JP2007188745A - Hydrogen separation membrane fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ガラス電解質を用いる燃料電池のガラス電解質を薄層化する技術に関する。 The present invention relates to a technique for thinning a glass electrolyte of a fuel cell using a glass electrolyte.
中温域で動作可能な燃料電池の電解質として、ガラス質の電解質(ガラス電解質)を使用することが行われている。このガラス電解質は脆い材料であるため、電解質の膜抵抗を低減するために薄くすると破損するおそれがある。そこで、多孔質の支持体上にガラス電解質を形成し、支持体に機械的強度を負担させることにより、ガラス電解質の薄層化を行うことが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 The use of a vitreous electrolyte (glass electrolyte) as an electrolyte of a fuel cell that can operate in a medium temperature range has been performed. Since this glass electrolyte is a brittle material, it may be damaged if made thin in order to reduce the membrane resistance of the electrolyte. In view of this, it has been proposed to reduce the thickness of the glass electrolyte by forming a glass electrolyte on a porous support and applying mechanical strength to the support (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、多孔質の支持体上にガラス電解質を形成した場合、ガラス電解質を薄くすると、支持体表面の凹凸よりガラス電解質にピンホールが発生する可能性がある。また、ガラス電解質の厚さと支持体の孔径によっては、ガラス電解質が破損しクラックが生ずる場合がある。このように、ガラス電解質にピンホールやクラックが発生すると、ガス等の漏洩(リーク)により燃料電池の発電特性や発電効率が低下するおそれがある。 However, when a glass electrolyte is formed on a porous support, if the glass electrolyte is thinned, pinholes may be generated in the glass electrolyte due to irregularities on the surface of the support. Further, depending on the thickness of the glass electrolyte and the pore diameter of the support, the glass electrolyte may be broken and cracks may occur. Thus, when pinholes or cracks occur in the glass electrolyte, there is a risk that the power generation characteristics and power generation efficiency of the fuel cell may be reduced due to leakage of gas or the like.
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、ガラス電解質の薄層化に際し、ガラス電解質のリークを抑制することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object thereof is to suppress the leakage of the glass electrolyte when the glass electrolyte is thinned.
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置され酸素を含む酸化剤ガスが供給されるカソードと、前記電解質膜の他方の面に配置され水素を含む燃料ガスが供給されるアノードと、を備える燃料電池であって、前記電解質膜は、水素透過性を有し、前記カソード側の表面に非多孔質層を備える水素透過性基材と、前記水素透過性基材の前記非多孔質層に接するように形成されプロトン伝導性を有するガラス電解質層と、を備えることを特徴とする。 In order to achieve at least a part of the above object, a fuel cell of the present invention includes an electrolyte membrane, a cathode disposed on one surface of the electrolyte membrane and supplied with an oxidant gas containing oxygen, and the electrolyte membrane. And an anode to which a hydrogen-containing fuel gas is supplied, wherein the electrolyte membrane is hydrogen permeable and includes a non-porous layer on the cathode side surface. It is characterized by comprising a hydrogen permeable base material and a glass electrolyte layer formed so as to be in contact with the non-porous layer of the hydrogen permeable base material and having proton conductivity.
この構成によれば、ガラス電解質は水素透過性基材が有する非多孔質層上に形成されるので、基材表面の凹凸によりガラス電解質にピンホールやクラックが発生することが抑制される。そのため、ガラス電解質のリークを抑制しつつガラス電解質を薄層化することが可能になる。 According to this configuration, since the glass electrolyte is formed on the non-porous layer of the hydrogen permeable substrate, the occurrence of pinholes and cracks in the glass electrolyte due to the unevenness of the substrate surface is suppressed. Therefore, it becomes possible to make the glass electrolyte thinner while suppressing the leakage of the glass electrolyte.
前記水素透過性基材は、水素の選択透過性を有する水素透過性金属層を備えるものとしても良い。 The hydrogen permeable substrate may include a hydrogen permeable metal layer having hydrogen selective permeability.
水素の選択透過性を有する水素透過性金属層は、非多孔質層である。そのため、水素透過性金属層を用いることにより水素透過性基材のカソード側表面をより容易に非多孔質化することができる。 The hydrogen permeable metal layer having hydrogen selective permeability is a non-porous layer. Therefore, by using a hydrogen permeable metal layer, the cathode side surface of the hydrogen permeable substrate can be made more non-porous.
前記水素透過性基材は、水素透過性を有する主構成成分と、原子状水素をプロトンと電子に変換する能力が前記主構成成分よりも高いプロトン変換物質を含むものとしても良い。 The hydrogen-permeable base material may include a main component having hydrogen permeability and a proton converting substance having a higher ability to convert atomic hydrogen into protons and electrons than the main component.
