JP2008218153A - Hydrogen separation membrane type fuel cell and its manufacturing method - Google Patents

Hydrogen separation membrane type fuel cell and its manufacturing method Download PDF

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孝年 増井
Naoto Suzuki
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To restrain degradation of a hydrogen separation membrane type fuel cell due to exfoliation of a hydrogen separation membrane and an electrolyte membrane. <P>SOLUTION: A hydrogen separation membrane base material 11f is made curved in a convex shape toward a polished face side PS by polishing that side alone. An electrolyte membrane 10 and a cathode electrode layer 12 are film-formed at a convex face side of the hydrogen separation membrane base material 11f. As a membrane electrode assembly 14A is pinched by non-curved flat separators 20, 21, a curvature of the membrane electrode assembly 14A is reduced to have tensile stress generated at the electrolyte membrane 10 in a membrane face direction. Therefore, compression stress toward a membrane face direction is restrained from occurring at the electrolyte membrane 10, and exfoliation of the electrolyte membrane 10 from the hydrogen separation membrane base material 11f can be restrained. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、水素分離膜型燃料電池に関する。   The present invention relates to a hydrogen separation membrane fuel cell.

燃料電池には、水素を選択的に透過する水素分離膜をアノード電極層側に配置することによって、水素含有ガスから水素のみを電解質に供給する水素分離膜型燃料電池がある。水素分離膜型燃料電池の製造方法として、水素分離膜基材の表面に電解質膜を成膜して形成する方法が知られている(特許文献1等)。   Among fuel cells, there is a hydrogen separation membrane fuel cell in which only hydrogen from a hydrogen-containing gas is supplied to an electrolyte by disposing a hydrogen separation membrane that selectively permeates hydrogen on the anode electrode layer side. As a method for manufacturing a hydrogen separation membrane fuel cell, a method of forming an electrolyte membrane on the surface of a hydrogen separation membrane substrate is known (Patent Document 1, etc.).

特開2006−12467JP2006-12467

ところで、そうした水素分離膜型燃料電池の製造工程においては、電解質膜の成膜後の燃料電池への組み付け工程において水素分離膜基材の曲率が変化してしまう場合がある。この場合には、電解質膜に圧縮応力が発生して、この圧縮応力のために水素分離膜基材から電解質膜が剥離するなど燃料電池の劣化が生じる可能性が高くなることを本発明の発明者が見出した。しかし、これまでこうした問題に対して充分な工夫がなされていないのが実情であった。   By the way, in the manufacturing process of such a hydrogen separation membrane type fuel cell, the curvature of the hydrogen separation membrane substrate may change in the assembly process to the fuel cell after the formation of the electrolyte membrane. In this case, the present invention shows that the compressive stress is generated in the electrolyte membrane, and the fuel cell is more likely to be deteriorated due to the compressive stress, such as peeling of the electrolyte membrane from the hydrogen separation membrane substrate. Found. However, the reality is that until now there has not been enough contrivance for these problems.

本発明は、水素分離膜と電解質膜の剥離による水素分離膜型燃料電池の劣化を抑制する技術を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the technique which suppresses deterioration of the hydrogen separation membrane type fuel cell by peeling of a hydrogen separation membrane and an electrolyte membrane.

本発明の一形態による方法は、燃料電池の製造方法であって、
(a)水素を透過する水素分離膜基材を準備する工程と、
(b)前記水素分離膜基材を湾曲させる工程と、
(c)前記水素分離膜基材の凹面に電解質膜を成膜した水素分離膜/電解質膜接合体を形成する工程と、
(d)前記水素分離膜/電解質膜接合体を燃料電池に組み付ける工程とを備えることを特徴とする。
A method according to an aspect of the present invention is a method for manufacturing a fuel cell, the method comprising:
(A) preparing a hydrogen separation membrane substrate that permeates hydrogen;
(B) curving the hydrogen separation membrane substrate;
(C) forming a hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly in which an electrolyte membrane is formed on the concave surface of the hydrogen separation membrane substrate;
(D) A step of assembling the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly to a fuel cell.

この方法によれば、電解質膜の成膜後の工程において、水素分離膜/電解質膜接合体の変形によって電解質膜に圧縮応力が発生する可能性を低減できるため、水素分離膜基材と電解質膜との剥離の可能性を低減できる。従って、水素分離膜と電解質膜とが剥離することによる水素分離膜型燃料電池の劣化を抑制することができる。   According to this method, since the possibility that compressive stress is generated in the electrolyte membrane due to deformation of the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly can be reduced in the step after the formation of the electrolyte membrane, the hydrogen separation membrane substrate and the electrolyte membrane The possibility of peeling with can be reduced. Therefore, deterioration of the hydrogen separation membrane fuel cell due to the separation of the hydrogen separation membrane and the electrolyte membrane can be suppressed.

前記工程(b)は、前記水素分離膜の表面を研磨することによって湾曲させる工程を含ものとしても良い。   The step (b) may include a step of bending the surface of the hydrogen separation membrane by polishing.

この方法によれば、研磨によって水素分離膜機材が凹面を有するように水素分離膜基材を容易に湾曲させることができる。従って、水素分離膜基材と電解質膜との剥離の可能性をさらに低減できる。   According to this method, the hydrogen separation membrane substrate can be easily bent so that the hydrogen separation membrane material has a concave surface by polishing. Therefore, the possibility of peeling between the hydrogen separation membrane substrate and the electrolyte membrane can be further reduced.

前記工程(d)は、前記水素分離膜/電解質膜接合体の曲率を低減させるように前記水素分離膜/電解質膜接合体を変形させた状態で燃料電池に組み付ける工程を含むものとしても良い。   The step (d) may include a step of assembling the fuel cell with the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly deformed so as to reduce the curvature of the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly.

この方法によれば、水素分離膜/電解質膜接合体の曲率を低減させることによって電解質膜の面方向に発生している圧縮応力を低減できる。従って、水素分離膜基材と電解質膜との剥離の可能性をさらに低減できる。   According to this method, the compressive stress generated in the surface direction of the electrolyte membrane can be reduced by reducing the curvature of the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly. Therefore, the possibility of peeling between the hydrogen separation membrane substrate and the electrolyte membrane can be further reduced.

前記工程(d)は、前記水素分離膜/電解質膜接合体の曲率を変化させることなく、前記水素分離膜/電解質膜接合体を湾曲したままの状態で燃料電池に組み付ける工程を含むものとしても良い。   The step (d) may include a step of assembling the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly in a fuel cell in a curved state without changing the curvature of the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly. good.

この方法によれば、燃料電池の組み付け工程において、電解質膜に対してその膜面方向に圧縮応力が発生する可能性を低減できる。また、燃料電池の発電の際に水素分離膜が熱膨張すると、湾曲した水素分離膜/電解質膜接合体は、そのたわみ方向へさらに湾曲する。そのため、水素分離膜の熱膨張によって電解質膜に発生する成膜面方向に働く引張応力は、たわみ方向に働く力によって低減される。従って、水素分離膜基材と電解質膜との剥離の可能性をさらに低減できる。   According to this method, it is possible to reduce the possibility that compressive stress is generated in the direction of the membrane surface of the electrolyte membrane in the assembly process of the fuel cell. Further, when the hydrogen separation membrane is thermally expanded during the power generation of the fuel cell, the curved hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly is further curved in the deflection direction. Therefore, the tensile stress acting in the film forming surface direction generated in the electrolyte membrane due to the thermal expansion of the hydrogen separation membrane is reduced by the force acting in the deflection direction. Therefore, the possibility of peeling between the hydrogen separation membrane substrate and the electrolyte membrane can be further reduced.

