JP2005302424A - Electrolyte membrane for fuel cell, fuel cell, and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池用電解質膜、燃料電池、およびそれらの製造方法に関する。 The present invention relates to an electrolyte membrane for a fuel cell, a fuel cell, and a method for producing them.
燃料電池の一種として、電解質にセラミックスである固体酸化物を用いた燃料電池が知られている。電解質として用いるセラミックスは、金属や高分子よりも脆いという性質を一般に有している。そのため、固体酸化物を含む部材を積層して形成する燃料電池では、その製造時や運転時に各部材が昇温して熱膨張する際に、主として隣接部材との膨張率差に起因して、固体酸化物にクラックが発生する可能性がある。クラック発生の問題は、セラミックスにより電解質膜を形成する場合だけでなく、セラミックスによりさらに電解質膜以外の部材(例えば電極)を形成する場合にも、共通して起こり得る問題である。特許文献1では、電解質膜である固体酸化物と共に積層する電極部材として、従来のセラミックス部材に代えてガス透過性金属部材を用いる構成を開示している。このように、電極部材をセラミックスではなく金属によって形成することで、電極部材におけるクラック発生などの問題を防止し、燃料電池全体の信頼性の向上を図っている。 As one type of fuel cell, a fuel cell using a solid oxide that is a ceramic as an electrolyte is known. Ceramics used as an electrolyte generally have the property of being more brittle than metals and polymers. Therefore, in a fuel cell formed by laminating a member containing a solid oxide, when each member is heated and thermally expanded at the time of manufacture and operation, mainly due to the difference in expansion coefficient from the adjacent member, Cracks may occur in the solid oxide. The problem of crack generation is a problem that can occur not only when the electrolyte membrane is formed of ceramics but also when a member (for example, an electrode) other than the electrolyte membrane is further formed of ceramics. Patent Document 1 discloses a configuration in which a gas permeable metal member is used instead of a conventional ceramic member as an electrode member laminated with a solid oxide that is an electrolyte membrane. In this way, the electrode member is formed of metal instead of ceramics, thereby preventing problems such as cracks in the electrode member and improving the reliability of the entire fuel cell.
しかしながら、上記のように電極を金属材料により形成しても、固体酸化物から成る電解質膜におけるクラック発生の問題は残存する。燃料電池の製造時に電解質膜にクラックが発生すると、電解質膜に生じたクラックに電極材料が入り込んで電解質膜で短絡が生じる可能性がある。また、燃料電池の運転時に電解質膜にクラックが発生すると、運転時の温度上昇に伴って軟化した電極材料がクラックに入り込んで電解質膜で短絡が生じる可能性がある。 However, even if the electrode is formed of a metal material as described above, the problem of crack generation in the electrolyte membrane made of a solid oxide remains. If a crack occurs in the electrolyte membrane during the manufacture of the fuel cell, there is a possibility that an electrode material enters the crack generated in the electrolyte membrane and a short circuit occurs in the electrolyte membrane. Further, if a crack occurs in the electrolyte membrane during operation of the fuel cell, the electrode material softened with the temperature rise during operation may enter the crack and cause a short circuit in the electrolyte membrane.
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の製造時や運転時に、電解質膜においてクラックが生じる場合にも、電解質膜における短絡を防止して燃料電池の信頼性を高めることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems. Even when a crack occurs in the electrolyte membrane during manufacturing or operation of the fuel cell, a short circuit in the electrolyte membrane is prevented to prevent the shortage of the fuel cell. The purpose is to increase reliability.
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池用電解質膜の製造方法であって、
(a)第1の電解質の結晶を一定の方向に成長させることによって、該第1の電解質から成る第1の層を形成する工程と、
(b)前記第1の層上に、前記第1の層における結晶の成長方向とは異なる特定方向に第2の電解質の結晶を成長させることによって、該第2の電解質から成る第2の層を形成する工程と
を備えることを要旨とする。
To achieve the above object, the present invention provides a method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell,
(A) forming a first layer of the first electrolyte by growing a crystal of the first electrolyte in a certain direction;
(B) a second layer made of the second electrolyte by growing a crystal of the second electrolyte on the first layer in a specific direction different from the growth direction of the crystal in the first layer. And the step of forming the gist.
以上のように構成された本発明の燃料電池用電解質膜の製造方法によれば、第1の層および第2の層の各々では、層の厚み方向にわたって形成される結晶粒界の方向が、結晶の成長方向に応じて層内で一定方向に揃うと共に、第1の層と第2の層との間では、層の厚み方向にわたって形成される結晶粒界の方向が互いに異なる電解質膜が得られる。したがって、電解質膜にクラックが生じても、電解質膜を介した短絡の発生を抑制することができる。 According to the method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention configured as described above, in each of the first layer and the second layer, the direction of the grain boundary formed over the thickness direction of the layer is: In accordance with the crystal growth direction, there are obtained electrolyte membranes that are aligned in a certain direction within the layer, and that the crystal grain boundaries formed in the thickness direction of the layers are different from each other between the first layer and the second layer. It is done. Therefore, even if a crack occurs in the electrolyte membrane, occurrence of a short circuit through the electrolyte membrane can be suppressed.
