JP2005310701A - 燃料電池製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 三相界面の面積を減少させることなく、電解質と電極との密着性を向上させる。
【解決手段】 電解質１０上に、ＰＶＤによって、多数の金属粒子１２ａを点在するよう付着させて、接着層１２を形成する（ステップＳ１０１）。形成された接着層１２の上に、ＰＶＤによって、一面にＮｉ−ＹＳＺの粒子を堆積させて、電極１４を形成する（ステップＳ１０２）。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に係り、特に、電解質上に電極を接合するための技術に関するものである。

燃料電池の主要構成要素であって、電解質と電極とを接合して成る電解質−電極接合体は、従来において、例えば、下記の特許文献１に記載されているように、製造されていた。

すなわち、かかる特許文献１に記載の技術では、ランタンガレート系固体電解質薄板の表面にサマリウム添加セリウム酸化物の粉末をスクリーン印刷で整形した後、焼き付けて、セリウム酸化物イオン伝導体の多孔質層を形成し、その後、その多孔質層に硝酸ニッケル水溶液を含浸し、加熱処理により硝酸ニッケルを熱分解して酸化ニッケルを生成し、多孔質層内の空隙に酸化ニッケルの電極を形成していた。

このように、従来においては、セリウム酸化物イオン伝導体の多孔質層内の空隙に、酸化ニッケルの電極を形成することにより、多孔質層が接着層として機能して、固体電解質と電極との密着性を向上させていた。

特開２００３−２６３９９３号公報

しかしながら、従来においては、上記したとおり多孔質層内の空隙に電極を形成しているため、反応ガスと電極と電解質とが接する、いわゆる三相界面の面積が減少してしまうという問題があった。

従って、本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、三相界面の面積を減少させることなく、電解質と電極との密着性を向上させることが可能な技術を提供することにある。

上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池製造方法は、
（ａ）電解質を用意する工程と、
（ｂ）前記電解質上に接着粒子を点在するよう付着させ、接着層を形成する工程と、
（ｃ）前記接着層の形成された前記電解質上に電極を形成する工程と、
を含むことを要旨とする。

このように、本発明の燃料電池製造方法では、接着粒子が電解質上に点在しているため、電解質と電極との接触を妨げることなく、電解質と電極とを複数の箇所で接着することになる。

従って、本発明の燃料電池製造方法によれば、反応ガスと電極と電解質とが接する、いわゆる三相界面の面積を減少させることなく、電解質と電極との密着性を大幅に高めることができる。

本発明の燃料電池製造方法において、前記工程（ｂ）では、物理的気相成長法または化学的気相成長法によって、前記接着粒子を点在するよう付着させ、前記接着層を形成することが好ましい。
こうして、接着層を形成することにより、接着粒子としてより細かい粒子を、電解質上により均一に点在させることができるからである。

本発明の燃料電池製造方法において、前記工程（ｃ）では、物理的気相成長法または化学的気相成長法によって、前記電極を形成することが好ましい。
こうして、電極を形成することにより、電解質上に点在する各接着粒子に、電極の粒子が接着しやすくなる。

本発明の燃料電池製造方法において、（ｄ）前記電極の形成された前記電解質に対し、加熱及び加圧のうち少なくとも一方を施す工程をさらに含んでもよい。
このような工程をさらに含むことにより、電解質と電極とをより強固に接着することができ、電解質と電極との密着性をさらに向上させることができる。

本発明の燃料電池製造方法において、前記接着粒子は、前記燃料電池の作動温度において所望の弾力性を有することが好ましい。

燃料電池の作動温度において、接着粒子がこのような弾力性を有することにより、燃料電池作動時において温度が上昇し、電解質と電極との間の熱膨張率の差により、両者の間に応力が生じたとしても、各接着粒子は、その弾力性によって、生じた応力を十分吸収することができるため、その応力による電極の剥離や割れを抑制することができる。

本発明の燃料電池製造方法において、前記接着粒子は、その融点が、前記燃料電池の作動温度よりも高いが、前記作動温度に比較的近い物質から成ることがこのましい。
このような物質であれば、接着粒子として、燃料電池の作動温度において所望の弾力性を有し得るからである。

