JP2005302420A - Manufacturing method of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素透過性金属層と電解質層と電極とを備える燃料電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell including a hydrogen permeable metal layer, an electrolyte layer, and an electrode.
従来から、様々な構造の燃料電池が提案されている。例えば、下記特許文献1には、プロトン伝導性を有する電解質層のアノード側に、水素透過性を有するパラジウム系金属膜を配設した燃料電池が開示されている。このような燃料電池として、例えば、金属薄膜である水素透過性金属層上に、セラミックスなどの固体電解質層を成膜し、その膜上にカソード電極を薄く、かつ、均一に成膜することによって単セルを製造し、この単セルと集電体としてのセパレータとを積層して構成することができる。こうした燃料電池の製造には、様々な成膜方法を用いることができる。例えば、レーザアブレーション法を用いて、高温条件下で水素透過性金属層上に緻密な固体電解質層を成膜し、それをチャンバ内部から取り出して、スパッタ法などの一般的な成膜方法を用いてカソード電極の成膜を行なうことができる。こうした複数の膜を成膜する場合には、全体の成膜速度や価格の面から、膜の種類に応じた成膜方法が選択されるのが一般的である。 Conventionally, fuel cells having various structures have been proposed. For example, Patent Document 1 below discloses a fuel cell in which a palladium-based metal film having hydrogen permeability is disposed on the anode side of an electrolyte layer having proton conductivity. As such a fuel cell, for example, a solid electrolyte layer such as ceramics is formed on a hydrogen permeable metal layer which is a metal thin film, and a cathode electrode is thinly and uniformly formed on the film. A single cell can be manufactured, and the single cell and a separator as a current collector can be laminated to form a single cell. Various film forming methods can be used for manufacturing such a fuel cell. For example, using a laser ablation method, a dense solid electrolyte layer is formed on a hydrogen permeable metal layer under a high temperature condition, taken out of the chamber, and a general film formation method such as sputtering is used. Thus, the cathode electrode can be formed. In the case of forming such a plurality of films, a film forming method corresponding to the type of film is generally selected from the viewpoint of the overall film forming speed and cost.
しかしながら、こうした方法で製造した燃料電池では、水素透過性金属層とカソード電極との間で短絡が生じるという問題があった。この問題は、高温条件下で水素透過性金属層上に固体電解質層が成膜されて形成される電解質膜をこの成膜に使用した装置外に取り出す際に冷却してしまい、さらに水素透過性金属層と固体電解質層との熱膨張差が関与して固体電解質層に欠損が発生するために生じる。こうした固体電解質層上の欠損箇所に、カソード電極の成膜過程において電極用材料が入り込み、水素透過性金属層とカソード電極との間が短絡してしまう。この結果、燃料電池の性能低下が発生していた。こうした問題は、電解質層として固体酸化物や固体高分子を用いる燃料電池に共通の課題であった。 However, the fuel cell manufactured by such a method has a problem that a short circuit occurs between the hydrogen permeable metal layer and the cathode electrode. This problem is caused when the electrolyte membrane formed by forming a solid electrolyte layer on the hydrogen permeable metal layer under high temperature conditions is cooled when taken out of the apparatus used for the film formation, and the hydrogen permeability is further increased. This occurs because a defect occurs in the solid electrolyte layer due to a difference in thermal expansion between the metal layer and the solid electrolyte layer. The material for the electrode enters the defect portion on the solid electrolyte layer in the process of forming the cathode electrode, and the hydrogen permeable metal layer and the cathode electrode are short-circuited. As a result, performance degradation of the fuel cell has occurred. Such a problem is a common problem for fuel cells using solid oxides or solid polymers as the electrolyte layer.
本発明は、こうした問題を踏まえて、電解質層の欠損の発生自体を低減し、水素透過性金属層とカソード電極との間の短絡を抑制する燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。 In view of these problems, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a fuel cell that reduces the occurrence of defects in an electrolyte layer and suppresses a short circuit between a hydrogen-permeable metal layer and a cathode electrode. .
