. Die Gastrennelemente 27 und 29 haben speziell gemusterte bzw. gestaltete Flächen, um die in die Zelle gehende Brenngasleitung 30 und die in die Zellen gehende Oxidationsgasleitung 32 zu definieren. In einer möglichen Modifikation der Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, kann die Einheitsbrennstoffzelle 20 zusätzlich ein elektrisch leitendes, gasdurchlässiges Element haben, das zwischen der MEA 40 und jedem der Gastrennelemente 27 und 29 angeordnet ist.
Das Brenngas, das zu der Brennstoffzelle zugeführt wird, kann ein wasserstoffreiches Gas sein, das durch Reformieren eines adäquaten Kohlenwasserstoffbrennstoffes erhalten wird, oder ein hochreines Wasserstoffgas sein. Das Oxidationsgas, das zu den Brennstoffzellen zugeführt wird, ist typischerweise die Luft.
B. Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle
Das Folgende beschreibt einen Prozess der Herstellung der MEA 40, die die wasserstoffdurchlässige Metallschicht 22, die Elektrolytschicht 21 und die Kathode 24 hat, als einen Teil des Herstellungsverfahrens der Einheitsbrennstoffzelle 20. 2 ist ein Flussdiagramm, das den Herstellungsprozess der MEA 40 zeigt.
Der Herstellungsprozess der MEA 40 stellt zuerst die wasserstoffdurchlässige Metallschicht 22 bereit (Schritt 5100). Die wasserstoffdurchlässige Metallschicht 22 ist als eine Pd enthaltende Metallmembran oder eine mehrschichtige Membran ausgebildet, die ein Basismaterial eines Metalls der Gruppe V und eine Pd enthaltende Schicht hat, die an wenigstens einer Fläche des Basismaterials ausgebildet ist, wie vorstehend beschrieben ist.
Der Herstellungsprozess bildet anschließend die Elektrolytschicht 21 an der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 aus, um das Elektrolytmodul 23 zu vervollständigen (Schritt S110). Wenn die wasserstoffdurchlässige Metallschicht 22 die mehrlagige Struktur hat, die das Basismaterial von einem Metall der Gruppe V und die Pd enthaltende Schicht hat, die an wenigstens einer Fläche des Basismaterials ausgebildet ist, wird die Elektrolytschicht 21 an der anderen Fläche des Gruppe V Metall enthaltenden Basismaterials ausgebildet. Das feste Oxid wird an der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 abgeschieden, um die Elektrolytschicht 21 auszubilden. Irgendeine von unterschiedlichen Techniken, eingeschlossen Physical Vapor Deposition (PVD) und Chemical Vapor Deposition (CVD), ist anwendbar, um den Film der Elektrolytschicht 21 auszubilden. Die Elektrolytschicht 21 hat eine Dicke z.B. in einem Bereich von 0,1 μm bis 5 μm.
Der Herstellungsprozess bildet dann die Kathode 24 an der Elektrolytschicht 21 (Schritt S120) aus, um die MEA 40 zu vervollständigen. In dieser Ausführungsform wird die PVD-Technik verwendet, um die Kathode 24 auszubilden. Die konkrete Prozedur der PVD-Technik aktiviert eine Pd-Abscheidungsquelle, die Pd in der Form von Molekülen oder Ionen in einer fixierten Richtung freisetzt und dadurch Pd auf der Elektrolytschicht 21 in einer Richtung abscheidet, die im Wesentlichen senkrecht zu dem Elektrolytmodul 23 ist. Die Kathode 24, die bei Schritt S120 ausgebildet wird, hat eine geringere Dicke als die Dicke der Elektrolytschicht 21, die bei Schritt S110 ausgebildet wird. Die Dicke der Kathode 24 ist vorzugsweise nicht größer als 1 μm. 3 zeigt die Ausbildung der Kathode 24. In dem dargestellten Beispiel von 3 hat die Elektrolytschicht 21 Löcher bzw. Nadellöcher oder Poren. Wie in 3 gezeigt ist, sind die Oberfläche der Elektrolytschicht 21 und das Innere der Poren, falls es welche gibt, mit Pd bedeckt, das von der Pd-Abscheidequelle freigesetzt worden ist. Die Prozedur dieses Ausführungsbeispiels sprüht Pd auf die Elektrolytschicht 21 in der Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu dem Elektrolytmodul 23 ist. Wandflächen der Poren (Wandflächen „A", die durch die gestrichelten Linien in 3 eingekreist sind), die parallel zu der Pd-Freisetzrichtung sind, werden somit nicht mit Pd bedeckt. Die Pd-Schicht ist dünner als die Elektrolytschicht 21 gemacht. Die Pd-Schicht, die an der Elektrolytschicht 21 ausgebildet ist, ist somit elektrisch und physikalisch von den Pd-Schichten getrennt, die in dem Inneren der Poren ausgebildet sind (siehe 3).
Das Brennstoffzellen-Zusammenbauverfahren ordnet die Gastrennelemente 27 und 29 über der MEA 40 an, die gemäß dem Prozess von 2 hergestellt worden ist, um jede Einheitsbrennstoffzelle 20 auszubilden, und legt eine vorbestimmte Anzahl der Einheitsbrennstoffzellen 20 übereinander, um den Brennstoffzellenstapel zu vervollständigen.
Wie vorstehend beschrieben ist, sprüht der Herstellungsprozess der MEA 40 Pd auf die Elektrolytschicht 21 in der Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu der Elektrolytschicht 21 ist, um die Kathode 24, die eine geringere Dicke hat als die Dicke der Elektrolytschicht 21, an der Elektrolytschicht 21 auszubilden. Sogar wenn die Elektrolytschicht 21 einige Löcher oder Poren hat, verhindert diese Struktur wirksam einen Potentialkurzschluss zwischen der Kathode 24 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22. Die Pd-Schicht, die an der Elektrolytschicht 21 ausgebildet ist, ist von den Pd-Schichten getrennt, die im Inneren der Poren ausgebildet sind. Solch eine getrennte Anordnung blockiert eine elektrische Verbindung zwischen der Kathode 24 der Pd-Schicht, die an der Elektrolytschicht 21 ausgebildet ist, und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22.
