JP2010044934A - Fuel cell, and manufacturing method for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池及び燃料電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell and a method for manufacturing the fuel cell.
燃料電池は、酸化剤と還元剤との電気化学反応により電力を取り出す次世代の主流となる電源システムとして燃料電池の研究・開発が広く行われている。燃料電池装置の一種である固体酸化物型燃料電池では固体酸化物型電解質の一方の面に燃料極が、他方の面に空気極が形成された発電セルが用いられる。 Fuel cells are widely researched and developed as a next-generation mainstream power supply system that extracts power by an electrochemical reaction between an oxidizing agent and a reducing agent. In a solid oxide fuel cell which is a kind of fuel cell device, a power generation cell in which a fuel electrode is formed on one surface of a solid oxide electrolyte and an air electrode is formed on the other surface is used.
固体酸化物形燃料電池を製造する方法としては、従来、例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ)等のジルコニア系酸化物などの酸素イオン伝導性セラミックス系材料が用いられる電解質上に、燃料極ペーストをスクリーン印刷法により帯状に塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結し、燃料極を形成する方法が知られている(特許文献1参照)。
ところで、上述の方法により固体酸化物型燃料電池を製造する場合、電解質は、基板として用いられるため、ある程度の強度が必要であることから、その厚みは、例えば200〜1000μmであることが好ましいことが知られている。また、多孔質な燃料極を予め形成しておき、その後、緻密な電解質膜をその上面に形成する方法も知られている。しかしながら、いずれの方法により固体酸化物形燃料電池を製造する場合も、電解質膜を例えば数ミクロンからサブミクロン程度といった厚みまで薄く形成することは大変困難であるのが実状であった。
本発明の課題は、電解質膜が薄く形成された燃料電池及びその製造方法を提供することである。
By the way, when a solid oxide fuel cell is manufactured by the above-mentioned method, since the electrolyte is used as a substrate, a certain degree of strength is required. Therefore, the thickness is preferably, for example, 200 to 1000 μm. It has been known. A method is also known in which a porous fuel electrode is formed in advance and then a dense electrolyte membrane is formed on the upper surface thereof. However, even when a solid oxide fuel cell is manufactured by any method, it is actually difficult to form a thin electrolyte membrane to a thickness of, for example, several microns to about a submicron.
An object of the present invention is to provide a fuel cell having a thin electrolyte membrane and a method for manufacturing the fuel cell.
請求項1記載の発明に係る燃料電池は、
イオンを通す電解質膜と、当該電解質膜の一方の面に形成された燃料極と、前記電解質膜の他方の面に形成された空気極とを備え、
前記燃料極は、多孔質なNiを主成分として含み、なおかつ前記電解質膜に含まれる酸化物を含まないことを特徴としている。
A fuel cell according to
An electrolyte membrane through which ions pass, a fuel electrode formed on one surface of the electrolyte membrane, and an air electrode formed on the other surface of the electrolyte membrane,
The fuel electrode includes porous Ni as a main component and does not include an oxide included in the electrolyte membrane.
請求項2記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池において、
前記燃料極は、表面にAl2O3の薄膜が存在していることを特徴としている。
The invention according to
The fuel electrode is characterized in that an Al 2 O 3 thin film is present on the surface.
請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の燃料電池において、
前記電解質膜は、YSZであることを特徴としている。
The invention according to
The electrolyte membrane is YSZ.
請求項4記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記空気極は、LSM又はLSCであることを特徴としている。
The invention according to
The air electrode is LSM or LSC.
請求項5記載の発明に係る燃料電池の製造方法は、
Niを主成分として含む板状の基体の少なくとも一部に、イオンを通す電解質を含む電解質膜を形成する工程と、
次に、前記電解質膜上の少なくとも一部に、空気極を形成する工程と、
次に、前記基体における前記電解質膜によって覆われていない領域のうち少なくとも一部をアルコールと塩化リチウムとを含む電解液を用いて電解エッチングする工程とを含むことを特徴としている。
A method of manufacturing a fuel cell according to the invention of claim 5 comprises:
Forming an electrolyte membrane containing an electrolyte that allows ions to pass through at least part of a plate-like substrate containing Ni as a main component;
Next, forming an air electrode on at least a part of the electrolyte membrane;
Next, the method includes a step of electrolytically etching at least a part of a region of the substrate that is not covered with the electrolyte membrane using an electrolytic solution containing alcohol and lithium chloride.
