JP2009231209A - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 酸化物電解質の亀裂発生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】 本発明に係る燃料電池（１００）の製造方法は、ガス透過性を有しかつ一面側に凸となる凸形状を有する金属支持体（１０）の一面に、第１電極（２０）を配置する第１配置工程と、第１電極の金属支持体と反対側に酸化物電解質（３０）を配置する第２配置工程と、酸化物電解質を焼結させつつ、金属支持体を平坦化する平坦化工程と、を含むことを特徴とするものである。
【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等がある。このうち、固体酸化物型燃料電池においては、電解質を支持するために多孔質上の金属支持体が用いられる場合がある。特許文献１には、金属支持体上に固体酸化物の電解質（以下、酸化物電解質と称する）を形成する方法が開示されている。

特表２００５−５２７０７４号公報

しかしながら、特許文献１に係る方法では、焼結時に酸化物電解質が収縮することによって、酸化物電解質に亀裂が発生する場合がある。

本発明は、酸化物電解質の亀裂発生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、ガス透過性を有しかつ一面側に凸となる凸形状を有する金属支持体の一面に、第１電極を配置する第１配置工程と、第１電極の金属支持体と反対側に酸化物電解質を配置する第２配置工程と、酸化物電解質を焼結させつつ、金属支持体を平坦化する平坦化工程と、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よれば、酸化物電解質が焼結によって収縮する。また、金属支持体の一面も平坦化によって収縮する。この場合、酸化物電解質の収縮が吸収される。それにより、酸化物電解質における亀裂発生を抑制することができる。

上記製造方法において、平坦化工程後に酸化物電解質の第１電極と反対側に第２電極を配置する第３配置工程をさらに含んでもよい。

上記製造方法において、平坦化工程前に酸化物電解質の第１電極と反対側に第２電極を配置する第３配置工程をさらに含んでもよい。この製造方法によれば、第２電極の体積収縮を金属支持体の一面の収縮によって吸収することができる。それにより、第２電極における亀裂発生を抑制することができる。

上記製造方法において、第２電極は、金属酸化物からなるカソードであってもよい。上記製造方法において、凸形状は、一面側に凸に湾曲する形状であってもよい。

上記製造方法において、金属支持体は、フェライト系ステンレスであってもよい。この場合、フェライト系ステンレスが酸化物電解質に近い熱膨張率を有することから、酸化物電解質の亀裂発生をより抑制することができる。

本発明によれば、酸化物電解質の亀裂発生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。

本発明の実施例１に係る燃料電池１００の製造方法について説明する。図１（ａ）〜図１（ｅ）は、実施例１に係る燃料電池１００の製造方法を示す製造工程図である。図１（ａ）〜図１（ｅ）においては、断面図が示されている。

まず、図１（ａ）に示すように、ガス透過性を有しかつ一面側に凸となる凸形状を有する金属支持体１０を準備する。金属支持体１０は、燃料電池１００の支持基板としての機能を有する。金属支持体１０は、複数の孔部１２が形成された多孔質金属からなる。本実施例においては、孔部１２は、金属支持体１０の下面側から上面側に向けて貫通する貫通孔である。金属支持体１０に供給されるガスは、孔部１２を通って、下面側から上面側へ金属支持体１０を透過する。金属支持体１０の厚みは、特に限定されないが、例えば１０μｍ〜数百μｍである。孔部１２の径は、特に限定されないが、例えば２０μｍ程度である。また、金属支持体１０を構成する金属は、特に限定されない。本実施例においては、金属支持体１０としてステンレスを用いる。

なお、金属支持体１０として、複数の孔部１２が形成された多孔質金属からなるもの以外に、例えば、金属粉末を焼結することによって得られる金属支持体（三次元的な孔を有する）を用いてもよい。あるいは、金属繊維を焼結することによって得られるいわゆる不織布を用いてもよい。あるいは、テンプレートにメッキを施した後にテンプレートを取り除くことによって得られるいわゆるセルメットを用いてもよい。あるいは、発泡金属（三菱マテリアル製）を用いてもよい。