本発明の燃料電池製造方法において、前記接着粒子は、金属から成っていてもよい。
金属であれば、一般的に導電性を有し、電解質上に粒子として点在させることも可能であり、所定の状態において接着性も有するからである。

本発明の燃料電池製造方法において、前記接着粒子は、少なくともガラスを含み、かつ、導電性を有していてもよい。
このようにガラスを含むことにより、接着粒子の弾力性をより高めることができる。

本発明の燃料電池製造方法において、前記接着粒子は、酸化し得る物質から成ると共に、前記工程（ｃ）は、前記工程（ｂ）で前記電解質上に前記接着粒子を付着させた後、前記接着粒子の表面に酸化被膜が形成されるよりも前に、前記電極の形成を開始することが好ましい。

このように、接着粒子が酸化し得る場合、接着粒子の表面に酸化被膜が形成される前であれば、その表面は活性化されているため、熱をかけることなく、電極を付着させることができる。

なお、本発明は、上記した燃料電池製造方法などの方法発明の態様に限ることなく、電解質−電極接合体や、それを備える燃料電池などの装置発明としての態様で実現することも可能である。

以下、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．実施例：
Ａ−１．実施例の製造方法：
Ａ−２．実施例の効果：
Ｂ．変形例：

Ａ．実施例：
Ａ−１．実施例の製造方法：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池製造方法における主要製造工程を示す工程図である。具体的には、燃料電池の主要構成要素である電解質−電極接合体の製造工程を示している。

本実施例の製造工程では、図１に示すように、まず、電解質１０として、ガドリニウム・ドープド・セリア（ＧＤＣ：Ce_0.8Gd_0.2O_2-δ）を用意し、その電解質１０上に、ＰＶＤ（物理的気相成長法）によって、複数の金属粒子１２ａを点在するよう付着させて、接着層１２を形成する（ステップＳ１０１）。

このとき、金属粒子１２ａを構成する金属としては、その融点が、燃料電池の作動温度よりも若干高い金属を用いる。例えば、燃料電池の作動温度が約１０００℃である場合には、融点が１０００℃よりも若干高い金属として、融点が１０６３℃である金（Ａｕ）または融点が１０８３℃である銅（Ｃｕ）を用いるようにする。

また、ＰＶＤとしては、例えば、真空蒸着，スパッタ法，イオンプレーティングなどを用いることができる。

このように、ＰＶＤを用いると、各金属粒子１２ａは、それぞれ、運動エネルギを伴って電解質１０にぶつかり、その運動エネルギによって、熱を加えることなく、電解質１０上に溶着する。しかも、金属粒子１２ａとしてより細かい粒子を、電解質１０上により均一に点在させることができる。

次に、形成された接着層１２の上に、ＰＶＤによって、一面にＮｉ−ＹＳＺ（Ni 30mol%）の粒子を堆積させて、電極１４を形成する（ステップＳ１０２）。

このように、ＰＶＤによってＮｉ−ＹＳＺを堆積させると、Ｎｉ−ＹＳＺの各粒子も、上記した金属粒子と同様、運動エネルギを伴って接着層１２の金属粒子１２ａにぶつかり、その運動エネルギによって、熱を加えることなく、金属粒子１２ａに溶着する。

なお、金属粒子１２ａとして、銅などの酸化し得る物質を用い、かつ、このような電極１４の形成を、酸素を含有する雰囲気下で行う場合には、ステップＳ１０１において、ＰＶＤにより金属粒子１２ａを点在するよう付着させた後、各金属粒子１２ａの表面に酸化被膜が形成されるよりも前に、電極１４の形成を開始することが好ましい。