本発明の他の形態による方法は、燃料電池の製造方法であって、
(a)水素を透過する水素分離膜基材を準備する工程と、
(b)前記水素分離膜基材を湾曲させる工程と、
(c)前記水素分離膜基材の凸面に電解質膜を成膜した水素分離膜/電解質膜接合体を形成する工程と、
(d)前記水素分離膜/電解質膜接合体の曲率を変化させることなく、前記水素分離膜/電解質膜接合体を湾曲した状態のままで燃料電池に組み付ける工程とを備えることを特徴とする。
A method according to another aspect of the present invention is a method of manufacturing a fuel cell, the method comprising:
(A) preparing a hydrogen separation membrane substrate that permeates hydrogen;
(B) curving the hydrogen separation membrane substrate;
(C) forming a hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly in which an electrolyte membrane is formed on the convex surface of the hydrogen separation membrane substrate;
(D) a step of assembling the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly in a fuel cell in a curved state without changing the curvature of the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly.

この方法によれば、燃料電池の組み付け工程において、電解質膜に対してその膜面方向に圧縮応力が発生する可能性を低減できる。従って、水素分離膜基材と電解質膜との剥離の可能性を低減できる。   According to this method, it is possible to reduce the possibility that compressive stress is generated in the direction of the membrane surface of the electrolyte membrane in the assembly process of the fuel cell. Therefore, the possibility of peeling between the hydrogen separation membrane substrate and the electrolyte membrane can be reduced.

上記方法において、工程(b)は、前記水素分離膜の表面を研磨することによって湾曲させる工程を含むものとしても良い。   In the above method, the step (b) may include a step of bending the surface of the hydrogen separation membrane by polishing.

この方法によれば、水素分離膜機材が凸面を有するように水素分離膜基材を容易に湾曲させることができるため、電解質膜との剥離の可能性を容易に低減できる。また、研磨によって表面平滑度を向上させた面に電解質膜を成膜するため、電解質膜の成膜が良好に行える。従って、発電の際に短絡が発生する可能性を低減できる。   According to this method, since the hydrogen separation membrane substrate can be easily curved so that the hydrogen separation membrane material has a convex surface, the possibility of separation from the electrolyte membrane can be easily reduced. In addition, since the electrolyte membrane is formed on the surface whose surface smoothness has been improved by polishing, the electrolyte membrane can be satisfactorily formed. Therefore, it is possible to reduce the possibility of a short circuit occurring during power generation.

本発明のさらに他の形態による方法は、燃料電池の製造方法であって、
(a)水素を透過する水素分離膜基材を準備する工程と、
(b)前記水素分離膜基材の一方の面を研磨する工程と、
(c)前記水素分離膜基材を湾曲することによって、前記水素分離膜基材の曲率を低減させる工程と、
(d)前記水素分離膜基材に電解質膜を成膜した水素分離膜/電解質膜接合体を形成する工程と、
(e)前記水素分離膜/電解質膜接合体を燃料電池に組み付ける工程とを備えことを特徴とする。
A method according to still another aspect of the present invention is a method for manufacturing a fuel cell, the method comprising:
(A) preparing a hydrogen separation membrane substrate that permeates hydrogen;
(B) polishing one surface of the hydrogen separation membrane substrate;
(C) curving the hydrogen separation membrane substrate to reduce the curvature of the hydrogen separation membrane substrate;
(D) forming a hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly in which an electrolyte membrane is formed on the hydrogen separation membrane substrate;
(E) a step of assembling the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly to a fuel cell.

この方法によれば、研磨工程によって水素分離膜基材が湾曲した場合であっても、電解質膜の成膜前に水素分離膜基材の曲率を低減できる。従って、電解質膜の成膜後の工程において、水素分離膜基材の変形加工によって電解質膜の膜面方向に生じる圧縮応力を低減でき、水素分離膜基材と電解質膜の剥離の可能性を低減できる。   According to this method, even when the hydrogen separation membrane substrate is curved by the polishing process, the curvature of the hydrogen separation membrane substrate can be reduced before the electrolyte membrane is formed. Therefore, it is possible to reduce the compressive stress generated in the direction of the membrane surface of the electrolyte membrane due to deformation processing of the hydrogen separation membrane substrate in the process after the formation of the electrolyte membrane, thereby reducing the possibility of separation of the hydrogen separation membrane substrate and the electrolyte membrane. it can.

前記工程(c)は、前記水素分離膜基材の前記工程(b)において研磨されていない面を研磨することによって前記水素分離膜基材の曲率を低減させる工程を含むものとしても良い。   The step (c) may include a step of reducing the curvature of the hydrogen separation membrane substrate by polishing the surface of the hydrogen separation membrane substrate that has not been polished in the step (b).

この方法によれば、2度の研磨工程によって、容易に水素分離膜基材の曲率を低減させることができる。従って、水素分離膜基材と電解質膜の剥離の可能性を低減できる。また、研磨工程によって水素分離膜基材の両面の表面平滑度が向上しているため、電解質膜の成膜を良好に行え、発電の際に短絡が発生する可能性を低減できる。   According to this method, the curvature of the hydrogen separation membrane substrate can be easily reduced by two polishing steps. Therefore, the possibility of peeling between the hydrogen separation membrane substrate and the electrolyte membrane can be reduced. Moreover, since the surface smoothness of both surfaces of the hydrogen separation membrane substrate is improved by the polishing process, the electrolyte membrane can be formed satisfactorily, and the possibility that a short circuit occurs during power generation can be reduced.

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。   The present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell, a fuel cell system including the fuel cell, a vehicle equipped with the fuel cell system, and the like. .

A.水素分離膜の全体構成:
図1は、水素分離膜型燃料電池の概要を説明するための断面概略図である。水素分離膜型燃料電池100は、膜電極接合体14と、これを挟持する2つのセパレータ20、21とを備えている。膜電極接合体14は、電解質膜10と、これを挟持する水素分離型アノード電極層11及びカソード電極層12とを備えている。通常は、この水素分離膜型燃料電池100を積層した水素分離膜型燃料電池スタックが構成される。
A. Overall configuration of hydrogen separation membrane:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining the outline of a hydrogen separation membrane fuel cell. The hydrogen separation membrane fuel cell 100 includes a membrane electrode assembly 14 and two separators 20 and 21 sandwiching the membrane electrode assembly 14. The membrane electrode assembly 14 includes an electrolyte membrane 10 and a hydrogen separation anode electrode layer 11 and a cathode electrode layer 12 that sandwich the electrolyte membrane 10. Normally, a hydrogen separation membrane fuel cell stack in which the hydrogen separation membrane fuel cells 100 are stacked is configured.

電解質膜10は湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す薄膜である。電解質膜10の材料としては、例えば、「SrZr0.8In0.23」や、「SrZrO3」や、「BaCeO3」や、「SrCeO3」系のセラミックスプロトン伝導体を用いることができる。 The electrolyte membrane 10 is a thin film that exhibits good proton conductivity in a wet state. As the material of the electrolyte membrane 10, for example, “SrZr 0.8 In 0.2 O 3 ”, “SrZrO 3 ”, “BaCeO 3 ”, and “SrCeO 3 ” ceramic proton conductors can be used.