請求項6記載の発明は、請求項5記載の燃料電池の製造方法において、
前記電解質膜を形成する工程は、
前記基体の表面のうち前記電解質膜及び空気極を形成する部分にYSZ膜を形成する工程を含み、
前記空気極を形成する工程は、
前記YSZ膜における前記基体とは反対側の面にLSM膜又はLSC膜を形成する工程を含むことを特徴としている。
A sixth aspect of the present invention is the method of manufacturing a fuel cell according to the fifth aspect,
The step of forming the electrolyte membrane includes:
Including a step of forming a YSZ film on a portion of the surface of the substrate where the electrolyte film and the air electrode are formed,
The step of forming the air electrode includes:
The method includes a step of forming an LSM film or an LSC film on a surface of the YSZ film opposite to the base.
請求項7記載の発明は、請求項5又は6記載の燃料電池の製造方法において、
前記空気極を形成する工程の後であって、前記電解エッチングする工程の前に、前記基体における前記電解質膜によって覆われていない領域のうち少なくとも一部にNiCr膜を形成する工程を含み、
前記電解エッチングする工程は、前記基体のNiCr膜が形成された部分の少なくとも一部をエッチングすることを特徴としている。
The invention according to claim 7 is the method of manufacturing a fuel cell according to
After the step of forming the air electrode, and before the step of electrolytic etching, including a step of forming a NiCr film on at least a part of a region of the substrate that is not covered with the electrolyte film,
The electrolytic etching step is characterized in that at least a part of a portion of the base on which the NiCr film is formed is etched.
請求項8記載の発明は、請求項5又は6に記載の燃料電池の製造方法において、
前記電解質膜及び前記空気極を形成する工程の後であって、前記電解エッチングする工程の前に、前記基体における前記電解質膜によって覆われていない領域のうち少なくとも一部にAl2O3膜を形成する工程を含み、
前記電解エッチングする工程は、前記基体のAl2O3膜が形成された部分の少なくとも一部をエッチングすることを特徴としている。
Invention of
After the step of forming the electrolyte membrane and the air electrode, and before the step of electrolytic etching, an Al 2 O 3 film is formed on at least a part of a region of the substrate that is not covered with the electrolyte membrane. Including the step of forming,
The electrolytic etching step is characterized in that at least a part of the portion of the substrate on which the Al 2 O 3 film is formed is etched.
請求項9記載の発明は、請求項5〜8のいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法において、
前記電解エッチングする工程は、少なくとも前記空気極を覆うようにマスクを形成する工程を含むことを特徴としている。
The invention according to
The electrolytic etching step includes a step of forming a mask so as to cover at least the air electrode.
請求項10記載の発明は、請求項5〜8のいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法において、
前記電解エッチングする工程は、前記基体における前記電解質膜及び前記空気極が形成された領域を除く部分のうち少なくとも一部を前記電解液に浸漬する工程を含むことを特徴としている。
Invention of
The step of performing the electrolytic etching includes a step of immersing at least a part of the portion of the substrate excluding the region where the electrolyte membrane and the air electrode are formed in the electrolytic solution.
本発明によれば、電解質膜が薄く形成された固体酸化物型燃料電池及びその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid oxide fuel cell having a thin electrolyte membrane and a method for manufacturing the same.
以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. However, although various technically preferable limitations for implementing the present invention are given to the embodiments described below, the scope of the invention is not limited to the following embodiments and illustrated examples.
