JP2009054520A - Electrode-electrolyte membrane assembly, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電極−電解質膜接合体およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an electrode-electrolyte membrane assembly and a method for producing the same.
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。 A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.
発電効率向上のために、電解質膜を薄膜化して膜抵抗を低下させることが考えられる。例えば、電極上に電解質膜を気相成膜法によって成膜することによって電解質膜の薄膜化を図ることが考えられる。特許文献1には、アノードとして機能する水素分離膜上に電解質膜を成膜する技術が開示されている。 In order to improve power generation efficiency, it is conceivable to reduce the membrane resistance by reducing the thickness of the electrolyte membrane. For example, it is conceivable to reduce the thickness of the electrolyte membrane by forming an electrolyte membrane on the electrode by a vapor deposition method. Patent Document 1 discloses a technique for forming an electrolyte membrane on a hydrogen separation membrane that functions as an anode.
電極上に成膜された電解質膜は、多結晶構造を有することが多い。多結晶構造の電解質膜の導電率は、単結晶構造の電解質膜の導電率(以下、理論導電率と称する。)に比較して小さくなる。一般的に、多結晶には結晶粒界が形成されており、結晶粒内の導電率に比較して結晶粒界の導電率が低くなるからである。この場合、発電効率が低下するおそれがある。 The electrolyte membrane formed on the electrode often has a polycrystalline structure. The conductivity of the polycrystalline electrolyte membrane is smaller than that of the single crystal electrolyte membrane (hereinafter referred to as theoretical conductivity). This is because, generally, a crystal grain boundary is formed in the polycrystal, and the conductivity of the crystal grain boundary is lower than the conductivity in the crystal grain. In this case, power generation efficiency may be reduced.
本発明は、電極上の電解質膜の導電率を向上させることができる電極−電解質膜接合体およびその製造方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the electrode-electrolyte membrane assembly which can improve the electrical conductivity of the electrolyte membrane on an electrode, and its manufacturing method.
本発明に係る電極−電解質膜接合体は、電極と、電極上に設けられた第1電解質膜と、第1電解質膜上に設けられた第2電解質膜と、を備え、第1電解質膜を構成する電解質の粒界抵抗は、第2電解質膜を構成する電解質の粒界抵抗に比較して小さいことを特徴とするものである。本発明に係る電極−電解質膜接合体によれば、第1電解質膜を構成する電解質の粒界抵抗が、第2電解質膜を構成する電解質の粒界抵抗に比較して小さいことから、電解質膜の電極近傍における粒界抵抗を小さくすることができる。その結果、電解質膜の全体が第2電解質膜から構成される場合に比較して、電解質膜の導電率を向上させることができる。 An electrode-electrolyte membrane assembly according to the present invention includes an electrode, a first electrolyte membrane provided on the electrode, and a second electrolyte membrane provided on the first electrolyte membrane, and the first electrolyte membrane is provided with the first electrolyte membrane. The grain boundary resistance of the constituent electrolyte is smaller than the grain boundary resistance of the electrolyte constituting the second electrolyte membrane. According to the electrode-electrolyte membrane assembly according to the present invention, since the grain boundary resistance of the electrolyte constituting the first electrolyte membrane is smaller than the grain boundary resistance of the electrolyte constituting the second electrolyte membrane, the electrolyte membrane The grain boundary resistance in the vicinity of the electrodes can be reduced. As a result, the conductivity of the electrolyte membrane can be improved as compared with the case where the entire electrolyte membrane is composed of the second electrolyte membrane.
上記構成において、第1電解質膜を構成する電解質は、第2電解質膜を構成する電解質に比較して高い焼結性を有していてもよい。この構成によれば、第1電解質膜の電極側の界面付近における結晶粒径は、大きくなりやすい。それにより、第1電解質膜における粒界の比率を低下させることができる。その結果、電解質膜の導電率を向上させることができる。 In the above configuration, the electrolyte constituting the first electrolyte membrane may have a higher sinterability than the electrolyte constituting the second electrolyte membrane. According to this configuration, the crystal grain size in the vicinity of the interface on the electrode side of the first electrolyte membrane tends to be large. Thereby, the ratio of the grain boundary in the first electrolyte membrane can be reduced. As a result, the conductivity of the electrolyte membrane can be improved.