水素分離型アノード電極層11は、水素を選択的に透過することができる薄膜である水素分離膜11fを備える。水素分離膜11fは、例えばパラジウム(Pd)やPd合金によって形成される。水素分離膜11fには、供給された水素含有ガスが通過する複数の貫通孔が設けられた板形状の支持部材(例えばステンレス鋼)を電解質膜と接しない外面に設けられているものとしても良い。なお、本明細書では、膜電極接合体14に含まれる構成要素のうち、水素分離膜11fと電解質膜10とが接合されたものを特に「水素分離膜/電解質膜接合体13」と呼ぶ。   The hydrogen separation anode electrode layer 11 includes a hydrogen separation membrane 11f that is a thin film that can selectively permeate hydrogen. The hydrogen separation membrane 11f is made of, for example, palladium (Pd) or a Pd alloy. The hydrogen separation membrane 11f may be provided with a plate-like support member (for example, stainless steel) provided with a plurality of through holes through which the supplied hydrogen-containing gas passes, on the outer surface not in contact with the electrolyte membrane. . In the present specification, among the constituent elements included in the membrane electrode assembly 14, the one in which the hydrogen separation membrane 11 f and the electrolyte membrane 10 are joined is particularly referred to as a “hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly 13”.

カソード電極層12は、金属やセラミックス系の材料によって電解質膜10に成膜された層である。カソード電極層12の材料としては、例えば「LaSrCoO3」などが採用できる。また、カソード電極層12には白金(Pt)等を担持させた電極触媒層が設けられているものとしても良い。 The cathode electrode layer 12 is a layer formed on the electrolyte membrane 10 by a metal or ceramic material. As a material of the cathode electrode layer 12, for example, “LaSrCoO 3 ” can be adopted. The cathode electrode layer 12 may be provided with an electrode catalyst layer that supports platinum (Pt) or the like.

カソードセパレータ20は、カソード電極層12に接するように配置されている。カソードセパレータ20のカソード電極層12側の面には酸素含有ガスをカソード電極層12に供給するための複数の溝(カソードガス流路CP)が設けられている。アノードセパレータ21は、水素分離膜11fに接するように配置されている。アノードセパレータ21の水素分離膜11fと接する側の面には水素含有ガスを水素分離膜11fに供給するための複数の溝(アノードガス流路AP)が設けられている。   The cathode separator 20 is disposed in contact with the cathode electrode layer 12. A plurality of grooves (cathode gas flow paths CP) for supplying an oxygen-containing gas to the cathode electrode layer 12 are provided on the surface of the cathode separator 20 on the cathode electrode layer 12 side. The anode separator 21 is disposed in contact with the hydrogen separation membrane 11f. A plurality of grooves (anode gas flow paths AP) for supplying a hydrogen-containing gas to the hydrogen separation membrane 11f are provided on the surface of the anode separator 21 on the side in contact with the hydrogen separation membrane 11f.

2つのセパレータ20、21は、水素分離膜型燃料電池100において水素と酸素の電気化学反応によって発生した電気を集電する機能がある。2つのセパレータ20、21は、カーボンや金属などの導電性を有する材料で形成することができる。なお、セパレータは他の構成であっても良い。例えば、セパレータは、複数のプレートを組み合わせた多層式のセパレータとしても良いし、燃料電池を冷却するための冷媒の流路が設けられているセパレータとしても良い。   The two separators 20 and 21 have a function of collecting electricity generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the hydrogen separation membrane fuel cell 100. The two separators 20 and 21 can be formed of a conductive material such as carbon or metal. The separator may have other configurations. For example, the separator may be a multilayer separator in which a plurality of plates are combined, or may be a separator provided with a refrigerant flow path for cooling the fuel cell.

B.比較例:
図2〜図3は比較例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図であり、以下にこれらの図を用いて工程順に説明する。なお、水素分離膜型燃料電池の構成や材料は、上述した水素分離膜型燃料電池100とほぼ同様であり、相違点については適宜説明を付すものとする。
B. Comparative example:
2 to 3 are explanatory diagrams for explaining a manufacturing process of a hydrogen separation membrane fuel cell as a comparative example, and will be described in the order of the processes with reference to these drawings. The configuration and materials of the hydrogen separation membrane fuel cell are substantially the same as those of the hydrogen separation membrane fuel cell 100 described above, and differences will be described as appropriate.

図2(A)は、水素分離膜基材11fの断面を示す概略断面図である。第1工程として上述した水素分離型のアノード電極層を構成する水素分離膜基材11fを準備する。この比較例では、水素分離膜基材11fとして、厚み1μm程度で、縦・横の寸法が17mm程度の略正方形のパラジウム板(純度99.95%)を準備する。   FIG. 2A is a schematic cross-sectional view showing a cross section of the hydrogen separation membrane substrate 11f. As the first step, the hydrogen separation membrane substrate 11f constituting the hydrogen separation type anode electrode layer described above is prepared. In this comparative example, a substantially square palladium plate (purity 99.95%) having a thickness of about 1 μm and a vertical and horizontal dimension of about 17 mm is prepared as the hydrogen separation membrane substrate 11f.

図2(B)は、第2工程として、水素分離膜基材11fの研磨工程を説明するための説明図である。一般に、水素分離膜基材の表面の平滑度が低いと、後述する電解質膜の成膜工程において、微小穴を有するなど成膜状態の好ましくない電解質膜が形成されるおそれがある。そうした電解質膜を有する燃料電池では、発電の際に短絡が発生する可能性が高くなる傾向にある。そこで、この比較例では、水素分離膜基材11fの一方の面を研磨することによってその研磨面の平滑度を向上させる。   FIG. 2B is an explanatory diagram for explaining a polishing process of the hydrogen separation membrane substrate 11f as the second process. In general, when the surface of the hydrogen separation membrane substrate has a low smoothness, an electrolyte membrane having an undesirable film formation state, such as having micro holes, may be formed in the electrolyte membrane formation step described later. In a fuel cell having such an electrolyte membrane, there is a tendency that a short circuit is likely to occur during power generation. Therefore, in this comparative example, the smoothness of the polished surface is improved by polishing one surface of the hydrogen separation membrane substrate 11f.

この比較例では、ダイヤスラリーを用いて研磨を行う。また、研磨工程後には、電解洗浄とアルカリ性洗剤超音波洗浄とイソプロピルアルコール(IPA)洗浄と水洗浄とを順に行い、水素分離膜基材11fの表面を清浄化することが好ましい。なお、研磨方法及び洗浄方法は他の方法であっても良い。   In this comparative example, polishing is performed using a diamond slurry. In addition, after the polishing step, it is preferable to clean the surface of the hydrogen separation membrane substrate 11f by sequentially performing electrolytic cleaning, alkaline detergent ultrasonic cleaning, isopropyl alcohol (IPA) cleaning, and water cleaning. The polishing method and the cleaning method may be other methods.

なお、この研磨工程においては、図に示す研磨面PSのみが研磨方向(図中の矢印方向)に引き延ばされるため、水素分離膜基材11fが湾曲してしまう。例えば、水素分離膜基材11fは、そのたわみしろfdが0.5μm〜1mm程度になるまで湾曲する場合がある。   In this polishing step, only the polishing surface PS shown in the drawing is extended in the polishing direction (the arrow direction in the drawing), so that the hydrogen separation membrane substrate 11f is curved. For example, the hydrogen separation membrane substrate 11f may be curved until the deflection margin fd is about 0.5 μm to 1 mm.

図2(C)は、第3工程として、水素分離膜基材11fの研磨面PSに電解質膜10及びカソード電極層12を成膜する工程を説明するための説明図である。この第3工程では、水素分離膜基材11fの研磨面PSを一様に被覆するように電解質膜10を成膜する。これによって水素分離膜/電解質膜接合体13aが形成される。また、電解質膜10の成膜後に、電解質膜10の表面にカソード電極層12を成膜する。これによって膜電極接合体14aが形成される。これまでの説明からも理解できるように、この比較例の膜電極接合体14aは、カソード電極層12側に凸状に湾曲した形状となる。   FIG. 2C is an explanatory diagram for explaining a step of forming the electrolyte membrane 10 and the cathode electrode layer 12 on the polishing surface PS of the hydrogen separation membrane substrate 11f as the third step. In this third step, the electrolyte membrane 10 is formed so as to uniformly cover the polishing surface PS of the hydrogen separation membrane substrate 11f. As a result, a hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly 13a is formed. Further, after the electrolyte membrane 10 is formed, the cathode electrode layer 12 is formed on the surface of the electrolyte membrane 10. Thereby, the membrane electrode assembly 14a is formed. As can be understood from the above description, the membrane electrode assembly 14a of this comparative example has a shape curved convexly toward the cathode electrode layer 12 side.