本発明の燃料電池の製造方法は、上記課題に鑑み、以下の手法を採った。すなわち、水素透過性金属を含有する水素透過性金属層と、該水素透過性金属層上に積層されると共にプロトン伝導性を有する電解質層とからなる電解質膜と、該電解質層における該水素透過性金属層が積層された面と反対側の面に積層される電極とを有する燃料電池の製造方法であって、(a)前記水素透過性金属層上に、所定の温度条件の下で、前記電解質層を成膜する工程と、(b)前記工程(a)において形成された前記電解質層上に、前記電極を、その成膜前に、該電解質層にその熱膨張に起因した欠損が生じ難い温度条件を保持しながら、成膜する工程とを備えたことを要旨としている。 In view of the above problems, the fuel cell manufacturing method of the present invention employs the following method. That is, an electrolyte membrane comprising a hydrogen permeable metal layer containing a hydrogen permeable metal, an electrolyte layer laminated on the hydrogen permeable metal layer and having proton conductivity, and the hydrogen permeability in the electrolyte layer A method of manufacturing a fuel cell having an electrode laminated on a surface opposite to a surface on which a metal layer is laminated, wherein: (a) on the hydrogen permeable metal layer under a predetermined temperature condition, A step of forming an electrolyte layer; and (b) a defect caused by thermal expansion of the electrode on the electrolyte layer formed in step (a) before the formation of the electrode. The gist of the present invention is to provide a film forming process while maintaining difficult temperature conditions.
本発明の製造方法によれば、電極の成膜の際、水素透過性金属層上に成膜した電解質層上に熱膨張に起因した欠損が生じ難い温度条件に保持される。つまり、水素透過性金属層上に成膜した電解質層の温度条件を管理することで、電解質層でのクラックなどの欠損の発生が抑制される。こうした電解質層上に電極を成膜するため、電極用の材料が欠損箇所に入り込むことで生じる水素透過性金属層と電極との短絡を抑制することができる。 According to the manufacturing method of the present invention, when forming an electrode, the temperature is maintained such that defects due to thermal expansion hardly occur on the electrolyte layer formed on the hydrogen permeable metal layer. That is, by controlling the temperature condition of the electrolyte layer formed on the hydrogen permeable metal layer, the occurrence of defects such as cracks in the electrolyte layer is suppressed. Since the electrode is formed on such an electrolyte layer, a short circuit between the hydrogen permeable metal layer and the electrode, which is caused when the electrode material enters the defect portion, can be suppressed.
上記の燃料電池の製造方法において、前記工程(a)で成膜された前記電解質膜を、該成膜を行なった装置内に保持したまま、前記工程(b)により前記電極を成膜するものとしても良い。 In the above fuel cell manufacturing method, the electrode is formed by the step (b) while the electrolyte membrane formed in the step (a) is held in the apparatus in which the film is formed. It is also good.
かかる燃料電池の製造方法によれば、電極を成膜するまで、電解質膜を成膜を行なった装置内に保持する。つまり、電解質膜は、成膜時の温度条件雰囲気のもと、そのままの状態で電極の成膜工程に移る。したがって、電解質膜を取り出すことによる冷却を回避し、電解質層の欠損発生を抑えることができる。その結果、水素透過性金属層と電極との短絡を抑制することができる。 According to this method of manufacturing a fuel cell, the electrolyte membrane is held in the apparatus in which the film is formed until the electrode is formed. That is, the electrolyte membrane moves to the electrode deposition step as it is under the temperature condition atmosphere at the time of deposition. Therefore, cooling by taking out the electrolyte membrane can be avoided, and occurrence of defects in the electrolyte layer can be suppressed. As a result, a short circuit between the hydrogen permeable metal layer and the electrode can be suppressed.