金属支持体１０の凸形状は特に限定されないが、本実施例においては一面側に凸に湾曲する形状である。金属支持体１０は、例えば平坦形状の多孔質金属板を凸に湾曲させることによって製造される。多孔質金属板の湾曲方法は特に限定されない。例えば、多孔質金属板の端部を固定して中心部に押圧を加えて湾曲させる方法、多孔質金属板を凸形状の型に押し当てる方法等が用いられる。また、金属支持体１０は、凸形状の型に金属支持体１０の構成金属を充填して焼結させることによって製造することもできる。

次いで、図１（ｂ）に示すように、金属支持体１０の凸面上にアノード電極２０を配置する。アノード電極２０として、例えば、ＧｄＣｅＯ_２，ＳｍＣｅＯ_２，ＹＳＺ（ＺｒＹＯ_２），（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ_３，ＢａＣｅＯ_３，ＢａＺｒＯ_３，ＳｒＺｒＯ_３，ＳｒＣｅＯ_３等のセラミックスにＮｉが物理的に混合されたセラミックスが用いられる。本実施例においては、アノード電極２０として、ＹＳＺ（Ｚｒ_０．９２Ｙ_０．０８Ｏ_２）にＮｉが物理的に混合されたセラミックスを用いる。

アノード電極２０の配置方法としては、ＹＳＺ（Ｚｒ_０．９２Ｙ_０．０８Ｏ_２）の粉末とＮｉとのペーストを、金属支持体１０上にコーティングする方法が用いられる。コーティング方法としては、例えばスクリーン印刷等の方法が用いられる。また、アノード電極２０に占めるＮｉの割合は、特に限定されないが、例えば２５重量％程度〜７５重量％程度である。また、アノード電極２０の厚みは、特に限定されないが、例えば１０μｍ〜１００μｍ程度である。本実施例においては、４０μｍ程度である。

次いで、図１（ｃ）に示すように、アノード電極２０上に、酸化物電解質３０を配置する。なお、酸化物電解質３０として、酸素イオン伝導性電解質または水素イオン伝導性電解質が用いられる。酸素イオン伝導性電解質として、例えば、ＧｄＣｅＯ_２，ＳｍＣｅＯ_２，ＹＳＺ（ＺｒＹＯ_２），（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ_３等のセラミックスが用いられる。水素イオン伝導性電解質として、例えば、ＢａＣｅＯ_３，ＢａＺｒＯ_３，ＳｒＺｒＯ_３，ＳｒＣｅＯ_３等のセラミックスが用いられる。本実施例においては、酸化物電解質３０として、ＹＳＺ（Ｚｒ_０．９２Ｙ_０．０８Ｏ_２）を用いる。

酸化物電解質３０の配置方法として、例えばＹＳＺ（Ｚｒ_０．９２Ｙ_０．０８Ｏ_２）の粉末のペーストをアノード電極２０上にコーティングする方法が用いられる。コーティング方法として、例えばスクリーン印刷等の方法が用いられる。また、酸化物電解質３０の厚みは、特に限定されないが、例えば１μｍ〜５０μｍ程度である。本実施例においては、２０μｍ程度である。

次いで、図１（ｄ）に示すように、アノード電極２０および酸化物電解質３０を焼成しつつ、金属支持体１０を平坦化する。図１（ｄ）の工程によって、アノード電極２０および酸化物電解質３０は、焼結して緻密化する。

焼成の条件としては、例えば、雰囲気は大気雰囲気であり、温度は８００℃〜１４００℃程度であり、時間は１時間〜５時間程度である。本実施例においては、雰囲気は大気雰囲気とし、温度は１０００℃程度とし、時間は３時間程度とする。金属支持体１０を平坦化する方法としては、特に限定されないが、例えば、金属支持体１０に押圧を加えて金属支持体１０を平坦化する方法が用いられる。