電解質膜10及びカソード電極層12の成膜方法としては、パルスレーザー蒸着(PLD;Pulsed Laser Deposition)法を採用することができる。この比較例では、真空中に水素分離膜基材11fを配置して600度まで昇温した後、酸素の分圧を0.01torr程度とした環境下で成膜を行う。なお、この比較例では、電解質膜10を膜厚1μm程度で成膜し、カソード電極層12を膜厚25nm程度で成膜する。   As a method for forming the electrolyte membrane 10 and the cathode electrode layer 12, a pulsed laser deposition (PLD) method can be employed. In this comparative example, after the hydrogen separation membrane substrate 11f is placed in a vacuum and heated up to 600 degrees, film formation is performed in an environment where the partial pressure of oxygen is about 0.01 torr. In this comparative example, the electrolyte membrane 10 is formed with a thickness of about 1 μm, and the cathode electrode layer 12 is formed with a thickness of about 25 nm.

図3(A)、(B)は、第4工程として、膜電極接合体14aを2つのセパレータ20、21で挟持して水素分離膜型燃料電池100aとして組み付ける工程を説明するための説明図である。2つのセパレータ20、21は湾曲していない平板状の部材である。そのため、湾曲した膜電極接合体14aをその両側からセパレータ20、21によって挟持すると(図3(A))、膜電極接合体14aは、セパレータ20、21に押圧されてその曲率が低減する(図3(B))。すると、電解質膜10の内部には、その曲率が低減されたことによって図中の矢印Cの方向に向かって圧縮応力が発生する。   FIGS. 3A and 3B are explanatory views for explaining a process of assembling the hydrogen separation membrane fuel cell 100a by sandwiching the membrane electrode assembly 14a between the two separators 20 and 21 as the fourth process. is there. The two separators 20, 21 are flat members that are not curved. Therefore, when the curved membrane electrode assembly 14a is sandwiched between the separators 20 and 21 from both sides (FIG. 3A), the membrane electrode assembly 14a is pressed by the separators 20 and 21 to reduce its curvature (FIG. 3 (B)). Then, a compressive stress is generated in the electrolyte membrane 10 in the direction of arrow C in the figure due to the reduced curvature.

このように、比較例の製造工程による水素分離膜型燃料電池100aでは、電解質膜10の内部に圧縮応力が生じた状態となる。以下に、この比較例の製造方法を基に、本発明を適用した実施例としての水素分離膜型燃料電池の製造方法を説明する。   As described above, in the hydrogen separation membrane fuel cell 100a according to the manufacturing process of the comparative example, a compressive stress is generated inside the electrolyte membrane 10. Below, based on the manufacturing method of this comparative example, the manufacturing method of the hydrogen separation membrane type fuel cell as an Example which applied the present invention is explained.

C.第1実施例:
図4〜図5は、本発明の第一実施例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。図4〜図5は、以下に説明をする点を除いて、上記比較例で説明した図2〜図3と、ほぼ同じである。
C. First embodiment:
4-5 is explanatory drawing for demonstrating the manufacturing process of a hydrogen separation membrane type fuel cell as a 1st Example of this invention. 4 to 5 are substantially the same as FIGS. 2 to 3 described in the comparative example except for the points described below.

図4(A)は、水素分離膜基材11fの断面を示す概略断面図であり、図2(A)と同じである。本実施例の第1工程として平板状の水素分離膜基材11fを準備する。なお、この水素分離膜基材11fは、その表面が所定の平滑度を有していることが好ましい。   FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing a cross section of the hydrogen separation membrane substrate 11f, which is the same as FIG. 2A. A flat hydrogen separation membrane substrate 11f is prepared as the first step of this embodiment. The surface of the hydrogen separation membrane substrate 11f preferably has a predetermined smoothness.

図4(B)は、本実施例の第2工程として、水素分離膜基材11fを湾曲させる工程を説明するための説明図であり、図2(B)とほぼ同じである。ここで「湾曲させる」とは、平坦な板状部材を曲率を有するように略瓦形状や略すり鉢形状に加工・変形させることを言う。また、この湾曲工程は、上記比較例の研磨工程のように、水素分離膜基材11fを湾曲させることを主目的としていない工程において水素分離膜基材11fが湾曲してしまう工程を含む。本実施例では、比較例と同様の研磨工程によって、水素分離膜基材11fを湾曲させる。なお、この湾曲工程は、他に、プレス加工などによって水素分離膜基材11fを湾曲させるものとしても良い。   FIG. 4B is an explanatory diagram for explaining a step of bending the hydrogen separation membrane substrate 11f as the second step of the present embodiment, and is substantially the same as FIG. 2B. Here, “curving” refers to processing and deforming a flat plate-like member into a substantially tile shape or a substantially mortar shape so as to have a curvature. In addition, the bending step includes a step in which the hydrogen separation membrane substrate 11f is bent in a step that is not intended to bend the hydrogen separation membrane substrate 11f as in the polishing step of the comparative example. In the present embodiment, the hydrogen separation membrane substrate 11f is bent by the same polishing process as in the comparative example. In addition, this curve process is good also as what curves 11 f of hydrogen separation membrane base materials by press work etc.

図4(C)は、本実施例の第3工程として、水素分離膜基材11fの研磨面PSに電解質膜10及びカソード電極層12を成膜する工程を説明するための説明図である。図4(C)は、成膜がなされる面が異なる点以外は、図2(C)と同様である。即ち、本実施例では、電解質膜10及びカソード電極層12は、水素分離膜基材11fの凹面DS(研磨面PSの反対側の面)に成膜される。従って、本実施例の水素分離膜/電解質膜接合体13A及び膜電極接合体14Aは、水素分離膜基材11f側に凸状に湾曲した形状となる。   FIG. 4C is an explanatory diagram for explaining a step of forming the electrolyte membrane 10 and the cathode electrode layer 12 on the polishing surface PS of the hydrogen separation membrane substrate 11f as the third step of the present embodiment. FIG. 4C is the same as FIG. 2C except that the surface on which the film is formed is different. That is, in this embodiment, the electrolyte membrane 10 and the cathode electrode layer 12 are formed on the concave surface DS (surface opposite to the polishing surface PS) of the hydrogen separation membrane substrate 11f. Therefore, the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly 13A and the membrane electrode assembly 14A of the present example have a shape curved convexly toward the hydrogen separation membrane substrate 11f.

図5(A)、(B)は、本実施例の第4工程として、膜電極接合体14aをセパレータ20、21で挟持して水素分離膜型燃料電池100Aとして組み付ける工程を説明するための説明図である。図5(A)、(B)は、比較例の膜電極接合体14aに換えて本実施例の膜電極接合体14Aが用いられている点以外は、図3(A)、(B)とほぼ同じである。   5 (A) and 5 (B) are explanatory views for explaining a process of assembling the hydrogen separation membrane fuel cell 100A by sandwiching the membrane electrode assembly 14a between the separators 20 and 21 as the fourth process of this embodiment. FIG. FIGS. 5A and 5B are the same as FIGS. 3A and 3B except that the membrane electrode assembly 14A of this example is used instead of the membrane electrode assembly 14a of the comparative example. It is almost the same.