Die Technik, die anwendbar ist, um das Elektrodenmaterial wie Pd in einer fixierten bzw. festen Richtung freizusetzen, ist z.B. Sputtern oder Ionenplattieren. Bevorzugter ist die Unterdruck-Abscheidetechnik, die das Elektrodenmaterial abscheidet, um die Elektrode unter dem Zustand eines höheren Grads eines Unterdrucks auszubilden, im Vergleich zu den Sputter- und Ionen-Plattierungs-Techniken. Die Unterdruck-Abscheidetechnik führt eine Elektronenstrahl-Wärmeabscheidung oder Widerstands-Wärmeabscheidung unter dem Hochunterdruckzustand durch, um einen Film auszubilden. Unter dem verringerten Druck von z.B. 10^-2 Pa bis 10^-4 Pa, kollidieren die Partikel des Elektrodenmaterials, das von einer Abscheidequelle verdampft wurde, kaum miteinander, sondern behalten ihre Richtung bei, um die Elektrolytschicht 21 zu erreichen. Die Unterdruck-Abscheidetechnik stellt die hohe Geradheit des Elektrodenmaterials sicher, das von der Abscheidequelle zu der Elektrolytschicht 21 hin freigesetzt wird. Demzufolge gibt es eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass das Elektrodenmaterial an den Wandflächen der Poren abgeschieden wird. Dies verhindert wirksam einen Potentialkurzschluss zwischen der Kathode 24 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22.
Die Prozedur dieses Ausführungsbeispiels wendet die PVD-Technik an, um die Kathode 24 abzuscheiden, aber irgendein anderes Verfahren als die PVD-Technik ist alternativ anwendbar, um das Elektrodenmaterial auf die Elektrolytschicht 21 in der im Wesentlichen senkrechten Richtung abzuscheiden und die Kathode 24 auszubilden. Eine anwendbare Technik, die anders ist als die PVD-Technik, ist z.B. das thermische Zerstäuben.
Zweite Ausführungsform:
4 zeigt schematisch einen essentiellen Teil eines Herstellungsprozesses der MEA 40 der Brennstoffzelle in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der Herstellungsprozess der zweiten Ausführungsform ist nur in der Ausbildung der Kathode 24 von dem Herstellungsprozess der ersten Ausführungsform verschieden, das in dem Flussdiagramm von 2 gezeigt ist. 4 zeigt die Ausbildung der Kathode 24 in der zweiten Ausführungsform. Wie die erste Ausführungsform aktiviert die Prozedur der zweiten Ausführungsform eine Elektrodenmaterialfreisetzquelle, die ein Elektrodenmaterial wie Pd in einer festen Richtung freisetzt, und dadurch das Elektrodenmaterial auf der Elektrolytschicht 21 abscheidet, um die Kathode 24 auszubilden. Wie in 4 gezeigt ist, setzt der Kathodenausbildungsschritt der zweiten Ausführungsform, der Schritt S120 in dem Flussdiagramm von 2 entspricht, das Elektrodenmaterial von der Elektrodenmaterial-Freisetzquelle bei einem bestimmten Winkel frei, um zu verhindern, dass Elektrodenmaterial an der Oberfläche der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 abgeschieden wird, die an den Poren der Elektrolytschicht 21 freiliegt.
Diese Struktur blockiert wirksam eine elektrische Verbindung zwischen der Kathode 24 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 im Inneren der Poren der Elektrolytschicht 21. Die Freisetzrichtung des Elektrodenmaterials auf die Elektrolytschicht 21 ist eingestellt, um einen Nichtausbildungsbereich der Elektrodenmaterialschicht sicherzustellen (einen Bereich „B", der durch die gestrichelte Linie in 4 eingekreist ist). Wie die erste Ausführungsform blockiert diese Anordnung der zweiten Ausführungsform eine elektrische Verbindung zwischen der Kathode 24 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22, und beschränkt bzw. verhindert eine Potentialverschlechterung der Brennstoffzellenleistungen aufgrund eines Kurzschlusses zwischen der Kathode 24 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22. Der erwünschte Freisetzwinkel des Elektrodenmaterials, um die Kathode 24 auszubilden, ohne einen Kurzschluss mit der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 zu verursachen, hängt von der Breite der Poren ab, die in der Elektrolytschicht 21 vorhanden sind (der Durchmesser der Löcher oder die Breite von Mikrorissen), und der Dicke der Elektrolytschicht 21. Der bevorzugte Freisetzwinkel des Elektrodenmaterials kann experimentell bestimmt werden, um in ausreichender Weise einen Potentialkurzschluss zwischen der Kathode 24 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 gemäß den Zuständen der Elektrolytschicht 21 zu verhindern, an der die Kathode 24 ausgebildet ist. Eine anwendbare Prozedur setzt das Elektrodenmaterial bei verschiedenen Winkeln zu dem Elektrolytmodul 23 frei, das die Elektrolytschicht 21 hat, die unter voreingestellten Bedingungen ausgebildet ist, um Kathoden auszubilden, bringt eine vorbestimmte Spannung auf resultierende MEAs auf und wählt einen adäquaten Freisetzwinkel des Elektrodenmaterials aus, um die Kathode 24 auszubilden, ohne einen Kurzschluss mit der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 zu verursachen. Der Freisetzwinkel des Elektrodenmaterials kann ansonsten theoretisch gemäß der Breite der Poren und der Dicke der Elektrolytschicht 21 bestimmt werden, die z.B. mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) gemessen wird.
Jede der verschiedenen Techniken, die in der ersten Ausführungsform genannt ist, ist auch anwendbar, um das Elektrodenmaterial in einer festen Richtung für eine Abscheidung in dem Herstellungsprozess der MEA 40 in der zweiten Ausführungsform freizusetzen.
Dritte Ausführungsform:
5 ist eine Schnittansicht, die einen essentiellen Teil einer MEA 140 in einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die MEA 140 ersetzt die MEA 40 in der Brennstoffzelle der ersten Ausführungsform. In den Ausführungsformen, die nachstehend beschrieben sind, sind die gleichen Elemente wie diejenigen der MEA 40 durch gleiche Bezugszeichen ausgedrückt. Der Herstellungsprozess der MEA 140 bildet das Elektrolytmodul 23 in derselben Weise wie in Schritten 5100 und 5110 in dem Flussdiagramm von 2 aus und füllt die Poren der Elektrolytschicht 21 mit dielektrischen Partikeln 42, vor der Erzeugung der Kathode 24. Der Herstellungsprozess bildet dann die Kathode 24 aus, um die Elektrolytschicht 21 zu bedecken, die die Poren hat, die mit den dielektrischen Partikeln 42 gefüllt sind.