次いで、図１（ｅ）に示すように、酸化物電解質３０上にカソード電極４０（第２電極）を配置する。カソード電極４０としては、例えば、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_３，Ｐｒ_０．８Ｓｒ_０．２ＣｏＯ_３，Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＣｏＯ_３，Ｐｒ_０．５Ｓｒ_０．５ＣｏＯ_３，Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＦｅＯ_３，Ｐｒ_０．８Ｓｒ_０．２ＦｅＯ_３，Ｌａ_０．７Ｓｒ_０．２５ＦｅＯ_３，Ｂａ_０．５Ｓｒ_０．５Ｃｏ_０．８Ｆｅ_０．２Ｏ_３，Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｃｏ_０．８Ｆｅ_０．２Ｏ_３，Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．８Ｆｅ_０．２Ｏ_３等のセラミックスが用いられる。本実施例においては、一例として、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_３を用いる。

カノード電極４０の配置方法は、セラミックスを配置できる方法であれば特に限定されない。カノード電極４０の配置方法として、例えばスクリーン印刷、スパッタ、イオンプレーティング、溶射、ＥＢ蒸着、ゾルゲル法、めっき等の方法が用いられる。以上の製造方法により、燃料電池１００は製造される。

図１（ｄ）の工程において、酸化物電解質３０は、焼結によって収縮する。この場合、仮に図１（ｄ）の工程において金属支持体１０が平坦化されない場合には、酸化物電解質３０には、体積収縮に伴って亀裂が発生するおそれがある。

一方、本実施例に係る燃料電池１００の製造方法によれば、図１（ｄ）の工程において金属支持体１０の凸面が徐々に収縮する。この場合、酸化物電解質３０の体積収縮が吸収される。それにより、酸化物電解質３０の亀裂発生を抑制することができる。

燃料電池１００は、以下の作用によって発電する。一例として、酸素イオン伝導性電解質を用いた場合について説明する。まず、金属支持体１０には、水素（Ｈ_２）が供給され、カソード電極４０には、酸素（Ｏ_２）が供給される。カソード電極４０においては、カソード電極４０に供給された酸素と、外部電気回路から供給される電子と、が反応して酸素イオンになる。酸素イオンは、酸化物電解質３０を伝導してアノード電極２０側に移動する。

一方、金属支持体１０に供給された水素は、孔部１２を介して、アノード電極２０に到達する。アノード電極２０に到達した水素は、アノード電極２０において電子を放出するとともに、カソード電極４０側から酸化物電解質３０を伝導してくる酸素イオンと反応して水（Ｈ_２Ｏ）になる。放出された電子は、外部電気回路によって外部に取り出される。外部に取り出された電子は、電気的な仕事をした後に、カソード電極４０に供給される。以上の作用によって、発電が行われる。

本実施例に係る燃料電池１００の製造方法によれば、酸化物電解質３０の亀裂発生を抑制することができることから、燃料電池１００の酸素イオン伝導性低下が抑制される。その結果、燃料電池１００の発電性能低下が抑制される。

なお、本実施例において、図１（ｂ）の工程においてカソード電極４０が配置され、図１（ｅ）の工程においてアノード電極２０が配置されてもよい。

また、アノード電極２０と酸化物電解質３０とは、同じセラミックスを含むことが好ましい。この場合、アノード電極２０の結晶構造と酸化物電解質３０の結晶構造とが近くなることから、アノード電極２０と酸化物電解質３０との界面の密着性が良好になり、両者の結合が強固になるからである。例えば、酸化物電解質３０がＹＳＺ（Ｚｒ_０．９２Ｙ_０．０８Ｏ_２）の場合、アノード電極２０はＹＳＺ（Ｚｒ_０．９２Ｙ_０．０８Ｏ_２）とＮｉとの混合セラミックスであり、酸化物電解質３０がＧｄＣｅＯ_２の場合、アノード電極２０はＧｄＣｅＯ_２とＮｉとの混合セラミックスであることが好ましい。