本実施例でも比較例と同様に、セパレータ20、21は湾曲していない平板状の部材であため、湾曲した膜電極接合体14Aをセパレータ20、21によって挟持すると(図5(A))、比較例と同様に膜電極接合体14Aの曲率が低減する(図5(B))。しかし、本実施例の膜電極接合体14Aは、比較例の膜電極接合体14aとは異なり、カソード電極層12側が凹面となるように湾曲している。そのため、本実施例の水素分離膜型燃料電池100Aの電解質膜10の内部には、膜電極接合体14Aの曲率が低減されたことによって図中の矢印Tの方向に向かう引張応力が発生する。   In this embodiment, as in the comparative example, the separators 20 and 21 are flat members that are not curved. Therefore, when the curved membrane electrode assembly 14A is sandwiched between the separators 20 and 21 (FIG. 5A), Similar to the comparative example, the curvature of the membrane electrode assembly 14A is reduced (FIG. 5B). However, unlike the membrane electrode assembly 14a of the comparative example, the membrane electrode assembly 14A of this example is curved so that the cathode electrode layer 12 side is concave. Therefore, a tensile stress in the direction of arrow T in the figure is generated inside the electrolyte membrane 10 of the hydrogen separation membrane fuel cell 100A of the present embodiment due to the reduced curvature of the membrane electrode assembly 14A.

図6は、比較例の製造方法によって製造された水素分離膜型燃料電池100aと本実施例の製造方法によって製造された水素分離膜型燃料電池100Aの発電評価を行った結果を示す表である。発電評価は、具体的に、比較例及び本実施例の水素分離膜型燃料電池100a、100Aに、40°Cの水で加湿した水素及び空気をそれぞれアノード電極側及びカソード電極側に供給して発電させることによって行った。なお、本実施例の水素分離膜型燃料電池100Aの評価結果は、同一ロットのものに対して3回の発電評価を行った結果の平均値である。一方、比較例の水素分離膜型燃料電池100aの評価結果は、5ロットそれぞれについて発電評価を行った結果の平均値である。   FIG. 6 is a table showing results of power generation evaluation of the hydrogen separation membrane fuel cell 100a manufactured by the manufacturing method of the comparative example and the hydrogen separation membrane fuel cell 100A manufactured by the manufacturing method of the present embodiment. . Specifically, in the power generation evaluation, hydrogen and air humidified with 40 ° C. water were supplied to the hydrogen separation membrane fuel cells 100a and 100A of the comparative example and this example, respectively, on the anode electrode side and the cathode electrode side. This was done by generating electricity. In addition, the evaluation result of the hydrogen separation membrane fuel cell 100A of this example is an average value of the results of performing power generation evaluation three times for the same lot. On the other hand, the evaluation result of the hydrogen separation membrane fuel cell 100a of the comparative example is an average value of the results of the power generation evaluation for each of the five lots.

この表に示すように、本実施例の水素分離膜型燃料電池100Aの平均電流量は0.75A/cm2であり、比較例の水素分離膜型燃料電池100aの平均電流量は0.67A/cm2であった。また、本実施例の水素分離膜型燃料電池100Aの評価結果の標準偏差は0.04A/cm2であり、比較例の水素分離膜型燃料電池100aの評価結果の標準偏差は0.38A/cm2であった。即ち、本実施例の水素分離膜型燃料電池100Aは比較例の水素分離膜型燃料電池100aに比較して、発電効率が向上するとともに、その発電性能のばらつきが低減している。 As shown in this table, the average current amount of the hydrogen separation membrane fuel cell 100A of this embodiment is 0.75 A / cm 2 , and the average current amount of the hydrogen separation membrane fuel cell 100a of the comparative example is 0.67 A. / Cm 2 . The standard deviation of the evaluation result of the hydrogen separation membrane fuel cell 100A of the present example is 0.04 A / cm 2 , and the standard deviation of the evaluation result of the hydrogen separation membrane fuel cell 100a of the comparative example is 0.38 A / cm 2. cm 2 . That is, the hydrogen separation membrane fuel cell 100A of this example has improved power generation efficiency and reduced variations in power generation performance compared to the hydrogen separation membrane fuel cell 100a of the comparative example.

上記条件下の発電を行った後に、本実施例及び比較例の水素分離膜型燃料電池100A、100aのそれぞれの水素分離膜/電解質膜接合体13A、13aの状態を調べたところ、比較例の水素分離膜型燃料電池100aにおいては、水素分離膜基材11fと電解質膜10とが20%の確率で剥離を生じていることが解った。   After power generation under the above conditions, the state of the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly 13A, 13a of each of the hydrogen separation membrane fuel cells 100A, 100a of this example and the comparative example was examined. In the hydrogen separation membrane fuel cell 100a, it was found that the hydrogen separation membrane substrate 11f and the electrolyte membrane 10 were separated at a probability of 20%.

これらの結果から考察すると、比較例の水素分離膜型燃料電池100aにおいては、上述したとおり電解質膜10に圧縮応力が発生しているため、電解質膜10と水素分離膜基材11fとの剥離が生じたものと推測することができる。また、比較例の水素分離膜型燃料電池100aは、その圧縮応力のために発電効率の低下及び発電性能のばらつきが生じたものと推測できる。   Considering these results, in the hydrogen separation membrane fuel cell 100a of the comparative example, since the compressive stress is generated in the electrolyte membrane 10 as described above, the separation between the electrolyte membrane 10 and the hydrogen separation membrane substrate 11f occurs. It can be inferred that it occurred. Further, it can be presumed that the hydrogen separation membrane fuel cell 100a of the comparative example has a decrease in power generation efficiency and a variation in power generation performance due to the compressive stress.

比較例の製造方法では、本電解質膜10の成膜後の工程において、電解質膜10に対して膜面方向に働く圧縮応力が発生していたが、本実施例では、電解質膜10に引張応力を発生させている。従って、本実施例の製造方法によれば、水素分離膜基材と電解質膜との剥離の可能性が低減され、水素分離膜型燃料電池の発電効率を向上するとともに、その発電性能のばらつきを低減できる。   In the manufacturing method of the comparative example, compressive stress acting in the film surface direction was generated on the electrolyte membrane 10 in the step after the formation of the electrolyte membrane 10, but in this example, the tensile stress was applied to the electrolyte membrane 10. Is generated. Therefore, according to the manufacturing method of the present embodiment, the possibility of separation between the hydrogen separation membrane substrate and the electrolyte membrane is reduced, and the power generation efficiency of the hydrogen separation membrane fuel cell is improved and the variation in power generation performance is reduced. Can be reduced.

D.第2実施例:
本発明の第2実施例として水素分離膜型燃料電池の製造方法を説明する。第2実施例の第1工程〜第3工程は、第1実施例の第1工程〜第3工程(図4(A)〜(C))と同じであるため説明を省略する。即ち、第2実施例では、第1実施例と同じ膜電極接合体14Aを製造して用いる。
D. Second embodiment:
A method for producing a hydrogen separation membrane fuel cell will be described as a second embodiment of the present invention. Since the first to third steps of the second embodiment are the same as the first to third steps (FIGS. 4A to 4C) of the first embodiment, description thereof will be omitted. That is, in the second embodiment, the same membrane electrode assembly 14A as in the first embodiment is manufactured and used.

図7(A)、(B)は、第2実施例の第4工程として、膜電極接合体14Aをセパレータ20a、21aで挟持して水素分離膜型燃料電池100Bとして組み付ける工程を説明するための説明図である。図7(A)、(B)は、セパレータ20、21に換えて、形状の異なるセパレータ20a、21aを用いている点以外は、第1実施例で説明した図5(A)、(B)とほぼ同じである。   7A and 7B are diagrams for explaining a process of assembling the membrane electrode assembly 14A as a hydrogen separation membrane fuel cell 100B by sandwiching the membrane electrode assembly 14A between the separators 20a and 21a as a fourth process of the second embodiment. It is explanatory drawing. FIGS. 7A and 7B are the same as FIGS. 5A and 5B described in the first embodiment except that separators 20a and 21a having different shapes are used instead of the separators 20 and 21. FIG. Is almost the same.