上記の構成を有する燃料電池の製造方法の工程(b)の保持する温度条件は、前記工程(a)における前記成膜時の温度条件を基準に、±100℃以内の温度差であるものとしても良い。かかる製造方法によれば、電解質層の成膜の際の温度条件から±100℃以内の範囲の温度を保持して電極は成膜される。この範囲の温度を保持することで、熱膨張に起因して電解質層にかかる応力を緩和することができ、電解質層の欠損を抑制することができる。 The temperature condition held in step (b) of the method for manufacturing a fuel cell having the above-described configuration is a temperature difference within ± 100 ° C. based on the temperature condition at the time of film formation in step (a). Also good. According to this manufacturing method, the electrode is formed while maintaining the temperature within a range of ± 100 ° C. from the temperature condition during the formation of the electrolyte layer. By maintaining the temperature within this range, stress applied to the electrolyte layer due to thermal expansion can be relaxed, and defects in the electrolyte layer can be suppressed.
上記の構成を有する燃料電池の製造方法において、前記工程(a)で成膜する電解質層は、プロトン伝導性を有するセラミック層としてのSrZrO3 系ペロブスカイトであり、前記工程(b)の保持する温度条件は、前記工程(a)における前記成膜時の温度条件との温度差が−75℃から+40℃の範囲内であるものとすることができる。 In the method of manufacturing a fuel cell having the above configuration, the electrolyte layer formed in the step (a) is a SrZrO 3 perovskite as a proton conductive ceramic layer, and the temperature maintained in the step (b) The conditions may be such that the temperature difference from the temperature condition during the film formation in the step (a) is in the range of −75 ° C. to + 40 ° C.
かかる製造方法によれば、電解質層の成膜温度から−75℃から+40℃の範囲内の温度差を保持しながら、電極の成膜が行なわれる。特に、電解質層がSrZrO3 系ペロブスカイトの場合には、電解質層の強度に対して、熱膨張に起因して生じる負荷応力を許容範囲内に収めることができる。したがって、電解質層に欠損が生じる頻度を著しく低下させることができる。 According to this manufacturing method, the electrode is formed while maintaining a temperature difference within the range of −75 ° C. to + 40 ° C. from the temperature of forming the electrolyte layer. In particular, when the electrolyte layer is a SrZrO 3 -based perovskite, the load stress caused by thermal expansion can be within an allowable range with respect to the strength of the electrolyte layer. Therefore, the frequency with which defects occur in the electrolyte layer can be significantly reduced.
上記の構成を有する燃料電池の製造方法の工程(b)は、前記工程(a)における前記成膜時の温度条件を保持しながら、前記電解質層上に前記電極を成膜する工程であるものとしても良い。かかる製造方法によれば、工程(a)の温度条件と同じ温度条件を保持しながら、電極を成膜する。したがって、電極の成膜時に、電解質層に欠損が生じることはなく、短絡の発生を抑制することができる。 Step (b) of the method for producing a fuel cell having the above-described structure is a step of forming the electrode on the electrolyte layer while maintaining the temperature condition during the film formation in the step (a). It is also good. According to this manufacturing method, the electrode is deposited while maintaining the same temperature condition as in step (a). Therefore, no defects occur in the electrolyte layer during electrode formation, and the occurrence of a short circuit can be suppressed.
上記の構成を有する燃料電池の製造方法において、電解質層とカソード電極との成膜方法は、成膜時の温度条件を管理すればどのような方法を用いても良いが、特に、前記工程(a)および前記工程(b)における成膜は、膜原料をレーザ照射によって蒸発させるレーザアブレーション法を用いることができる。 In the manufacturing method of the fuel cell having the above-described configuration, any method may be used as a method for forming the electrolyte layer and the cathode electrode as long as the temperature condition during the film formation is controlled. The film formation in a) and the step (b) can be performed by a laser ablation method in which a film material is evaporated by laser irradiation.
かかる製造方法によれば、電解質層および電極をレーザアブレーション法により、成膜する。特に、レーザアブレーション法を用いることで、緻密な電解質層を形成することができる。電解質層の成膜に引き続き、温度条件を管理して電極をレーザアブレーション法で成膜する。こうした一つの成膜方法により、一連の製造をすることで、温度条件の管理を容易とすることができる。 According to this manufacturing method, the electrolyte layer and the electrode are formed by laser ablation. In particular, a dense electrolyte layer can be formed by using a laser ablation method. Subsequent to the formation of the electrolyte layer, the temperature is controlled and the electrode is formed by a laser ablation method. By performing a series of manufacturing by such one film forming method, management of temperature conditions can be facilitated.
