JP2008027866A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プロトン伝導性電解質を備える燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell including a proton conductive electrolyte.
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。 A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.
燃料電池のうち固体電解質を用いたものには、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、水素分離膜電池等がある。ここで、水素分離膜電池とは、緻密な水素分離膜を備えた燃料電池である(例えば、特許文献1参照)。緻密な水素分離膜は水素透過性を有する金属によって形成される層であり、アノードとしても機能する。水素分離膜電池は、この水素分離膜上にプロトン伝導性を有する電解質膜が積層された構造をとっている。水素分離膜に供給された水素は水素分離膜を透過し、電解質膜においてプロトンに変換され、電解質膜中を移動し、カソードにおいて酸素と結合する。 Among the fuel cells, those using solid electrolytes include solid polymer fuel cells, solid oxide fuel cells, hydrogen separation membrane cells, and the like. Here, the hydrogen separation membrane battery is a fuel cell provided with a dense hydrogen separation membrane (see, for example, Patent Document 1). The dense hydrogen separation membrane is a layer formed of a metal having hydrogen permeability and also functions as an anode. The hydrogen separation membrane battery has a structure in which an electrolyte membrane having proton conductivity is laminated on the hydrogen separation membrane. Hydrogen supplied to the hydrogen separation membrane permeates the hydrogen separation membrane, is converted into protons in the electrolyte membrane, moves through the electrolyte membrane, and combines with oxygen at the cathode.
しかしながら、特許文献1の技術に係る水素分離膜電池では、電解質膜と水素分離膜との界面において水素分離膜を構成する金属が電解質膜の酸素によってターミネーションされやすい。それにより、電解質膜におけるプロトン化能が十分得られない。そこで、プロトン化能が高い電解質膜を配置することが考えられる。しかしながら、その場合には電解質膜と水素分離膜との密着性が低くなってしまう。その結果、電解質膜と水素分離膜とが剥離するおそれがある。 However, in the hydrogen separation membrane battery according to the technique of Patent Document 1, the metal constituting the hydrogen separation membrane is easily terminated by oxygen in the electrolyte membrane at the interface between the electrolyte membrane and the hydrogen separation membrane. As a result, sufficient protonation ability in the electrolyte membrane cannot be obtained. Therefore, it is conceivable to dispose an electrolyte membrane having a high protonation ability. However, in that case, the adhesion between the electrolyte membrane and the hydrogen separation membrane is lowered. As a result, the electrolyte membrane and the hydrogen separation membrane may be separated.
本発明は、プロトン化を効率よく行うことができ、電解質膜と水素分離膜との剥離を抑制することができる燃料電池を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the fuel cell which can perform protonation efficiently and can suppress peeling with an electrolyte membrane and a hydrogen separation membrane.
本発明に係る燃料電池は、水素分離膜と、水素分離膜上に設けられプロトン伝導性を有する電解質膜と、を備え、電解質膜は、水素分離膜と電解質膜との界面において第1電解質と第2電解質とを含み、第1電解質のプロトン生成能は、第2電解質のプロトン生成能よりも高く、第2電解質の水素分離膜との密着性は、第1電解質の水素分離膜との密着性よりも高いことを特徴とするものである。 A fuel cell according to the present invention includes a hydrogen separation membrane and an electrolyte membrane provided on the hydrogen separation membrane and having proton conductivity, and the electrolyte membrane includes a first electrolyte at an interface between the hydrogen separation membrane and the electrolyte membrane. The first electrolyte has a higher proton generation capacity than the second electrolyte, and the second electrolyte has a hydrogen separation membrane that has a close adhesion with the hydrogen separation membrane of the first electrolyte. It is characterized by being higher than sex.