第2実施例のセパレータ20a、21aは湾曲した平板状の部材である。具体的には、カソードセパレータ20aは、カソードガス流路CPが設けられた側に凸状に湾曲している。アノードセパレータ21aは、アノードガス流路APが設けられた側に凹状に湾曲している。なお、2つのセパレータ20a、21aは、膜電極接合体14Aとほぼ同じ曲率を有している、即ち、ほぼ同じたわみしろを有していることが好ましい。   The separators 20a and 21a of the second embodiment are curved flat plate members. Specifically, the cathode separator 20a is curved in a convex shape on the side where the cathode gas channel CP is provided. The anode separator 21a is curved in a concave shape on the side where the anode gas flow path AP is provided. The two separators 20a and 21a preferably have substantially the same curvature as the membrane electrode assembly 14A, that is, have approximately the same deflection margin.

このような構成とすれば、カソード電極層12側が凹状に湾曲した膜電極接合体14Aを、同様に湾曲したセパレータ20a、21aによって挟持するため(図7(A))、膜電極接合体14Aの曲率の変化は抑制される(図7(B))。即ち、第2実施例の水素分離膜型燃料電池100Aの電解質膜10は、膜電極接合体14Aの曲率の変化による内部応力の発生が抑制される。従って、第2実施例の製造方法によって製造された水素分離膜型燃料電池100Bは、比較例の水素分離膜型燃料電池100aと比較して、水素分離膜基材11fと電解質膜10との剥離が抑制されて、発電効率が向上するとともに、その発電性能のばらつきも低減さる。   With such a configuration, the membrane electrode assembly 14A in which the cathode electrode layer 12 side is curved in a concave shape is sandwiched between the similarly curved separators 20a and 21a (FIG. 7A). The change in curvature is suppressed (FIG. 7B). That is, in the electrolyte membrane 10 of the hydrogen separation membrane fuel cell 100A of the second embodiment, the generation of internal stress due to the change in the curvature of the membrane electrode assembly 14A is suppressed. Therefore, the hydrogen separation membrane fuel cell 100B manufactured by the manufacturing method of the second embodiment is separated from the hydrogen separation membrane substrate 11f and the electrolyte membrane 10 as compared with the hydrogen separation membrane fuel cell 100a of the comparative example. Is suppressed, power generation efficiency is improved, and variation in power generation performance is also reduced.

さらに、第2実施例の構成によれば次のような効果が得られる。燃料電池では一般に、発電の際に、その反応熱によって発電部の中央に近い部位ほど温度が高くなる傾向にある。また、水素分離膜基材11fは、電解質膜10よりも熱膨張率が高い。即ち、水素分離膜型燃料電池は、発電の際に発電部の中央に近い部位ほど電解質膜中に応力が発生しやすい傾向にあると言える。しかし、第2実施例のように、水素分離膜型燃料電池自体が曲率を有することによってたわんでいれば、例え発電によって水素分離膜基材が熱膨張しても、そのたわみ方向へと水素分離膜型燃料電池自体がさらにたわむこととなる。そのため、発電部中央付近において特に、電解質膜の面方向に働く引張応力が分散・低減される。従って、さらに電解質膜と水素分離膜基材との剥離の可能性が低減される。   Further, according to the configuration of the second embodiment, the following effects can be obtained. In general, in a fuel cell, during power generation, the temperature closer to the center of the power generation unit tends to be higher due to the reaction heat. In addition, the hydrogen separation membrane substrate 11 f has a higher thermal expansion coefficient than the electrolyte membrane 10. That is, in the hydrogen separation membrane fuel cell, it can be said that stress is more likely to be generated in the electrolyte membrane at a site closer to the center of the power generation unit during power generation. However, as in the second embodiment, if the hydrogen separation membrane fuel cell itself bends due to its curvature, even if the hydrogen separation membrane substrate is thermally expanded by power generation, hydrogen separation is performed in the direction of the deflection. The membrane fuel cell itself will bend further. Therefore, especially in the vicinity of the center of the power generation unit, the tensile stress acting in the surface direction of the electrolyte membrane is dispersed and reduced. Therefore, the possibility of peeling between the electrolyte membrane and the hydrogen separation membrane substrate is further reduced.

なお、この効果は、水素分離膜が、水素伸びによって膨張する場合にも同様に得られる。ここで、「水素伸び」とは、水素分離膜型燃料電池の使用時に、水素分離膜が水素の移動方向と直交する方向に膨張する現象をいう。   This effect is also obtained when the hydrogen separation membrane expands due to hydrogen elongation. Here, “hydrogen elongation” refers to a phenomenon in which the hydrogen separation membrane expands in a direction perpendicular to the direction of hydrogen movement when the hydrogen separation membrane fuel cell is used.

E.第3実施例:
図8は本発明の第3実施例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。第3実施例の第1工程〜第3工程は、比較例の第1工程〜第3工程(図2(A)〜(C))と同じであるため説明を省略する。即ち、第3実施例では、比較例と同じ膜電極接合体14aを製造して用いる。
E. Third embodiment:
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining a manufacturing process of a hydrogen separation membrane fuel cell as a third embodiment of the present invention. Since the 1st process-the 3rd process of the 3rd example are the same as the 1st process-the 3rd process (Drawing 2 (A)-(C)) of a comparative example, explanation is omitted. That is, in the third embodiment, the same membrane electrode assembly 14a as in the comparative example is manufactured and used.

図8(A)、(B)は、第3実施例の第4工程として、膜電極接合体14aをセパレータ20b、21bで挟持して水素分離膜型燃料電池100Bとして組み付ける工程を説明するための説明図である。図8(A)、(B)は、セパレータ20、21に換えて、形状の異なるセパレータ20b、21bを用いている点以外は、比較例で説明した図3(A)、(B)とほぼ同じである。   8A and 8B are diagrams for explaining a process of assembling the hydrogen separation membrane fuel cell 100B by sandwiching the membrane electrode assembly 14a between the separators 20b and 21b as the fourth process of the third embodiment. It is explanatory drawing. 8A and 8B are substantially the same as FIGS. 3A and 3B described in the comparative example except that separators 20b and 21b having different shapes are used instead of the separators 20 and 21. The same.

図8と図7とを比較すれば理解できるように、第3実施例は、第2実施例と湾曲の向きを逆にしたものである。この第3実施例によっても、膜電極接合体14Bの曲率の変化による内部応力の発生が抑制され、上述した第2実施例と同様な効果を得ることができる。さらに、この第3実施例では、研磨工程によって表面平滑度が向上した面に電解質膜10を成膜している。従って、第2実施例よりも電解質膜10の成膜状態が良好となるため、発電の際に短絡が発生する可能性が低減されている。   As can be understood by comparing FIG. 8 and FIG. 7, the third embodiment is obtained by reversing the direction of the curve from the second embodiment. Also in the third embodiment, the generation of internal stress due to the change in the curvature of the membrane electrode assembly 14B is suppressed, and the same effect as in the second embodiment described above can be obtained. Further, in the third embodiment, the electrolyte membrane 10 is formed on the surface whose surface smoothness has been improved by the polishing process. Therefore, since the film formation state of the electrolyte membrane 10 is better than that of the second embodiment, the possibility of a short circuit occurring during power generation is reduced.