このように酸化被膜が形成される前であれば、各金属粒子１２ａの表面は活性化されているため、金属粒子１２ａに電極の粒子が溶着しやすい。

図２は図１における電解質１０と電極１４との境界であるＡ部を拡大して示した模式図である。

図２に示すように、電解質１０上には、金属粒子１２ａが点在しており、それらの金属粒子１２ａが、電解質１０と電極粒子１４ａ（Ｎｉ−ＹＳＺの粒子）とを接着している。そして、多数の電極粒子１４ａが積層することにより、ポーラスの電極１４を構成している。
以上のようにして、燃料電池における電解質−電極接合体を製造することができる。

Ａ−２．実施例の効果：
本実施例では、接着粒子である金属粒子１２ａは、電解質１０と電極１４とを接着しており、しかも、電解質１０上に複数点在しているため、電解質１０と電極１４との接触を妨げることなく、電解質１０と電極１４とを多数の箇所で接着している。よって、本実施例によれば、反応ガスと電極と電解質とが接する、いわゆる三相界面の面積を減少させることなく、電解質１０と電極１４との密着性を大幅に高めることができる。

また、本実施例では、金属粒子１２ａを構成する金属として、その融点が、燃料電池の作動温度よりも若干高い金属を用いている。よって、本実施例によれば、完成した電解質−電極接合体を燃料電池に使用した場合、燃料電池作動時において温度が上昇し、電解質１０と電極１４との間の熱膨張率の差により、両者の間に応力が生じたとしても、各金属粒子１２ａは、それぞれ、融点手前の、弾力性を有する状態となっており、生じた応力を十分吸収することができるため、その応力による電極１４の剥離や割れを抑制することができる。

具体的には、上記した電解質１０として用いるＧＤＣは、熱膨張率が10.5ppmK^-1であるのに対し、電極１４として用いるＮｉ−ＹＳＺは、熱膨張率が12.5ppmK^-1であり、両者の熱膨張率は異なっているが、それら熱膨張率の差による応力を、金属粒子１２ａの弾力性によって吸収することにより、電極１４に剥離や割れを生じることがない。

つまり、本実施例によれば、このように、電極１４の剥離や割れの発生を心配せずに済むため、物質の熱膨張率に左右されることなく、電解質１０や電極１４に使用する物質を自由に選択することができるという効果もある。

例えば、熱膨張率が異なる物質の組み合わせとしては、電解質１０として、上記のＧＤＣ（熱膨張率：10.5ppmK^-1）を用い、電極１４としてLaCoO₃（熱膨張率：22.3ppmK^-1）を用いることができる。また、熱膨張率が比較的近い物質の組み合わせとしては、電解質１０として、8mol% Y₂O₃ doped ZrO₂のイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用い、電極１４として、上記のＮｉ−ＹＳＺ（熱膨張率：12.5ppmK^-1）またはランタン・ストロンチウム・マンガネート（ＬＳＭ：La_0.8Sr_0.2MnO₃）（熱膨張率：10.7ppmK^-1）を用いることができる。

Ｂ．変形例：
なお、本発明は上記した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て実施することが可能である。

上記した実施例においては、接着層１２に金属を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、導電性ガラス、または、ガラスと導電性材料とを混合して成るガラス混合物を用いるようにしてもよい。

すなわち、電解質１０上に、このような導電性ガラスまたはガラス混合物を、ＰＶＤにより、接着粒子として点在させることにより、接着層１２を形成するのである。

このような導電性ガラスやガラス混合物を用いることにより、金属を用いる場合に比べて、接着粒子の弾力性をより高めることができる。

上記した実施例においては、接着層１２及び電極１４をＰＶＤによって形成したが、ＰＶＤに代えて、ＣＶＤ（化学的気相成長法）を用いるようにしてもよい。ＣＤＶとしては、例えば、熱ＣＶＤ，光ＣＶＤ，プラズマＣＶＤなどを用いることができる。

上記した実施例においては、金属粒子１２ａを構成する金属として金及び銅を例示したが、これらは、燃料電池の作動温度が約１０００℃である場合の例であって、燃料電池の作動温度が約１０００℃とは異なる場合には、その作動温度に応じて、それよりも融点が若干高い金属を適宜選択すればよい。

上記した実施例においては、電極１４を形成した後の処理については、特に、言及しなかったが、電極１４を形成した後、さらに、加熱を行うようにしてもよく、加圧を行うようにしてもよく、その両方を行うようにしてもよい。