上記構成において、第1電解質膜を構成する電解質は、第2電解質膜を構成する電解質を母材とし、かつ焼結助剤を含むものであってもよい。この構成によれば、第1電解質膜を構成する電解質は、第2電解質膜を構成する電解質に比較して高い焼結性を有する。また、第1電解質膜を構成する電解質は第2電解質膜を構成する電解質を母材とすることから、第1電解質膜の構造と第2電解質膜の構造とが近似する。それにより、第1電解質膜と第2電解質膜との密着強度が向上する。その結果、第1電解質膜と第2電解質膜との剥離が抑制される。 In the above configuration, the electrolyte that configures the first electrolyte membrane may be one that uses the electrolyte that configures the second electrolyte membrane as a base material and includes a sintering aid. According to this structure, the electrolyte which comprises a 1st electrolyte membrane has high sinterability compared with the electrolyte which comprises a 2nd electrolyte membrane. Moreover, since the electrolyte which comprises a 1st electrolyte membrane uses the electrolyte which comprises a 2nd electrolyte membrane as a base material, the structure of a 1st electrolyte membrane and the structure of a 2nd electrolyte membrane approximate. Thereby, the adhesion strength between the first electrolyte membrane and the second electrolyte membrane is improved. As a result, peeling between the first electrolyte membrane and the second electrolyte membrane is suppressed.
上記構成において、第1電解質膜を構成する電解質の格子定数は、第2電解質膜を構成する電解質の格子定数に比較して電極の格子定数に近いものであってもよい。この構成によれば、第1電解質膜は第2電解質膜に比較して電極の構造に近くなる。したがって、第1電解質膜における微細結晶の発生が抑制される。この場合、第1電解質膜における結晶粒径は、大きくなりやすい。それにより、第1電解質膜における粒界の比率を低下させることができる。その結果、電解質膜の導電率を向上させることができる。また、第1電解質膜を構成する電解質の格子定数が第2電解質膜を構成する電解質の格子定数に比較して電極の格子定数に近いことから、第1電解質膜と電極との結合強度は、第2電解質膜を電極上に直接設けた場合に比較して向上する。それにより、電極と電解質膜との剥離を抑制することができる。 In the above configuration, the lattice constant of the electrolyte constituting the first electrolyte membrane may be closer to the lattice constant of the electrode than the lattice constant of the electrolyte constituting the second electrolyte membrane. According to this configuration, the first electrolyte membrane is closer to the electrode structure than the second electrolyte membrane. Therefore, generation of fine crystals in the first electrolyte membrane is suppressed. In this case, the crystal grain size in the first electrolyte membrane tends to be large. Thereby, the ratio of the grain boundary in the first electrolyte membrane can be reduced. As a result, the conductivity of the electrolyte membrane can be improved. Further, since the lattice constant of the electrolyte constituting the first electrolyte membrane is closer to the lattice constant of the electrode compared to the lattice constant of the electrolyte constituting the second electrolyte membrane, the bond strength between the first electrolyte membrane and the electrode is Compared to the case where the second electrolyte membrane is provided directly on the electrode, the improvement is achieved. Thereby, peeling between the electrode and the electrolyte membrane can be suppressed.
上記構成において、電極は水素透過性を有する水素分離膜であり、第1電解質膜および第2電解質膜はプロトン伝導性を有する電解質からなるものであってもよい。 In the above configuration, the electrode may be a hydrogen separation membrane having hydrogen permeability, and the first electrolyte membrane and the second electrolyte membrane may be made of an electrolyte having proton conductivity.
本発明に係る電極−電解質膜接合体の製造方法は、電極上に第1電解質膜を成膜する工程と、第1電解質膜上に第2電解質膜を成膜する工程と、を含み、第1電解質膜を構成する電解質の粒界抵抗は、第2電解質膜を構成する電解質の粒界抵抗に比較して小さいことを特徴とするものである。本発明に係る電極−電解質膜接合体の製造方法によれば、第1電解質膜を構成する電解質の粒界抵抗が、第2電解質膜を構成する電解質の粒界抵抗に比較して小さいことから、電解質膜の電極近傍における粒界抵抗を小さくすることができる。その結果、電解質膜の全体が第2電解質膜から構成される場合に比較して、電解質膜の導電率を向上させることができる。 A method for producing an electrode-electrolyte membrane assembly according to the present invention includes a step of forming a first electrolyte membrane on an electrode and a step of forming a second electrolyte membrane on the first electrolyte membrane, The grain boundary resistance of the electrolyte constituting one electrolyte membrane is small compared to the grain boundary resistance of the electrolyte constituting the second electrolyte membrane. According to the method for producing an electrode-electrolyte membrane assembly according to the present invention, the grain boundary resistance of the electrolyte constituting the first electrolyte membrane is smaller than the grain boundary resistance of the electrolyte constituting the second electrolyte membrane. The grain boundary resistance in the vicinity of the electrode of the electrolyte membrane can be reduced. As a result, the conductivity of the electrolyte membrane can be improved as compared with the case where the entire electrolyte membrane is composed of the second electrolyte membrane.