F.第4実施例:
図9(A)〜(D)は、本発明の第4実施例とし水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。第4実施例の第1工程(図9(A))は、第1実施例の第1工程(図2(A))と同じであるため説明を省略する。第4実施例では、水素分離膜基材11fの湾曲工程として図9(B)、図9(C)に示す2回の湾曲工程を行う。
F. Fourth embodiment:
FIGS. 9A to 9D are explanatory views for explaining the manufacturing process of the hydrogen separation membrane fuel cell as the fourth embodiment of the present invention. Since the first step (FIG. 9A) of the fourth embodiment is the same as the first step (FIG. 2A) of the first embodiment, description thereof is omitted. In the fourth embodiment, two bending processes shown in FIGS. 9B and 9C are performed as the bending process of the hydrogen separation membrane substrate 11f.

図9(B)に示す第1の湾曲工程では、第1実施例と同様の研磨工程が実行される(第1研磨工程)。この第1研磨工程によって研磨された面を「第1の研磨面PS1」と呼ぶ。図9(C)に示す第2の湾曲工程では、第1の湾曲工程とは逆に水素分離膜基材11fを湾曲させることによって、水素分離膜基材11fを第1工程の段階(図9(A))と同様な湾曲していない平板状に戻す。具体的には、例えば、第1の研磨面PS1とは逆の面に対して、第1研磨工程と同様の研磨工程が実行されるものとしても良い(第2研磨工程)。この第2の研磨工程によって研磨された面を「第2の研磨面PS2」と呼ぶ。この第2の湾曲工程としては、第2の研磨工程の他に、例えば、圧延加工などによって水素分離膜基材11fを湾曲していない状態に戻す工程が実行されるものとしても良い。   In the first bending step shown in FIG. 9B, a polishing step similar to that in the first embodiment is executed (first polishing step). The surface polished by the first polishing step is referred to as “first polished surface PS1”. In the second bending step shown in FIG. 9C, the hydrogen separation membrane substrate 11f is bent in the first step (FIG. 9) by bending the hydrogen separation membrane substrate 11f contrary to the first bending step. The plate is returned to the uncurved plate shape similar to (A)). Specifically, for example, a polishing step similar to the first polishing step may be performed on the surface opposite to the first polishing surface PS1 (second polishing step). The surface polished by the second polishing step is referred to as “second polishing surface PS2”. As the second bending step, in addition to the second polishing step, for example, a step of returning the hydrogen separation membrane substrate 11f to a non-curved state by rolling or the like may be executed.

図9(D)は、第4実施例の第3工程として、水素分離膜基材11fの第1の研磨面PS1に電解質膜10及びカソード電極層12を成膜する工程を説明するための説明図である。電解質膜10は、水素分離膜基材11fの第1の研磨面PS1に成膜されて水素分離膜/電解質膜接合体13Cが形成される。水素分離膜/電解質膜接合体13Cの電解質膜10の外表面には、さらに、カソード電極層12が成膜されて膜電極接合体14Cが形成される。なお、第2の湾曲工程を第2の研磨工程によって行われた場合には、電解質膜10及びカソード電極層12は、第2の研磨面PS2に成膜されるものとしても良い。   FIG. 9D is an explanation for explaining a step of forming the electrolyte membrane 10 and the cathode electrode layer 12 on the first polishing surface PS1 of the hydrogen separation membrane substrate 11f as the third step of the fourth embodiment. FIG. The electrolyte membrane 10 is formed on the first polishing surface PS1 of the hydrogen separation membrane substrate 11f to form a hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly 13C. A cathode electrode layer 12 is further formed on the outer surface of the electrolyte membrane 10 of the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly 13C to form a membrane electrode assembly 14C. When the second bending process is performed by the second polishing process, the electrolyte membrane 10 and the cathode electrode layer 12 may be formed on the second polishing surface PS2.

このように製造された膜電極接合体14Cは、第1実施例で説明した湾曲していない平板状のセパレータ20、21(図5(A)、(B))によって挟持されることによって、湾曲していない状態で燃料電池として組み付けられる。   The membrane electrode assembly 14C manufactured in this way is bent by being sandwiched by the non-curved flat separators 20 and 21 (FIGS. 5A and 5B) described in the first embodiment. It is assembled as a fuel cell in a state where it is not.

第4実施例の製造方法によれば、成膜工程の前に、水素分離膜基材11fが湾曲していない平板状に加工されているため、成膜後の工程において、電解質膜10に圧縮応力が発生することを抑制できる。従って、水素分離膜基材11fと電解質膜10との剥離の可能性を低減できる。また、研磨工程を経た面に対して電解質膜10が成膜されるため、第3実施例と同様に、発電の際に短絡が発生する可能性を低減できる。   According to the manufacturing method of the fourth embodiment, since the hydrogen separation membrane substrate 11f is processed into a flat plate shape that is not curved before the film formation step, it is compressed into the electrolyte membrane 10 in the step after the film formation. The generation of stress can be suppressed. Therefore, the possibility of peeling between the hydrogen separation membrane substrate 11f and the electrolyte membrane 10 can be reduced. In addition, since the electrolyte membrane 10 is formed on the surface that has undergone the polishing process, the possibility of a short circuit occurring during power generation can be reduced as in the third embodiment.

G.変形例:
なお、この発明は上記の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。
G. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

G1.変形例1:
上記第1実施例においては、膜電極接合体14Aを、セパレータ20、21で挟持することによって、その曲率を低減させていたが、他の方法によって曲率を低減させるものとしても良い。例えば、プレス加工によって膜電極接合体14Aの曲率を低減させるものとしても良い。
G1. Modification 1:
In the first embodiment, the curvature is reduced by sandwiching the membrane electrode assembly 14A with the separators 20 and 21, but the curvature may be reduced by other methods. For example, the curvature of the membrane electrode assembly 14A may be reduced by pressing.

G2.変形例2:
上記第1実施例の第4工程においては、膜電極接合体14Aを、その曲率を低減して湾曲していない平板状の状態で燃料電池に組み付けていたが、平板状になるまで曲率を低減することなく、湾曲した状態で燃料電池に組み付けるものとしても良い。また、膜電極接合体14Aを、カソード電極層12側に凸状に湾曲するまで曲率を変化させて燃料電池に組み付けるものとしても良い。
G2. Modification 2:
In the fourth step of the first embodiment, the membrane electrode assembly 14A is assembled to the fuel cell in a flat plate state that is not curved by reducing its curvature, but the curvature is reduced until it is flat. It is good also as what is assembled | attached to a fuel cell in the curved state, without doing. Alternatively, the membrane electrode assembly 14A may be assembled to the fuel cell with the curvature changed until the membrane electrode assembly 14A curves convexly toward the cathode electrode layer 12 side.

G3.変形例3:
上記第2実施例及び第3実施例においては、膜電極接合体14a、14Aを、湾曲したセパレータ20a、21a、20b、21bによって挟持していたが、セパレータ等の部材で挟持しなくとも良い。例えば、膜電極接合体14a、14Aを、湾曲した板状部材の上に、湾曲した状態で配置するのみの構成とした発電モジュールとして発電を行うものとしても良い。
G3. Modification 3:
In the second and third embodiments, the membrane electrode assemblies 14a and 14A are sandwiched between the curved separators 20a, 21a, 20b, and 21b. However, the membrane electrode assemblies 14a and 14A may not be sandwiched between members such as separators. For example, the membrane electrode assembly 14a, 14A may be configured to generate power as a power generation module having a configuration in which the membrane electrode assembly 14a, 14A is simply arranged in a curved state on a curved plate-like member.