〔電子機器〕
図1は燃料電池装置1を搭載した携帯用の電子機器100を示すブロック図である。この電子機器100は、例えばノート型パーソナルコンピュータ、PDA、電子手帳、デジタルカメラ、携帯電話機、腕時計、レジスタ及びプロジェクタ等といった携帯型の電子機器である。
〔Electronics〕
FIG. 1 is a block diagram showing a portable
電子機器100は、電子機器本体901、DC/DCコンバータ902、二次電池903等と、燃料電池装置1とを備える。
電子機器本体901はDC/DCコンバータ902または二次電池903により供給される電力により駆動する。DC/DCコンバータ902は燃料電池装置1により生成された電力を適切な電圧に変換したのちに電子機器本体901に供給する。また、DC/DCコンバータ902は燃料電池装置1により生成された電力を二次電池903に充電し、燃料電池装置1が動作していない時に、二次電池903に蓄電された電力を電子機器本体901に供給する。
The
The electronic device
〔燃料電池装置〕
この燃料電池装置1は、燃料容器2、ポンプ3、反応装置10等を備える。燃料電池装置1の燃料容器2は、例えば電子機器100に対して着脱可能に設けられており、ポンプ3、反応装置10は、例えば電子機器100の本体に内蔵されている。
[Fuel cell device]
The
燃料容器2には、液体の燃料(例えば、メタノール等の炭化水素系燃料)と水との混合液が貯留されている。なお、液体の燃料と水とを別々の容器に貯留してもよい。
ポンプ3は、燃料容器2内の混合液を吸引して、反応装置10内の気化器4に送液するものである。
The
The
反応装置10内には気化器4、改質器6、発電セル8及び触媒燃焼器9が収容されている。反応装置10の内部空間は、気体分子による熱伝導や対流を防ぐため、例えば10Pa以下、より好ましくは1Pa以下といった、大気圧より低い気圧に保たれている。
気化器4、改質器6、触媒燃焼器9にはそれぞれ電気ヒータ兼温度センサ4a,6a,9aが設けられている。電気ヒータ兼温度センサ4a,6a,9aの電気抵抗値と温度は、その測定温度範囲において一対一対応するので、この電気ヒータ兼温度センサ4a,6a,9aが気化器4、改質器6、触媒燃焼器9の温度を測定する温度センサとしても機能する。
A
The
ポンプ3から気化器4に送られた混合液は電気ヒータ兼温度センサ4aの熱や触媒燃焼器9から伝播した熱により約110〜160℃程度に加熱されて気化し、混合気が生成される。気化器4で生成された混合気(反応物)は改質器6へ送られる。
The liquid mixture sent from the
改質器6は、本発明に係る反応器である。図2は改質器6の概略構成を示す分解斜視図である。図2に示すように、改質器6の本体(反応器本体)61は、一面で開口した箱体62と、箱体62の開口を閉塞する底板63と、箱体62及び底板63によって形成された内部空間に収容され、その内部空間を仕切る複数の仕切板(触媒)65〜71と、を備える。箱体62及び底板63はステンレス綱といった金属材料から形成されている。なお、仕切板65〜71の形成材料についての詳細は後述するが、主材料はNi鋼である。
The
インレットポート72が底板63の四つ角のうち1つの角73の近傍に形成され、アウトレットポート74がその隣の角75に形成されている。インレットポート72、アウトレットポート74は底板63を貫通した孔である。
An
仕切板65〜71がL字状に折り曲げられており、これによりフランジ65a〜71a(フランジ70a,71aは不図示)が仕切板65〜71の一辺に形成されている。フランジ65a〜71aが底板63の一方の面に接合されることによって、仕切板65a〜71aが底板63に対して直角に立った状態で底板63の一方の面に設けられている。
The
仕切板65〜71は底板63の四辺631〜634のうち向かい合う2つの辺633,634に平行となるように配置されている。また、仕切板65〜68はそれらと平行でない1つの辺631寄りに設けられ、仕切板69〜71がその辺631の対辺632寄りに設けられ、仕切板65〜68と仕切板69〜71が互い違いに配置されている。
The
完成された反応器6では、仕切板65〜71が箱体62に入り込むようにして、底板63が箱体62の開口を塞ぎ、底板63が箱体62に接合されている。仕切板65〜68における底板63に対して直角な辺のうち、底板63の辺631に近い方の辺が箱体62の4つの側壁のうち底板63の辺631に沿って配置された1つ側壁621に当接し、底板63の辺632に近い方の辺が底板63の辺632に沿って配置された対向の側壁622から離れている。仕切り板69〜71における底板63に対して直角な辺のうち底板63の辺632に近い方の辺が側壁622に当接し、底板63の辺631に近い方の辺が側壁621から離れている。仕切板65〜68のうち側壁621と当接する辺と側壁621とは接合されていてもよい。仕切板69〜71のうち側壁632と当接する辺と側壁632とも同様である。
In the completed
箱体62及び底板63によって包囲された内部空間が仕切板65〜71によって仕切られることによって、その内部空間に流路95が形成される。仕切板65〜68と仕切板69〜71が互い違いに配置されているので、内部の流路95は蛇行した流路となる。
The internal space surrounded by the
仕切板65〜71における底板63の辺633,634に対して平行な2つの主面には多孔質部90が形成されている。この多孔質部90は図面上均等な升目で表現しているが実際には不規則な凹凸となっている。多孔質部90では、触媒としてのNi基体が露出している。これにより、流路95を通過する混合気(反応物)がNiに触れて触媒反応を起こすことになる。燃料と水の混合気とによる改質反応によって燃料としての水素、二酸化炭素及び副生成物である微量な一酸化炭素等の混合気体(改質ガス)が生成される。なお、燃料がメタノールの場合、改質器6では主に次式(1)に示すような水蒸気改質反応が起こる。
CH3OH+H2O→3H2+CO2 …(1) CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 (1)
一酸化炭素は化学反応式(1)についで逐次的に起こる次式(2)のような式によって微量に副生される。 Carbon monoxide is by-produced in a trace amount by an equation such as the following equation (2) that occurs sequentially following the chemical reaction equation (1).