上記製造方法において、第1電解質膜を構成する電解質は、第2電解質膜を構成する電解質に比較して高い焼結性を有していてもよい。この製造方法によれば、第1電解質膜の電極側の界面付近における結晶粒径は、大きくなりやすい。それにより、第1電解質膜における粒界の比率を低下させることができる。その結果、電解質膜の導電率を向上させることができる。 In the said manufacturing method, the electrolyte which comprises a 1st electrolyte membrane may have high sinterability compared with the electrolyte which comprises a 2nd electrolyte membrane. According to this manufacturing method, the crystal grain size in the vicinity of the interface on the electrode side of the first electrolyte membrane tends to be large. Thereby, the ratio of the grain boundary in the first electrolyte membrane can be reduced. As a result, the conductivity of the electrolyte membrane can be improved.
上記製造方法において、第1電解質膜を構成する電解質は、第2電解質膜を構成する電解質を母材とし、かつ焼結助剤を含むものであってもよい。この製造方法によれば、第1電解質膜を構成する電解質は、第2電解質膜を構成する電解質に比較して高い焼結性を有する。また、第1電解質膜を構成する電解質は第2電解質膜を構成する電解質を母材とすることから、第1電解質膜の構造と第2電解質膜の構造とが近似する。それにより、第1電解質膜と第2電解質膜との密着強度が向上する。その結果、第1電解質膜と第2電解質膜との剥離が抑制される。 In the manufacturing method described above, the electrolyte constituting the first electrolyte membrane may be one that uses the electrolyte constituting the second electrolyte membrane as a base material and includes a sintering aid. According to this manufacturing method, the electrolyte constituting the first electrolyte membrane has higher sinterability than the electrolyte constituting the second electrolyte membrane. Moreover, since the electrolyte which comprises a 1st electrolyte membrane uses the electrolyte which comprises a 2nd electrolyte membrane as a base material, the structure of a 1st electrolyte membrane and the structure of a 2nd electrolyte membrane approximate. Thereby, the adhesion strength between the first electrolyte membrane and the second electrolyte membrane is improved. As a result, peeling between the first electrolyte membrane and the second electrolyte membrane is suppressed.
上記製造方法において、第1電解質膜を構成する電解質の格子定数は、第2電解質膜を構成する電解質の格子定数に比較して電極の格子定数に近いものであってもよい。この製造方法によれば、第1電解質膜は第2電解質膜に比較して電極の構造に近くなる。したがって、第1電解質膜における微細結晶の発生が抑制される。この場合、第1電解質膜における結晶粒径は、大きくなりやすい。それにより、第1電解質膜における粒界の比率を低下させることができる。その結果、電解質膜の導電率を向上させることができる。また、第1電解質膜を構成する電解質の格子定数が第2電解質膜を構成する電解質の格子定数に比較して電極の格子定数に近いことから、第1電解質膜と電極との結合強度は、第2電解質膜を電極上に直接成膜した場合に比較して向上する。それにより、電極と電解質膜との剥離を抑制することができる。 In the above manufacturing method, the lattice constant of the electrolyte constituting the first electrolyte membrane may be closer to the lattice constant of the electrode as compared with the lattice constant of the electrolyte constituting the second electrolyte membrane. According to this manufacturing method, the first electrolyte membrane is closer to the structure of the electrode than the second electrolyte membrane. Therefore, generation of fine crystals in the first electrolyte membrane is suppressed. In this case, the crystal grain size in the first electrolyte membrane tends to be large. Thereby, the ratio of the grain boundary in the first electrolyte membrane can be reduced. As a result, the conductivity of the electrolyte membrane can be improved. Further, since the lattice constant of the electrolyte constituting the first electrolyte membrane is closer to the lattice constant of the electrode compared to the lattice constant of the electrolyte constituting the second electrolyte membrane, the bond strength between the first electrolyte membrane and the electrode is Compared to the case where the second electrolyte membrane is formed directly on the electrode, this is improved. Thereby, peeling between the electrode and the electrolyte membrane can be suppressed.