本発明に係る燃料電池においては、水素分離膜と電解質膜との界面に第1電解質が配置されていることから、水素のプロトン化を促進することができる。したがって、本発明に係る燃料電池の発電性能が向上する。また、水素分離膜と電解質膜との界面に第2電解質が配置されていることから、水素分離膜と電解質膜との密着性が向上する。それにより、水素分離膜と電解質膜との剥離を抑制することができる。以上のことから、本発明に係る燃料電池は、プロトン化を効率よく行うことができるとともに、水素分離膜と電解質膜との剥離を抑制することができる。 In the fuel cell according to the present invention, since the first electrolyte is disposed at the interface between the hydrogen separation membrane and the electrolyte membrane, protonation of hydrogen can be promoted. Therefore, the power generation performance of the fuel cell according to the present invention is improved. In addition, since the second electrolyte is disposed at the interface between the hydrogen separation membrane and the electrolyte membrane, the adhesion between the hydrogen separation membrane and the electrolyte membrane is improved. Thereby, peeling between the hydrogen separation membrane and the electrolyte membrane can be suppressed. From the above, the fuel cell according to the present invention can efficiently perform protonation and suppress separation of the hydrogen separation membrane and the electrolyte membrane.
第1電解質および第2電解質は、セラミックスであってもよい。また、第1電解質は、AB(1−x)MxO3型ペロブスカイトであり、第2電解質は、AB(1−y)NyO3型ペロブスカイトであり、Mの電気陰性度は、Nの電気陰性度よりも高くてもよい。この場合、第1電解質のプロトン生成能が向上する。また、Mは、Inであってもよい。さらに、第1電解質および第2電解質は、水素分離膜上に島状に配置されていてもよい。 The first electrolyte and the second electrolyte may be ceramics. The first electrolyte is AB (1-x) M x O 3 type perovskite, the second electrolyte is AB (1-y) N y O 3 type perovskite, and the electronegativity of M is N It may be higher than the electronegativity. In this case, the proton generating ability of the first electrolyte is improved. M may be In. Furthermore, the first electrolyte and the second electrolyte may be arranged in an island shape on the hydrogen separation membrane.
本発明によれば、プロトン化を効率よく行うことができるとともに、水素分離膜と電解質膜との剥離を抑制することができる。 According to the present invention, protonation can be efficiently performed, and peeling between the hydrogen separation membrane and the electrolyte membrane can be suppressed.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
図1は、本発明の第1実施例に係る燃料電池100の模式的断面図である。図1に示すように、燃料電池100は、水素分離膜10上に、電解質膜20およびカソード30が順に積層された構造を有する。水素分離膜10は、緻密な水素透過性金属層からなる。水素分離膜10は、燃料ガスが供給されるアノードとして機能するとともに、電解質膜20を支持および補強する支持体として機能する。本実施例においては、水素分離膜10は、パラジウム、パラジウム合金、または、表面にパラジウムが形成されたバナジウム等の水素透過性金属からなる。水素分離膜10の膜厚は、例えば、80μm程度である。カソード30は、酸化剤ガスが供給される電極であり、例えば、ランタンコバルトタイト、ランタンマンガネート、銀、白金、白金担持カーボン等の導電性材料から構成される。カソード30の膜厚は、例えば、30μm程度である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a
電解質膜20は、プロトン伝導性を有する第1電解質21および第2電解質22を含む。第1電解質21は、水素分離膜10上に所定の間隔を空けて島状に配置されている。第2電解質22は、水素分離膜10の電解質膜20側の露出部分および第1電解質21を覆うように配置されている。すなわち、第1電解質21および第2電解質22のいずれも水素分離膜10と接している。第1電解質21は、例えば、5nm程度の間隔を空けて配置されている。また、第1電解質21の積層方向の厚さは、例えば、5nm程度である。また、電解質膜20の膜厚は、例えば、2μm程度である。