Die dielektrischen Partikel, die in die Poren der Elektrolytschicht 21 gepackt werden, sind z.B. Aluminiumoxidpartikel oder Siliciumdioxidpartikel. Die dielektrischen Partikel 42 müssen einen geringeren Partikeldurchmesser haben als die Breite der Poren, die in der Elektrolytschicht 21 vorhanden sind. Die Breite der Poren in der Elektrolytschicht 21 wird mit z.B. dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) gemessen, wie vorstehend beschrieben ist. Die Poren der Elektrolytschicht 21 werden mit den dielektrischen Partikeln 42 gefüllt, z.B. durch direktes Sprühen der dielektrischen Partikel 42 oder durch Aufbringen einer Paste der dielektrischen Partikel 42, die mit Wasser oder einem anderen geeigneten Lösungsmittel gemischt wird, auf die Elektrolytschicht 21. Ein Füllen der Poren der Elektrolytschicht 21 mit den dielektrischen Partikeln 42 blockiert eine elektrische Verbindung zwischen der Oberfläche der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22, die an den Poren freiliegt, und der Außenseite der Poren. Nach dem Füllen der Poren mit den dielektrischen Partikeln 42, wäscht der Herstellungsprozess das Elektrolytmodul 23 mit Wasser für ein Entfernen der dielektrischen Partikel 42 von der Oberfläche der Elektrolytschicht 21, und bildet anschließend die Kathode 24 an der Elektrolytschicht 21 aus. Irgendeine von verschiedenen Techniken, wie PVD, CVD oder Metallplattieren, kann verwendet werden, um die Kathode 24 auszubilden.
In der Struktur der dritten Ausführungsform sind die dielektrischen Partikel 42 in die Poren der Elektrolytschicht 21 gepackt, um zwischen der Kathode 24 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 angeordnet zu sein. Der Herstellungsprozess der MEA 140 in der dritten Ausführungsform verhindert somit wirksam einen Potentialkurzschluss zwischen der Kathode 24 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22.
Vierte Ausführungsform:
6 ist eine Schnittansicht, die einen essentiellen Teil einer MEA 240 in einer vierten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Die MEA 240 ersetzt die MEA 40 in der Brennstoffzelle der ersten Ausführungsform. Der Herstellungsprozess der MEA 240 bildet das Elektrolytmodul 23 in derselben Weise wie in Schritten S100 und S110 in dem Flussdiagramm von 2 aus und bedeckt die Poren der Elektrolytschicht 21 mit einer dielektrischen Deckschicht 44, vor der Erzeugung der Kathode 24. Der Herstellungsprozess bildet dann die Kathode 24 durch irgendein adäquates Verfahren aus, z.B. durch PVD, CVD oder Metallplatieren, um die Elektrolytschicht 21 zu bedecken, die die Poren hat, die mit der dielektrischen Deckschicht 44 bedeckt sind. Die dielektrische Deckschicht 44 ist nur an einer Fläche des Elektrolytmoduls 23, das die Elektrolytschicht 21 hat, durch Elektroplattieren ausgebildet. Eine anwendbare Prozedur scheidet ein elektrolysiertes Isoliermaterial, z.B. ein Keramikmaterial, an einer Fläche des Elektrolytmoduls 23 mit der Elektrolytschicht 21 ab. Die dielektrische Deckschicht 44 wird somit selektiv in den Poren der Elektrolytschicht 21 ausgebildet, an der die Oberfläche der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 teilweise freiliegt, ohne die nichtleitende Elektrolytschicht 21 zu bedecken. Die dielektrische Deckschicht 44 kann aus einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxid oder Siliciumdioxid gemacht sein.
Eine weitere anwendbare Prozedur bedeckt die Elektrolytschicht 21 mit dem Isoliermaterial, wie Aluminiumoxid oder Siliciumdioxid durch Sputtern oder Ionenplattieren, und ätzt anschließend das Isoliermaterial aus oder entfernt anderweitig das Isoliermaterial von der Oberfläche der Elektrolytschicht 21, um die dielektrische Deckschicht 44 nur in den Poren der Elektrolytschicht 21 auszubilden. Nach Ausbildung der dielektrischen Deckschicht 44 wird die Kathode 24 an der Elektrolytschicht 21 in derselben Weise wie in der dritten Ausführungsform ausgebildet.
In der Struktur der vierten Ausführungsform wird die dielektrische Deckschicht 44 in den Poren der Elektrolytschicht 21 ausgebildet, um zwischen der Kathode 24 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 angeordnet zu sein. Der Herstellungsprozess der MEA 240 in der vierten Ausführungsform verhindert somit wirksam einen Potentialkurzschluss zwischen der Kathode 24 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22.
Fünfte Ausführungsform:
7 zeigt einen Herstellungsprozess einer MEA 340 in einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Der Herstellungsprozess der MEA 340 bildet zuerst das Elektrolytmodul 23 in derselben Weise wie in Schritten S100 und S110 in dem Flussdiagramm von 2 (7(A)) aus, und bildet dann eine Metallschicht 45 in den Poren der Elektrolytschicht 21 (7(B)) aus. Nur eine Fläche des Elektrolytmoduls 23, das die Elektrolytschicht 21 hat, ist zu einem Elektroplattieren freigesetzt, um die Metallschicht 45 selektiv in den Poren der Elektrolytschicht 21 auszubilden. Die Metallschicht 45 ist aus einem Metall gemacht, das leicht oxidiert ist, um die Isolationseigenschaften zu besitzen, z.B. Aluminium oder Silicium.
Die Metallschicht wird oxidiert und zu einer Isolierschicht 46 isoliert (7(C)). Die Metallschicht 45 kann z.B. durch Aussetzen zu einer oxidierenden Hochtemperatur-Atmosphäre, einem Aussetzen zu einer oxidierenden Lösung, durch Lasertempern in einer oxidierenden Atmosphäre, Elektronenstrahlwärmen oder Mikrowellenwärmen oxidiert werden. Die Metallschicht 45 aus Aluminium oder Silicium wird zu der Isolierschicht 46 aus Aluminiumoxid oder Siliciumoxid oxidiert, die die isolierenden Eigenschaften hat. Nach Ausbildung der Isolierschicht 46, bildet der Herstellungsprozess die Kathode 24 durch irgendein geeignetes Verfahren, wie PVD, CVD oder Metallplattieren aus, um die Isolierschicht 46 und die Elektrolytschicht 21 zu bedecken. Dies vervollständigt die MEA 340 (7(D)).