この構成によれば、プロトン変換物質により原子状水素から変換されたプロトンがガラス電解質に供給される。そのため、ガラス電解質を透過するプロトン量を多くすることができるので、燃料電池の発電特性がより向上する。 According to this configuration, protons converted from atomic hydrogen by the proton conversion substance are supplied to the glass electrolyte. Therefore, since the amount of protons that permeate the glass electrolyte can be increased, the power generation characteristics of the fuel cell are further improved.
前記水素透過性基材は、前記水素透過性基材のカソード側表面に前記プロトン変換物質を含むプロトン変換層を備えるものとしても良い。 The hydrogen permeable base material may include a proton conversion layer containing the proton conversion material on the cathode side surface of the hydrogen permeable base material.
この構成によれば、水素透過性基材のガラス電解質形成面に接するプロトン変換層によりプロトンが生成されるので、ガラス電解質に供給されるプロトン量をより多くすることが可能である。 According to this configuration, protons are generated by the proton conversion layer in contact with the glass electrolyte forming surface of the hydrogen permeable substrate, so that it is possible to increase the amount of protons supplied to the glass electrolyte.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池およびその燃料電池を利用した燃料電池システム、また、その燃料電池システムを利用した発電装置およびその燃料電池システムを搭載した電気自動車等の態様で実現することができる。 The present invention can be realized in various modes. For example, a fuel cell and a fuel cell system using the fuel cell, and a power generation device using the fuel cell system and the fuel cell system are provided. It can be realized in the form of a mounted electric vehicle or the like.
次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.第1実施例:
B.第2実施例:
C.第3実施例:
D.第4実施例:
E.変形例:
Next, the best mode for carrying out the present invention will be described in the following order based on examples.
A. First embodiment:
B. Second embodiment:
C. Third embodiment:
D. Fourth embodiment:
E. Variation:
A.第1実施例:
図1は、第1実施例における燃料電池を構成するセル100の構造を示す断面模式図である。燃料電池は、セル100が積層された燃料電池スタックを有している。セル100は、電解質膜200と、電解質膜200の両面に設けられた2つの電極層120,140と、電解質膜200および電極層120,140を両側から挟み込むカソード側セパレータ110およびアノード側セパレータ130と、を備えている。これら2枚のセパレータ110,130は、プレス成形されたステンレス鋼などのガス不透性と導電性とを有する材料で形成されている。
A. First embodiment:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a
第1の電極層120(以下、「カソード側電極層120」とも呼ぶ)は、金属多孔質体にカソード側での酸化反応を促進する触媒を担持することにより形成されている。カソード側電極層120に担持される触媒としては、白金(Pt)等の貴金属やLaSrMnO3等の導電性セラミックを用いることができる。なお、第1実施例では、金属多孔質体に触媒を担持しているが、触媒を電解質膜200のカソード側の面に直接担持するものとしても良く、また、電解質膜200のカソード側の面にパラジウム(Pd)の薄膜などの水素透過性と触媒活性とを有する層を形成するものとしても良い。この場合、カソード側電極層120を省略することも可能である。
The first electrode layer 120 (hereinafter also referred to as “cathode
第2の電極層140(以下、「アノード側電極層140」とも呼ぶ)は、カソード側電極層120と同様に金属多孔質体で形成されている。第1実施例のアノード側電極層140には、触媒が担持されていない。但し、白金や白金を主成分とする合金等の触媒を担持するものとしても良い。なお、このアノード側電極層140も省略することが可能である。
The second electrode layer 140 (hereinafter also referred to as “anode