本発明の燃料電池用電解質膜の製造方法において、さらに、
(c)前記電解質の結晶から成る既に形成された複数の層上に、該既に形成された複数の層の最上層における結晶の成長方向とは異なる方向に所定の電解質の結晶を成長させることによって、前記所定の電解質から成る他の層を形成する工程を備え、
前記(c)工程を1回以上行なうこととしても良い。
In the method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention,
(C) Growing a predetermined electrolyte crystal on a plurality of previously formed layers made of the electrolyte crystal in a direction different from the crystal growth direction in the uppermost layer of the plurality of already formed layers. Forming another layer of the predetermined electrolyte,
The step (c) may be performed once or more.
このような場合には、3以上の層から成る電解質膜においてクラックが生じるときに、隣り合う層間でクラックの方向が変化するため、電解質膜を介した短絡の発生を抑制する効果を高めることができる。 In such a case, when a crack occurs in an electrolyte membrane composed of three or more layers, the crack direction changes between adjacent layers, so that the effect of suppressing the occurrence of a short circuit through the electrolyte membrane can be enhanced. it can.
本発明の燃料電池用電解質膜の製造方法において、
各々の前記層を形成する工程は、前記電解質の層を形成する材料が結晶化可能なエネルギを与えつつ、所定の基材に対して、前記結晶を成長させる方向に対応する方向から前記材料を放出することとしても良い。
In the method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention,
The step of forming each of the layers includes the step of forming the material from a direction corresponding to a direction in which the crystal is grown with respect to a predetermined base material while providing energy capable of crystallizing the material forming the electrolyte layer. It may be released.
このような構成とすることで、所定の基材上において、各電解質の層を形成する材料を放出する方向に対応する方向に、電解質の結晶を成長させることができる。その際に、結晶化のための充分なエネルギを与えることで、結晶の成長方向を長手方向とする柱状結晶によって各層を構成することが可能となる。各電解質の層を形成する材料を特定方向に放出して結晶化させる工程は、例えばPVDによって容易に実行することができる。 With such a configuration, electrolyte crystals can be grown on a predetermined base material in a direction corresponding to the direction in which the material forming each electrolyte layer is released. At that time, by providing sufficient energy for crystallization, each layer can be constituted by columnar crystals whose longitudinal direction is the crystal growth direction. The step of releasing and crystallizing the material forming each electrolyte layer in a specific direction can be easily performed by, for example, PVD.
本発明の燃料電池の製造方法は、
(a)前記燃料電池を構成するための導電性を有する基材を用意する工程と、
(b)前記基材上に電解質膜を形成する工程と
を備え、
前記(b)工程は、
(b−1)前記基材上において、第1の電解質の結晶を一定の方向に成長させることによって、前記第1の電解質から成る第1の層を形成する工程と、
(b−2)前記第1の層上に、前記第1の層における結晶の成長方向とは異なる特定方向に第2の電解質の結晶を成長させることによって、前記第2の電解質から成る第2の層を形成する工程と
を備えることを要旨とする。
The method for producing the fuel cell of the present invention comprises:
(A) preparing a conductive base material for constituting the fuel cell;
(B) forming an electrolyte membrane on the substrate;
The step (b)
(B-1) forming a first layer of the first electrolyte by growing a crystal of the first electrolyte in a certain direction on the substrate;
(B-2) A second electrolyte made of the second electrolyte is grown on the first layer by growing a second electrolyte crystal in a specific direction different from the crystal growth direction in the first layer. And a step of forming the layer.
以上のように構成された本発明の燃料電池の製造方法によれば、第1の層および第2の層の各々では、層の厚み方向にわたって形成される結晶粒界の方向が、結晶の成長方向に応じて層内で略同一に揃うと共に、第1の層と第2の層との間では、層の厚み方向にわたって形成される結晶粒界の方向が互いに異なる電解質膜を備えた燃料電池を製造することができる。そのため、電解質膜にクラックが生じても、電解質膜を介した短絡の発生を抑制することができる。 According to the method of manufacturing a fuel cell of the present invention configured as described above, in each of the first layer and the second layer, the direction of the crystal grain boundary formed over the thickness direction of the layer is crystal growth. A fuel cell comprising electrolyte membranes that are substantially the same in a layer according to the direction and that have different grain boundary directions formed across the thickness direction of the layer between the first layer and the second layer. Can be manufactured. Therefore, even if a crack occurs in the electrolyte membrane, the occurrence of a short circuit via the electrolyte membrane can be suppressed.
本発明の燃料電池の製造方法において、
前記(b)工程は、さらに、
(b−3)前記電解質の結晶から成る既に形成された複数の層上に、該既に形成された複数の層の最上層における結晶の成長方向とは異なる方向に所定の電解質の結晶を成長させることによって、前記所定の電解質から成る他の層を形成する工程を備え、
前記(b−3)工程を1回以上行なうこととしても良い。
In the method for producing a fuel cell of the present invention,
The step (b) further includes
(B-3) Growing a predetermined electrolyte crystal in a direction different from the crystal growth direction in the uppermost layer of the plurality of already formed layers on the plurality of already formed layers made of the electrolyte crystals. A step of forming another layer of the predetermined electrolyte,
The step (b-3) may be performed once or more.