H2+CO2→H2O+CO …(2) H 2 + CO 2 → H 2 O + CO (2)
化学反応式(1)、(2)により生成された改質ガスは発電セル8に送出される。
図3は発電セル8の模式図である。図3に示すように、発電セル8は、本発明に係る電解質膜である固体酸化物型電解質81と、固体酸化物型電解質81の両面に形成された燃料極82(アノード)及び空気極83(カソード)と、燃料極82に接合してその接合面に流路86を形成したアノード集電極84と、空気極83に接合してその接合面に流路87を形成したカソード集電極85とを備える。また、発電セル8は筐体91内に収容される。
The reformed gas generated by the chemical reaction formulas (1) and (2) is sent to the
FIG. 3 is a schematic diagram of the
固体酸化物型電解質81には、ジルコニア系の(Zr1−xYx)O2−x/2(YSZ)等を、空気極83にはLa1−xSrxMnO3(LSM)やLa1−xSrxCoO3(LSC)等を、燃料極82にはNi等を、アノード集電極84及びカソード集電極85にはLaCr(Mg)O3、(La,Sr)CrO3、NiAl+Al3O3等を、それぞれ用いることができる。なお、後述するが、従来、燃料極には構造上の理由によりNi+YSZ等が用いられていた。
The
発電セル8は電気ヒータ兼温度センサ9aや触媒燃焼器9の熱により約500〜1000℃程度に加熱され、後述する反応が起こる。
The
空気極83にはカソード集電極85の流路87を介して空気が送られる。空気極83では酸素とカソード出力電極21bより供給される電子により、次式(3)に示すように酸素イオンが生成される。
Air is sent to the
O2+4e−→2O2 − …(3) O 2 + 4e − → 2O 2 − (3)
固体酸化物型電解質81は酸素イオンの透過性を有し、空気極83で化学反応式(3)により生成された酸素イオンを透過させて燃料極82に到達させる。
燃料極82にはアノード集電極84の流路86を介して改質器6から排出された改質ガスが送られる。燃料極82では固体酸化物型電解質81を透過した酸素イオンと改質ガスとの次式(4)、(5)のような反応が起こる。
The
The reformed gas discharged from the
H2+O2 −→H2O+2e− …(4)
CO+O2 −→CO2+2e− …(5)
H 2 + O 2 − → H 2 O + 2e − (4)
CO + O 2 − → CO 2 + 2e − (5)
化学反応式(4)、(5)により放出される電子は、燃料極82、アノード出力電極21a、DC/DCコンバータ902等の外部回路を経てカソード出力電極21bより空気極83に供給される。
Electrons emitted by the chemical reaction formulas (4) and (5) are supplied to the
アノード集電極84及びカソード集電極85には、アノード出力電極21a、カソード出力電極21bがそれぞれ接続され、筐体91を貫通して引き出される。ここで、筐体91は例えばNi系の合金で形成され、アノード出力電極21a及びカソード出力電極21bはガラス、セラミック等の絶縁材により筐体91から絶縁されて引き出される。図1に示すように、アノード出力電極21a及びカソード出力電極21bは、例えばDC/DCコンバータ902に接続される。
An
アノード集電極84の流路を通過した改質ガス(オフガス)には、未反応の水素、水蒸気及び二酸化炭素が含まれている。オフガスは触媒燃焼器9に供給される。
The reformed gas (off gas) that has passed through the flow path of the
触媒燃焼器9には、オフガスとともに、カソード集電極85の流路87を通過した空気が供給される。空気は未反応の酸素を含む。触媒燃焼器9の内部には流路が形成され、その流路の壁面にPt系の触媒が担持されている。
Air that has passed through the
オフガスと空気の混合気体(燃焼ガス)は触媒燃焼器9の流路を流れ、電気ヒータ兼温度センサ9aにより加熱される。触媒燃焼器9の流路を流れている燃焼ガスのうち水素が触媒により燃焼され、これにより燃焼熱が発生する。水蒸気と二酸化炭素を含む燃焼後の排ガスは触媒燃焼器9から反応装置10の外部に放出される。
A mixed gas (combustion gas) of off gas and air flows through the flow path of the
この触媒燃焼器9で発生した燃焼熱は発電セル8の温度を高温(約500〜1000℃程度)に維持するのに用いられる。そして、発電セル8の熱は、改質器6、気化器4に伝導し、気化器4における蒸発、改質器6における水蒸気改質反応に用いられる。
The combustion heat generated in the
[改質器における触媒の製造方法]
次に、改質器6における触媒の製造方法について説明する。この触媒の製造方法については、Ni基体に対して直接電解エッチングを施す方法(第1の触媒製造方法)、Ni基体にNiCr膜を形成した後に電解エッチングを施す方法(第2の触媒製造方法)及びNi基体にAl2O3膜を形成した後に電解エッチングを施す方法(第3の触媒製造方法)があり、以下順番に説明する。
[Method for producing catalyst in reformer]
Next, a method for producing a catalyst in the
[第1の触媒製造方法]