電解質膜200は、水素透過性金属層220と、水素透過性金属層220の一方の面上に形成されたガラス電解質層210と、を備えている。ガラス電解質層210は、ガラス骨格の中にプロトン伝導性をガラスに付与する官能基(イオン交換基)が固定化されたガラスの薄膜である。ガラス電解質層210としては、リン酸基をイオン交換基とするリン酸系のガラス電解質層や、硫酸基をイオン交換基とする硫酸系のガラス電解質層等、プロトン伝導性であれば任意のガラス電解質層を使用することが可能である。
The
水素透過性金属層220は、パラジウムと白金との合金(パラジウム・白金合金)で形成され、電解質膜200の機械的強度を保つために十分な厚さ(例えば、40μm)を有する部材である。水素透過性金属層220は、水素の選択透過性を有するように、ガス分子が透過しない程度に緻密(非多孔質)に形成されている。なお、水素透過性金属層220は、ガラス電解質層が形成される水素透過性基材であるとともに、水素透過性基材カソード側表面の非多孔質層である、とも言うことができる。
The hydrogen
第1実施例では、水素透過性金属層220に使用されるパラジウム・白金合金のパラジウムと白金の組成比は、パラジウム95重量部に対して白金5重量部に設定されている。なお、この組成比は、水素透過性などを考慮して適宜設定することが可能である。具体的には、パラジウム・白金合金の重量に対する白金の重量(以下、「白金含有量」とも呼ぶ)は、20重量%以下とするのが好ましい。また、水素透過性金属層220の水素透過性を十分高くするため、白金含有量は10重量%以下とするのがより好ましい。
In the first embodiment, the composition ratio of palladium to platinum of the palladium-platinum alloy used for the hydrogen
また、水素透過性金属層220を白金をほとんど含まない高純度のパラジウム(以下、「単体パラジウム」とも呼ぶ)で形成することも可能であるが、後述するように、パラジウムと白金の合金で水素透過性金属層220を形成するのが好ましい。この場合、パラジウム・白金合金の白金含有量は、1重量%以上とするのがより好ましく、2重量%以上とするのがさらに好ましい。
The hydrogen
カソード側セパレータ110とアノード側セパレータ130には、それぞれ電解質膜200に面した側に凹部が設けられている。カソード側セパレータ110に設けられた凹部とカソード側電極層120とで形成される空間(カソード側流路)112には、酸素を含む酸化剤ガスとして空気が供給される。また、アノード側セパレータ130に設けられた凹部とアノード側電極層140とで形成される空間(アノード側流路)132には、水素を含む燃料ガスが供給される。なお、セパレータ110,130の形状や、流路112,132の形状、およびこれらの構成は、適宜変更することが可能である。例えば、セパレータ110,130の電解質膜200側を平板状とし、流路112,132を多孔質のガス拡散層により形成することも可能である。
The
図2は、電解質膜200を製造する主要な工程を示す説明図である。まず、図2(a)の工程では、パラジウム・白金合金で形成された水素透過性金属層220が準備される。平板状の水素透過性金属層220は、例えば、パラジウム・白金合金のインゴット(以下、「合金塊」とも呼ぶ)を圧延することにより形成される。合金塊を圧延することにより形成された水素透過性金属層220は、鬆やピンホール等が除去された非多孔質の部材となる。
FIG. 2 is an explanatory view showing main steps for manufacturing the
なお、水素透過性金属層220は、水素透過性金属層220とガラス電解質層210との密着性を高めるため、その表面が平滑に形成されるのが好ましい。この場合、水素透過性金属層220は、ガラス電解質層210の厚さに対する水素透過性金属層220の算術表面粗さ(Ra)の比が所定の値(例えば、1/100〜1/200)以下となるように形成される。
The hydrogen
図2(b)の工程では、液状のガラスが水素透過性金属層220の片面に塗布される。塗布される液状のガラスは、例えば、リン酸系のガラス電解質層210を形成する場合、リン酸(H3PO4)とテトラエチルオルトシリケート(TEOS)の混合液を調製し、混合液中のリン酸とTEOSとを加水分解することにより生成することができる。
In the step of FIG. 2B, liquid glass is applied to one side of the hydrogen
水素透過性金属層220への液状のガラスの塗布は、スピンコート法やドクターブレード法等の周知の方法により行うことができる。このように、液状のガラスを塗布することにより、水素透過性金属層220上には薄いガラス電解質のゲル212が形成される。
Application of liquid glass to the hydrogen
図2(c)の工程では、液状のガラスが塗布された水素透過性金属層220を熱処理することにより、ガラス電解質層210が焼成される。このように、水素透過性金属層220の面上にガラス電解質層210を形成することにより、ガラス電解質層210を薄くした場合であっても、ガラス電解質層210のピンホールの発生と、ガラス電解質層210の破損とが抑制される。そのため、電解質膜200に薄いガラス電解質層210を使用しても、ピンホールや破損により電解質膜200を通して水素がカソード側に漏出するリークの発生を抑制することができる。
In the step of FIG. 2C, the
図3は、電解質膜200および電極層120,140において進行する主な化学反応を示す説明図である。図3では、各層中に存在し燃料電池での電気化学反応に関与する主な成分(反応成分)が示されている。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing main chemical reactions that proceed in the
アノード側電極層140には、上述したように、アノード側流路132(図1)から水素を含む燃料ガスが供給される。燃料ガス中の水素分子(H2)は、パラジウムの触媒作用により、水素透過性金属層220とアノード側電極層140との界面で原子状水素(H)に解離する。解離された原子状水素は、アノード側電極層140側から水素透過性金属である水素透過性金属層220中に移動する。