このような構成とすれば、(b−3)工程を行なう回数に応じて、電解質膜を構成する層の数を増やすことができ、隣り合う層間では、各層の厚み方向にわたって形成される結晶粒界の方向が互いに異なる電解質膜とすることができる。そのため、電解質膜に隣接して設けられた部材を構成する導電性材料の、クラック内部への侵入を効果的に防止し、電解質膜を介した短絡を防ぐことができる。 With such a configuration, the number of layers constituting the electrolyte membrane can be increased according to the number of times of performing the step (b-3), and crystal grains formed across the thickness direction of each layer between adjacent layers. Electrolyte membranes having different field directions can be used. Therefore, it is possible to effectively prevent the conductive material constituting the member provided adjacent to the electrolyte membrane from entering the crack and to prevent a short circuit through the electrolyte membrane.
本発明の燃料電池の製造方法において、
前記(b)工程において各層を形成する工程は、前記電解質の層を形成する材料が結晶化可能なエネルギを与えつつ、前記基材に対して、前記結晶を成長させる方向に対応する方向から前記材料を放出することとしても良い。
In the method for producing a fuel cell of the present invention,
The step of forming each layer in the step (b) includes the step of forming the electrolyte layer from a direction corresponding to a direction in which the crystal is grown with respect to the base material while giving energy capable of crystallization. The material may be released.
このような構成とすることで、各電解質の層を形成する材料を放出する方向に対応する方向に、電解質の結晶を成長させることができる。その際に、結晶化のための充分なエネルギを与えることで、各層を、結晶の成長方向を長手方向とする柱状結晶によって構成することが可能となる。各層を形成する材料を特定方向に放出して結晶化させる工程は、例えばPVDによって容易に実行することができる。 With this configuration, electrolyte crystals can be grown in a direction corresponding to the direction in which the material forming each electrolyte layer is released. At that time, by providing sufficient energy for crystallization, each layer can be constituted by columnar crystals whose longitudinal direction is the crystal growth direction. The step of releasing and crystallizing the material forming each layer in a specific direction can be easily performed by, for example, PVD.
本発明の燃料電池の製造方法は、さらに、
(c)前記電解質膜上に、導電性材料を用いて電極を形成する工程を備えることとしても良い。
The fuel cell manufacturing method of the present invention further includes:
(C) It is good also as providing the process of forming an electrode on the said electrolyte membrane using an electroconductive material.
このような場合には、電解質膜にクラックが生じていても、電解質膜上に導電性材料を用いて電極を形成する際に、導電性材料のクラック内部への侵入がクラック形状によって妨げられるため、導電性を有する基材と電極との間の電解質膜を介した短絡を防止することができる。 In such a case, even if a crack has occurred in the electrolyte membrane, when the electrode is formed using a conductive material on the electrolyte membrane, the penetration of the conductive material into the crack is prevented by the crack shape. Further, it is possible to prevent a short circuit through the electrolyte membrane between the conductive substrate and the electrode.
本発明の燃料電池の製造方法において、前記基材は、水素透過性金属膜であることとしても良い。 In the fuel cell manufacturing method of the present invention, the base material may be a hydrogen permeable metal film.
水素透過性金属膜を基材として電解質膜を形成するならば、電解質膜にクラックが生じた場合にも、電解質膜を介した燃料ガスと酸化ガスとのクロスリークを、水素透過性金属膜によって防止できるという効果がさらに得られる。 If an electrolyte membrane is formed using a hydrogen permeable metal membrane as a base material, even if a crack occurs in the electrolyte membrane, cross leak between the fuel gas and the oxidizing gas through the electrolyte membrane is caused by the hydrogen permeable metal membrane. The effect that it can be prevented is further obtained.
なお、本発明の燃料電池用電解質膜の製造方法、あるいは燃料電池の製造方法において、電解質膜を構成する各層を形成する工程は、同種の電解質の結晶を成長させることとしても良い。これにより、構成する電解質の種類が均質な電解質膜において、電解質膜を介した短絡の発生を抑制することができる。また、本発明の燃料電池用電解質膜の製造方法、あるいは燃料電池の製造方法において、電解質膜を構成する各層を形成する工程は、固体酸化物の結晶を成長させることとしても良い。これにより、固体酸化物によって形成される電解質膜において、電解質膜を介した短絡の発生を抑制することができる。 In the method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell or the method for producing a fuel cell of the present invention, the step of forming each layer constituting the electrolyte membrane may be performed by growing crystals of the same kind of electrolyte. Thereby, in the electrolyte membrane in which the type of the electrolyte to be configured is uniform, the occurrence of a short circuit through the electrolyte membrane can be suppressed. Further, in the method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell or the method for producing a fuel cell of the present invention, the step of forming each layer constituting the electrolyte membrane may be performed by growing solid oxide crystals. Thereby, in the electrolyte membrane formed of the solid oxide, it is possible to suppress the occurrence of a short circuit through the electrolyte membrane.