In der Struktur der fünften Ausführungsform wird die Isolierschicht 46 in den Poren der Elektrolytschicht 21 ausgebildet, um zwischen der Kathode 24 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 angeordnet zu sein. Der Herstellungsprozess der MEA 340 in der fünften Ausführungsform verhindert somit wirksam einen Potentialkurzschluss zwischen der Kathode 24 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22. Die Metallschicht 45, die zu der Isolierschicht 46 oxidiert wird, wird durch Elektroplattieren ausgebildet. Sogar wenn die Poren der Elektrolytschicht 21 außerordentlich klein sind und eine Breite von nur einigen Atomen haben, schirmt diese Anordnung die Poren mit der Isolierschicht 46 wirksam ab und verhindert somit wirksam einen Potentialkurzschluss.
Sechste Ausführungsform:
8 zeigt einen Herstellungsprozess einer MEA 440 in einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. Der Herstellungsprozess der MEA 440 bildet zuerst das Elektrolytmodul 23 in derselben Weise wie in Schritten S100 und S110 in dem Flussdiagramm von 2 (8(A)) aus, und füllt dann die Poren der Elektrolytschicht 21 mit feinen Partikeln 47, die einen geringeren Partikeldurchmesser haben als die Breite der Poren (8(B)), und bildet dann die Kathode 24 durch irgendein geeignetes Verfahren, wie PVD, CVD oder Metallplattieren, aus, um die Elektrolytschicht 21 mit den Poren zu bedecken, die mit den feinen Partikeln 47 gefüllt sind (8(C)). Nach Ausbilden der Kathode 24 werden die feinen Partikel 47 entfernt. Dies vervollständigt die MEA 440 (8(D)).
Der Herstellungsprozess der MEA 440 in der sechsten Ausführungsform füllt die Poren der Elektrolytschicht 21 mit den feinen Partikeln 47, bildet die Kathode 24 an der Elektrolytschicht 21 aus und entfernt dann die feinen Partikel 47. Somit ist keine Elektrolytschicht in den Poren in der resultierenden MEA 440 vorhanden. Diese Anordnung verhindert wirksam einen Potentialkurzschluss zwischen der Kathode 24 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22.
Der Herstellungsprozess der sechsten Ausführungsform kann ein chemisches Verfahren anwenden, um die feinen Partikel 47 zu entfernen. Wenn die feinen Partikel 47 aus einem ausgewählten Harz gemacht sind, z.B. aus einem Epoxyharz, einem Acrylharz oder einem Vinylchloridharz, taucht ein verfügbares chemisches Verfahren das Elektrolytmodul 23 mit der daran ausgebildeten Kathode 24 in ein ausgewähltes Lösungsmittel ein, das das ausgewählte Harz lösen kann, um die feinen Partikel 47 zu entfernen. Das ausgewählte Lösungsmittel, das das ausgewählte Harz lösen kann, ist z.B. Aceton.
Der Herstellungsprozess der sechsten Ausführungsform kann ansonsten ein physikalisches Verfahren anwenden, um die feinen Partikel 47 zu entfernen. Ein verfügbares physikalisches Verfahren verwendet Ultraschallwellen, um Vibrationen auf das Elektrolytmodul 23 mit der daran ausgebildeten Kathode 24 in einer Flüssigkeit aufzubringen, um die feinen Partikel 47 zu entfernen. Ein weiteres verfügbares physikalisches Verfahren setzt die Kathode 24, die an dem Elektrolytmodul 23 ausgebildet ist, dem Luftstrom in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung aus und verwendet diesen Luftdruck, um die feinen Partikel 47 zu entfernen. Ein noch weiteres verfügbares physikalisches Verfahren sprüht Partikel, die einen geringeren Partikeldurchmesser haben als die Breite der Poren, auf die Kathode 24, die an dem Elektrolytmodul 23 ausgebildet ist, um die feinen Partikel 47 zu entfernen, die in den Poren gepackt sind. Die feinen Partikel 47 werden schließlich entfernt und können somit elektrisch leitend oder isolierend sein. Die feinen Partikel 47 haben bevorzugt eine geringe mechanische Anhaftung, um erfolgreich durch das physikalische Verfahren entfernt zu werden, und können aus Aluminiumoxid gemacht sein.
Siebte Ausführungsform:
9 zeigt einen Herstellungsprozess einer MEA 540 in einer siebten Ausführungsform der Erfindung. Der Herstellungsprozess der MEA 540 bildet zuerst das Elektrolytmodul 23 in derselben Weise wie in Schritten S100 und S110 in dem Flussdiagramm von 2 aus (9(A)), bildet eine Schutzschicht 48 an der Elektrolytschicht 21 aus, um zu verhindern, dass das Elektrodenmaterial in die Poren eintritt (9(B)), und bildet die Kathode 24 an der Schutzschicht 48 aus (9(C)). Nach Ausbilden der Kathode 24 befeuert bzw. brennt der Herstellungsprozess den ganzen geschichteten Körper aus, um die Schutzschicht 48 zu entfernen und um die Kathode 24 und die Elektrolytschicht 21 zu sintern (9(D)). Dies vervollständigt die MEA 540.
Die Schutzschicht 48 kann aus irgendeinem Material sein, das durch Ausbrennen bzw. Verbrennen oder irgendeinem anderen geeigneten, nachfolgenden Prozess entfernbar ist. Z.B, kann eine organische Paste aus Epoxyharz, Acrylharz, Vinylchloridharz aufgebracht werden, um die Schutzschicht 48 auszubilden. Die ausreichend erhöhte Viskosität der organischen Paste stellt die sichere Verhinderung eines Potentialkurzschlusses zwischen der Kathode 24 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 bei dem nachfolgenden Schritt des Ausbrennens der Kathode 24 an der Elektrolytschicht 21 sicher.
Bei dem Schritt von 9(C) wird eine Paste, die feine Partikel eines Elektrodenmaterials enthält, auf die Schutzschicht 48 aufgebracht, um die Kathode 24 auszubilden. Das Elektrodenmaterial kann ein Edelmetall sein, das eine katalytische Aktivität hat, wie Pd oder Pt. Der nachfolgende Brennschritt entfernt die Schutzschicht 48 und bewirkt, dass die poröse Kathode 24 an der Elektrolytschicht 21 fixiert wird. Die Metall- Plattierungstechnik kann alternativ angewendet werden, um einen dünnen Edelmetallfilm, der eine katalytische Aktivität hat, als die Kathode 24 auszubilden.