こうすることにより、電解質１０と電極１４との接着をより強固にすることができ、両者の密着性をさらに向上させることができる。但し、加熱する際には、接着層１２を構成する物質の融点以上の温度にならないよう、留意する必要がある。

本発明の一実施例としての燃料電池製造方法における主要製造工程を示す工程図である。 図１における電解質１０と電極１４との境界であるＡ部を拡大して示した模式図である。

符号の説明

１０...電解質
１２...接着層
１２ａ...金属粒子
１４...電極
１４ａ...電極粒子

Claims (15)

1. 燃料電池を製造するための燃料電池製造方法であって、
   （ａ）電解質を用意する工程と、
   （ｂ）前記電解質上に接着粒子を点在するよう付着させ、接着層を形成する工程と、
   （ｃ）前記接着層の形成された前記電解質上に電極を形成する工程と、
   を含む燃料電池製造方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池製造方法において、
   前記工程（ｂ）では、物理的気相成長法または化学的気相成長法によって、前記接着粒子を点在するよう付着させ、前記接着層を形成することを特徴とする燃料電池製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池製造方法において、
   前記工程（ｃ）では、物理的気相成長法または化学的気相成長法によって、前記電極を形成することを特徴とする燃料電池製造方法。
4. 請求項１ないし請求項３のうちの任意の１つに記載の燃料電池製造方法において、
   （ｄ）前記電極の形成された前記電解質に対し、加熱及び加圧のうち少なくとも一方を施す工程をさらに含む燃料電池製造方法。
5. 請求項１ないし請求項４のうちの任意の１つに記載の燃料電池製造方法において、
   前記接着粒子は、前記燃料電池の作動温度において所望の弾力性を有することを特徴とする燃料電池製造方法。
6. 請求項５に記載の燃料電池製造方法において、
   前記接着粒子は、その融点が、前記燃料電池の作動温度よりも高いが、前記作動温度に比較的近い物質から成ることを特徴とする燃料電池製造方法。
7. 請求項５または請求項６に記載の燃料電池製造方法において、
   前記接着粒子は、金属から成ることを特徴とする燃料電池製造方法。
8. 請求項５または請求項６に記載の燃料電池製造方法において、
   前記接着粒子は、少なくともガラスを含み、かつ、導電性を有することを特徴とする燃料電池製造方法。
9. 請求項５または請求項６に記載の燃料電池製造方法において、
   前記接着粒子は、酸化し得る物質から成ると共に、
   前記工程（ｃ）は、前記工程（ｂ）で前記電解質上に前記接着粒子を付着させた後、前記接着粒子の表面に酸化被膜が形成されるよりも前に、前記電極の形成を開始するようにしたことを特徴とする燃料電池製造方法。
10. 電解質と電極とが接合して成る電解質−電極接合体であって、
    前記電解質と前記電極との間に位置すると共に、前記電解質上に点在する複数の接着粒子から成り、各接着粒子によって前記電解質と前記電極とを接着する接着層を備えることを特徴とする電解質−電極接合体。
11. 請求項１０に記載の電解質−電極接合体において、
    前記接着粒子は、前記燃料電池の作動温度において所望の弾力性を有することを特徴とする電解質−電極接合体。
12. 請求項１０または請求項１１に記載の電解質−電極接合体において、
    前記接着粒子は、金属から成ることを特徴とする電解質−電極接合体。
13. 請求項１０または請求項１１に記載の電解質−電極接合体において、
    前記接着粒子は、少なくともガラスを含み、かつ、導電性を有することを特徴とする電解質−電極接合体。
14. 請求項１０ないし請求項１３のうちの任意の１つに記載の電解質−電極接合体において、
    前記接着層は、物理的気相成長法または化学的気相成長法によって形成して成ることを特徴とする電解質−電極接合体。
15. 燃料電池であって、
    請求項１０ないし請求項１４のうちの任意の１つに記載の電解質−電極接合体を備えることを特徴とする燃料電池。

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