図4は、第1の触媒製造方法で用いられるエッチング装置の概略構成を示す概念図である。図4に示すように、エッチング装置200には、容器201と、DC電源202とが備えられている。DC電源202のアノード側にはエッチングされる部材としてのNi基体203aが、カソード側には例えば金系材料等からなる貴金属板204が接続されている。容器201内にはNi基体203aと貴金属板204とが対向するように収容されていて、これらが浸かるように電解液205が収容されている。
[First Catalyst Production Method]
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a schematic configuration of an etching apparatus used in the first catalyst manufacturing method. As shown in FIG. 4, the
電解液205は、アルコール(例えばエタノール)を溶媒にして、所定量の塩化リチウムを溶解させたものである。
Ni基体203aは、仕切板65〜71となるものであり、電解液205に浸される前には、多孔質部90となる部分以外の領域は電解液205に接触しないようにマスクされている。なお、Ni基体203aは、触媒として作用するNiを主成分として含む基体であればよい。この場合、固体酸化物型電解質81に含まれる酸化物を含んでいなくともよい。
そして、電解液205内でNi基体203aと貴金属板204とが対向配置されてから、DC電源202により、Ni基体203aと貴金属板204間に直流電圧を印加する。これにより、Ni基体203aの表面、具体的には多孔質部90となる部分の表面は電解エッチングされて、多孔質化することになる。上述の方法によれば、Niを主成分として含み、固体酸化物型電解質81に含まれる酸化物を含まない触媒を製造することができる。
The
The
Then, after the
[第2の触媒製造方法]
図5(a)〜(c)は、第2の触媒製造方法を実行した際のNi基体203bの状態変動を示す模式断面図である。図5(a)及び(b)に示すように、第2の触媒製造方法では、まず加工前のNi基体203bの両面に対して、周知のスパッタリング法により、NiCr膜206を形成する。スパッタリング後においてはNiCr膜206のうちCrの分布は不均一であり、NiCr膜206の表面にCrがより多い部分と、より少ない部分とが形成されることになる。
[Second Catalyst Production Method]
FIGS. 5A to 5C are schematic cross-sectional views showing state fluctuations of the
製膜後のNi基体203bをエッチング装置200にセットして、第1の触媒製造方法と同様の電解液205により電解エッチングを施す。この際、NiCr膜206のうち、Crがより多い部分ではエッチングされにくく、Crがより少ない部分ではエッチングがされやすい。このため、図5(c)に示すように、Crがより少ない部分でエッチングが進行して孔207が多数形成される。これにより、Ni基体203bが多孔質化することになる。
The
なお、ここでの説明では、電解液205が第1の触媒製造方法と同様にエタノールを溶媒にして、所定量の塩化リチウムを溶解させた電解液を例示して説明したが、溶媒としてさらに水が加えられていれば、より効果的な触媒反応を発生させることが可能となる。
In the description here, the
[第3の触媒製造方法]
図6(a)〜(d)は、第3の触媒製造方法を実行した際のNi基体203cの状態変動を示す模式断面図である。図6(a)及び(b)に示すように、第3の触媒製造方法では、まず加工前のNi基体203cの両面に対して、周知のスパッタリング法により、Al膜208を形成する。
[Third Catalyst Production Method]
FIGS. 6A to 6D are schematic cross-sectional views showing state fluctuations of the
製膜後のNi基体203cに対して周知の陽極酸化処理(例えば益田秀樹,未来材料,5(2005)等)を施すと、図6(c)に示すように、Al膜208は酸化してAl2O3膜209となる。また、陽極酸化によってAl膜208を酸化させる際には、サブミクロン単位の微細孔210が多数規則的に形成されることになる。
When a well-known anodizing process (for example, Hideki Masuda, Future Materials, 5 (2005), etc.) is applied to the
その後、多孔性のAl2O3膜209が形成されたNi基体203cをエッチング装置200にセットして、第1の触媒製造方法と同様の電解液205により電解エッチングを施す。この際、図6(d)に示すように、Al2O3膜209の微細孔210からエッチングが進行し、Ni基体203cにも孔211が形成される。これにより、Ni基体203cが多孔質化することになる。
Thereafter, the
[燃料電池の製造方法]
次に、本発明に係る燃料電池としての発電セル8の製造方法について説明する。この発電セル8の製造方法には、NiCrを用いる方法(第1の電池製造方法)と、Alを用いる方法(第2の電池製造方法)とがあり、以下順番に説明する。
[Fuel Cell Manufacturing Method]
Next, a method for manufacturing the
[第1の電池製造方法]
図7(a)〜(e)は、第1の電池製造方法を実行した際のNi基体203dの状態変動を示す模式断面図である。ここで、各膜の厚みは他の比率であってもよく、図示例に限られるものではない。図7(a)及び(b)に示すように、第1の電池製造方法では、燃料極82となるNi基体203dの一方の面220に、周知のスパッタリング法によりYSZ膜221を形成する。このYSZ膜221が上述の固体酸化物型電解質81となる。