As described above, the fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode
水素透過性金属層220中の原子状水素は、白金の触媒作用により、プロトン(H+)に変換される。そのため、水素透過性金属層220中の水素は、原子状水素とプロトンとが混合した状態となる。原子状水素のプロトンへの変換に伴って生成された電子(e-)は、アノード側電極層140とアノード側セパレータ130(図1)とを介して外部の導体に供給される。
Atomic hydrogen in the hydrogen
水素透過性金属層220中のプロトンは、プロトン伝導性のガラス電解質層210を介してカソード側電極層120に移動する。カソード側電極層120では、ガラス電解質層210から供給されるプロトンと、外部の導体からカソード側セパレータ110(図1)を介して供給される電子と、カソード側流路112(図1)から供給される酸化剤ガス中の酸素分子(O2)と、が反応して水(H2O)を生成する。セル100(図1)での発電は、外部の導体を通して電子がアノード側セパレータ130からカソード側セパレータ110に移動することによって行われる。
Protons in the hydrogen
一般に、アノード側からカソード側にプロトンを供給するガラス電解質層210は、原子状水素をプロトンに変換する触媒の作用(以下、「プロトン変換能」とも呼ぶ)が低い。そのため、水素透過性金属層220のガラス電解質層210側でのプロトン濃度が低い場合、ガラス電解質層210を介してカソード側電極層120に移動するプロトン量が低下し、燃料電池の発電特性が低下するおそれがある。
In general, the
そこで、第1実施例では、水素透過性金属層220をプロトン変換能が高い白金を含むパラジウム・白金合金で形成することにより、水素透過性金属層220中の中のプロトン量を増加させ、燃料電池の発電特性を向上させている。なお、単体パラジウムもプロトン変換能を有しているが、白金はパラジウムよりもプロトン変換能が高いため、水素透過性金属層220をパラジウム・白金合金等の白金を含む水素透過性合金で形成するのがより好ましい。なお、パラジウム・白金合金は、単体パラジウムよりも、水素の吸蔵による膨張量が少なく、熱膨張率も低く、また、硬度が高い。そのため、水素透過性金属層220を形成する材料としては、パラジウム・白金合金が単体パラジウムよりも好ましい。
Therefore, in the first embodiment, the hydrogen
このように、第1実施例では、ガラス電解質層210を非多孔質の水素透過性金属層220上に形成することにより、ガラス電解質層210のピンホールの発生と、ガラス電解質層210の破損が抑制される。そのため、ガラス電解質層210を薄くすることによるリークの発生を抑制することが可能となる。
As described above, in the first embodiment, the
なお、第1実施例では、プロトン変換能の高い白金を含むパラジウム・白金合金により、水素透過性金属層220を形成している。そのため、水素透過性金属層220からガラス電解質層210に十分なプロトンを供給することが可能となり、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
In the first embodiment, the hydrogen
また、一般に、ガラス電解質は、低温でのプロトン伝導性がセラミックス電解質よりも高い。そのため、第1実施例では、ガラス電解質層210を用いることにより、水素透過性金属基材上にセラミックス電解質層を形成した電解質膜を用いる水素分離膜型燃料電池よりも燃料電池の動作温度を低減することが可能となる。
In general, glass electrolytes have higher proton conductivity at low temperatures than ceramic electrolytes. Therefore, in the first embodiment, by using the
B.第2実施例:
図4は、第2実施例におけるセル100aの構造を示す断面模式図である。第2実施例のセル100aは、電解質膜200aの構成が第1実施例の電解質膜200(図1)と異なっている点で、第1実施例のセル100と異なっている。具体的には、電解質膜200aは、水素透過性金属層220aとガラス電解質層210aとの間に、プロトン変換能が高いプロトン変換層230aが挟み込まれている点と、水素透過性金属層220aが単体パラジウムで形成されている点で、第1実施例の電解質膜200と異なっている。他の点は、第1実施例と同じである。
B. Second embodiment:
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the
図5は、電解質膜200aを製造する主要な工程を示す説明図である。第2実施例の電解質膜200a製造工程は、水素透過性金属層220aを準備する工程(図5(a))と液状のガラスを塗布する工程(図5(c))との間にプロトン変換層230aを形成する工程(図5(b))が付加されている点で、図2に示す第1実施例の電解質膜200の製造工程と異なっている。他の点は、第1実施例と同様であるので、ここではその説明を省略する。なお、図5(a)の水素透過性金属層を準備する工程は、第1実施例における図2(a)の工程に相当し、図5(c)および図5(d)のガラス電解質の形成工程は、第1実施例における図2(b)および図2(c)の工程のそれぞれに相当する。
FIG. 5 is an explanatory view showing main steps for manufacturing the
図5(b)の工程では、水素透過性金属層220aの片面にプロトン変換層230aが形成される。プロトン変換層230aは、例えば、水素透過性金属層220aを構成する物質よりもプロトン変換能が高いプロトン変換物質を物理蒸着(PVD)や化学蒸着(CVD)により成膜することにより形成される。なお、物質のプロトン変換能は、例えば、評価対象の物質の薄層をガラス電解質板上に形成し、そのガラス電解質板の水素透過性を測定することにより評価することができる。