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて次の順序で説明する。
A.燃料電池の構造:
B.MEAの製造方法:
C.温度条件:
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Fuel cell structure:
B. Manufacturing method of MEA:
C. Temperature conditions:
A.燃料電池の構造:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池を構成する単セルの概略構成を示す断面模式図である。本実施例の燃料電池は、燃料ガス中から水素を分離する水素分離膜を備えた水素分離膜型燃料電池であり、図1に示す単セル10を複数積層し、両端から締結力を与えることで複数の単セル10を直列に接続したスタック構造をしている。なお、本実施例の燃料電池は、アノードガスの流れの方向とカソードガスの流れの方向とが直交方向である直交流型であるが、図示を簡単にするため、図1は平行流型としている。
A. Fuel cell structure:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a single cell constituting a fuel cell as one embodiment of the present invention. The fuel cell of this example is a hydrogen separation membrane type fuel cell provided with a hydrogen separation membrane that separates hydrogen from fuel gas, and a plurality of
図1に示すように、この単セル10は、主に、燃料電池での電気化学反応に使用する燃料ガスや酸化ガスの流路となるガスセパレータ60,70、電解質膜50とカソード電極40とを一体で備えたMEA100(Membrane-Electrode Assembly)等からなり、ガスセパレータ60,70でMEA100を両側から挟みこんで形成されている。ここでは図示は省略するが、スタック構造の内部温度を調整するために、各単セル間に、または所定数の単セルを積層する毎に、燃料電池を冷却する冷媒の通過する冷媒流路を設けるものとしても良い。
As shown in FIG. 1, this
ガスセパレータ60,70は、カーボンや金属などの導電性材料で形成され、燃料ガス,酸化ガスを透過させない緻密質体で構成されている。ガスセパレータ60の表面には燃料ガスを単セル10内部に導く燃料ガス流路65を形成する凹凸形状が、ガスセパレータ70の表面には酸化ガスを単セル10内部に導く酸化ガス流路75を形成する凹凸形状が、それぞれ形成されている。
The
こうしたガスセパレータ60,70の流路のうち、燃料ガス流路65には燃料ガスとしての炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスが、酸化ガス流路75には酸化ガスとしての空気が、それぞれ供給される。ガスセパレータ60,70は、供給された水素リッチガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応にて発生する電気を集電する機能を有している。
Of the flow paths of the
MEA100は、水素分離膜としての水素透過性金属層20,電解質層30からなる電解質膜50と、カソード電極40等から構成されている。
The
水素透過性金属層20は、水素透過性を有する金属からなる層であり、例えば、パラジウム(Pd),Pd合金等により形成することができる。水素透過性金属層20は、燃料ガス流路65を介して供給される水素リッチガスのうち、水素リッチガスに含まれる水素のみを選択的に透過させる。本実施例では、この水素透過性金属層20は、水素分離膜としての機能に加え、水素のイオン(プロトン)化を活性する触媒機能およびアノード電極としての機能を有する。なお、水素透過性金属層20には、バナジウム(V)を基材として、その両面にパラジウム(Pd)を積層した複合金属膜を用いるものとしても良い。
The hydrogen
電解質層30は、プロトン伝導性を有する固体電解質からなり、電気的な絶縁性を有する層である。電解質層30には、例えば、固体酸化物であるBaCeO3 、SrCeO3 、SrZrO3 系のペロブスカイトやパイロクロア等を用いることができる。こうした電解質層30は、緻密な水素透過性金属層20上に薄膜として成膜される。したがって、薄膜化により、膜抵抗を低減することができる。
The
カソード電極40は、電解質層30上に成膜された金属からなる層であり、例えば、Pd等により形成することができる。このカソード電極40は、電気化学反応を促進する触媒活性を有する貴金属により形成することができる。なお、電気化学反応を促進するため、白金(Pt)等の触媒層を設けるものとしても良い。
The
B.MEAの製造方法:
次に、上記の燃料電池を構成するMEA100の製造方法について説明する。図2は、MEA100の製造工程を示す工程図である。本実施例では、MEA100の製造方法として、ターゲット材料にレーザを照射し、ターゲット材料より放出された原子、分子、イオンなどを基板上に成膜させる方法であるレーザアブレーション法を用いている。この方法は、スパッタ法、蒸着法の様に内部ガス圧に依存しないため、酸素などのガスが内部に含まれる材料の作製に適している。
B. Manufacturing method of MEA:
Next, the manufacturing method of MEA100 which comprises said fuel cell is demonstrated. FIG. 2 is a process diagram showing a manufacturing process of the
図2に示すように、MEA100の製造に際し、まず、水素透過性金属層20を構成する水素透過性金属の基板を準備し、これを成膜用のチャンバKLに入れ、チャンバKL内の温度を約500(℃)前後に上昇する(ステップS200)。この結果、基板の温度も500(℃)前後に上昇する。本実施例では、水素透過性金属としてPd合金を使用して基板を生成している。この工程で、水素透過性金属の基板をセットしたチャンバKL内は、所定の圧力に減圧され、高温雰囲気下に所定量の酸素が供給される。供給された酸素は、後述する電解質層の成膜に使用される。
As shown in FIG. 2, when manufacturing the
続いて、ターゲット材料に電解質層30を構成する固体酸化物を使用し、ターゲット材料にレーザを照射することで水素透過性金属の基板上に固体酸化物を成膜する(ステップS210)。この成膜に用いる固体酸化物としては、前述のSrZrO3 系ペロブスカイトを使用している。こうしたターゲット材料へのレーザ照射により放出される原子等の内、酸素成分は基板まで到達し難いが、上述のステップS200で供給している高温雰囲気中の酸素を取り込むことで、均一、かつ、緻密な電解質層20を成膜する。
Subsequently, a solid oxide constituting the
こうして水素透過性金属層20上に電解質層30を積層した電解質膜50を形成した状態の雰囲気温度を、そのまま管理すると共に、ターゲット材料をカソード電極40の電極材料に変更する(ステップS220)。つまり、電解質層30を成膜した電解質膜50は、チャンバKL内に保持されたまま、カソード電極40の成膜へと移行する。ターゲット材料には、カソード電極40を構成するパラジウムを使用している。なお、この工程では、不要となった酸素をチャンバKL内から排出し、チャンバKL内を真空状態としている。
In this way, the ambient temperature of the state in which the
続いて、変更したターゲット材料にレーザを照射することで、水素透過性金属層20に形成した電解質層30上にパラジウムからなるカソード電極40を成膜し(ステップS230)、MEA100が完成する。この工程では、パラジウムの膜厚を薄くし、多孔質体としてカソード電極40を成膜している。
Subsequently, by irradiating the changed target material with laser, the
こうしたレーザアブレーション法を用いた製造方法では、電解質層30の成膜に引き続き、同等な温度条件で、カソード電極40を成膜する。つまり、MEA100を製造する一連の過程における電解質膜50の温度はほぼ500(℃)前後に保持されている。
In the manufacturing method using the laser ablation method, the
一般的なカソード電極40の成膜方法としては、エネルギ効率に優れ、成膜速度のはやいスパッタ法が用いられることが多い。この場合、レーザアブレーション法を用いて水素透過性金属層上に緻密な電解質層を形成した後、それをチャンバKL内から取り出して、スパッタ法を用いたカソード電極の形成が行われる。
As a general film formation method for the
本実施例の製造方法において、電解質膜50は製造工程を通してチャンバKL内に留め置かれる。そのため、高温状態の電解質膜50がチャンバKL内から取り出されて冷却されることが抑制される。その結果、冷却に伴い、異なる熱膨張率の材料(水素透過性金属層20と電解質層30)に収縮が生じ、薄膜の電解質層30側に収縮時の応力による欠損の発生が抑制される。したがって、電解質層30の欠損を低減することができ、電解質層30の薄膜化が可能となる。
In the manufacturing method of the present embodiment, the
さらに、温度条件を保持してカソード電極40まで製造した後に、冷却による電解質層30の欠損が発生しても、欠損部分に電極材料が入り込むことが抑制される。したがって、カソード電極40の形成による水素透過性金属層20とカソード電極40との間の短絡を抑制することができる。
Furthermore, even if the
こうして製造されたMEA100は、図1に示したように、両端からガスセパレータ60,70により挟持され、単セル10を構成する。この単セル10は、水素透過性金属層20とカソード電極40との間の短絡発生が抑制されたものとなる。燃料電池スタックは、この単セル10を所定数、直列に積層して製造される。
The