[First Battery Manufacturing Method]
FIGS. 7A to 7E are schematic cross-sectional views showing state fluctuations of the
次に、図7(c)に示すように、YSZ膜221の露出している面222、つまりNi基体203dと反対側の面222に、周知の塗布法若しくはスパッタリング法により、LSM膜223を形成する。このLSM膜223が空気極83となる。
Next, as shown in FIG. 7C, an
LSM膜223の形成方法である塗布法の一例について説明する。まず1メチル−2ピロリドンからなる溶媒に、La硝酸塩、Sr硝酸塩、Mn硝酸塩を所定量溶かす。この溶液をスピンコートでYSZ膜221の露出している面222に塗布する。塗布後、乾燥させて、結晶化させることで、LSM膜223が形成される。この方式の特性として、LSM膜223の膜厚が100nm程度の場合には表面が滑らかなきれいな膜となる。また、膜厚が200nm程度の場合には表面に気泡が発生するものの、密着性は良好である。この特性を用いることにより、1μm程度の薄膜な多孔質のLSM膜223を形成することが可能となる。
An example of a coating method that is a method of forming the
なお、LSM膜223以外にもLSC膜を形成し、そのLSC膜を空気極83とすることも可能である。
It is also possible to form an LSC film other than the
その後、図7(d)に示すように、Ni基体203dの他方の面224に対して、周知のスパッタリング法により、NiCr膜225を形成する。スパッタリング後においてはNiCr膜225のうちCrの分布は不均一となり、NiCr膜225の表面にCrがより多い部分と、より少ない部分とが形成されることになる。
Thereafter, as shown in FIG. 7D, a
NiCr膜225の製膜後、Ni基体203dをエッチング装置200にセットして、第1の触媒製造方法と同様の電解液205により電解エッチングを施す。この際、NiCr膜225のうちCrがより多い部分ではエッチングされにくく、Crがより少ない部分ではエッチングがされやすいために、図7(e)に示すように少ない部分でエッチングが進行して孔226が多数形成されることになる。これにより、Ni基体203dが多孔質化することになる。また、電解エッチングの間、LSM膜223の露出している面、つまりYSZ膜221と反対側の面222は、電解液205に接触しないようにマスクされ、電解エッチング後、このマスクは除去される。
After forming the
なお、ここでの説明では、電解液205が第1の触媒製造方法と同様にエタノールを溶媒にして、所定量の塩化リチウムを溶解させた電解液を例示して説明したが、溶媒としてさらに水が加えられていれば、より効果的な触媒反応を発生させることが可能となる。
そして、燃料極82となるNi基体203dに対してアノード集電極84を接合するとともに、空気極83となるLSM膜223に対してカソード集電極85を接合することで、図3に示すような発電セル8が製造されることになる。
In the description here, the
Then, the
[第2の電池製造方法]
図8(a)〜(f)は、第2の電池製造方法を実行した際のNi基体203eの状態変動を示す模式断面図である。ここで、角膜の厚みは他の比率であってもよく、図示例に限るものではない。図8(a)及び(b)に示すように、第2の電池製造方法では、燃料極82となるNi基体203eの一方の面230に、周知のスパッタリング法によりYSZ膜231を形成する。このYSZ膜231が固体酸化物型電解質81となる。
[Second Battery Manufacturing Method]
FIGS. 8A to 8F are schematic cross-sectional views showing state fluctuations of the
次に、図8(c)に示すように、YSZ膜231の露出している面232、つまりNi基体203eと反対側の面232に、周知の塗布法若しくはスパッタリング法により、LSM膜233を形成する。このLSM膜233が空気極83となる。なお、LSM膜233以外にもLSC膜を形成し、そのLSC膜を空気極83とすることも可能である。
Next, as shown in FIG. 8C, an
その後、図8(d)に示すように、Ni基体203eの他方の面234に対して、周知のスパッタリング法により、Al膜235を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 8D, an
Al膜235の製膜後、Ni基体203eに対して周知の陽極酸化処理を施すと、図8(e)に示すように、Al膜235は酸化してAl2O3膜236となる。また、陽極酸化によってAl膜235を酸化させる際には、サブミクロン単位の微細孔237が多数規則的に形成されることになる。
その後、多孔性のAl2O3膜236が形成されたNi基体203eをエッチング装置200にセットして、第1の触媒製造方法と同様の電解液205により電解エッチングを施す。この際、図8(f)に示すように、Al2O3膜236の微細孔237からエッチングが進行し、Ni基体203eにも孔238が形成される。これにより、Ni基体203eが多孔質化することになる。また、電解エッチングの間、LSM膜223の露出している面、つまりYSZ膜231と反対側の面は、電解液205に接触しないようにマスクされ、電解エッチング後、このマスクは除去される。
When the
Thereafter, the
そして、燃料極82となるNi基体203dに対してアノード集電極84を接合するとともに、空気極83となるLSM膜223に対してカソード集電極85を接合することで、図3に示すような発電セル8が製造されることになる。