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池用電解質膜、あるいは燃料電池などの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in the form of an electrolyte membrane for a fuel cell or a fuel cell.
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.燃料電池の構成:
B.製造方法:
C.変形例:
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Fuel cell configuration:
B. Production method:
C. Variation:
A.燃料電池の構成:
図1は、本発明の好適な一実施例である燃料電池を構成する単セル20の構成の概略を表わす断面模式図である。単セル20は、水素透過性金属層22と、電解質膜21と、カソード電極24と、ガスセパレータ27,29とを備えている。ガスセパレータ27と水素透過性金属層22との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路30が形成されている。また、ガスセパレータ29とカソード電極24との間には、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路32が形成されている。水素透過性金属層22、電解質膜21およびカソード電極24から成る構造を、以下、MEA(Membrane Electrode Assembly)40と呼ぶ。図1では単セル20を示したが、実際の本実施例の燃料電池は、図1の単セル20を複数積層したスタック構造を有している。なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各単セル間に、あるいは所定数の単セルを積層する毎に、冷媒の通過する冷媒流路を設けても良い。
A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an outline of the configuration of a
水素透過性金属層22は、水素透過性を有する金属によって形成される層である。このような水素透過性金属層22は、例えば、パラジウム(Pd)またはPd合金により形成することができる。あるいは、バナジウム(V)等の5族金属(Vの他、ニオブ、タンタル等)または5族金属の合金を基材として、少なくともその一方の面(単セル内燃料ガス流路30側)にPdやPd合金層を形成した多層膜とすることができる。水素透過性金属層22において、少なくとも単セル内燃料ガス流路30側の表面を構成するPd(あるいはPd合金)は、水素透過性金属層22を水素が透過する際に、水素分子を解離させる活性を有する。本実施例では、水素透過性金属層22は、アノード電極としての機能を果たす。
The hydrogen
電解質膜21は、プロトン伝導性を有する固体電解質から成る層である。電解質膜21を構成する固体電解質としては、例えば、BaCeO3、SrCeO3系のセラミックスプロトン伝導体を用いることができる。電解質膜21は、緻密な水素透過性金属層22上に成膜されるため、充分な薄膜化が可能となる。したがって、固体酸化物の膜抵抗を低減することができ、従来の固体電解質型燃料電池の運転温度よりも低い温度である約200〜600℃程度で燃料電池を運転することができる。電解質膜21の詳しい構成および電解質膜21を形成するための工程は、本発明の要部に対応するものであり、後に詳述する。
The
カソード電極24は、電解質膜21上に成膜された金属層であり、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されている。本実施例では、カソード電極24はPdにより形成されている。白金(Pt)等、水素透過性を有しない他種の貴金属によりカソード電極24を構成する場合には、カソード電極24を充分に薄く形成するなどにより、カソード電極24の外側(単セル内酸化ガス流路32側)と電解質膜21との間にガス透過性を確保すればよい。
The
ガスセパレータ27,29は、カーボンや金属などの導電性材料で形成されたガス不透過な部材である。ガスセパレータ27,29の表面には、既述した単セル内燃料ガス流路30や単セル内酸化ガス流路32を形成するための所定の凹凸形状が形成されている。なお、図1に示した本実施例の単セル20においては、MEA40とガスセパレータとの間に、さらに、導電性と共にガス透過性を有する部材(集電体)を配設する等の変形が可能である。
The
燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。また、燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。 As the fuel gas supplied to the fuel cell, a hydrogen-rich gas obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel may be used, or a high-purity hydrogen gas may be used. For example, air can be used as the oxidizing gas supplied to the fuel cell.
B.製造方法:
以下に、単セル20の製造方法として、水素透過性金属層22、電解質膜21およびカソード電極24から成るMEA40の製造工程を説明する。図2は、MEA40の製造工程を表わす説明図である。
B. Production method:
Hereinafter, as a method for manufacturing the
MEA40を作成する際には、まず、水素透過性金属層22を用意する(ステップS100)。水素透過性金属層22は、既述したように、Pdを含有する金属層、あるいは5族金属を含有する層を基材として、少なくともその一方の面上にPdを含有する層を設けた金属膜として形成される。水素透過性金属層22は、数十μm(例えば40μm程度)の厚みに形成すればよい。
When creating the
次に、ステップS100で用意した水素透過性金属層22上に、電解質膜21を形成する。水素透過性金属層22が、5族金属を含有する層から成る基材の一方の面上にPdを含有する層を形成した構造を有する場合には、電解質膜21は、5族金属を含有する層から成る基材側に形成される。ここで、本実施例の電解質膜21は、第1電解質層25と第2電解質層26とから成る2層構造を有している。図3は、水素透過性金属層22上に形成された電解質膜21の様子を模式的に表わす説明図である。電解質膜21を構成する第1電解質層25および第2電解質層26は、いずれも、固体酸化物の柱状結晶によって形成される多結晶質層である。第1電解質層25と第2電解質層26とはいずれも、各層を構成する柱状結晶の長手方向が層内では略一定方向となっており、第1電解質層25と第2電解質層26との間では、各層を構成する柱状結晶の長手方向の向きが互いに異なっている。このような第1電解質層25および第2電解質層26から成る電解質膜21は、水素透過性金属層22上に、既述した固体酸化物を生成させつつ成膜させることによって形成される。具体的には、所定の蒸着源から電解質材料を一方向に放出するPVDによって形成している。所定の蒸着源から電解質材料を一方向に放出するPVDとしては、スパッタ法やイオンプレーティング、あるいは真空蒸着法を挙げることができる。