The
第1電解質21のプロトン生成能は第2電解質22のプロトン生成能よりも高くかつ第2電解質22の水素分離膜10との密着性は第1電解質21の水素分離膜10との密着性よりも高くなるように、第1電解質21および第2電解質22の材料が選択されている。第1電解質21および第2電解質22は、例えば、セラミックスからなる。
The proton generation capacity of the
本実施例においては、第1電解質21はAB(1−x)MxO3型ペロブスカイトであり、第2電解質22はAB(1−y)NyO3型ペロブスカイトである。ここで、xは0<x<1を満たす値であり、yは0<y<1を満たす値である。金属Mおよび金属Nは+4価よりも小さい価数を有するドープ金属である。また、金属Mは、金属Nの電気陰性度よりも大きい電気陰性度を有する。それにより、第1電解質のプロトン生成能は、第2電解質22のプロトン生成能よりも大きくなる。電気陰性度の高い金属は、水素原子から電子を引き抜きやすいからである。なお、電気陰性度の高い金属がドープされた電解質の水素分離膜との密着性は、電気陰性度の低い金属がドープされた電解質の水素分離膜との密着性に比較して低くなる。
In the present embodiment, the
金属Mとしては、In等を用いることができる。また。金属Nとしては、Yb,Y等を用いることができる。Aサイトとしては、Sr,Ba,Ca等を用いることができる。Bサイトとしては、Zr,Ce等を用いることができる。第1電解質21の具体例としては、SrZr1−xInxO3、BaZr1−xInxO3、CaZr1−xInxO3、BaCe1−xInxO3、SrCe1−xInxO3等を用いることができる。第2電解質22の具体例としては、SrZr1−yYbyO3、BaZr1−yYyO3等を用いることができる。 As the metal M, In or the like can be used. Also. As the metal N, Yb, Y or the like can be used. As the A site, Sr, Ba, Ca, or the like can be used. Zr, Ce, etc. can be used as the B site. Specific examples of the first electrolyte 21, SrZr 1-x In x O 3, BaZr 1-x In x O 3, CaZr 1-x In x O 3, BaCe 1-x In x O 3, SrCe 1-x In x O 3 or the like can be used. Specific examples of the second electrolyte 22, can be used SrZr 1-y Yb y O 3 , BaZr 1-y Y y O 3 or the like.
このように、水素分離膜10と電解質膜20との界面に第1電解質21を配置することによって、水素のプロトン化を促進することができる。したがって、燃料電池100の発電性能が向上する。また、水素分離膜10と電解質膜20との界面に第2電解質22を配置することによって、水素分離膜10と電解質膜20との密着性が向上する。それにより、水素分離膜10と電解質膜20との剥離を抑制することができる。以上のことから、燃料電池100は、プロトン化を効率よく行うことができるとともに、水素分離膜10と電解質膜20との剥離を抑制することができる。
As described above, by arranging the
なお、水素分離膜10と電解質膜20との界面における第1電解質21および第2電解質22の占有面積は、50%程度ずつであることが好ましい。また、本実施例においては水素分離膜10はパラジウム等から構成されてるが、水素分離膜10として用いることができる金属は水素透過性を有していれば特に限定されるものではない。水素分離膜10を構成する金属の例としては、例えば、パラジウム、バナジウム、チタン、タンタル、それらの合金等が挙げられる。
The occupied area of the
また、プロトン伝導率の高低によって第1電解質21および第2電解質22の配置を逆にしてもよい。例えば、第1電解質21のプロトン伝導率が第2電解質22のプロトン伝導率よりも高い場合には、図1のように第1電解質21を覆うように第2電解質22を配置してもよい。逆に、第2電解質22のプロトン伝導率が第1電解質21のプロトン伝導率よりも大きい場合には、第2電解質22を水素分離膜10上に島状に配置させて第2電解質22および水素分離膜10上を覆うように第1電解質21を配置してもよい。電解質膜20全体のプロトン伝導率を向上させるためである。
Further, the arrangement of the
表1に、第2電解質22のプロトン伝導率が第1電解質21のプロトン伝導率よりも大きい場合における、第1電解質21と第2電解質22との組み合わせを示す。例えば、第1電解質21としてSrZr1−xInxO3を用いて第2電解質22としてSrZr1−yYbyO3を用いれば、第2電解質22のプロトン伝導率が第1電解質21のプロトン伝導率よりも大きくなる。
Table 1 shows combinations of the
続いて、燃料電池100の製造方法について説明する。図2は、燃料電池100の製造工程を示すフロー図である。まず、図2(a)に示すように、水素分離膜10を準備する。次に、図2(b)に示すように、水素分離膜10上に第1電解質21を物理蒸着法等によって形成する。この場合、第1電解質21の膜厚が数nm程度になるようにすることによって、第1電解質21を島状に形成することができる。
Then, the manufacturing method of the
次いで、図2(c)に示すように、水素分離膜10および第1電解質21上に、物理蒸着法等によって第2電解質22を形成する。それにより、電解質膜20を形成することができる。次に、図2(d)に示すように、電解質膜20上に物理蒸着法等によってカソード30を形成する。以上の工程によって、燃料電池100が完成する。
Next, as shown in FIG. 2C, the