Then, the
以上のように、本実施形態によれば、改質器6の触媒としてのNi基体203a,203b,203cや、発電セルの燃料極82としてのNi基体203d,203eが、アルコールと塩化リチウムとを含有する電解液を用いて電解エッチングされることで、多孔質化されている。これにより、Ni基体203a,203b,203c,203d,203eの表面積を増加させることができ、当該Ni基体203a,203b,203c,203d,203eによる触媒効果を十分得ることができる。
As described above, according to the present embodiment, the
ここで、第2の触媒製造方法や第1の電池製造方法のように、電解エッチングを行う前に、Ni基体203b,203dの表面にNiCr膜206,225を形成する場合には、NiCr膜206,225のうちCrの分布のバラツキを活用して、Ni基体203b,203dに多数の孔207,226を形成することができる。
Here, in the case where the
一方、第3の触媒製造方法や、第2の電池製造方法のように、電解エッチングを行う前に、Ni基体203c,203eの表面に多孔性なAl2O3膜209,237を形成する場合には、陽極酸化によりAl2O3膜209,237に形成された規則的な微細孔210,237を活用して、Ni基体203c,203eに多数の孔211,238を形成することができる。
On the other hand, when the porous Al 2 O 3 films 209 and 237 are formed on the surfaces of the Ni bases 203c and 203e before the electrolytic etching, as in the third catalyst manufacturing method and the second battery manufacturing method. In this case, a large number of
ところで、従来、Ni微粒子と、YSZを用いて燃料極を製造する場合、Niのミクロンオーダーの微細粒子が昇温により互いに焼結して成長してしまうことを防ぐため、NiとYSZとを混合したものを使用していた。このように、NiとYSZを混合していたのは、製造上の理由によるものであり、燃料極としては、本来、YSZは不要である。また、従来、YSZを多孔質化する方法は、通常の製膜方法とは異質であるため、YSZ層自体を薄く形成することは困難であった。これらの理由により、発電セル8全体を薄型化及び小型化することが困難であった。
By the way, conventionally, when a fuel electrode is manufactured using Ni fine particles and YSZ, Ni and YSZ are mixed in order to prevent Ni micron-order fine particles from sintering and growing together with a temperature rise. I was using what I did. The reason why Ni and YSZ are mixed in this way is due to manufacturing reasons, and as a fuel electrode, YSZ is essentially unnecessary. Conventionally, since the method for making YSZ porous is different from the usual film forming method, it has been difficult to form a thin YSZ layer itself. For these reasons, it has been difficult to reduce the thickness and size of the entire
一方、上述した第1及び第2の電池製造方法では、Ni基体203d,203eを電解エッチングによって多孔質化するので、YSZが不要である。したがって、YSZ層を多孔質に形成する必要もなくなる。このため、上述したように周知のスパッタリング法等の一般的な製膜方法によって、薄く、緻密なYSZ膜221,231を形成することが可能となる。これにより、従来の多孔質化されたYSZを空気極にした場合に比して、電解質膜であるYSZ膜221,231をより薄く形成することができ、ひいては発電セル8全体の小型化を図ることが可能となる。そして、YSZ膜221,231の薄型化が実現することで、発電セル8を高性能化することができ、また、発電セル8の動作温度をも低温にすることが可能となる。
なお、本発明は上記実施形態に限らず適宜変更可能である。
On the other hand, in the first and second battery manufacturing methods described above, since the Ni bases 203d and 203e are made porous by electrolytic etching, YSZ is unnecessary. Therefore, it is not necessary to form the YSZ layer porous. Therefore, as described above, thin and
Note that the present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified as appropriate.