In der Struktur der siebten Ausführungsform ist die Schutzschicht 48 zwischen dem Elektrolytmodul 23 und der Kathode 24 angeordnet. Sogar wenn die Elektrolytschicht 21 Poren hat, verhindert der Herstellungsprozess der MEA 540 in der siebten Ausführungsform somit wirksam einen Potentialkurzschluss zwischen der Kathode 24 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22.
Achte Ausführungsform:
Die Struktur der siebten Ausführungsform hat die Schutzschicht 48, die zwischen der Kathode 24 und dem Elektrolytmodul 23 angeordnet ist und die nach Ausbilden der Kathode 24 entfernt wird. Die Schutzschicht 48 kann alternativ nicht entfernt werden. Diese Struktur ist nachstehend als eine achte Ausführungsform beschrieben.
Der Herstellungsprozess der achten Ausführungsform bildet die Schutzschicht 48 und die Kathode 24 an dem Elektrolytmodul 23 in derselben Weise wie die Schritte von 9(A) bis 9(C) aus. Die Schutzschicht 48 in der Struktur der achten Ausführungsform ist aus einem protonenleitenden Material gemacht. Z.B. wird eine Paste, die feine Partikel des gleichen Keramikprotonenleitelements wie das der Elektrolytschicht 21 enthält, auf das Elektrolytmodul 23 aufgebracht, um die Schutzschicht 48 auszubilden. Das Protonenleitelement der Schutzschicht 48 kann alternativ von dem Protonenleitelement der Elektrolytschicht 21 verschieden sein.
Nach Aufbringen der Paste brennt der Herstellungsprozess den gesamten geschichteten Körper aus, um die poröse Schutzschicht 48 zu vervollständigen. Die Kathode 24 wird dann durch z.B. die Metall-Plattierungstechnik ausgebildet. Ein modifizierter Herstellungsprozess kann die Paste aufbringen, um die Schutzschicht 48 auszubilden, die Elektrodenmaterial enthaltende Paste aufbringen, um die Kathode 24 auszubilden und den gesamten geschichteten Körper auszubrennen, um eine MEA der achten Ausführungsform zu vervollständigen.
In der Struktur der achten Ausführungsform ist die Schutzschicht 48 zwischen dem Elektrolytmodul 23 und der Kathode 24 angeordnet. Sogar wenn die Elektrolytschicht 21 Poren hat, verhindert der Herstellungsprozess der MEA in der achten Ausführungsform somit wirksam einen Potentialkurzschluss zwischen der Kathode 24 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22. In der Struktur der achten Ausführungsform wird die Schutzschicht 48 nicht entfernt, sondern wird erhalten, um effektiver einen Potentialkurzschluss zwischen der Kathode 24 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 zu beschränken bzw. zu verhindern. Die Schutzschicht 48 in der Struktur der achten Ausführungsform hat die Protonenleitfähigkeit und funktioniert somit als ein Teil der Elektrolytschicht 21 in dem Prozess der Energieerzeugung der Brennstoffzelle.
Neunte Ausführungsform:
10 zeigt einen essentiellen Teil eines Herstellungsprozesses einer MEA 640 in einer neunten Ausführungsform der Erfindung. Der Herstellungsprozess der MEA 640 bildet zuerst das Elektrolytmodul 23 in derselben Weise wie in Schritten S100 und S110 in dem Flussdiagramm von 2 aus, und bildet anschließend eine Kathode 624 an der Elektrolytschicht 21 aus. Die Kathode besteht aus Partikeln, die einen größeren Partikeldurchmesser haben als die Breite der Poren, die in der Elektrolytschicht 21 vorhanden sind. 10 zeigt eine PVD der Partikel, die den großen Partikeldurchmesser haben, um die Kathode 624 auszubilden.
Die Techniken, die anwendbar sind, um die Kathode 624 aus den Partikeln auszubilden, die den großen Partikeldurchmesser haben, umfassen z.B. Bogen-Ionenplattieren und Cluster-Strahlabscheidung, die Cluster von verschiedenen Größen, eingeschlossen Tropfen, produziert. Die Bogen-Ionenplattierungstechnik ergibt im Allgemeinen Partikel, die den Partikeldurchmesser von wenigstens einigen Nanometern (nm) in einem resultierenden Film haben, wohingegen die Cluster-Strahlabscheidungstechnik im Allgemeinen Partikel ergibt, die den Partikeldurchmesser von wenigstens einigen Mikrometern (μm) in einem resultierenden Film haben. Eine Steuerung der filmausbildenden Bedingungen, die ein aufgebrachtes Spannungslevel umfassen, reguliert in jeder von diesen Techniken den Partikeldurchmesser der Partikel in dem resultierenden Film. Die bevorzugte Prozedur wählt somit eine adäquate Technik unter den verfügbaren Filmausbildungstechniken aus, und stellt geeignete Filmerzeugungsbedingungen (z.B. das aufgebrachte Spannungslevel) ein, um die Kathode 624 auszubilden, unter Berücksichtigung der Breite der Poren, die in der Elektrolytschicht 21 vorhanden sind, und der Kosten der Filmerzeugung. In dem Prozess der Erzeugung der Kathode 624 durch die ausgewählte Technik kann ein Wien-Filter verwendet werden, um die Clustergröße einzustellen und einen gewünschten Partikeldurchmesser der Partikel in dem resultierenden Film zu erreichen. Der Herstellungsprozess dieser Ausführungsform reguliert den Partikeldurchmesser der Partikel in dem resultierenden Film in einem Bereich von mehreren Nanometern (nm) bis mehreren Mikrometern (μm) und bildet somit erfolgreich die Kathode 624 aus, ohne ein Eindringen des Elektrodenmaterials in die Poren.
Der Herstellungsprozess der MEA 640 in der neunten Ausführungsform scheidet die Partikel ab, die den größeren Partikeldurchmesser haben als die Breite der Poren, um die Kathode 624 auszubilden. Diese Anordnung verhindert wirksam einen Potentialkurzschluss zwischen der Kathode 624 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22.
Eine andere geeignete Technik als PVD kann verwendet werden, um die Kathode 624 aus den Partikeln auszubilden, die den größeren Partikeldurchmesser haben als die Breite der Poren. Ein anwendbares Verfahren sieht ein Elektrodenmaterial eines Edelmetalls, wie Pt, in der Form von feinen Partikeln vor, die den größeren Partikeldurchmesser haben als die Breite der Poren, und mischt die feinen Partikel des Elektrodenmaterials mit einem Lösungsmittel, das durch Brennen entfernbar ist, wie z.B. Wasser, zu einer Paste. Dieses Verfahren bringt die Paste auf die Elektrolytschicht 21 auf und brennt den gesamten geschichteten Körper aus, um das Lösungsmittel zu entfernen und die poröse Kathode 624 zu vervollständigen. Ein Flüssigkeitsphasenverfahren, z.B. ein Sol-Gel-Verfahren oder ein Emulsionsverfahren, kann ansonsten verwendet werden, um wahlweise große Partikel auszubilden und die Kathode 624 auszubilden.