上記製造方法において、電極は水素透過性を有する水素分離膜であり、第1電解質膜および第2電解質膜はプロトン伝導性を有する電解質からなるものであってもよい。 In the manufacturing method, the electrode may be a hydrogen permeable membrane having hydrogen permeability, and the first electrolyte membrane and the second electrolyte membrane may be made of an electrolyte having proton conductivity.
本発明によれば、電極上の電解質膜の導電率を向上させることができる電極−電解質膜接合体およびその製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrode-electrolyte membrane assembly which can improve the electrical conductivity of the electrolyte membrane on an electrode, and its manufacturing method can be provided.
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
図1は、本発明の第1実施例に係る電極−電解質膜接合体50を示す模式的断面図である。図1に示すように、電極−電解質膜接合体50は、電極10上に電解質膜20が設けられた構造を有する。電極10としては、電極−電解質膜接合体50を燃料電池に用いた場合に、アノードまたはカソードとして機能する材料を用いることができる。本実施例においては、電極10として、緻密な水素透過性金属からなる水素分離膜を用いることができる。本実施例においては、電極10は、水素が水素原子および/またはプロトンの状態で透過する程度に、密な構造を有している。電極10を構成する材料は、緻密で水素透過性および導電性を有していれば特に限定されるものではない。なお、水素分離膜はアノードとして機能する。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an electrode-
具体的には、電極10として、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を用いることができる。また、これらの水素透過性金属層の両面に、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電極10として用いてもよい。電極10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。電極10の厚みは、特に限定されないが、例えば数十μm程度である。
Specifically, for example, a metal such as Pd (palladium), V (vanadium), Ta (tantalum), Nb (niobium), or an alloy thereof can be used as the
電解質膜20は、第1電解質膜30および第2電解質膜40を含む。第1電解質膜30は、電極10側に配置されており、第2電解質膜40に比較して小さい粒界抵抗を有する電解質からなる。ここで、粒界抵抗とは、結晶粒界における荷電粒子の伝導抵抗のことをいう。本実施例に係る荷電粒子は、プロトンである。
The
第2電解質膜40としてBaZr0.8Y0.2O3を用いた場合には、第1電解質膜30として例えばSrZr0.8In0.2O3を用いることができる。
When using BaZr 0.8 Y 0.2 O 3 as the
ここで、多結晶構造を有する電解質膜の導電率が理論値に比較して小さくなる現象について詳細に説明する。電解質膜が多結晶構造を有する場合、荷電粒子は、電解質膜の粒界および粒内の両方を伝導する。そのため、電解質膜が多結晶構造を有する場合における電解質膜の導電率は、粒界抵抗と粒内抵抗(結晶粒内における荷電粒子の伝導抵抗)との和(全体抵抗)に基づいて定まる。例えば、全体抵抗が大きいと導電率が低くなり、全体抵抗が小さいと導電率が高くなる。 Here, a phenomenon in which the conductivity of the electrolyte membrane having a polycrystalline structure becomes smaller than the theoretical value will be described in detail. When the electrolyte membrane has a polycrystalline structure, the charged particles conduct both at the grain boundaries and within the grains of the electrolyte membrane. Therefore, when the electrolyte membrane has a polycrystalline structure, the conductivity of the electrolyte membrane is determined based on the sum (overall resistance) of the grain boundary resistance and the intragranular resistance (conducting resistance of charged particles in the crystal grains). For example, if the total resistance is large, the conductivity is low, and if the total resistance is small, the conductivity is high.
一般に、荷電粒子は、粒内よりも粒界の方が伝導し難いと考えられることから、粒界抵抗は粒内抵抗に比較して大きいと考えられる。したがって、電解質膜の粒界の占める比率が高い程、すなわち、微細な結晶粒が多いほど、電解質膜の導電率が低くなる。そのため、多結晶構造を有する電解質膜の導電率は理論値に比較して小さくなると考えられる。 In general, since it is considered that a charged particle is less likely to conduct at a grain boundary than within a grain, the grain boundary resistance is considered to be larger than the intragranular resistance. Therefore, the higher the proportion occupied by the grain boundary of the electrolyte membrane, that is, the more fine crystal grains, the lower the conductivity of the electrolyte membrane. For this reason, the conductivity of the electrolyte membrane having a polycrystalline structure is considered to be smaller than the theoretical value.
