JP2008218153A - Hydrogen separation membrane type fuel cell and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
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.).
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
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、「SrZr0.8In0.2O3」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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 /
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (8)
(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:
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.
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.
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.
(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:
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.
(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:
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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