In the process of FIG. 5B, the
プロトン変換物質は、電解質膜200aのプロトン伝導性を維持するため、図5(b)に示すように島状構造を有するように形成されるのが好ましい。そのため、プロトン変換層230aは、平均膜厚が10nm以下となるように形成されるのが好ましく、平均膜厚が5nm以下となるように形成されるのがより好ましい。但し、プロトン変換物質のプロトン伝導性が十分高い場合、ガス分子不透性の緻密な膜を形成するものとしても良い。
In order to maintain the proton conductivity of the
成膜されるプロトン変換物質としては、プロトン伝導性のセラミックス電解質や、白金等を用いることができる。セラミックス電解質としては、例えば、バリウムセレート(BaCeO3)系、ストロンチウムセレート(SrCeO3)系、バリウムジルコネート(BaZrO3)系、および、ストロンチウムジルコネート(BaZrO3)系のペロブスカイト型のプロトン伝導性電解質を使用することができる。具体的には、ABO3の一般式で表されるこれらのペロブスカイト型セラミックのBサイトの一部を、イットリウム(Y)や、ネオジム(Nd)や、ガドリニウム(Gd)や、イッテルビウム(Yb)等の遷移金属に置き換えたセラミックス電解質等を使用することができる。プロトン変換物質としては、例えば、以下の表1に示すセラミックス電解質を使用することが可能である。 As the proton converting substance to be formed, proton conductive ceramic electrolyte, platinum or the like can be used. Examples of ceramic electrolytes include barium serate (BaCeO 3 ), strontium serate (SrCeO 3 ), barium zirconate (BaZrO 3 ), and strontium zirconate (BaZrO 3 ) perovskite type proton conduction. A negative electrolyte can be used. Specifically, a part of the B site of these perovskite ceramics represented by the general formula of ABO 3 is yttrium (Y), neodymium (Nd), gadolinium (Gd), ytterbium (Yb), etc. It is possible to use a ceramic electrolyte or the like replaced with a transition metal. As the proton conversion substance, for example, ceramic electrolytes shown in Table 1 below can be used.
なお、プロトン変換物質として上記のようなセラミックス電解質を使用した場合であっても、セラミックス電解質のプロトン伝導度は、ガラス電解質を用いた燃料電池の動作温度(150〜200℃)におけるガラス電解質のプロトン伝導度よりも低くなる。そのため、セラミックス電解質を使用した場合も、プロトン変換層230aは、島状構造を有するように形成されるのが好ましい。
Even when the above ceramic electrolyte is used as the proton converting substance, the proton conductivity of the ceramic electrolyte is the proton of the glass electrolyte at the operating temperature (150 to 200 ° C.) of the fuel cell using the glass electrolyte. It becomes lower than the conductivity. Therefore, even when a ceramic electrolyte is used, the
図6は、電解質膜200aおよび電極層120,140において進行する主な化学反応を示す説明図である。図3と同様に、図6においても各層中に存在する反応成分が示されている。図6に示すように、第2実施例の電解質膜200aでは、水素透過性金属層220a中において原子状水素からプロトンへの変換はほとんど行われない。そのため、水素透過性金属層220a中では、水素の大部分が原子状水素として存在する。そして、原子状水素は、水素透過性金属層220aからプロトン変換層230aに移動する。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing main chemical reactions that proceed in the
水素透過性金属層220aからプロトン変換層230aに移動した原子状水素は、プロトン変換層230aにおいてプロトンに変換される。原子状水素から変換されたプロトンは、ガラス電解質層210aを通して、カソード側電極層120に移動して反応する。なお、水素透過性金属層220aとプロトン変換層230aとを積層した層は、水素透過性を有するので、「水素透過性基材」ともいうことができる。なお、この場合、水素透過性基材の主構成成分は、水素透過性金属層220aの主成分であるパラジウムとなる。また、島状構造を有するようにプロトン変換層230aを形成した場合、水素透過性基材の表面に露出している水素透過性金属層220aは、水素透過性基材カソード側表面の非多孔質層とも言うことができる。
The atomic hydrogen moved from the hydrogen