Zehnte Ausführungsform:
11 zeigt einen essentiellen Teil eines Herstellungsprozesses einer MEA 740 in einer zehnten Ausführungsform der Erfindung. Der Herstellungsprozess der MEA 740 bildet zuerst das Elektrolytmodul 23 in derselben Weise aus wie in Schritten S100 und S110 in dem Flussdiagramm von 2 und bildet anschließend eine Kathode 724 an der Elektrolytschicht 21 aus. Der Herstellungsprozess der zehnten Ausführungsform mischt feine Partikel eines Edelmetalls, wie Pt, mit einem Lösungsmittel, das durch Ausbrennen entfernbar ist, wie z.B. Wasser, zu einer Paste, bringt die Paste auf die Elektrolytschicht 21 auf, und brennt den gesamten geschichteten Körper aus, um das Lösungsmittel zu entfernen und die poröse Kathode 724 zu vervollständigen. Die Paste ist angefertigt, um eine ausreichend hohe Viskosität zu haben und dringt somit nicht in die Poren in der Elektrolytschicht 21 ein, um in Kontakt mit der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 zu sein, wenn sie auf die Elektrolytschicht 21 aufgebracht wird. Die Viskosität der Paste wird gemäß der Zusammensetzung der Paste (z.B. der Art des zugefügten Lösungsmittels, dem Anteil der feinen Partikel in der Paste, der Art des Edelmetalls der feinen Partikel und dem Partikeldurchmesser der feinen Edelmetallpartikel) und/oder der Temperatur der Paste reguliert. Die höhere Temperatur ergibt im Allgemeinen die niedrigere Viskosität. Die bevorzugte Zusammensetzung und/oder die bevorzugte Temperatur der Paste kann experimentell bestimmt werden oder anderweitig, um die Kathode 724 auszubilden, die keinen Kurzschluss mit der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 verursacht. Die konkrete Prozedur bringt Pasten mit verschiedenen Zusammensetzungen und/oder unterschiedlichen Temperaturen auf das Elektrolytmodul 23 auf, um Kathoden auszubilden, und wählt optimale Bedingungen der Paste aus, um eine Kathode auszubilden, die keinen Kurzschluss verursacht. Hier hat das Elektrolytmodul 23 die Elektrolytschicht 21, die unter voreingestellten Bedingungen bereitgestellt ist, um eine vorbestimmte Dicke und Poren zu haben, die eine Breite in einem voreingestellten Bereich haben. 11 zeigt ein Aufbringen von Pasten auf die Elektrolytschicht 21. 11(A) zeigt ein Aufbringen einer Paste, die die Viskosität hat, die wie vorstehend beschrieben eingestellt ist. 11(B) zeigt ein Aufbringen einer anderen Paste, die die niedrige Viskosität hat, die in die Poren der Elektrolytschicht 21 eindringt, um in Kontakt mit der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22 zu sein. Nach Aufbringen der Paste wird der gesamte geschichtete Körper ausgebrannt für ein Entfernen des Lösungsmittels von der Paste. Die aufgebrachte Pastenschicht bildet demzufolge die poröse Kathode 724 aus.
Eine adäquate Einstellung der Viskosität der Paste beschränkt wirksam ein Eindringen der Paste, die auf die Elektrolytschicht 21 aufgebracht wird, in die Poren der Elektrolytschicht 21, und verhindert somit einen Potentialkurzschluss zwischen der Kathode 624 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22. Der Herstellungsprozess der zehnten Ausführungsform reguliert die Viskosität der Paste, um ein Eindringen der Paste in die Poren zu verhindern, und erfordert demzufolge nicht ein Auswählen der Edelmetallpartikel, die den Partikeldurchmesser von nicht weniger als ein voreingestelltes Level haben, um die Paste anzufertigen, im Gegensatz zu dem Prozess der neunten Ausführungsform.
Elfte Ausführungsform:
12 zeigt einen Herstellungsprozess einer MEA 840 in einer elften Ausführungsform der Erfindung. Der Herstellungsprozess der MEA 840 bedeckt zuerst eine Fläche einer ausgewählten Transferplatte 50 mit einer Elektrodenmaterialschicht 52 (12(A)), während das Elektrolytmodul 23 in derselben Weise wie in Schritten S100 und S110 in dem Flussdiagramm von 2 (12(B)) ausgebildet wird. Der Herstellungsprozess legt die Transferplatte 50, die mit der Elektrodenmaterialschicht 52 bedeckt ist, auf das Elektrolytmodul 23 derart, dass die Elektrodenmaterialschicht 52 in Kontakt mit der Elektrolytschicht 21 ist, und überträgt die Elektrodenmaterialschicht 52 auf die Elektrolytschicht 21 (12(C)). Dies bildet die Kathodenelektrode 824 aus und vervollständigt die MEA 840 (12(D)).
Eine Fläche der Transferplatte 50 ist mit einem dünnen Film eines Edelmetalls bedeckt, wie Pt oder Pd, durch die PVD- oder CVD-Technik, um die Elektrodenmaterialschicht 52 auszubilden. Der dünne Pd-Metallfilm kann ein dichter Film oder ein ausreichend dünner, poröser Film sein. Der dünne Metallfilm aus einem wasserstoffundurchlässigen Edelmetall wie Pt ist ein poröser Film. Eine Schicht von feinen Partikeln des Edelmetalls kann alternativ als die Elektrodenmaterialschicht 52 an der Transferplatte 50 durch die Schlickerbedeckungs- oder Siebdrucktechnik ausgebildet sein.
Die Elektrodenmaterialschicht 52 kann auf die Elektrolytschicht durch Anwendung von Wärme und/oder Druck übertragen werden. Die Elektrodenmaterialschicht 52 des dünnen Metallfilms wird auf die Elektrolytschicht 21 übertragen, um die Kathode 824 auszubilden. Die Elektrodenmaterialschicht 52 der feinen Edelmetallpartikel, die durch die Schlickerbedeckungs- oder Siebdrucktechnik ausgebildet sind, wird andererseits für ein Entfernen des Lösungsmittels von der Elektrodenmaterialschicht 52 ausgebrannt, vor oder nach der Übertragung, um die poröse Kathode 824 auszubilden.