なお、第1電解質21は、第1電解質21を構成する電解質成分が混合されたバインダ(有機物の粘結材)を水素分離膜10上に塗布し、バインダを燃焼させることによって形成することもできる。
The
続いて、本発明の第2実施例に係る燃料電池100aについて説明する。図3は、燃料電池100aの模式的断面図である。燃料電池100aが図1の燃料電池100と異なる点は、電解質膜20の代わりに電解質膜20aが設けられている点である。電解質膜20aにおいては、第1電解質21および第2電解質22がランダムに粒子状に分散している。したがって、水素分離膜10と電解質膜20aとの界面において、第1電解質21および第2電解質22のいずれも水素分離膜10と接している。第1電解質21および第2電解質22の平均粒径は、例えば、10μm程度である。
Subsequently, a
水素分離膜10と電解質膜20aとの界面に第1電解質膜21が介在することから、水素のプロトン化を促進することができる。したがって、燃料電池100aの発電性能が向上する。また、水素分離膜10と電解質膜20aとの界面に第2電解質膜22が介在することから、水素分離膜10と電解質膜20aとの密着性が向上する。それにより、水素分離膜10と電解質膜20aとの剥離を抑制することができる。以上のことから、燃料電池100aは、プロトン化を効率よく行うことができるとともに、水素分離膜10と電解質膜20aとの剥離を抑制することができる。
Since the
なお、第1電解質21および第2電解質22は、少なくとも水素分離膜10と電解質膜20aとの界面に配置されていればよい。したがって、電解質膜20aのカソード30側の領域においては、プロトン伝導率が比較的高い電解質が配置されていてもよい。
In addition, the
続いて、燃料電池100aの製造方法について説明する。図4は、燃料電池100aの製造工程を示すフロー図である。まず、図4(a)に示すように、水素分離膜10を準備する。次に、図4(b)に示すように、水素分離膜10上に電解質膜20aを物理蒸着法等によって形成する。この場合、第1電解質21を構成する酸化物および第2電解質22を構成する酸化物をターゲットとして用い、物理蒸着の際にそれぞれのターゲットに交互にエネルギーを供給することによって電解質膜20aを形成することができる。次いで、図4(c)に示すように、電解質膜20a上に物理蒸着法等によってカソード30を形成する。以上の工程によって、燃料電池100aが完成する。
Then, the manufacturing method of the
10 水素分離膜
20,20a 電解質膜
21 第1電解質
22 第2電解質
30 カソード
100,100a 燃料電池
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記水素分離膜上に設けられ、プロトン伝導性を有する電解質膜と、を備え、
前記電解質膜は、前記水素分離膜と前記電解質膜との界面において第1電解質と第2電解質とを含み、
前記第1電解質のプロトン生成能は、前記第2電解質のプロトン生成能よりも高く、
前記第2電解質の前記水素分離膜との密着性は、前記第1電解質の前記水素分離膜との密着性よりも高いことを特徴とする燃料電池。 A hydrogen separation membrane;
An electrolyte membrane provided on the hydrogen separation membrane and having proton conductivity,
The electrolyte membrane includes a first electrolyte and a second electrolyte at an interface between the hydrogen separation membrane and the electrolyte membrane,
The proton generating capacity of the first electrolyte is higher than the proton generating capacity of the second electrolyte,
The fuel cell according to claim 1, wherein the adhesion of the second electrolyte to the hydrogen separation membrane is higher than the adhesion of the first electrolyte to the hydrogen separation membrane.
前記第2電解質は、AB(1−y)NyO3型ペロブスカイトであり、
前記Mの電気陰性度は、前記Nの電気陰性度よりも高いことを特徴とする請求項2記載の燃料電池。 The first electrolyte is AB (1-x) M x O 3 type perovskite,
The second electrolyte is AB (1-y) N y O 3 type perovskite,
3. The fuel cell according to claim 2, wherein the electronegativity of M is higher than the electronegativity of N.
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US8742435B2 (en) | 2008-03-24 | 2014-06-03 | Panasonic Corporation | LED lighting device |
JP2017188439A (en) * | 2016-04-04 | 2017-10-12 | パナソニック株式会社 | Membrane electrode junction body and solid oxide fuel cell |
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- 2006-07-25 JP JP2006202431A patent/JP2008027866A/en active Pending
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