本実施例にように、電極10と電解質膜20との間に構造の相違がある場合、電解質膜20の結晶粒は電極10近傍において微細になりやすい。この場合、電極10の近傍において粒界の比率が高くなる。しかしながら、本実施例のように粒界抵抗が小さい第1電解質膜30を電極10上に配置することによって、電解質膜20の電極10近傍における粒界抵抗を小さくすることができる。その結果、電解質膜20の全体が第2電解質膜40から構成される場合に比較して、電解質膜20の導電率が高くなる。以上のことから、本実施例に係る電極−電解質膜接合体50を用いた燃料電池の発電効率が向上する。なお、一般に、粒界抵抗が小さい電解質は粒内抵抗が大きくなってしまうため、電解質膜20の全体が第1電解質膜30から構成されると、電解質膜20において高い導電率は得られにくい。
As in this embodiment, when there is a structural difference between the
なお、本実施例においては電極10は緻密な金属層から構成されるが、それに限られない。例えば、電極10は、Pt(白金)、Ni(ニッケル)等のアノード活性を有する材料の多孔体であってもよい。この場合においても、電極10近傍の電解質膜の結晶粒が微細化しやすいため、本発明の効果が得られる。
In this embodiment, the
ただし、電極10が緻密な水素透過性金属層からなる場合、本発明の効果が特に大きくなる。以下、理由を述べる。電極10が緻密な水素透過性金属層からなる場合、電解質膜20を薄膜化することができる。電解質膜20の膜厚を大きくしなくても電解質膜20が緻密になるからである。電解質膜20の膜厚が小さいと膜抵抗が小さくなるため、発電効率向上のためには電解質膜20の膜厚は小さいことが好ましい。しかしながら、電解質膜20の膜厚が小さいと電解質膜20において微細な結晶粒が占める割合が高くなる。したがって、電解質膜20が薄膜化されている場合に本発明を適用すると、電解質膜20の導電率向上の効果が特に大きくなるのである。
However, when the
次に、電極−電解質膜接合体50の製造方法について説明する。図2(a)および図2(b)は電極−電解質膜接合体50の製造方法を示す模式的断面図である。まず、図2(a)に示すように電極10上に第1電解質膜30を成膜する。成膜方法としては、例えばCVD、PVD等の気相成膜法を用いることができる。例えばPVDにより成膜する場合には、基材として電極10を真空チャンバ(図示せず)内に設置する。また、ターゲット(図示せず)として第1電解質膜30を構成する酸化物元素を真空チャンバ内に配置する。ターゲットにパルスレーザ等によりエネルギが付与されると、ターゲットから電解質構成元素が放出される。放出された電解質構成元素は、電極10上に蒸着する。それにより、電極10上に第1電解質膜30が成膜される。
Next, a method for manufacturing the electrode-
なお、図2(a)において成膜された第1電解質膜30の電極10近傍における結晶粒は微細になる。これは、電極10上に電極10と異なる構造を有する第1電解質膜30を成膜したことに起因するものである。
In addition, the crystal grains in the vicinity of the
次いで、図2(b)に示すように第1電解質膜30上に第2電解質膜40を成膜する。成膜方法としては、例えばCVD、PVD等の気相成膜法を用いることができる。以上の方法により、電極−電解質膜接合体50は製造される。
Next, a
なお、図2(b)において成膜された第2電解質膜40の第1電解質膜30近傍における結晶粒は、第2電解質膜40を電極10上に直接成膜する場合に比較して、大きくなる。これは、第1電解質膜30上に第1電解質膜30と同様の構造を有する第2電解質膜40が成膜されたことに起因するものである。
Note that the crystal grains in the vicinity of the
上記製造方法によれば、電解質膜20の結晶粒は電極10近傍において微細になりやすい。この場合、電極10の近傍において粒界の比率が高くなる。しかしながら、粒界抵抗が小さい第1電解質膜30を電極10上に成膜することによって、電解質膜20の電極10近傍における粒界抵抗を小さくすることができる。その結果、電解質膜20の全体が第2電解質膜40から構成される場合に比較して、電解質膜20の導電率が高くなる。以上のことから、本実施例に係る電極−電解質膜接合体50を用いた燃料電池の発電効率が向上する。
According to the above manufacturing method, the crystal grains of the
なお、第1電解質膜30を構成する電解質の粒界抵抗が第2電解質膜40を構成する電解質の粒界抵抗に比較して小さいものであれば、電極−電解質膜接合体50は、水素分離膜−電解質膜接合体に限られない。例えば、電極−電解質膜接合体50は、荷電粒子として酸素イオンが伝導する固体酸化物型燃料電池(SOFC)に用いられる電極−電解質膜接合体50であってもよい。この場合、電極10は、カソードとして機能する。さらに、荷電粒子としてプロトンが導電するSOFCを用いてもよい。この場合、電極10は、アノードとして機能する。
