JP2006032192A - 燃料電池および水素分離膜モジュールならびにこれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 水素透過性を有する水素透過性金属層などの構成部材のロウ付け接合処理温度を、水素透過性金属層の再結晶化温度をT1とし、電池やモジュールの使用環境の上限温度を再結晶化温度T1より低いT2としたとき、T1>Tk>T2を満たす処理温度Tkで実行することとした。これにより、ロウ付け工程における基材の水素透過性能の低下が抑制され、当該機能を確実に維持できる。また、ロウ付け温度Tkの下限を電池やモジュールの正常な使用環境下温度の上限値よりもΔTだけ高い温度に設定することとしたので、使用環境下温度はロウ材の融点を上回ることがなくなり、接合強度の低下を有効に回避できる。
【選択図】 図15
Description
A.ガスケットタイプの水素分離膜型燃料電池セル
図1は、本発明のガスケットタイプの水素分離膜型燃料電池の単位セル(以下、単にセルとよぶ)の構成例を模式的に説明するための断面図で、このセルは、電解質膜30が2枚の金属セパレータ10、20で挟まれた構造を有している。金属セパレータ10、20は、高い熱伝導性と電気伝導性を有する銅やアルミニウムなどの金属材料で形成されることが好ましい。
B.ガスケットレスタイプの水素分離膜型燃料電池セル
本発明の水素分離膜型燃料電池セルはガスケットレスのタイプとすることもできる。
C.酸化物固体電解質
本発明の燃料電池に備えられる酸化物固体電解質膜は、物理蒸着、化学蒸着、スパッタリングなどの種々の手法により、充分に薄膜化された膜として成膜される。その厚みは所望する動作温度に応じて決定されるが、通常は概ね1μm以下、例えば0.1〜0.2μm程度とされ、600℃以下の比較的低温の温度領域においても低い抵抗値を示す膜を得ている。
図4は、図1を用いて説明したガスケットタイプの水素分離膜型燃料電池セルを積層させて構成された水素分離膜型燃料電池スタックを模式的に示す断面図である。
本実施例では、ガスケットレスタイプの水素分離膜型燃料電池スタックについて説明する。本実施例の水素分離膜型燃料電池スタック100においては、薄板状部材(後述する、エンドプレート、電極(カソード)、支持プレート、およびセパレータ)のそれぞれは、互いにロウ付け接合されて積層構造を構成する。
図12は本発明の水素分離膜モジュール200の斜視図で、この水素分離膜モジュール200により、改質ガスから燃料電池に供給する水素を抽出することができる。この水素分離膜モジュール200は、正方形の薄板状部材を複数積層した構造を有し、その積層構造の両端には、改質ガスおよびパージガスの流入口(210、212)および排出口(211、213)が設けられている。
以下に、上述した水素分離膜型燃料電池および水素分離膜モジュールの製造工程におけるロウ付けについて説明する。なお、以降の説明では便宜上、実施例1および実施例2で説明したガスケットタイプの燃料電池セル(およびスタック)を例に具体的なロウ付け温度条件などの説明を行うが、実施例1および実施例3で説明したガスケットレスタイプの燃料電池セル(およびスタック)ならびに実施例4で説明した水素分離膜モジュールのロウ付けについても同様の温度条件設定がなされる。なお、水素分離膜モジュールの場合のロウ付け温度は、水素分離膜を備える水素分離部材(水素分離プレート)の再結晶化温度が考慮され、この部材の水素透過性能を確実に維持可能な温度範囲が選択されることとなる。
12、22 流路
24 金属板
30 電解質膜
31 基材
32、33 金属拡散抑制層
34、35 被膜
36 電解質層
37 ロウ付け層
38 電極
40 ガスケット
100 水素分離膜モジュール
101 上側エンドプレート
102 下側エンドプレート
103 電極
104 透過膜と電解質層とを備える補強プレート
105 カソード側の第1の流路プレート
106 アノード側の第2の流路プレート
107 セパレータ
108 水素分離膜
111a カソードエアの流入口
111b カソードエアの排出口
111c 冷却エアの流入口
112a アノードガスの流入口
112b アノードガスの排出口
112c 冷却エアの排出口
200 水素分離膜モジュール
210、212 ガスの流入口
211、213 ガスの排出口
220 エンドプレート
222 改質ガスの流入口
224 パージガスの流入口
230a,250,230b 流路プレート
232、242 縦通孔
234 流路孔
240a,240b 水素分離プレート
244 水素分離膜
Claims (16)
- 水素透過性を有する水素透過性金属層にプロトン伝導性を有する電解質層が積層された電解質膜を有する燃料電池であって、
前記水素透過性金属層は金属部材とロウ付け層を介して接合されており、
前記ロウ付け層は、700℃以上850℃未満のロウ付け温度を有するロウ材であることを特徴とする燃料電池。 - 水素透過性を有する水素透過性金属層にプロトン伝導性を有する電解質層が積層された電解質膜を有する燃料電池であって、
前記水素透過性金属層と前記電解質層の積層体とを支持する支持部材は、接合部に絶縁層を有する金属部材とロウ付け層を介して接合されており、
前記ロウ付け層は、700℃以上850℃未満のロウ付け温度を有するロウ材であることを特徴とする燃料電池。 - 前記水素透過性金属層はバナジウムを含有する金属層を備え、