Next, the
ステップS100の後は、まず、水素透過性金属層22上に、第1電解質層25を形成する(ステップS110)。水素透過性金属層22上に第1電解質層25を形成する様子を図4に示す。第1電解質層25を形成する際には、電解質材料を一方向に放出する電解質材料蒸着源に対して、水素透過性金属層22を所定角度傾かせた状態で、成膜を行なう。このとき、PVDによる成膜の際には、成膜材料である電解質材料の結晶化のために充分なエネルギを与えている。電解質材料の結晶化のためのエネルギは、基板である水素透過性金属層22を加熱することによって与えても良いし、電解質材料が基板に衝突する際の投入エネルギを調節することによって与えても良い。このように成膜材料の結晶化に要するエネルギを与えながら成膜することで、水素透過性金属層22表面から電解質材料蒸着源側へと揃って結晶粒が成長し、電解質材料の放出方向を長手方向とする柱状結晶から成る第1電解質層25が得られる。上記結晶化に要するエネルギを充分に与えることによって、本実施例では、第1電解質層25の厚みが柱状結晶の長手方向の長さとなるように、第1電解質層25を形成している。このようにして、電解質材料の放出方向に対応する方向に結晶粒界を有する多結晶体である第1電解質層25を形成する。
After step S100, first, the
その後、第1電解質層25上に、第2電解質層26を形成する(ステップS120)。第1電解質層25上に第2電解質層26を形成する様子を図5に示す。第2電解質層26も第1電解質層25と同様に形成するが、ステップS120では、電解質材料蒸着源に対する水素透過性金属層22の角度を、ステップS110とは異なる角度として、成膜を行なう。ステップS120でも、ステップS110と同様に、電解質材料の結晶化のために充分なエネルギを与えている。これによって、第1電解質層25表面から電解質材料蒸着源側に向かって揃って結晶粒が成長し、電解質材料の放出方向を長手方向とする柱状結晶から成る第2電解質層26が得られる。第2電解質層26もまた、結晶化エネルギを充分に与えて成膜することによって、第2電解質層26の厚みが柱状結晶の長手方向の長さとなるように成膜している。このとき、ステップS110とステップS120とでは、電解質材料蒸着源に対する水素透過性金属層22の角度を異ならせているため、第1電解質層25と第2電解質層26では、各々を構成する柱状結晶の長手方向、すなわち、各層の厚み方向にわたって形成される結晶粒界の方向が互いに異なって形成される。なお、第1電解質層25と第2電解質層26それぞれの厚みは、例えば、0.05〜3μmとすることができる。
Thereafter, the
その後さらに、第2電解質層26上にカソード電極24を形成して(ステップS130)、MEA40を完成する。カソード電極24は、例えば、スパッタ法やイオンプレーティング、あるいは真空蒸着法などのPVDにより形成した多孔質膜とすることができる。カソード電極24の厚みは、例えば1μm以下とすることが好ましい。
Thereafter, the
燃料電池を組み立てる際にはさらに、図2に従って作製したMEA40を挟持するようにガスセパレータ27および29を配設して単セル20を形成し、さらにこの単セル20を所定数積層する。
When assembling the fuel cell, the
以上のように構成された燃料電池の製造方法によれば、電解質膜21が備える各層は、長手方向が略一定方向に揃った柱状結晶によって形成され、隣り合う層同士では柱状結晶の長手方向が異なっていることにより、電解質膜21にクラックが発生する際には、生じるクラックは、結晶粒界に沿って折れ曲がった形状となる。これは、電解質膜に何らかの応力が働くなどしてクラックが生じる場合には、クラックは主として結晶粒界に沿って生じるためである。したがって、電解質膜21にクラックが発生する場合には、厚み方向にわたって比較的まっすぐな形状の結晶粒界を有する電解質膜にクラックが発生する場合に比べて、クラックが電解質膜を厚み方向に貫通し難くなる。また、電解質膜を貫通してクラックが発生した場合であっても、発生したクラック内に導電性材料が入り込むときには、この導電性材料のクラック内部への侵入は、クラック形状によって妨げられて、導電性材料が水素透過性金属層22に到達するのが抑えられる。例えば、MEA40の製造時に電解質膜21にクラックが生じる場合には、カソード電極24を形成するための電極材料がクラック内部に入り込むのが抑えられる。また、燃料電池の運転中に電解質膜21にクラックが生じる場合には、運転中に昇温して軟化した電極材料(水素透過性金属層22やカソード電極24を構成する金属)がクラック内部に流むのが抑えられる。このように、発生したクラックを介した電極間の短絡を抑えることができる。
According to the fuel cell manufacturing method configured as described above, each layer included in the
図4および図5では、水素透過性金属層22を電解質材料蒸着源に対して揺動させることによって、電解質材料蒸着源に対する水素透過性金属層22の角度を異ならせるように、成膜の様子を表わしている。このように、電解質材料蒸着源に対する水素透過性金属層22の角度を異ならせる際には、電解質材料蒸着源に対して水素透過性金属層22をさらに回転させるなどして、いずれの方向から見ても、第1電解質層25と第2電解質層26とでは、各層の厚み方向にわたって形成される結晶粒界の方向が互いに異るように電解質膜21を形成することが好ましい。
In FIGS. 4 and 5, the hydrogen
C.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
C. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
C1.変形例1:
実施例では、電解質膜21を2層の電解質層によって形成したが、3層以上の電解質層によって形成しても良い。この場合にも、隣り合う電解質層同士で、電解質層の厚み方向にわたって形成される粒界の方向が異なっていれば、同様の効果を得ることができる。
C1. Modification 1:
In the embodiment, the
C2.変形例2:
また、電解質膜21を構成する各電解質層は、PVD以外の方法、例えば溶射によって成膜しても良く、各電解質層間で、厚み方向にわたって形成される粒界の方向が異なっていれば良い。また、隣り合う電解質層同士で、電解質層の厚み方向にわたって形成される粒界の方向を異ならせるならば、電解質層毎に異なる方法により成膜しても良い。
C2. Modification 2:
Moreover, each electrolyte layer which comprises the
C3.変形例3:
電解質層の厚み方向にわたって形成される粒界の方向が異なる隣り合う電解質層間では、各層を構成する固体酸化物の種類を異ならせても良い。例えば、第2電解質層26は、プロトン伝導性の高いBaCeO3 系の固体酸化物によって形成し、水素透過性金属層22と接する第1電解質層25は、上記BaCeO3 系の固体酸化物よりも化学的な安定性が高く、触媒金属に対する反応性が低いSrZrO3 系やCaZrO3 系等の固体酸化物によって形成することができる。
C3. Modification 3:
In the adjacent electrolyte layers having different grain boundary directions formed over the thickness direction of the electrolyte layer, the type of solid oxide constituting each layer may be different. For example, the
C4.変形例4:
実施例では、カソード電極24は、PVDにより形成しているが、溶射など他の成膜法により形成しても良い。また、触媒金属を含有する電極材料である導電性ペーストを電解質膜21上に塗布し、乾燥・焼成を行なって多孔質電極であるカソード電極24を形成しても良い。いずれの方法を用いても、燃料電池の製造時(カソード電極の形成時)に電解質膜21にクラックが発生する場合に、結晶粒界に沿って折れ曲がった形状にクラックが形成されることにより、電極の材料がクラック内に入り込んで水素透過性金属層22側に到達するのを抑えることができる。これにより、電解質膜21を介したカソード電極と水素透過性金属層22との短絡を防止することができる。
C4. Modification 4:
In the embodiment, the
C5.変形例5:
実施例ではカソード電極24を貴金属により形成したが、貴金属以外、あるいは金属以外の材料により形成することとしても良い。例えば、プロトン伝導性と電子伝導性とを有する混合伝導体によりカソード電極24を形成することができる。このような混合伝導体としては、例えば、SrZrO3 系あるいはBaCeO3 系の固体酸化物や、酸化タングステン(WO3 )を用いることができる。また、酸化物イオン伝導性と電子伝導性とを有する混合伝導体によりカソード電極24を形成することができる。このような混合伝導体としては、例えば、BaPrCoO3 系の固体酸化物を用いることができる。上記各々の固体酸化物は、構成元素の組成を調節することにより、イオン導電性に加えて電子伝導性を発現可能となる。カソード電極24を形成するためにいずれの材料を用いる場合にも、電極材料が電解質膜21のクラック内に入り込んで水素透過性金属層22側に到達するのを抑えることができ、電解質膜21を介したカソード電極と水素透過性金属層22との短絡を防止することができる。
C5. Modification 5:
In the embodiment, the
C6.変形例6:
実施例では、電解質膜21を形成する際の基材となる水素透過性金属層22をアノード側に配設しているが、アノード側の配置とカソード側の配置とを入れ替えることとしても良い。すなわち、水素透過性金属層22を燃料電池のカソード電極とし、電解質膜21上にはアノード電極を形成することとしても良い。この場合には、水素透過性金属層22のカソード側にはさらに触媒層を設けることとしても良い。なお、電解質膜21を形成する基材として、ガス透過性金属膜によって形成される緻密な水素透過性金属層22を用いた燃料電池は、電解質膜21にクラックが発生した場合に、水素透過性金属層22によって、電解質膜21を介した燃料ガスと酸化ガスとのクロスリークを抑えるという効果がさらに得られる。
C6. Modification 6:
In the embodiment, the hydrogen
また、本発明は、電解質膜21を形成する際の基材として、水素透過性金属層22のような金属膜以外の基材を用いる場合にも適用可能である。例えば、多孔質体から成る電極部材を基材として用いて、この多孔質電極部材上に、実施例と同様の電解質膜を形成することとしても良い。この場合にも、電解質膜を構成する各層における結晶粒界の方向を異ならせることで、電解質膜を介した短絡を防止する同様の効果が得られる。
The present invention is also applicable to the case where a substrate other than a metal film such as the hydrogen
C7.変形例7:
また、電解質膜を構成する固体酸化物は、ペロブスカイト型以外のプロトン伝導性固体酸化物、例えばパイロクロアやスピネル型の固体酸化物を用いても良い。あるいは、プロトン伝導性固体酸化物に限らず、酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物を用いる燃料電池においても、本発明を適用することができる。また、電解質膜を構成する各電解質層は、固体酸化物以外の電解質により形成しても良い。結晶構造を有し、粒界の方向(結晶の成長方向)を電解質層ごとに変更可能な電解質であればよい。いずれの場合にも、電解質層の厚み方向にわたって形成される粒界の方向が互いに異なる電解質層を積層して電解質膜を形成することで、同様の効果を得ることができる。
C7. Modification 7:
The solid oxide constituting the electrolyte membrane may be a proton conductive solid oxide other than the perovskite type, such as a pyrochlore or spinel type solid oxide. Alternatively, the present invention can be applied not only to proton conductive solid oxides but also to fuel cells using solid oxides having oxide ion conductivity. Further, each electrolyte layer constituting the electrolyte membrane may be formed of an electrolyte other than the solid oxide. Any electrolyte having a crystal structure and capable of changing the grain boundary direction (crystal growth direction) for each electrolyte layer may be used. In either case, the same effect can be obtained by forming electrolyte membranes by stacking electrolyte layers having different grain boundary directions formed across the thickness direction of the electrolyte layer.