本実施例の方法により製造された燃料電池スタックは、発電性能の低下を抑制することができる。つまり、各単セル10の短絡の抑制は、複数の単セル10を積層することで特に発電性能の低下の抑制に大きな効果を奏する。
The fuel cell stack manufactured by the method of the present embodiment can suppress a decrease in power generation performance. That is, the suppression of the short circuit of each
本実施例では、電解質層30およびカソード電極40の成膜を、レーザアブレーション法を用いて実行しているが、温度条件を管理すれば、各膜に応じて成膜方法を変更するものとしても良い。つまり、水素透過性金属層20上に電解質層30を成膜する温度条件を保持することを条件とすれば、カソード電極40の成膜にスパッタ法を用いることも可能である。
In this embodiment, the film formation of the
また、本実施例では、電解質層30およびカソード電極40の成膜の温度を500(℃)前後としているが、両者の成膜の温度は、必ずしも同等にする必要はない。両者の成膜温度の差は、±100(℃)前後の範囲内であれば、熱膨張に起因する電解質層30の欠損を低減するのに効果を奏する。
In this embodiment, the temperature for forming the
C.温度条件:
上述の成膜温度の差による電解質層の欠損の頻度は、成膜する電解質層の材料によって異なる。図3は、SrZrO3 系ペロブスカイト(以下、ペロブスカイトと呼ぶ)を電解質層の材料とした場合の成膜温度差と電解質層にかかる応力との関係を示す説明図である。図3の横軸は、ペロブスカイトの成膜時の温度との温度差(℃)を示し、縦軸は、ペロブスカイトにかかる最大主応力(MPa)を示している。
C. Temperature conditions:
The frequency of defects in the electrolyte layer due to the difference in film formation temperature described above varies depending on the material of the electrolyte layer to be formed. FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the film forming temperature difference and the stress applied to the electrolyte layer when SrZrO 3 -based perovskite (hereinafter referred to as perovskite) is used as the material of the electrolyte layer. The horizontal axis in FIG. 3 indicates the temperature difference (° C.) from the temperature at which the perovskite is formed, and the vertical axis indicates the maximum principal stress (MPa) applied to the perovskite.
図示するように、ペロブスカイトの成膜時の温度を基準として、温度差が大きくなるのに伴い、ペロブスカイトにかかる応力がほぼ直線的に増加する。例えば、ペロブスカイトの成膜時より100(℃)上げた温度でカソード電極を成膜する場合には、ペロブスカイトには約130(MPa)の引張応力がかかる。また、ペロブスカイトの成膜時より100(℃)下げた温度でカソード電極を成膜する場合には、ペロブスカイトには約130(MPa)の圧縮応力がかかる。 As shown in the figure, the stress applied to the perovskite increases almost linearly as the temperature difference becomes larger with reference to the temperature at which the perovskite is formed. For example, when the cathode electrode is formed at a temperature 100 (° C.) higher than that at the time of forming the perovskite, a tensile stress of about 130 (MPa) is applied to the perovskite. When the cathode electrode is formed at a temperature lower by 100 (° C.) than when the perovskite is formed, a compressive stress of about 130 (MPa) is applied to the perovskite.
