JP2008034130A

JP2008034130A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2008034130A
Application number: JP2006203512A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kawai; 博之川合
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2008-02-14

Abstract

【課題】プロトン化およびプロトン伝導を効率よく行うことができる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池１００は、水素分離膜１０と、水素分離膜上に形成されＡＢ_{（１−ｘ）}Ｍ_ｘＯ_３型ペロブスカイトからなる第１のプロトン伝導性電解質膜２０と、第１のプロトン伝導性電解質膜上に形成されＡＢ_{（１−ｘ）}Ｎ_ｘＯ_３型ペロブスカイトからなる第２のプロトン伝導性電解質膜３０とを備え、ＭおよびＮは４価よりも小さい価数を有し、Ｍの電気陰性度はＮの電気陰性度よりも高い。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロトン伝導性電解質を備えた燃料電池に関する。

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。

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導電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。

特開２００４−１４６３３７号公報

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る。それにより、水素分離膜におけるプロトン化能が十分得られない。そこで、高いプロトン化能を有する電解質膜を用いることが考えられる。しかしながら、プロトン伝導性電解質膜においては、プロトン化能が高くなるとプロトン伝導性が低くなってしまう。

本発明は、プロトン化およびプロトン伝導を効率よく行うことができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、水素分離膜と、水素分離膜上に形成されＡＢ_{（１−ｘ）}Ｍ_ｘＯ_３型ペロブスカイトからなる第１のプロトン伝導性電解質膜と、第１のプロトン伝導性電解質膜上に形成されＡＢ_{（１−ｘ）}Ｎ_ｘＯ_３型ペロブスカイトからなる第２のプロトン伝導性電解質膜とを備え、ＭおよびＮは４価よりも小さい価数を有し、Ｍの電気陰性度はＮの電気陰性度よりも高いことを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池においては、水素分離膜に供給された水素分子は、原子状水素となって水素分離膜を透過する。Ｂサイトの価数よりも小さい価数を有するＭが第１のプロトン伝導性電解質膜に含有されていることから、Ｍの近傍にホールが形成される。水素分離膜を透過してきた水素原子は、ホールの電子引力によってプロトンと電子とに分離する。Ｍの電気陰性度が高いことから、Ｍは水素原子から電子を引き抜きやすい。それにより、第１のプロトン伝導性電解質膜における水素原子のプロトン化が促進される。その結果、アノード過電圧を抑制することができる。また、Ｎの電気陰性度がＭの電気陰性度よりも小さいことから、第１のプロトン伝導性電解質膜のプロトン電導性に比較して第２のプロトン伝導性電解質膜のプロトン伝導性が高くなる。したがって、プロトンは効率よくカソードに到達する。

このように、本発明に係る燃料電池においては、第１のプロトン伝導性電解質膜において効率よく水素のプロトン化反応が行われるとともに、生成されたプロトンが効率よく第２のプロトン伝導性電解質膜を伝導する。すなわち、第１のプロトン伝導性電解質膜および第２のプロトン伝導性電解質膜の全体において、プロトン生成過程およびプロトン伝導過程の効率が向上する。その結果、本発明に係る燃料電池の発電効率が向上する。

第１のプロトン伝導性電解質膜のＡサイトと第２のプロトン伝導性電解質膜のＡサイトとが同じであり、第１のプロトン伝導性電解質膜のＢサイトと第２のプロトン伝導性電解質膜のＢサイトとが同じであってもよい。また、ＡサイトはＳｒ，ＢａまたはＣａであり、ＢサイトはＺｒまたはＣｅであってもよい。さらに、ＭはＹまたはＩｎであり、ＮはＩｎ，Ｓｃ，Ｒｈ，ＧａまたはＡｌであってもよい。

本発明によれば、プロトン化反応およびプロトン伝導が効率よく行われる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

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上に第１電解質膜２０、第２電解質膜３０およびカソード４０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、第１電解質膜２０および第２電解質膜３０を支持および補強する支持体として機能する。水素分離膜１０を構成する金属は、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、タンタル等が挙げられる。水素分離膜１０の膜厚は、例えば、４０μｍ程度である。

第１電解質膜２０は、ＡＢ_{（１−ｘ）}Ｍ_ｘＯ_３構造を有するペロブスカイト型のプロトン伝導性電解質である。すなわち、第１電解質膜２０は、Ｂサイトの一部が金属Ｍによって置換された構造を有する。第２電解質膜３０は、ＡＢ_{（１−ｘ）}Ｎ_ｘＯ_３構造を有するペロブスカイト型のプロトン伝導性電解質である。すなわち、第２電解質膜３０は、Ｂサイトの一部が金属Ｎによって置換された構造を有する。

Ａサイトとしては、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｃａ（カルシウム）等を用いることができる。Ｂサイトとしては、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｃｅ（セリウム）等を用いることができる。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金属である。なお、ｘは、０＜ｘ＜１を満たす値である。金属Ｍとしては、Ｙ（イットリウム）、Ｉｎ（インジウム）等を用いることができる。金属Ｎとしては、Ｉｎ、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）等を用いることができる。