また、金属支持体１０としてフェライト系ステンレスを用いることが好ましい。フェライト系ステンレスは、酸化物電解質３０に近い熱膨張率を有するからである。この場合、酸化物電解質３０の亀裂発生がより抑制される。

また、図１（ｄ）の工程は、低酸素雰囲気、不活性雰囲気（Ａｒ，Ｈｅ，Ｎ_２等）および還元雰囲気（Ｈ_２等）のいずれかの雰囲気において行われてもよい。この場合には、図１（ｄ）の工程における金属支持体１０の酸化を抑制することができる。図１（ｄ）の工程において、金属支持体１０を平坦化する時間は、酸化物電解質３０が焼結する時間に近いことが好ましい。酸化物電解質３０の体積収縮を吸収しやすいからである。また、図１（ｄ）の工程において、焼成温度は、酸化物電解質３０の焼結温度に近いことが好ましい。

本実施例において、図１（ｂ）の工程は第１配置工程に相当し、図１（ｃ）の工程は第２配置工程に相当し、図１（ｄ）の工程は平坦化工程に相当し、図１（ｅ）の工程は請求項２記載の第３配置工程に相当する。

続いて、本発明の実施例２に係る燃料電池１００ａの製造方法について説明する。図２（ａ）〜図２（ｆ）は、実施例２に係る燃料電池１００ａの製造方法を示す製造工程図である。図２（ｄ）および図２（ｅ）に示すように、本実施例に係る燃料電池１００ａの製造方法は、酸化物電解質３０上にカソード電極４０を配置した後に、アノード電極２０、酸化物電解質３０およびカソード電極４０を焼成しつつ金属支持体１０を平坦化する点において、実施例１に係る燃料電池１００の製造方法と異なっている。

本実施例に係る燃料電池１００ａの製造方法によれば、カソード電極４０の焼結時の体積収縮を金属支持体１０の凸面の収縮によって吸収することができる。それにより、カソード電極４０の亀裂に起因するカソード電極４０の電子伝導性低下が抑制される。

なお、本実施例において、図２（ｂ）の工程においてカソード電極４０が配置され、図２（ｄ）の工程においてアノード電極２０が配置されてもよい。

本実施例において、図２（ｂ）の工程は第１配置工程に相当し、図２（ｃ）の工程は第２配置工程に相当し、図２（ｄ）の工程は請求項３記載の第３配置工程に相当し、図２（ｅ）の工程は平坦化工程に相当する。

図１（ａ）〜図１（ｅ）は、実施例１に係る燃料電池の製造方法を示す製造工程図である。 図２（ａ）〜図２（ｆ）は、実施例２に係る燃料電池の製造方法を示す製造工程図である。

符号の説明

１０ 金属支持体
１２ 孔部
２０ アノード電極
３０ 酸化物電解質
４０ カソード電極
１００ 燃料電池

Claims (6)

1. ガス透過性を有しかつ一面側に凸となる凸形状を有する金属支持体の前記一面に、第１電極を配置する第１配置工程と、
   前記第１電極の前記金属支持体と反対側に酸化物電解質を配置する第２配置工程と、
   前記酸化物電解質を焼結させつつ、前記金属支持体を平坦化する平坦化工程と、を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
2. 前記平坦化工程後に前記酸化物電解質の前記第１電極と反対側に第２電極を配置する第３配置工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の製造方法。
3. 前記平坦化工程前に前記酸化物電解質の前記第１電極と反対側に第２電極を配置する第３配置工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の製造方法。
4. 前記第２電極は、金属酸化物からなるカソードであることを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池の製造方法。
5. 前記凸形状は、前記一面側に凸に湾曲する形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
6. 前記金属支持体は、フェライト系ステンレス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。

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