20…単セル
21…電解質膜
22…水素透過性金属層
24…カソード電極
25…第1電解質層
26…第2電解質層
27,29…ガスセパレータ
30…単セル内燃料ガス流路
32…単セル内酸化ガス流路
40…MEA
DESCRIPTION OF
Claims (19)
(a)第1の電解質の結晶を一定の方向に成長させることによって、該第1の電解質から成る第1の層を形成する工程と、
(b)前記第1の層上に、前記第1の層における結晶の成長方向とは異なる特定方向に第2の電解質の結晶を成長させることによって、該第2の電解質から成る第2の層を形成する工程と
を備える燃料電池用電解質膜の製造方法。 A method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell, comprising:
(A) forming a first layer of the first electrolyte by growing a crystal of the first electrolyte in a certain direction;
(B) a second layer made of the second electrolyte by growing a crystal of the second electrolyte on the first layer in a specific direction different from the growth direction of the crystal in the first layer. A process for producing an electrolyte membrane for a fuel cell, comprising:
(c)前記電解質の結晶から成る既に形成された複数の層上に、該既に形成された複数の層の最上層における結晶の成長方向とは異なる方向に所定の電解質の結晶を成長させることによって、前記所定の電解質から成る他の層を形成する工程を備え、
前記(c)工程を1回以上行なう
燃料電池の製造方法。 A method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, further comprising:
(C) Growing a predetermined electrolyte crystal on a plurality of previously formed layers made of the electrolyte crystal in a direction different from the crystal growth direction in the uppermost layer of the plurality of already formed layers. Forming another layer of the predetermined electrolyte,
A method for producing a fuel cell, wherein the step (c) is performed once or more.
各々の前記層を形成する工程は、前記電解質の層を形成する材料が結晶化可能なエネルギを与えつつ、所定の基材に対して、前記結晶を成長させる方向に対応する方向から前記材料を放出する
燃料電池用電解質膜の製造方法。 A method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1 or 2,
The step of forming each of the layers includes the step of forming the material from a direction corresponding to a direction in which the crystal is grown with respect to a predetermined base material while providing energy capable of crystallizing the material forming the electrolyte layer. A method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell to be released.
前記(a)工程および(b)工程は、PVDにより実行される
燃料電池用電解質膜の製造方法。 A method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 3,
Said (a) process and (b) process are performed by PVD. The manufacturing method of the electrolyte membrane for fuel cells.
前記電解質膜を構成する各層を形成する工程は、同種の電解質の結晶を成長させる
燃料電池用電解質膜の製造方法。 A method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
The process of forming each layer which comprises the said electrolyte membrane grows the crystal | crystallization of the same kind of electrolyte. The manufacturing method of the electrolyte membrane for fuel cells.
前記電解質膜を構成する各層を形成する工程は、固体酸化物の結晶を成長させる
燃料電池用電解質膜の製造方法。 A method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
The process of forming each layer which comprises the said electrolyte membrane grows the crystal | crystallization of a solid oxide. The manufacturing method of the electrolyte membrane for fuel cells.