例えば、第１電解質膜２０としてＳｒＺｒ_{（１−ｘ）}Ｒｈ_ｘＯ_３、第２電解質膜３０としてＳｒＺｒ_{（１−ｘ）}Ｉｎ_ｘＯ_３を用いることができる。また、例えば、第１電解質膜２０としてＢａＣｅ_{（１−ｘ）}Ｍ_ｘＯ_３（ＭはＩｎ，Ｓｃ，Ｒｈ，Ｇａ，Ａｌ）、第２電解質膜３０としてＢａＣｅ_{（１−ｘ）}Ｙ_ｘＯ_３を用いることができる。第１電解質膜２０の膜厚は、例えば、５ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。第２電解質膜３０の膜厚は、例えば、２μｍ程度である。

カソード４０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４０の膜厚は、例えば、３０μｍ程度である。

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の製造方法を示す製造フロー図である。まず、図２（ａ）に示すように、水素分離膜１０上に、スパッタリング法、ＰＬＤ（パルスレーザ堆積）法等の方法によって第１電解質膜２０を５ｎｍ〜１０ｎｍ程度形成する。次に、図２（ｂ）に示すように、第１電解質膜２０上に、スパッタリング法、ＰＬＤ（パルスレーザ堆積）法等の方法によって第２電解質膜３０を２μｍ程度形成する。次いで、図２（ｃ）に示すように、第２電解質膜３０上に、スパッタリング法、スクリーン印刷法等によってカソード４０を形成する。以上の工程によって、燃料電池１００が完成する。

続いて、燃料電池１００の動作について説明する。水素分離膜１０には、水素を含有する燃料ガスが供給される。燃料ガスに含まれる水素分子は、原子状水素となって水素分離膜１０を透過する。Ｂサイトの価数よりも小さい価数を有する金属Ｍが第１電解質膜２０にドープされていることから、金属Ｍの近傍にホールが形成される。水素分離膜１０を透過してきた水素原子は、ホールの電子引力によってプロトンと電子とに分離する。本実施例においては金属Ｍの電気陰性度が高いことから、金属Ｍは水素原子から電子を引き抜きやすい。それにより、第１電解質膜２０における水素原子のプロトン化が促進される。その結果、アノード過電圧を抑制することができる。

第１電解質膜２０において発生したプロトンは、第２電解質膜３０を伝導する。ここで、金属Ｎの電気陰性度が金属Ｍの電気陰性度よりも小さいことから、第１電解質膜２０のプロトン電導性に比較して第２電解質膜３０のプロトン伝導性が高くなる。したがって、プロトンは効率よくカソード４０に到達する。

一方、カソード４０には酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。カソード４０においては、酸化剤ガス中の酸素とカソード４０に到達したプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、図示しないセパレータを介して回収される。以上の動作により、燃料電池１００による発電が行われる。

このように、本実施例に係る燃料電池１００においては、第１電解質膜２０において効率よく水素のプロトン化反応が行われるとともに、生成されたプロトンが効率よく第２電解質膜３０を伝導する。すなわち、第１電解質膜２０および第２電解質膜３０の全体において、プロトン生成過程およびプロトン伝導過程の効率が向上する。その結果、燃料電池１００の発電効率が向上する。

なお、第１電解質膜２０のプロトン伝導性は高い方が好ましい。したがって、第１電解質膜２０は、製造上可能な限り薄い方が好ましい。また、第１電解質膜２０は、層状であっても島状であってもよい。また、例えば、第１電解質膜２０のプロトン伝導性は、第２電解質膜３０のプロトン伝導性に近いことが好ましい。

本実施例においては、第１電解質膜２０が第１のプロトン伝導性電解質膜に相当し、第２電解質膜３０が第２のプロトン伝導性電解質膜に相当する。

本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。燃料電池の製造方法を示す製造フロー図である。

符号の説明

１０水素分離膜
２０第１電解質膜
３０第２電解質膜
４０カソード
１００燃料電池

Claims

水素分離膜と、
前記水素分離膜上に形成され、ＡＢ_{（１−ｘ）}Ｍ_ｘＯ_３型ペロブスカイトからなる第１のプロトン伝導性電解質膜と、
前記第１のプロトン伝導性電解質膜上に形成され、ＡＢ_{（１−ｘ）}Ｎ_ｘＯ_３型ペロブスカイトからなる第２のプロトン伝導性電解質膜とを備え、
前記Ｍおよび前記Ｎは、４価よりも小さい価数を有し、
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燃料電池。
前記第１のプロトン伝導性電解質膜のＡサイトと前記第２のプロトン伝導性電解質膜のＡサイトとが同じであり、
前記第１のプロトン伝導性電解質膜のＢサイトと前記第２のプロトン伝導性電解質膜のＢサイトとが同じであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記Ａサイトは、Ｓｒ，ＢａまたはＣａであり、
前記Ｂサイトは、ＺｒまたはＣｅであることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
前記Ｍは、ＹまたはＩｎであり、
前記Ｎは、Ｉｎ，Ｓｃ，Ｒｈ，ＧａまたはＡｌであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。