このように、第2実施例の電解質膜200aでは、水素透過性金属層220aとガラス電解質層210aとの間にプロトン変換層230aが挟み込まれている。このプロトン変換層230aにより、水素透過性金属層220a中の原子状水素はプロトンに変換される。そのため、ガラス電解質層210aに十分なプロトンを供給することが可能となるので、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
Thus, in the
C.第3実施例:
図7は、電解質膜200bおよび電極層120,140において進行する主な化学反応を示す説明図である。図7においても各層中に存在する反応成分が示されている。第3実施例では、プロトン変換層230bがガラス電解質とプロトン変換物質とが混合された層(混合層)として形成されている点で、図6に示す第2実施例のプロトン変換層230aと異なっている。他の点は、第2実施例と同じである。
C. Third embodiment:
FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating main chemical reactions that proceed in the
図8は、電解質膜200bを製造する主要な工程を示す説明図である。第3実施例の電解質膜200a製造工程のうち、水素透過性金属層220bを準備する工程(図8(a))は、第2実施例において水素透過性金属層220aを準備する工程(図5(a))と同じである。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the main steps for manufacturing the
図8(b)および図8(c)の工程では、図8(a)で準備された水素透過性金属層220bの一方の面に、ガラス電解質の微粒子と、プロトン変換物質の微粒子とが吹き付けられる。具体的には、ガラス電解質とプロトン変換物質との微粒子をそれぞれガスと混合してエアロゾル化し、エアロゾルを高圧で水素透過性金属層220bに吹き付ける。このエアロゾル・デポジション法による成膜により、ガラス電解質およびプロトン変換物質を含む混合層230bと、ガラス電解質層210bと、が水素透過性金属層220b上に形成される。なお、エアロゾル・デポジション法によれば、ガス分子不透性の緻密な膜が形成される。
8B and 8C, glass electrolyte fine particles and proton converting substance fine particles are sprayed on one surface of the hydrogen
図8(d)および図8(e)は、混合層230bおよびガラス電解質層210bを形成する際の、ガラス電解質およびプロトン変換物質のそれぞれの吹付量の時間変化を示している。図8(d)および図8(e)の横軸は、時間を表している。また、図8(d)および図8(e)の縦軸は、それぞれ、ガラス電解質の吹付量と、プロトン変換物質の吹付量を示している。
FIG. 8D and FIG. 8E show temporal changes in the spraying amounts of the glass electrolyte and the proton conversion material when the
図8(d)および図8(e)の例では、時刻t0において吹き付けが開始されている。ガラス電解質の吹付量と、プロトン変換物質の吹付量とは、それぞれ時刻t1に至るまで一定に保たれている。そして、時刻t1においてプロトン変換物質の吹き付けが停止される。時刻t1から時刻t2までの期間でのガラス電解質の吹付量は、時刻t0から時刻t1の期間よりも多くなっている。そして時刻t2では、ガラス電解質の吹き付けが停止される。このように、ガラス電解質とプロトン変換物質とのそれぞれの吹付量を制御することにより、プロトン変換層である混合層230bと、ガラス電解質層210bと、が形成される。
In the example of FIGS. 8D and 8E, spraying is started at time t0. The spray amount of the glass electrolyte and the spray amount of the proton conversion substance are kept constant until time t1. At time t1, the proton conversion substance spraying is stopped. The amount of glass electrolyte sprayed during the period from time t1 to time t2 is greater than that during the period from time t0 to time t1. At time t2, the glass electrolyte spraying is stopped. Thus, by controlling the spraying amounts of the glass electrolyte and the proton conversion material, the
なお、第3実施例では、プロトン変換物質の吹き付け停止の後、単位時間あたりのガラス電解質の吹付量を増加させているが、ガラス電解質の吹付量を増加させることなくガラス電解質層210bを形成するものとしても良い。ガラス電解質層210bは、プロトン変換物質の吹き付けが停止されていれば形成することができるので、プロトン変換物質の吹き付け停止後は、単位時間あたりのガラス電解質吹付量を任意の値に設定することが可能である。
In the third embodiment, the spray amount of the glass electrolyte per unit time is increased after stopping the spraying of the proton conversion material, but the