If the grain boundary resistance of the electrolyte constituting the
(変形例1)
また、第1電解質膜30を構成する電解質としては、第2電解質膜40を構成する電解質に比較して高い焼結性を有するものを用いてもよい。ここで、焼結性が高いとは、焼結温度が低いことを意味する。燒結温度とは、貫通孔のない結晶構造を有する酸化物が形成される温度のことをいう。
(Modification 1)
In addition, as the electrolyte constituting the
例えば、電極10として水素分離膜を用い、第2電解質膜40を構成する電解質としてBaZr0.8Y0.2O3を用いた場合には、第1電解質膜30を構成する電解質としては、BaZr0.8Ga0.2O3、BaZr0.8Y0.1In0.1O3等を用いることができる。BaZr0.8Y0.2O3の焼結温度は1750℃であるのに対し、BaZr0.8Ga0.2O3の焼結温度は1600℃〜1650℃であり、BaZr0.8Y0.1In0.1O3の焼結温度は1650℃である。よって、第1電解質膜30を構成する電解質は、第2電解質膜40を構成する電解質に比較して、高い焼結性を有する。
For example, when a hydrogen separation membrane is used as the
本変形例1に係る電極−電解質膜接合体50によれば、第1電解質膜30の電極10側の界面付近における結晶粒径は、大きくなりやすい。それにより、第1電解質膜30における粒界の比率を低下させることができる。その結果、電解質膜20の導電率を向上させることができる。
According to the electrode-
(変形例2)
また、第1電解質膜30を構成する電解質としては、第2電解質膜40を構成する電解質を母材とし、かつ焼結助剤を含むものを用いてもよい。例えば、電極10として水素分離膜を用い、第2電解質膜40を構成する電解質としてBaZr0.8Y0.2O3を用いた場合には、第1電解質膜30を構成する電解質は、BaZr0.8Y0.2O3を母材とし、In2O3,Ga2O3、ZnO3等の焼結助剤を含む酸化物を用いてもよい。
(Modification 2)
Further, as the electrolyte constituting the
本変形例2に係る電極−電解質膜接合体50の製造方法としては、図2に示す気相成膜法と同様の方法を用いることができる。例えば電極−電解質膜接合体50をPVDにより成膜する場合には、基材として電極10を真空チャンバ内に設置する。また、ターゲットとして、第2電解質膜40を構成する電解質の構成元素と焼結助剤の構成元素の2種類のターゲットを準備し、これら2種類のターゲットを真空チャンバ内に配置する。ターゲットにパルスレーザ等によりエネルギが付与されると、電解質のターゲットから電解質の構成元素が放出され、焼結助剤のターゲットから焼結助剤の構成元素が放出されて、電極10上に蒸着する。それにより、電極10上に第1電解質膜30が成膜される。次いで、第1電解質膜30上に第2電解質膜40を気相成膜法により成膜する。以上の方法により、本変形例2に係る電極−電解質膜接合体50は製造される。
As a manufacturing method of the electrode-
また、電極10上に第1電解質膜30を成膜する他の方法としては、電極10上に焼結助剤を薄く気相成膜法により成膜した後に、焼結助剤上に電解質を気相成膜法により成膜する方法を用いてもよい。焼結助剤上に電解質を成膜した場合には、焼結助剤が電解質中に拡散する。それにより、電解質を母材とし、さらに焼結助剤を含む第1電解質膜30を電極10上に成膜することができる。
As another method for forming the
あるいは、電極10上に第1電解質膜30を成膜する他の方法としては、電極10上に電解質を気相成膜法により成膜した後に、電解質上に焼結助剤を気相成膜法により成膜する方法を用いてもよい。電解質上に焼結助剤を成膜した場合には、焼結助剤が電解質中に拡散する。それにより、電解質を母材とし、さらに焼結助剤を含む第1電解質膜30を電極10上に成膜することができる。
Alternatively, as another method of forming the
本変形例2に係る電極−電解質膜接合体50によれば、第1電解質膜30を構成する電解質は焼結助剤を含むことから、第1電解質膜30を構成する電解質は、第2電解質膜40を構成する電解質に比較して高い焼結性を有する。この場合、第1電解質膜30の電極10側の界面付近における結晶粒径は、大きくなりやすい。それにより、第1電解質膜30における粒界の比率を低下させることができる。その結果、電解質膜20の導電率を向上させることができる。また、第1電解質膜30を構成する電解質は第2電解質膜40を構成する電解質を母材とすることから、第1電解質膜30の構造と第2電解質膜40の構造とが近似する。それにより、第1電解質膜30と第2電解質膜40との密着強度が向上する。その結果、第1電解質膜30と第2電解質膜40との剥離が抑制される。