こうした温度差と応力との関係に対して、ペロブスカイトの許容応力を設定することで、許容できる温度差の範囲を特定することができる。例えば、ペロブスカイトの引張強度を基に、安全率を加味した引張側の応力と圧縮側の応力とを、それぞれ設定する。図3に示した一例では、圧縮側の許容応力を100(MPa)、引張側の許容応力を50(MPa)に設定している。つまり、図示する斜線の範囲内は、電解質層であるペロブスカイトに欠損(クラック)が生じる頻度(確率)が低い範囲を示している。 By setting the perovskite allowable stress with respect to the relationship between the temperature difference and the stress, an allowable temperature difference range can be specified. For example, based on the tensile strength of the perovskite, the stress on the tensile side and the stress on the compression side taking into account the safety factor are set. In the example shown in FIG. 3, the allowable stress on the compression side is set to 100 (MPa), and the allowable stress on the tensile side is set to 50 (MPa). In other words, the hatched area shown in the figure shows a range in which the frequency (probability) at which defects (cracks) occur in the perovskite that is the electrolyte layer is low.
この斜線の範囲内に収まる温度差は、電解質層にほとんど欠損が生じない許容温度差範囲となる。本実施例の電解質層30であるSrZrO3 系ペロブスカイトの場合には、電解質層30の成膜温度から−75(℃)から+40(℃)の範囲内の温度差を保持しながら、カソード電極40の成膜を行なうことが好ましい。換言すると、SrZrO3 系ペロブスカイトの許容温度差範囲は、−75(℃)から+40(℃)の範囲となる。
The temperature difference that falls within the shaded range is an allowable temperature difference range in which almost no defects are generated in the electrolyte layer. In the case of the SrZrO 3 -based perovskite that is the
図3では、SrZrO3系ペロブスカイトを例として説明したが、その他の電解質層となる材料、特に固体酸化物型の燃料電池に使用されるBaCeO3 、SrCeO3 系ペロブスカイトなどについても、同様に温度差と応力との関係から許容温度差の範囲を特定することができる。こうした範囲内の温度差を保持しながら、カソード電極の成膜を行なうことで、水素透過性金属層20とカソード電極40との間の短絡を抑制することができる。
In FIG. 3, the SrZrO 3 perovskite has been described as an example. However, the temperature difference is similarly applied to other electrolyte layer materials, particularly BaCeO 3 and SrCeO 3 perovskite used in solid oxide fuel cells. The range of allowable temperature difference can be specified from the relationship between stress and stress. A short circuit between the hydrogen
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施し得ることは勿論である。本実施例では、各層の成膜方法として、レーザアブレーション法を用いて説明したが、蒸着法などを用いるものとしても良い。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and can of course be implemented in various forms without departing from the spirit of the present invention. . In this embodiment, the laser ablation method has been described as a method for forming each layer, but an evaporation method or the like may be used.
10...単セル
20...水素透過性金属層
30...電解質層
40...カソード電極
50...電解質膜
60,70...ガスセパレータ
65,75...ガス流路
100...MEA
DESCRIPTION OF
Claims (6)
(a)前記水素透過性金属層上に、所定の温度条件の下で、前記電解質層を成膜する工程と、
(b)前記工程(a)において形成された前記電解質層上に、前記電極を、その成膜前に、該電解質層にその熱膨張に起因した欠損が生じ難い温度条件を保持しながら、成膜する工程と
を備えた燃料電池の製造方法。 An electrolyte membrane comprising a hydrogen permeable metal layer containing a hydrogen permeable metal, an electrolyte layer laminated on the hydrogen permeable metal layer and having proton conductivity, and the hydrogen permeable metal layer in the electrolyte layer A method of manufacturing a fuel cell having an electrode laminated on a surface opposite to the surface laminated with
(A) depositing the electrolyte layer on the hydrogen permeable metal layer under a predetermined temperature condition;
(B) The electrode is formed on the electrolyte layer formed in the step (a) while maintaining a temperature condition in which defects due to thermal expansion are unlikely to occur in the electrolyte layer before the film formation. A method for producing a fuel cell, comprising: forming a membrane.