Die Partikel der Elektrodenmaterialschicht 52 werden zu einem Film ausgebildet, vor einer Übertragung auf die Elektrolytschicht 21, und haben demzufolge eine verbesserte räumliche Bindekraft. Der Herstellungsprozess der MEA 840 der elften Ausführungsform verhindert somit wünschenswerterweise, dass die Partikel der Elektrodenmaterialschicht 52 in die Poren der Elektrolytschicht 21 eindringen, wenn sie zu der Elektrolytschicht 21 übertragen werden. Diese Anordnung verhindert wirksam einen Potentialkurzschluss zwischen der Kathode 824 und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht 22.
C. Modifikationen
Die Ausführungsbeispiele und ihre modifizierten Beispiele, die vorstehend diskutiert sind, sind in allen Aspekten als beispielhaft und nicht als restriktiv zu betrachten. Es können viele Modifikationen, Änderungen und Variationen gemacht werden, ohne von dem Umfang der Haupteigenschaften der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Einige Beispiele von möglichen Modifikationen sind nachstehend aufgeführt.

(1) Jeder der Herstellungsprozesse der jeweiligen Ausführungsbeispiele, die vorstehend beschrieben sind, können kombiniert werden, um die Kathode auszubilden. Z.B. können jeder der Herstellungsprozesse der neunten bis elften Ausführungsform mit irgendeinem der Herstellungsprozesse der dritten bis fünften Ausführungsform kombiniert werden. Der erstere Prozess reguliert die Größe der leitenden Partikel, um die Kathode auszubilden, stellt die Viskosität der Paste ein, um die Kathode auszubilden, oder bildet eine leitende Schicht an einer separaten Platte vor einer Übertragung der leitenden Schicht als die Kathode aus, um ein Eindringen des Elektrodenmaterials in die Poren zu verhindern. Der letztere Prozess füllt die Poren der Elektrolytschicht mit Isoliermaterial, vor einem Ausbilden der Kathode. Solch eine Kombination der Herstellungsprozesse stellt noch wirksamer die Verhinderung eines Potentialkurzschlusses zwischen der Kathode und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht sicher.
(2) In der Struktur der Einheitsbrennstoffzelle 20, die in 1 gezeigt ist, funktioniert die wasserstoffdurchlässige Metallschicht 22 als das Basismaterial der Elektrodenschicht 21 als die Anode der Brennstoffzelle, während die Edelmetallschicht, die an der anderen Fläche der Elektrolytschicht 21 ausgebildet ist, als die Kathode der Brennstoffzelle funktioniert. Die Anode und die Kathode können gemäß den Anforderungen vertauscht sein. In dieser modifizierten Struktur funktioniert eine wasserstoffdurchlässige Metallschicht des Elektrolytmoduls als die Kathode der Brennstoffzelle, während eine Edelmetallschicht, die an der anderen Fläche der Elektrolytschicht ausgebildet ist, als die Anode der Brennstoffzelle funktioniert. Diese modifizierte Struktur kann zusätzlich eine katalytische Schicht haben, die an der Kathode der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht ausgebildet ist.
(3) In einer anderen möglichen Modifikation kann das Elektrolytmodul mehrere Elektrolytschichten und/oder mehrere wasserstoffdurchlässige Metallschichten haben. 13 ist eine Schnittansicht, die schematisch die Struktur eine Einheitsbrennstoffzelle 920 zeigt, die eine MEA 940 mit einer fünflagigen Struktur hat. Die MEA 940 hat eine Basismaterialschicht 922 eines Metalls der Gruppe V oder einer Legierung mit einem Metall der Gruppe V, Elektrolytschichten 921 und 925, die aus dem gleichen festen Oxid gemacht sind wie das der Elektrolytschicht 21 und an beiden Flächen der Basismaterialschicht 922 ausgebildet sind, und Deckschichten 924 und 926, die aus Pd oder einer Pd-Legierung gemacht sind und jeweils außen an den jeweiligen Elektrolytschichten 921 und 925 angeordnet sind. Die Technik der vorliegenden Erfindung ist auf diese Struktur anwendbar und übt die gleichen Effekte aus. Nach Ausbilden der Elektrolytschichten 921 und 925 an beiden Flächen der Basismaterialschicht 922, wird irgendeiner der Herstellungsprozesse der ersten bis elften Ausführungsform angewendet, um die Deckschichten 924 und 926 an den jeweiligen Elektrolytschichten 921 und 925 auszubilden.

Die Struktur von 13 kann weiter in verschiedenen Arten modifiziert werden. Z.B. kann entweder eine oder beide der Deckschichten 924 und 926 weggelassen werden. Die modifizierte Struktur ohne die Deckschicht hat eine katalytische Schicht, die an der Elektrolytschicht ausgebildet ist, und eine poröse Elektrodenschicht, die an der katalytischen Schicht ausgebildet ist, um in Kontakt mit dem Gastrennelement zu sein. Entweder eine oder beide der Elektrolytschichten 921 und 925 können alternativ von der Struktur von 13 weggelassen werden.
Die vorstehende Beschreibung betrachtet hauptsächlich die Verhinderung eines Potentialkurzschlusses zwischen der Elektrode und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht. Die Technik der vorliegenden Erfindung ist auch auf den Prozess der Erzeugung von leitenden Schichten anwendbar, die nicht als Elektroden in einer Brennstoffzelle dienen, die mehrere leitende Schichten und mehrere Elektrolytschichten hat. Die Technik verhindert wirksam einen Potentialkurzschluss zwischen der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht als das Basismaterial der Elektrolytschichten und den leitenden Schichten, die an den Elektrolytschichten ausgebildet sind, aufgrund der Anwesenheit von Poren in den Elektrolytschichten, und beschränkt somit eine Verschlechterung der Leistung der resultierenden Brennstoffzelle.