前記ロウ材は、金ロウ系またはホワイトロウもしくは銀ロウ系またはAg−Cu−Ti合金であることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池。 - 前記電解質層は、膜厚1μm以下の酸化物固体電解質の層であることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の燃料電池。
- 前記酸化物固体電解質は、ペロブスカイト型複合酸化物、パイロクロア型複合酸化物、スピネル型複合酸化物、もしくはこれらの複合酸化物に不純物をドーピングした複合酸化物固体電解質であることを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の燃料電池。
- 水素透過性を有する水素透過性金属層にプロトン伝導性を有する電解質層が積層された電解質膜を有する燃料電池の製造方法であって、
前記水素透過性金属層を金属部材にロウ付け接合する第1のステップを備え、
前記ロウ付け処理は、前記水素透過性金属層の再結晶化温度をT1とし、前記燃料電池の使用環境の上限温度を前記再結晶化温度T1より低いT2としたとき、T1>Tk>T2を満たす処理温度Tkで実行されることを特徴とする燃料電池の製造方法。 - 水素透過性を有する水素透過性金属層にプロトン伝導性を有する電解質層が積層された電解質膜を有する燃料電池の製造方法であって、
前記水素透過性金属層と前記電解質層の積層体の支持部材を、接合部に絶縁層を有する金属部材にロウ付け接合する第1のステップを備え、
前記ロウ付け処理は、前記水素透過性金属層の再結晶化温度をT1とし、前記燃料電池の使用環境の上限温度を前記再結晶化温度T1より低いT2としたとき、T1>Tk>T2を満たす処理温度Tkで実行されることを特徴とする燃料電池の製造方法。 - 前記処理温度の下限Tkminと前記上限温度T2との差ΔTは、100℃以上に設定されていることを特徴とする請求項6または7に記載の燃料電池の製造方法。
- 前記水素透過性金属層はバナジウムを含有する金属層を備え、
前記上限温度T2は600℃以下であり、前記処理温度Tkは700℃以上850℃未満であることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池の製造方法。 - 前記ロウ付け接合後に歪取り焼鈍する第2のステップを備え、
前記歪取り焼鈍処理の温度は、前記処理温度Tkと同一の温度範囲に設定されていることを特徴とする請求項6乃至9の何れかに記載の燃料電池の製造方法。 - 水素を含有する水素含有気体から水素の抽出を行う水素分離膜モジュールであって、
水素を選択的に透過させる特性を有する水素分離膜を備えた水素分離部材と、
前記水素分離部材の第1の面に隣接して配設され、前記第1の面に沿った流路を、前記水素含有気体が通過する水素含有気体として前記水素分離部材とともに形成する第1流路部材と、
前記水素分離部材の第2の面に隣接して配設され、前記第2の面に沿った流路を、前記水素分離膜を透過して前記水素含有気体から抽出された水素が通過する水素流路として前記水素分離部材とともに形成する第2流路部材と、
700℃以上850℃未満のロウ付け温度を有するロウ材で前記水素分離部材と前記第1、前記第2流路部材とを含む複数の部材同士を接合するロウ付け層と、
を備えていることを特徴とする水素分離膜モジュール。 - 前記水素分離膜はバナジウムを含有する金属層を備え、
前記ロウ材は、金ロウ系またはホワイトロウもしくは銀ロウ系またはAg−Cu−Ti合金であることを特徴とする請求項11に記載の水素分離膜モジュール。 - 水素を含有する水素含有気体から水素の抽出を行う水素分離膜モジュールの製造方法であって、
水素を選択的に透過させる特性を有する水素分離膜を備えた水素分離部材を準備する第1のステップと、
前記水素分離部材の第1の面に隣接して配設され、前記第1の面に沿った流路を、前記水素含有気体が通過する水素含有気体として前記水素分離部材とともに形成する第1流路部材を準備する第2のステップと、
前記水素分離部材の第2の面に隣接して配設され、前記第2の面に沿った流路を、前記水素分離膜を透過して前記水素含有気体から抽出された水素が通過する水素流路として前記水素分離部材とともに形成する第2流路部材を準備する第3のステップと、
前記水素分離部材と前記第1、第2の流路部材とを含む複数の部材を、ロウ付け層を介して、所定の順序で積層して前記水素分離膜モジュールの半製品を形成する第4のステップと、
前記ロウ付け層を加熱してロウ付け処理を行う第5のステップと、を備え、
前記ロウ付け処理は、前記水素分離部材の再結晶化温度をT1とし、前記水素分離膜モジュールの使用環境の上限温度を前記再結晶化温度T1より低いT2としたとき、T1>Tk>T2を満たす処理温度Tkで実行されることを特徴とする水素分離膜モジュールの製造方法。 - 前記処理温度の下限Tkminと前記上限温度T2との差ΔTは、100℃以上に設定されていることを特徴とする請求項13に記載の水素分離膜モジュールの製造方法。
- 前記水素分離膜はバナジウムを含有する金属層を備え、
前記上限温度T2は600℃以下であり、前記処理温度Tkは700℃以上850℃未満であることを特徴とする請求項14に記載の水素分離膜モジュールの製造方法。 - 前記ロウ付け処理後に歪取り焼鈍する第6のステップを備え、
前記歪取り焼鈍処理の温度は、前記処理温度Tkと同一の温度範囲に設定されていることを特徴とする請求項13乃至15の何れかに記載の水素分離膜モジュールの製造方法。
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