前記工程(a)で成膜された前記電解質膜を、該成膜を行なった装置内に保持したまま、前記工程(b)により前記電極を成膜する燃料電池の製造方法。 A fuel cell manufacturing method according to claim 1,
A method of manufacturing a fuel cell, wherein the electrode is formed in the step (b) while the electrolyte membrane formed in the step (a) is held in an apparatus in which the film is formed.
前記工程(b)の保持する温度条件は、前記工程(a)における前記成膜時の温度条件を基準に、±100℃以内の温度差である燃料電池の製造方法。 A method for producing a fuel cell according to claim 1 or 2,
The temperature condition held in the step (b) is a fuel cell manufacturing method in which the temperature difference within ± 100 ° C. is based on the temperature condition during the film formation in the step (a).
前記工程(a)で成膜する電解質層は、プロトン伝導性を有するセラミック層としてのSrZrO3 系ペロブスカイトであり、
前記工程(b)の保持する温度条件は、前記工程(a)における前記成膜時の温度条件との温度差が−75℃から+40℃の範囲内である燃料電池の製造方法。 A method of manufacturing a fuel cell according to claim 3,
The electrolyte layer formed in the step (a) is a SrZrO 3 perovskite as a ceramic layer having proton conductivity,
The temperature condition held in the step (b) is a method for manufacturing a fuel cell, wherein a temperature difference from the temperature condition at the time of film formation in the step (a) is within a range of −75 ° C. to + 40 ° C.
前記工程(b)は、前記工程(a)における前記成膜時の温度条件を保持しながら、前記電解質層上に前記電極を成膜する工程である燃料電池の製造方法。 A method of manufacturing a fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
The process (b) is a method of manufacturing a fuel cell, wherein the electrode is formed on the electrolyte layer while maintaining the temperature conditions during the film formation in the step (a).
前記工程(a)および前記工程(b)における成膜は、膜原料をレーザ照射によって蒸発させるレーザアブレーション法である燃料電池の製造方法。 A method for producing a fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
The film formation in the step (a) and the step (b) is a method of manufacturing a fuel cell, which is a laser ablation method in which a film material is evaporated by laser irradiation.
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04345762A (en) * | 1991-05-24 | 1992-12-01 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Gas separating film type fuel cell |
JPH08277180A (en) * | 1995-04-03 | 1996-10-22 | Tokyo Yogyo Co Ltd | Ion junction-containing solid electrolyte and its production |
JP2003147514A (en) * | 2001-11-06 | 2003-05-21 | Japan Science & Technology Corp | Method of depositing oriented thin film |
JP2005019041A (en) * | 2003-06-24 | 2005-01-20 | Chiba Inst Of Technology | Battery using solid electrolyte layer and hydrogen permeable metal film, fuel battery, and its manufacturing method |
JP2005174570A (en) * | 2003-12-08 | 2005-06-30 | Toyota Motor Corp | Manufacturing method of fuel cell, and fuel cell |
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04345762A (en) * | 1991-05-24 | 1992-12-01 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Gas separating film type fuel cell |
JPH08277180A (en) * | 1995-04-03 | 1996-10-22 | Tokyo Yogyo Co Ltd | Ion junction-containing solid electrolyte and its production |
JP2003147514A (en) * | 2001-11-06 | 2003-05-21 | Japan Science & Technology Corp | Method of depositing oriented thin film |
JP2005019041A (en) * | 2003-06-24 | 2005-01-20 | Chiba Inst Of Technology | Battery using solid electrolyte layer and hydrogen permeable metal film, fuel battery, and its manufacturing method |
JP2005174570A (en) * | 2003-12-08 | 2005-06-30 | Toyota Motor Corp | Manufacturing method of fuel cell, and fuel cell |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20100285393A1 (en) | 2007-01-15 | 2010-11-11 | Osamu Mizuno | Hydrogen-permeable structure, method of manufacturing thereof and fuel cell using the same |
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