Zusammenfassung
Das Herstellungsverfahren der Erfindung wird zum Herstellen einer Einheitsbrennstoffzelle (20) verwendet, die eine wasserstoffdurchlässige Metallschicht (22) aus einem wasserstoffdurchlässigen Metall und eine Elektrolytschicht (21) hat, die an der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht (22) gelegen ist und eine Protonenleitfähigkeit hat. Das Verfahren bildet zuerst die Elektrolytschicht (21) an der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht (22) aus und bildet anschließend eine elektrisch leitende Kathode (24) an der Elektrolytschicht (21) aus, um eine elektrische Verbindung zwischen der Kathode (24) und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht (22) zu blockieren. Das Verfahren setzt Pd zu der Elektrolytschicht (21) in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Elektrolytschicht (21) hin frei, um eine Pd-Schicht als die Kathode (24) auszubilden, die dünner ist als die Elektrolytschicht (21). Diese Anordnung der Erfindung verhindert wirksam einen Potentialkurzschluss, z.B. zwischen der Kathode und der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht, in der Brennstoffzelle, aufgrund von Poren, die in der Elektrolytschicht vorhanden sind.
[3]

Claims

Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle, die eine wasserstoffdurchlässige Metallschicht eines wasserstoffdurchlässigen Metalls und eine Elektrolytschicht hat, die an der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht gelegen ist und eine Protonenleitfähigkeit hat, wobei das Herstellungsverfahren Folgendes aufweist: Ausbilden der Elektrolytschicht an der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht; und Ausbilden einer leitenden Schicht, die eine elektrische Leitfähigkeit hat, an der ausgebildeten Elektrolytschicht, um eine elektrische Verbindung zwischen der leitenden Schicht und den wasserstoffdurchlässigen Metallschichten über Poren zu verhindern, die in der Elektrolytschicht vorhanden ist.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1, wobei die leitende Schicht eine Elektrode ist.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Ausbilden einer leitenden Schicht durch Freisetzen eines leitenden Materials zu der Elektrolytschicht hin in einer Richtung durchgeführt wird, die im Wesentlichen senkrecht zu der Elektrolytschicht ist, um die leitende Schicht auszubilden, die dünner ist als die Elektrolytschicht.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Ausbilden einer leitenden Schicht durch Freisetzen eines leitenden Materials zu der Elektrolytschicht hin bei einem bestimmten Winkel durchgeführt wird, der verhindert, dass das leitende Material an einer Oberfläche der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht abgeschieden wird, die an den Poren freiliegt, die in der Elektrolytschicht vorhanden sind, um die leitenden Schicht auszubilden.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei das Ausbilden einer leitenden Schicht durch Verwenden einer Unterdruck-Abscheidetechnik durchgeführt wird, um die leitende Schicht auszubilden.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Ausbilden der leitenden Schicht des weiteren Folgendes umfasst: Ausbilden einer dielektrischen Schicht in den Poren, die in der Elektrolytschicht vorhanden sind, wobei die dielektrische Schicht hauptsächlich aus einem isolierenden Material gemacht ist und eine Verbindung zwischen einer Fläche der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht, die an den Poren freiliegt, die in der Elektrolytschicht vorhanden sind, und einer Außenseite der Poren blockiert; und Bedecken der Elektrolytschicht und der dielektrischen Schicht, die in den Poren der Elektrolytschicht ausgebildet ist, mit der leitenden Schicht.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Ausbilden einer dielektrischen Schicht durch Füllen der Poren der Elektrolytschicht mit feinen dielektrischen Partikeln durchgeführt wird, um die dielektrische Schicht auszubilden.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Ausbilden einer dielektrischen Schicht durch Bedecken des Inneren der Poren der Elektrolytschicht mit einem isolierenden Material durch Plattieren durchgeführt wird, um die dielektrische Schicht auszubilden.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Ausbilden einer dielektrischen Schicht des weiteren Folgendes umfasst: Bedecken des Inneren der Poren der Elektrolytschicht mit einem Metall, das zu einem isolierenden Material oxidiert ist, um eine Metalldeckschicht auszubilden; und Oxidieren der Metalldeckschicht, um die dielektrische Schicht auszubilden.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Ausbilden einer leitenden Schicht Folgendes umfasst: Füllen der Poren, die in der Elektrolytschicht vorhanden sind, mit feinen Partikeln; Ausbilden der leitenden Schicht an der Elektrolytschicht, die die Poren hat, die mit den feinen Partikeln gefüllt sind; und Entfernen der feinen Partikel von den Poren, im Anschluss an das Ausbilden der leitenden Schicht an der Elektrolytschicht.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Entfernen der feinen Partikel durch Anwenden einer chemischen Technik durchgeführt wird, um die feinen Partikel zu entfernen.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Entfernen der feinen Partikel durch Anwenden einer physikalischen Technik durchgeführt wird, um die feinen Partikel zu entfernen.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Ausbilden einer leitenden Schicht Folgendes umfasst: Ausbilden einer Schutzschicht, um die Elektrolytschicht zu bedecken; und Ausbilden der leitenden Schicht an der Schutzschicht.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Ausbilden einer leitenden Schicht des weiteren umfasst: Entfernen der Schutzschicht und Fixieren der leitenden Schicht an der Elektrolytschicht.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Schutzschicht hauptsächlich aus einem isolierenden Material gemacht ist, das eine Protonenleitfähigkeit hat.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Ausbilden einer leitenden Schicht durch Bedecken der Elektrolytschicht mit Partikeln eines elektrisch leitenden Materials durchgeführt wird, das einen größeren Partikeldurchmesser hat als eine Breite der Poren, die in der Elektrolytschicht vorhanden sind, um die leitende Schicht auszubilden.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 16, wobei das Ausbilden einer leitenden Schicht durch Anwenden einer Technik von einer Bogen-Ionenplattierungs-, Emulsions-Abscheidungs-, und Cluster-Strahlabscheidungstechnik durchgeführt wird, um die Elektrolytschicht mit dem elektrisch leitenden Material zu bedecken.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Ausbilden einer leitenden Schicht durch Aufbringen einer Paste, die ein elektrisch leitendes Material enthält und ein vorbestimmtes Viskositätslevel hat, für ein wirksames Verhindern des Eindringens der Paste in die Poren, die in der Elektrolytschicht vorhanden sind, auf die Elektrolytschicht durchgeführt wird, um die leitende Schicht auszubilden.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Ausbilden einer leitenden Schicht Folgendes umfasst: Ausbilden eines leitenden Films eines elektrisch leitenden Materials; und Übertragen des leitenden Films auf die Elektrolytschicht, um die leitende Schicht auszubilden.
Brennstoffzelle mit einer wasserstoffdurchlässigen Metallschicht aus einem wasserstoffdurchlässigen Metall und einer Elektrolytschicht, die an der wasserstoffdurchlässigen Metallschicht gelegen ist und eine Protonenleitfähigkeit hat, wobei die Brennstoffzelle durch ein Herstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 hergestellt ist.