第3実施例の電解質膜200bにおいても、水素透過性金属層220bとガラス電解質層210bとの間にプロトン変換層である混合層230bが挟み込まれている。そのため、第2実施例と同様に、プロトン変換層230bにより水素透過性金属層220b中の原子状水素がプロトンに変換され、ガラス電解質層210bに十分なプロトンを供給することが可能となるので、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
Also in the
D.第4実施例:
図9は、電解質膜200cおよび電極層120,140において進行する主な化学反応を示す説明図である。図9においても各層中に存在する反応成分が示されている。第4実施例は、ガラス電解質とプロトン変換物質との組成比が膜厚方向に変化する傾斜層としてプロトン変換層230cが形成されている点で、図7に示す第3実施例と異なっている。他の点は、第3実施例と同じである。
D. Fourth embodiment:
FIG. 9 is an explanatory view showing main chemical reactions that proceed in the
図10は、電解質膜200cを製造する主要な工程を示す説明図である。図10は、傾斜層230cおよびガラス電解質層210cを形成する際の、ガラス電解質の吹付量の時間変化を示す図10(d)と、プロトン変換物質の吹付量の時間変化を示す図10(e)とが図8と異なっている。その他は、図8に示す第3実施例の工程と同様であるので、ここではその説明を省略する。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the main steps for manufacturing the
図10(d)および図10(e)の例では、時刻t0において吹き付けが開始されている。そして、時刻t0から時刻t1の期間において、プロトン変換物質の吹付量は、時間との経過とともに直線的に減少している。一方、ガラス電解質の吹付量は、時刻t0から時刻t1の期間において、時間の経過とともに直線的に増加している。そして、時刻t1から時刻t2の期間ガラス電解質のみが吹き付けられた後、時刻t2においてガラス電解質の吹き付けが停止される。このように、ガラス電解質とプロトン変換物質とのそれぞれの吹付量を制御することにより、水素透過性金属層220c側からガラス電解質層210c側にかけてプロトン変換物質の組成が100%から0%に変化する傾斜層230cと、ガラス電解質層210cと、が形成される。
In the example of FIGS. 10D and 10E, spraying is started at time t0. In the period from time t0 to time t1, the amount of proton conversion substance sprayed linearly decreases with the passage of time. On the other hand, the spray amount of the glass electrolyte increases linearly with the passage of time in the period from time t0 to time t1. Then, after only the glass electrolyte is sprayed during the period from the time t1 to the time t2, the spraying of the glass electrolyte is stopped at the time t2. In this way, by controlling the spraying amounts of the glass electrolyte and the proton conversion substance, the composition of the proton conversion substance changes from 100% to 0% from the hydrogen
第4実施例では、このように、プロトン変換物質とガラス電解質層の組成比が連続的に変化する傾斜層230cおよびガラス電解質層210cが形成される。組成比が連続的に変化するため、プロトン変換物質を含む傾斜層230cと、プロトン変換物質を含まないガラス電解質層210cと、の間の明確な界面がない。そのため、傾斜層230cと、ガラス電解質層210cと、の間の剥離強度が高くなり、電解質膜200cの強度がより高くなる。
In the fourth embodiment, the
また、第4実施例の電解質膜200cでは、水素透過性金属層220cとガラス電解質層210cとの間にプロトン変換層である傾斜層230cが挟み込まれている。そのため、第3実施例と同様に、ガラス電解質層210cに十分なプロトンを供給することが可能となるので、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
In the
このように、第4実施例は、傾斜層230cとガラス電解質層210cとの間の剥離強度が高くなり、電解質膜200cの強度をより高くすることができる点で、第3実施例よりも好ましい。一方、第3実施例は、プロトン変換物質とガラス電解質との吹付量の制御がより容易となる点で、第4実施例よりも好ましい。
Thus, the fourth embodiment is preferable to the third embodiment in that the peel strength between the
E.変形例:
なお、この発明は上記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。
E. Variation:
In addition, this invention is not restricted to the said Example and embodiment, It can implement in a various aspect in the range which does not deviate from the summary, For example, the following deformation | transformation is also possible.