G4.変形例4:
上記第4実施例においては、第2の湾曲工程によって水素分離膜基材11fを湾曲していない平板状に戻していたが、水素分離膜基材11fは第2の湾曲工程の後も多少湾曲した状態であっても良い。だたし、第2の湾曲工程によって、第1の湾曲工程の後の水素分離膜基材11fの曲率が低減されていることが好ましい。この場合には、第2及び第3実施例で説明した湾曲したセパレータ20a、21a、20b、21bによって挟持されるものとしても良い。
G4. Modification 4:
In the fourth embodiment, the hydrogen separation membrane substrate 11f is returned to the uncurved plate shape by the second bending step, but the hydrogen separation membrane substrate 11f is somewhat curved after the second bending step. It may be in the state. However, it is preferable that the curvature of the hydrogen separation membrane substrate 11f after the first bending step is reduced by the second bending step. In this case, it may be sandwiched between the curved separators 20a, 21a, 20b, 21b described in the second and third embodiments.

水素分離膜型燃料電池の構成を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the structure of a hydrogen separation membrane type fuel cell. 比較例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the manufacturing process of a hydrogen separation membrane fuel cell as a comparative example. 比較例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the manufacturing process of a hydrogen separation membrane fuel cell as a comparative example. 第1実施例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the manufacturing process of a hydrogen separation membrane type fuel cell as 1st Example. 第1実施例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the manufacturing process of a hydrogen separation membrane type fuel cell as 1st Example. 比較例及び第1実施例の水素分離膜型燃料電池の発電評価の結果を示す表である。It is a table | surface which shows the result of the electric power generation evaluation of the hydrogen separation membrane fuel cell of a comparative example and 1st Example. 第2実施例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the manufacturing process of a hydrogen separation membrane fuel cell as 2nd Example. 第3実施例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the manufacturing process of a hydrogen separation membrane fuel cell as 3rd Example. 第4実施例として水素分離膜型燃料電池の製造工程を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the manufacturing process of a hydrogen separation membrane fuel cell as 4th Example.

符号の説明Explanation of symbols

10…電解質膜
11…水素分離型アノード電極層
11f…水素分離膜基材
12…カソード電極層
13、13a、13A、13C…水素分離膜/電解質膜接合体
14、14a、14A、14B、14C…膜電極接合体
14A…膜電極接合体
20、20a、20b…カソードセパレータ
21、21a、21b…アノードセパレータ
100、100a、100A、100B、100C…水素分離膜型燃料電池
AP…アノードガス流路
CP…カソードガス流路
DS…凹面
PS…研磨面
PS1…第1の研磨面
PS2…第2の研磨面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Electrolyte membrane 11 ... Hydrogen separation type anode electrode layer 11f ... Hydrogen separation membrane base material 12 ... Cathode electrode layer 13, 13a, 13A, 13C ... Hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly 14, 14a, 14A, 14B, 14C ... Membrane electrode assembly 14A ... Membrane electrode assembly 20, 20a, 20b ... Cathode separator 21, 21a, 21b ... Anode separator 100, 100a, 100A, 100B, 100C ... Hydrogen separation membrane fuel cell AP ... Anode gas channel CP ... Cathode gas flow path DS ... concave surface PS ... polishing surface PS1 ... first polishing surface PS2 ... second polishing surface

Claims (8)

燃料電池の製造方法であって、
(a)水素を透過する水素分離膜基材を準備する工程と、
(b)前記水素分離膜基材を湾曲させる工程と、
(c)前記水素分離膜基材の凹面に電解質膜を成膜した水素分離膜/電解質膜接合体を形成する工程と、
(d)前記水素分離膜/電解質膜接合体を燃料電池に組み付ける工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
A fuel cell manufacturing method comprising:
(A) preparing a hydrogen separation membrane substrate that permeates hydrogen;
(B) curving the hydrogen separation membrane substrate;
(C) forming a hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly in which an electrolyte membrane is formed on the concave surface of the hydrogen separation membrane substrate;
(D) assembling the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly into a fuel cell;
A method of manufacturing a fuel cell comprising:
請求項1に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記工程(b)は、前記水素分離膜の表面を研磨することによって湾曲させる工程を含む、燃料電池の製造方法。
A method of manufacturing a fuel cell according to claim 1,
The step (b) includes a step of bending the surface of the hydrogen separation membrane by polishing to produce a fuel cell.
請求項1または請求項2に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記工程(d)は、前記水素分離膜/電解質膜接合体の曲率を低減させるように前記水素分離膜/電解質膜接合体を変形させた状態で燃料電池に組み付ける工程を含む、燃料電池の製造方法。
A method of manufacturing a fuel cell according to claim 1 or 2,
The step (d) includes a step of assembling the fuel cell in a state where the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly is deformed so as to reduce the curvature of the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly. Method.
請求項1または請求項2に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記工程(d)は、前記水素分離膜/電解質膜接合体の曲率を変化させることなく、前記水素分離膜/電解質膜接合体を湾曲したままの状態で燃料電池に組み付ける工程を含む、燃料電池の製造方法。
A method of manufacturing a fuel cell according to claim 1 or 2,
The step (d) includes a step of assembling the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly into a fuel cell in a curved state without changing the curvature of the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly. Manufacturing method.
燃料電池の製造方法であって、
(a)水素を透過する水素分離膜基材を準備する工程と、
(b)前記水素分離膜基材を湾曲させる工程と、
(c)前記水素分離膜基材の凸面に電解質膜を成膜した水素分離膜/電解質膜接合体を形成する工程と、
(d)前記水素分離膜/電解質膜接合体の曲率を変化させることなく、前記水素分離膜/電解質膜接合体を湾曲した状態のままで燃料電池に組み付ける工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
A fuel cell manufacturing method comprising:
(A) preparing a hydrogen separation membrane substrate that permeates hydrogen;
(B) curving the hydrogen separation membrane substrate;
(C) forming a hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly in which an electrolyte membrane is formed on the convex surface of the hydrogen separation membrane substrate;
(D) a process of assembling the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly in a fuel cell in a curved state without changing the curvature of the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly;
A method of manufacturing a fuel cell comprising:
請求項6に記載の燃料電池の製造方法であって、
前記工程(b)は、前記水素分離膜の表面を研磨することによって湾曲させる工程を含む、燃料電池の製造方法。
It is a manufacturing method of the fuel cell according to claim 6,
The step (b) includes a step of bending the surface of the hydrogen separation membrane by polishing to produce a fuel cell.
燃料電池の製造方法であって、
(a)水素を透過する水素分離膜基材を準備する工程と、
(b)前記水素分離膜基材の一方の面を研磨する工程と、
(c)前記水素分離膜基材を湾曲することによって、前記水素分離膜基材の曲率を低減させる工程と、
(d)前記水素分離膜基材に電解質膜を成膜した水素分離膜/電解質膜接合体を形成する工程と、
(e)前記水素分離膜/電解質膜接合体を燃料電池に組み付ける工程と、
を備えことを特徴とする燃料電池の製造方法。
A fuel cell manufacturing method comprising:
(A) preparing a hydrogen separation membrane substrate that permeates hydrogen;
(B) polishing one surface of the hydrogen separation membrane substrate;
(C) curving the hydrogen separation membrane substrate to reduce the curvature of the hydrogen separation membrane substrate;
(D) forming a hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly in which an electrolyte membrane is formed on the hydrogen separation membrane substrate;
(E) assembling the hydrogen separation membrane / electrolyte membrane assembly into a fuel cell;
A method for producing a fuel cell, comprising:
請求項7に記載の製造方法であって、
前記工程(c)は、前記水素分離膜基材の前記工程(b)において研磨されていない面を研磨することによって前記水素分離膜基材の曲率を低減させる工程を含む、燃料電池の製造方法。
It is a manufacturing method of Claim 7, Comprising:
The step (c) includes a step of reducing the curvature of the hydrogen separation membrane substrate by polishing the surface of the hydrogen separation membrane substrate that has not been polished in the step (b). .
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