JP2008282710A

JP2008282710A - 燃料電池の製造方法

Info

Publication number: JP2008282710A
Application number: JP2007126467A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Izawa; 康浩伊澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2008-11-20
Also published as: WO2008139304A1

Abstract

【課題】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燃料電池の製造方法を提供する。
【解決手段】燃料電池（１００）は、水素透過性を有する水素分離膜（１１）上にプロトン伝導性を有する電解質膜（１２）が形成された水素分離膜−電解質膜接合体（１０）を準備する準備工程と、カソード成分を含有し１００℃以下の沸点を有する溶剤（２０）を電解質膜（１２）上において蒸発させることによって電解質膜（１２）上にカソード（３０）を形成するカソード形成工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の製造方法に関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ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の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。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を例えば気相成膜法により積層し、電解質膜上にカソードを積層することによって製造される。

カソードは、例えば、カソード成分とバインダと溶剤とを混合してペーストとし、このペーストを電解質膜上にスクリーン印刷法によって塗布して乾燥させることによって形成することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−３１０６０７号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、ペーストが電解質膜のクラックに浸透することによって、電解質膜と水素分離膜とが剥離するおそれがある。

本発明は、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燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池の製造方法は、水素透過性を有する水素分離膜上にプロトン伝導性を有する電解質膜が形成された水素分離膜−電解質膜接合体を準備する準備工程と、カソード成分を含有し１００℃以下の沸点を有する溶剤を電解質膜上において蒸発させることによって電解質膜上にカソード成分からなるカソードを形成するカソード形成工程と、を含むことを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池の製造方法においては、溶剤の沸点が１００℃以下であることから、比較的低温において溶剤の気化速度が大きくなる。この場合、溶剤が蒸発するまでの時間が短縮化される。それにより、電解質膜のクラックへの溶剤の浸透が抑制される。その結果、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。

カソード形成工程は、１００℃以下の温度条件で溶剤を蒸発させる工程であってもよい。この場合、溶剤を蒸発させる工程において、電解質膜における温度に起因するクラックの発生またはクラックの膨張を抑制することができる。それにより、電解質膜のクラックへの溶剤の浸透が抑制される。

カソード形成工程は、室温で溶剤を蒸発させる工程であってもよい。この場合、溶剤を加熱する工程が省略されるとともに、電解質膜における温度に起因するクラックの発生またはクラックの膨張が抑制される。

溶剤は、アルコール系有機溶剤であってもよい。この場合、溶剤の蒸気圧が比較的低くなる。それにより、溶剤の気化速度が大きくなる。それにより、電解質膜のクラックへの溶剤の浸透が抑制される。

溶剤は、エタノールであってもよい。また、カソード成分は、ＬａＳｒＣｏＯ_３であってもよい。また、準備工程は、水素分離膜上に電解質膜を気相成膜法により成膜する工程を含んでいてもよい。

本発明によれば、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。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池の製造方法について説明するためのフロー図である。まず、図１（ａ）に示すように、水素分離膜−電解質膜接合体１０を準備する。水素分離膜−電解質膜接合体１０は、水素分離膜１１上に電解質膜１２が形成された構造を有する。水素分離膜１１は、電解質膜１２を支持するとともに、アノードとしても機能する。

水素分離膜１１、例えば、Ｐｄ（パラジウム）、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）等の金属、または、これらの合金等からなる。また、これらの水素透過性金属層の２面のうち電解質膜が成膜される側の面上に、水素解離能を有するパラジウム、パラジウム合金等の膜が形成されたものを水素分離膜１１として用いてもよい。水素分離膜１１の膜厚は、特に限定されないが、例えば５μｍ〜１００μｍ程度である。水素分離膜１１は、自立膜であってもよく、多孔質状の卑金属板によって支持されていてもよい。

電解質膜１２は、プロトン伝導性を有する金属酸化物型の電解質からなる。電解質膜１２として、例えば、ペロブスカイト型電解質（ＳｒＺｒＩｎＯ_３等）、パイロクロア型電解質（Ｌｎ_２Ｚｒ_２Ｏ_７（Ｌｎ：Ｌａ（ランタン）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｓｍ（サマリウム）等））、モナザイト型希土類オルトリン酸塩電解質（ＬｎＰＯ_４（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ（プラセオジム）、Ｎｄ、Ｓｍ等））、ゼニタイプ型希土類オルトリン酸塩電解質（ＬｎＰＯ_４（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等））、希土類メタリン酸塩電解質（ＬｎＰ_３Ｏ_９（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等））、希土類オキシリン酸塩電解質（Ｌｎ_７Ｐ_３Ｏ_１８（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等））等を用いることができる。また、電解質膜１２の膜厚は、特に限定されないが、例えば１μｍ〜２μｍ程度である。また、電解質膜１２は、水素分離膜１１上に、気相成膜法等により成膜することができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、電解質膜１２上に、溶剤２０をスクリーン印刷法等を用いて塗布する。溶剤２０は、カソード成分を含有し、１００℃以下の沸点を有する。溶剤２０は、アルコール系有機溶剤からなることが好ましい。後述する図１（ｃ）の蒸発工程が短縮化されるからである。溶剤２０として、例えば、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール等を用いることができる。

溶剤２０に含有されるカソード成分は、後述するカソード３０を構成する成分である。カソード成分は、カソード活性を有する導電体であれば特に限定されず、例えばＬａ_０．６Ｓｒ_０．４ＣｏＯ_３、Ｌａ_０．５Ｓｒ_０．５ＭｎＯ_３、Ｌａ_０．５Ｓｒ_０．５ＦｅＯ_３等の導電性セラミックスからなる。カソード成分は、例えば、粒径５μｍ程度の粒子形状を有する。