E1.変形例1:
上記各実施例では、水素透過性金属層として、パラジウム・白金合金あるいは単体パラジウムの単層を使用しているが、水素の選択透過性を有していれば異なる構成の水素透過性金属層を用いることも可能である。水素透過性金属層としては、例えば、バナジウム(V)や、チタン(Ti)や、ジルコニウム(Zr)等を含む水素透過性金属の単層や、これらの単層をパラジウム等の水素透過性の薄膜で被覆した複合層を使用することができる。
E1. Modification 1:
In each of the above embodiments, a palladium / platinum alloy or a single palladium single layer is used as the hydrogen permeable metal layer. However, if the hydrogen permeable metal layer has a selective hydrogen permeability, a different hydrogen permeable metal layer may be used. It is also possible to use it. As the hydrogen permeable metal layer, for example, a single layer of hydrogen permeable metal containing vanadium (V), titanium (Ti), zirconium (Zr) or the like, or these single layers are made of hydrogen permeable such as palladium. A composite layer coated with a thin film can be used.
E2.変形例2:
上記各実施例では、水素透過性金属層を有する水素透過性基材を用いて電解質膜を形成しているが、水素透過性金属層を有しない水素透過性基材を用いて電解質膜を形成することも可能である。一般に、水素透過性基材は、ガラス電解質が形成されるカソード側表面に非多孔質層を有し、水素透過性を有する部材であれば良い。水素透過性基材としては、例えば、カソード側の細孔をパラジウムなどの水素透過性金属で充填し、電解質形成面を非多孔質にした多孔質体を使用することも可能である。この場合、多孔質体の細孔が充填された領域が非多孔質層となる。水素透過性基材に使用される多孔質体としては、多孔質セラミックスや多孔質金属等を使用することができる。
E2. Modification 2:
In each of the above embodiments, the electrolyte membrane is formed using a hydrogen permeable substrate having a hydrogen permeable metal layer, but the electrolyte membrane is formed using a hydrogen permeable substrate having no hydrogen permeable metal layer. It is also possible to do. Generally, the hydrogen permeable substrate may be a member having a non-porous layer on the cathode side surface on which the glass electrolyte is formed and having hydrogen permeability. As the hydrogen-permeable base material, for example, a porous body in which the cathode-side pores are filled with a hydrogen-permeable metal such as palladium and the electrolyte forming surface is made non-porous can be used. In this case, the region filled with the pores of the porous body is a non-porous layer. As the porous body used for the hydrogen permeable substrate, porous ceramics, porous metals, and the like can be used.
100,100a…セル
110…カソード側セパレータ
112…カソード側流路
120…カソード側電極層
130…アノード側セパレータ
132…アノード側流路
140…アノード側電極層
200,200a,200b,200c…電解質膜
210,210a,210b,210c…ガラス電解質層
212…ゲル
220,220a,220b,220c…水素透過性金属層
230a,230b,230c…プロトン変換層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,100a ...
Claims (6)
前記電解質膜は、
水素透過性を有し、前記カソード側の表面に非多孔質層を備える水素透過性基材と、
前記水素透過性基材の前記非多孔質層に接するように形成されプロトン伝導性を有するガラス電解質層と、
を備える、燃料電池。 An electrolyte membrane; a cathode disposed on one surface of the electrolyte membrane and supplied with an oxidant gas containing oxygen; and an anode disposed on the other surface of the electrolyte membrane and supplied with a fuel gas containing hydrogen. A fuel cell comprising:
The electrolyte membrane is
A hydrogen permeable substrate having hydrogen permeability and comprising a non-porous layer on the cathode side surface;
A glass electrolyte layer formed to be in contact with the non-porous layer of the hydrogen permeable substrate and having proton conductivity;
A fuel cell comprising:
前記水素透過性基材は、水素の選択透過性を有する水素透過性金属層を備える、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The hydrogen permeable substrate includes a hydrogen permeable metal layer having hydrogen selective permeability.
前記水素透過性基材は、水素透過性を有する主構成成分と、原子状水素をプロトンと電子に変換する能力が前記主構成成分よりも高いプロトン変換物質を含む、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The hydrogen permeable base material includes a main component having hydrogen permeability and a proton converting substance having a higher ability to convert atomic hydrogen into protons and electrons than the main component.
前記水素透過性基材は、前記水素透過性基材のカソード側表面に前記プロトン変換物質を含むプロトン変換層を備える、燃料電池。 The fuel cell according to claim 3, wherein
The hydrogen permeable substrate includes a proton conversion layer containing the proton conversion substance on a cathode side surface of the hydrogen permeable substrate.
前記プロトン変換物質はペロブスカイト型プロトン伝導性電解質である、燃料電池。 The fuel cell according to claim 3 or 4, wherein
The fuel cell, wherein the proton converting substance is a perovskite proton conductive electrolyte.
前記プロトン変換物質は白金である、燃料電池。 The fuel cell according to claim 3 or 4, wherein
The fuel cell, wherein the proton converting material is platinum.
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