1 燃料電池装置
6 改質器(反応器)
8 発電セル(燃料電池)
61 本体(反応器本体)
65〜71 仕切板(触媒)
81 固体酸化物型電解質(電解質膜)
82 燃料極
83 空気極
95 流路
100 電子機器
200 エッチング装置
203a,203b,203c,203d,203e 基体(Ni基体)
205 電解液
206,225 NiCr膜
209,237 Al2O3膜
221,231 YSZ膜
223,233 LSM膜
1
8 Power generation cell (fuel cell)
61 Body (Reactor body)
65-71 Partition plate (catalyst)
81 Solid oxide electrolyte (electrolyte membrane)
82
205 Electrolyte 206,225 NiCr film 209,237 Al 2 O 3 film 221,231 YSZ film 223,233 LSM film
Claims (10)
前記燃料極は、多孔質なNiを主成分として含み、なおかつ前記電解質膜に含まれる酸化物を含まないことを特徴とする燃料電池。 An electrolyte membrane through which ions pass, a fuel electrode formed on one surface of the electrolyte membrane, and an air electrode formed on the other surface of the electrolyte membrane,
The fuel electrode according to claim 1, wherein the fuel electrode contains porous Ni as a main component and does not contain an oxide contained in the electrolyte membrane.
前記燃料極は、表面にAl2O3の薄膜が存在していることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The fuel electrode is characterized in that a thin film of Al 2 O 3 is present on the surface thereof.
前記電解質膜は、YSZであることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
The fuel cell, wherein the electrolyte membrane is YSZ.
前記空気極は、LSM又はLSCであることを特徴とする燃料電池。 In the fuel cell as described in any one of Claims 1-3,
The fuel cell, wherein the air electrode is LSM or LSC.
次に、前記電解質膜上の少なくとも一部に、空気極を形成する工程と、
次に、前記基体における前記電解質膜によって覆われていない領域のうち少なくとも一部をアルコールと塩化リチウムとを含む電解液を用いて電解エッチングする工程とを含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。 Forming an electrolyte membrane containing an electrolyte that allows ions to pass through at least part of a plate-like substrate containing Ni as a main component;
Next, forming an air electrode on at least a part of the electrolyte membrane;
And a step of electrolytically etching at least a part of a region of the substrate that is not covered with the electrolyte membrane using an electrolytic solution containing alcohol and lithium chloride. .
前記電解質膜を形成する工程は、
前記基体の表面のうち前記電解質膜及び空気極を形成する部分にYSZ膜を形成する工程を含み、
前記空気極を形成する工程は、
前記YSZ膜における前記基体とは反対側の面にLSM膜又はLSC膜を形成する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。 In the manufacturing method of the fuel cell according to claim 5,
The step of forming the electrolyte membrane includes:
Including a step of forming a YSZ film on a portion of the surface of the substrate where the electrolyte film and the air electrode are formed,
The step of forming the air electrode includes:
A method of manufacturing a fuel cell, comprising: forming an LSM film or an LSC film on a surface of the YSZ film opposite to the base.
前記空気極を形成する工程の後であって、前記電解エッチングする工程の前に、前記基体における前記電解質膜によって覆われていない領域のうち少なくとも一部にNiCr膜を形成する工程を含み、
前記電解エッチングする工程は、前記基体のNiCr膜が形成された部分の少なくとも一部をエッチングすることを特徴とする燃料電池の製造方法。 In the manufacturing method of the fuel cell of Claim 5 or 6,
After the step of forming the air electrode, and before the step of electrolytic etching, including a step of forming a NiCr film on at least a part of a region of the substrate that is not covered with the electrolyte film,
The method of manufacturing a fuel cell, wherein the electrolytic etching step etches at least a part of a portion of the base on which the NiCr film is formed.
前記電解質膜及び前記空気極を形成する工程の後であって、前記電解エッチングする工程の前に、前記基体における前記電解質膜によって覆われていない領域のうち少なくとも一部にAl2O3膜を形成する工程を含み、
前記電解エッチングする工程は、前記基体のAl2O3膜が形成された部分の少なくとも一部をエッチングすることを特徴とする燃料電池の製造方法。 In the manufacturing method of the fuel cell according to claim 5 or 6,
After the step of forming the electrolyte membrane and the air electrode, and before the step of electrolytic etching, an Al 2 O 3 film is formed on at least a part of a region of the substrate that is not covered with the electrolyte membrane. Including the step of forming,
The method of manufacturing a fuel cell, wherein the electrolytic etching step etches at least a part of a portion of the substrate on which the Al 2 O 3 film is formed.
前記電解エッチングする工程は、少なくとも前記空気極を覆うようにマスクを形成する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。 In the manufacturing method of the fuel cell as described in any one of Claims 5-8,
The electrolytic etching step includes a step of forming a mask so as to cover at least the air electrode.
前記電解エッチングする工程は、前記基体における前記電解質膜及び前記空気極が形成された領域を除く部分のうち少なくとも一部を前記電解液に浸漬する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。 In the manufacturing method of the fuel cell as described in any one of Claims 5-8,
The electrolytic etching step includes a step of immersing at least a part of the substrate excluding the region where the electrolyte membrane and the air electrode are formed in the electrolytic solution. .
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