According to the electrode-
(変形例3)
また、第1電解質膜30を構成する電解質としては、格子定数が第2電解質膜40を構成する電解質の格子定数に比較して電極10の格子定数に近いものを用いてもよい。例えば、電極10としてPdからなる水素分離膜を用い、第2電解質膜40を構成する電解質としてBaZr0.8Y0.2O3を用いた場合には、第1電解質膜30を構成する電解質としては、SrTiO3、Sr0.79Ba0.21TiO3等を用いることができる。なお、Pdの格子定数は3.891Åであり、BaZr0.8Y0.2O3の格子定数は4.193Åであり、SrTiO3の格子定数は3.905Åであり、Sr0.79Ba0.21TiO3の格子定数は3.937Åである。
(Modification 3)
Further, as the electrolyte constituting the
本変形例3に係る電極−電解質膜接合体50は、図2に示した実施例1に係る製造方法と同様に、気相成膜法により製造される。例えば、電極−電解質膜接合体50は、電極10上に第1電解質膜30を成膜した後に、第1電解質膜30上に第2電解質膜40を成膜することにより製造される。
The electrode-
本変形例3に係る電極−電解質膜接合体50によれば、第1電解質膜30を構成する電解質の格子定数が第2電解質膜40を構成する電解質の格子定数に比較して電極10の格子定数に近いことから、第1電解質膜30は第2電解質膜40に比較して電極10の構造に近くなる。したがって、第1電解質膜30における微細結晶の発生が抑制される。この場合、第1電解質膜30における結晶粒径は、大きくなりやすい。それにより、第1電解質膜30における粒界の比率をさせることができる。その結果、電解質膜20の導電率を向上させることができる。また、第1電解質膜30を構成する電解質の格子定数が第2電解質膜40を構成する電解質の格子定数に比較して電極10の格子定数に近いことから、第1電解質膜30と電極10との結合強度は、第2電解質膜40を電極10上に直接成膜した場合に比較して向上する。それにより、電極10と電解質膜20との剥離を抑制することができる。
According to the electrode-
続いて本発明の第2実施例に係る電極−電解質膜接合体50aについて説明する。図3は、本発明の第2実施例に係る電極−電解質膜接合体50aを示す模式的断面図である。図3に示す電極−電解質膜接合体50aは、電解質膜20の代わりに電解質膜20aを備える点において、図1に示す電極−電解質膜接合体50と異なる。その他の構成は、図1に示す電極−電解質膜接合体50と同様のため、説明を省略する。
Next, an electrode-
電解質膜20aは、電極10上に設けられた第1電解質膜30aと、第1電解質膜30a上に設けられた第2電解質膜40aと、第2電解質膜40a上に設けられた第3電解質膜45aと、を有する。第1電解質膜30aは、第2電解質膜40aを構成する電解質に比較して粒界抵抗が小さい電解質から構成される。第2電解質膜40aは、第3電解質膜45aを構成する電解質に比較して粒界抵抗が小さい電解質から構成される。
The
本実施例に係る電極−電解質膜接合体50aにおいても、電極10に近い位置に粒界抵抗が小さい電解質が配置される。したがって、電解質膜20aの導電率を向上させることができる。なお、第1電解質膜30a、第2電解質膜40aおよび第3電解質膜45aの順に、焼結性が高くてもよく、燒結助剤の添加量が多くてもよく、格子定数が電極10の格子定数に近くてもよい。この場合、電極10近傍における微細結晶の発生を抑制することができる。
Also in the electrode-
続いて本発明の第3実施例に係る電極−電解質膜接合体50bについて説明する。図4は、本発明の第3実施例に係る電極−電解質膜接合体50bを示す模式的断面図である。図4に示す電極−電解質膜接合体50bは、電解質膜20の代わりに電解質膜20bを備える点において、図1に示す電極−電解質膜接合体50と異なる。その他の構成は、図1に示す電極−電解質膜接合体50と同様のため、説明を省略する。
Next, an electrode-
電解質膜20bを構成する電解質は、電極10に近いほど小さい粒界抵抗を有する。したがって、電解質膜20aの導電率を向上させることができる。なお、電解質膜20bを構成する電解質は、電極10に近いほど焼結性が高くても良く、燒結助剤の添加量が多くてもよく、格子定数が電極10の格子定数に近くてもよい。この場合、電極10近傍における微細結晶の発生を抑制することができる。
The electrolyte constituting the
続いて本発明の第4実施例に係る電極−電解質膜接合体50cについて説明する。図5は、本発明の第4実施例に係る電極−電解質膜接合体50cを示す模式的断面図である。図5に示す電極−電解質膜接合体50cは、電解質膜20の代わりに電解質膜20cを備える点において、図1に示す電極−電解質膜接合体50と異なる。図5に示す電解質膜20cは、第1電解質膜30の代わりに、第1電解質膜30cを備える点において、図1に示す電解質膜20と異なる。その他の構成は、図1に示す電極−電解質膜接合体50と同様のため、説明を省略する。