次いで、図１（ｃ）に示すように、溶剤２０を蒸発させる。それにより、図１（ｄ）に示すように、電解質膜１２上にカソード３０が形成される。以上の工程により、燃料電池１００が完成する。

本実施の形態においては、溶剤２０の沸点が１００℃以下であることから、比較的低温において溶剤２０の気化速度が大きくなる。この場合、溶剤２０が蒸発するまでの時間が短縮化される。それにより、電解質膜１２のクラックへの溶剤２０の浸透が抑制される。その結果、燃料電池１００の完成後における水素分離膜１１と電解質膜１２との剥離を抑制することができる。なお、溶剤２０を蒸発させる工程において、雰囲気を減圧してもよく、溶剤２０に対して送風してもよい。この場合、溶剤２０の気化速度が大きくなる。それにより、電解質膜１２のクラックへの溶剤２０の浸透がより抑制される。

なお、図１（ｃ）の工程における温度は、１００℃以下であることが好ましい。温度が１００℃以下であると、電解質膜１２における温度に起因するクラックの発生またはクラックの膨張を抑制することができ、電解質膜１２のクラックへの溶剤２０の浸透が抑制されるからである。例えば、図１（ｃ）の工程における温度は、室温程度であることがより好ましい。溶剤２０を加熱する工程が省略されるとともに、電解質膜１２におけるクラックの発生またはクラックの膨張が抑制されるからである。

また、本発明の適用に際して、電解質膜１２は特に限定されるものではない。いずれの電解質膜に対しても、１００℃以下の沸点を有する溶剤の気化速度は大きくなるからである。また、いずれの電解質膜を用いても、温度を１００℃以下に設定することによって、クラックの発生またはクラックの膨張を抑制することができるからである。

（実施例１〜実施例３）
実施例１〜実施例３においては、上記実施の形態に係る製造方法に従って、燃料電池を作製した。水素分離膜１１として、パラジウムを用いた。電解質膜１２として、ＳｒＺｒ_０．８Ｉｎ_０．２Ｏ_３を用いた。電解質膜１２は、水素分離膜１１上にパルスレーザ蒸着法により形成し、電解質膜１２の成膜温度は６００℃とし、電解質膜１２の膜厚は２μｍとした。カソード成分として、粒径５μｍ程度のＬａ_０．６Ｓｒ_０．４ＣｏＯ_３を用いた。溶剤２０には、表１に示すものを用いた。各実施例において用いた溶剤と各溶剤の沸点とを表１に示す。溶剤２０の塗布後、水素分離膜−電解質膜接合体１０を室温または１００℃で２．０時間放置した。

（比較例１および比較例２）
比較例１および比較例２においては、１００℃を上回る沸点を有する溶剤を用いた。その他の点については、上記各実施例と同様である。各比較例において用いた溶剤と各溶剤の沸点とを表１に示す。

（分析）
各燃料電池に対して４００℃、４．０時間の熱処理を施し、電解質膜が剥離するか否かを調べた。結果を表１に示す。

表１に示すように、各比較例に係る燃料電池においては、温度にかかわらず電解質膜が剥離した。温度を室温に設定して剥離が発生したのは、溶剤の沸点が比較的高いことから溶剤が蒸発するまでの時間が長くなり、電解質膜に多量の溶剤が浸透したからであると考えられる。温度を１００℃に設定して溶剤の蒸発を促進しても剥離が発生したのは、電解質膜を加熱する際にクラックの膨張等によって溶剤が電解質膜に浸透しやすくなったからであると考えられる。

これに比較して、各実施例に係る燃料電池においては、電解質膜は剥離しなかった。温度を室温に設定して剥離が発生しなかったのは、各溶剤の沸点が１００℃以下であることから溶剤が蒸発するまでの時間が短縮化され、電解質膜への溶剤の浸透が抑制されたからであると考えられる。温度を１００℃に設定しても剥離が発生しなかったのは、溶剤を加熱する時間が短縮化されることから電解質膜における温度に起因するクラックの発生を抑制できたからであると考えられる。

以上のことから、１００℃以下の沸点を有する溶剤を用いてカソードを形成することによって、水素分離膜と電解質膜との剥離を抑制することができた。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池の製造方法について説明するためのフロー図である。

符号の説明

１０水素分離膜−電解質膜接合体
１１水素分離膜
１２電解質膜
２０溶剤
３０カソード
１００燃料電池

Claims

水素透過性を有する水素分離膜上にプロトン伝導性を有する電解質膜が形成された水素分離膜−電解質膜接合体を準備する準備工程と、
カソード成分を含有し１００℃以下の沸点を有する溶剤を前記電解質膜上において蒸発させることによって前記電解質膜上に前記カソード成分からなるカソードを形成するカソード形成工程と、を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
前記カソード形成工程は、１００℃以下の温度条件で前記溶剤を蒸発させる工程であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の製造方法。
前記カソード形成工程は、室温で前記溶剤を蒸発させる工程であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の製造方法。
前記溶剤は、アルコール系有機溶剤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の製造方法。
前記溶剤は、エタノールであることを特徴とする請求項４記載の燃料電池の製造方法。
前記カソード成分は、ＬａＳｒＣｏＯ_３であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
前記準備工程は、前記水素分離膜上に前記電解質膜を気相成膜法により成膜する工程を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。