(a)前記燃料電池を構成するための導電性を有する基材を用意する工程と、
(b)前記基材上に電解質膜を形成する工程と
を備え、
前記(b)工程は、
(b−1)前記基材上において、第1の電解質の結晶を一定の方向に成長させることによって、前記第1の電解質から成る第1の層を形成する工程と、
(b−2)前記第1の層上に、前記第1の層における結晶の成長方向とは異なる特定方向に第2の電解質の結晶を成長させることによって、前記第2の電解質から成る第2の層を形成する工程と
を備える燃料電池の製造方法。 A fuel cell manufacturing method comprising:
(A) preparing a conductive base material for constituting the fuel cell;
(B) forming an electrolyte membrane on the substrate;
The step (b)
(B-1) forming a first layer of the first electrolyte by growing a crystal of the first electrolyte in a certain direction on the substrate;
(B-2) A second electrolyte made of the second electrolyte is grown on the first layer by growing a second electrolyte crystal in a specific direction different from the crystal growth direction in the first layer. Forming a layer of the fuel cell.
前記(b)工程は、さらに、
(b−3)前記電解質の結晶から成る既に形成された複数の層上に、該既に形成された複数の層の最上層における結晶の成長方向とは異なる方向に所定の電解質の結晶を成長させることによって、前記所定の電解質から成る他の層を形成する工程を備え、
前記(b−3)工程を1回以上行なう
燃料電池の製造方法。 A method of manufacturing a fuel cell according to claim 7,
The step (b) further includes
(B-3) Growing a predetermined electrolyte crystal in a direction different from the crystal growth direction in the uppermost layer of the plurality of already formed layers on the plurality of already formed layers made of the electrolyte crystals. A step of forming another layer of the predetermined electrolyte,
A method for producing a fuel cell, wherein the step (b-3) is performed once or more.
前記(b)工程において各層を形成する工程は、前記電解質の層を形成する材料が結晶化可能なエネルギを与えつつ、前記基材に対して、前記結晶を成長させる方向に対応する方向から前記材料を放出する
燃料電池の製造方法。 A method for producing a fuel cell according to claim 7 or 8,
The step of forming each layer in the step (b) includes the step of forming the electrolyte layer from a direction corresponding to a direction in which the crystal is grown with respect to the base material while giving energy capable of crystallization. A method of manufacturing a fuel cell that releases material.
前記(b)工程において各層を形成する工程は、PVDにより実行される
燃料電池の製造方法。 A method of manufacturing a fuel cell according to claim 9,
The step of forming each layer in the step (b) is performed by PVD.
前記電解質膜を構成する各層を形成する工程は、同種の電解質の結晶を成長させる
燃料電池の製造方法。 A method of manufacturing a fuel cell according to any one of claims 7 to 10,
The step of forming each layer constituting the electrolyte membrane grows the same type of electrolyte crystal.
前記電解質膜を構成する各層を形成する工程は、固体酸化物の結晶を成長させる
燃料電池の製造方法。 A method for producing a fuel cell according to any one of claims 7 to 11,
The process of forming each layer which comprises the said electrolyte membrane grows the crystal | crystallization of a solid oxide. The manufacturing method of a fuel cell.
(c)前記電解質膜上に、導電性材料を用いて電極を形成する工程を備える
燃料電池の製造方法。 A method of manufacturing a fuel cell according to any one of claims 7 to 12, further comprising:
(C) A method for producing a fuel cell, comprising a step of forming an electrode using a conductive material on the electrolyte membrane.
前記基材は、水素透過性金属膜である
燃料電池の製造方法。 A method of manufacturing a fuel cell according to any one of claims 7 to 13,
The base material is a hydrogen permeable metal film.
厚み方向にわたって形成された結晶粒界の方向が一定の方向に揃う層を積層した複数の層であると共に、隣り合う前記層同士では各層内に形成される前記結晶粒界の方向が互いに異なる複数の層を備える
燃料電池用電解質膜。 An electrolyte membrane for fuel cells formed by electrolyte crystals,
A plurality of layers in which layers of crystal grain boundaries formed in the thickness direction are aligned in a certain direction, and a plurality of adjacent layers have different crystal grain boundary directions formed in each layer. An electrolyte membrane for a fuel cell.
各々の前記層は、前記電解質の柱状結晶によって形成され、該柱状結晶の長手方向が一定方向に揃っている層であり、
隣り合う層同士では、前記柱状結晶の長手方向が互いに異なっている
燃料電池用電解質膜。 The fuel cell electrolyte according to claim 15,
Each of the layers is a layer formed by columnar crystals of the electrolyte, and the longitudinal direction of the columnar crystals is aligned in a certain direction.
In adjacent layers, the longitudinal directions of the columnar crystals are different from each other. Electrolyte membrane for fuel cell.
前記電解質は固体酸化物である
燃料電池用電解質膜。 The fuel cell electrolyte according to claim 15 or 16,
The electrolyte is a solid oxide. Fuel cell electrolyte membrane.
請求項15ないし17いずれか記載の燃料電池用電解質膜と、
該電解質膜に隣接して設けられると共に、金属によって形成される電極と
を備える燃料電池。 A fuel cell,
An electrolyte membrane for a fuel cell according to any one of claims 15 to 17,
A fuel cell comprising: an electrode formed adjacent to the electrolyte membrane and formed of a metal.
前記金属は、水素透過性金属である
燃料電池。 The fuel cell according to claim 18, wherein
The fuel is a hydrogen permeable metal.
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- 2004-04-08 JP JP2004114306A patent/JP2005302424A/en active Pending
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