Next, an electrode-
図5に示す第1電解質膜30cは、電極10上において中心付近の膜厚が周辺付近の膜厚に比較して薄い点において、図1に示す第1電解質膜30と異なる。例えば、図5に示す第1電解質膜30cは、中心から周辺にかけて膜厚が漸次厚くなるような形状を有している。
The
本実施例に係る電極−電解質膜接合体50cにおいては、第1電解質膜30cを気相成膜法により成膜する場合に、第1電解質膜30cの中心付近の温度は周辺付近に比較して高温になる。そのため、第1電解質膜30cの中心付近は、周辺付近に比較して早期に結晶化することから、第1電解質膜30cの中心付近の結晶粒径は、周辺付近の結晶粒径に比較して大きくなる。それにより、第1電解質膜30cの中心付近の膜厚を周辺付近の膜厚に比較して薄くすることができる。この場合、電解質膜20cにおいて中心付近の第2電解質膜40の比率が高くなる。その結果、電解質膜20cの導電率が高くなる。
In the electrode-
10 電極
20 電解質膜
30 第1電解質膜
40 第2電解質膜
45 第3電解質膜
50 電極−電解質膜接合体
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記電極上に設けられた第1電解質膜と、
前記第1電解質膜上に設けられた第2電解質膜と、を備え、
前記第1電解質膜を構成する電解質の粒界抵抗は、前記第2電解質膜を構成する電解質の粒界抵抗に比較して小さいことを特徴とする電極−電解質膜接合体。 Electrodes,
A first electrolyte membrane provided on the electrode;
A second electrolyte membrane provided on the first electrolyte membrane,
The electrode-electrolyte membrane assembly, wherein the grain boundary resistance of the electrolyte constituting the first electrolyte membrane is smaller than the grain boundary resistance of the electrolyte constituting the second electrolyte membrane.
前記第1電解質膜上に第2電解質膜を成膜する工程と、を含み、
前記第1電解質膜を構成する電解質の粒界抵抗は、前記第2電解質膜を構成する電解質の粒界抵抗に比較して小さいことを特徴とする電極−電解質膜接合体の製造方法。 Forming a first electrolyte membrane on the electrode;
Forming a second electrolyte membrane on the first electrolyte membrane,
The method for producing an electrode-electrolyte membrane assembly, wherein the grain boundary resistance of the electrolyte constituting the first electrolyte membrane is smaller than the grain boundary resistance of the electrolyte constituting the second electrolyte membrane.
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Cited By (3)
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JP2012104308A (en) * | 2010-11-09 | 2012-05-31 | National Institute For Materials Science | Method of producing dense material of electrolyte for solid oxide fuel cell |
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JP2020091949A (en) * | 2018-12-03 | 2020-06-11 | 国立大学法人 東京大学 | Solid oxide fuel cell with mixed conductor layer |
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2007
- 2007-08-29 JP JP2007222382A patent/JP2009054520A/en active Pending
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