JP3131077B2 - 金属酸化物膜の製法 - Google Patents

金属酸化物膜の製法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池セルなどを製
造する際に、多孔質基体表面にインターコネクターなど
の緻密な金属酸化物膜を形成する際の改良に関する。
【0002】
【従来技術】従来より、被成膜体に金属酸化物膜を形成
する方法としては、化学気相成長法や、物理的気相成長
法などが知られている。一方、燃料電池は、これまでの
水力発電や火力発電に代わる新たな発電システムとして
注目され、開発が進められている。
【0003】図1は、代表的な円筒状の固体電解質型燃
料電池セルの構造を示す斜視図である。通常、このよう
な円筒状燃料電池セルは、多孔質の円筒状支持管1の表
面にLaMnO3 系材料などからなる空気極層2と、Y
2 3 安定化ZrO2 (YSZ)などからなる固体電解
質層3およびNi−ZrO2 (Y2 3 含有)等の燃料
極4が化学気相成長法などの薄膜法により形成される。
そして、発電に際しては、かかるセルを複数個配列し、
空気極層2と燃料極層4のいずれか片方と電気的に接続
するように配置されたインターコネクター5によりセル
同士が電気的に接続されて、空気極層2側に空気などの
酸素含有ガスを、燃料極層3側に水素ガスなどの燃料ガ
スを流すと1000〜1050℃の温度で発電が行われ
る。なお、図1において、空気極層2は円筒状支持管1
を兼ねる場合もある。
【0004】なお、上記セルにおけるインターコネクタ
ー5としてはLaCrO3 のCrの一部をMgにより置
換したもの、またはLaCrO3 のLaの一部をCaに
より置換したものが使用されているが、一般にはこのイ
ンターコネクター5は、被成膜体である多孔質基体の表
面に気相合成法に基づきLa、Mg、Crなどの金属元
素を含むハロゲン化ガスを供給し、その円筒状基体の反
対側から酸素ガスを供給することにより、LaMgCr
3 などの金属酸化膜を形成している。
【0005】また、金属酸化物膜を形成する方法とし
て、その金属酸化物を含有するスラリーを塗布乾燥して
熱処理する方法も知られている。
【0006】
【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、La
CrO3 系材料は、膜の成長速度が非常に遅いために長
時間の反応を行わないと緻密な膜が得られないという問
題があった。また、長時間の反応を必要とするため、膜
の成長過程において多孔質基体の表面がハロゲン化ガス
にエッチングされ、分解が生じるという問題があった。
【0007】また、スラリーを塗布し熱処理する方法で
は、膜の不均一性、被膜のコンパクションの不均一性が
あり、熱処理中又は熱処理後に形成した膜が剥離するな
どの問題が生じることがある。
【0008】
【問題点を解決するための手段】本発明者らは上記問題
点に対して検討を重ねた結果、気相合成法に基づいて金
属酸化物を成膜する前に、多孔質基体の表面に金属酸化
物を含有するスラリーを塗布乾燥して加熱処理して多孔
質膜を形成した後に気相成長法により成膜すると、後の
気相成長法による成膜過程で長時間の反応を行う必要な
く緻密な金属酸化物膜が形成できることを見出し、本発
明に至った。
【0009】即ち、本発明の金属酸化物膜の製法は、多
孔質基体の片面に金属酸化物を含有するスラリーを塗布
し乾燥した後に加熱処理して前記金属酸化物からなる厚
さ50μm以下の多孔質膜を形成した後、該基体を反応
炉に収容し、前記多孔質膜形成面に前記金属酸化物を構
成する金属のハロゲン化ガスを供給すると同時に、前記
基体の多孔質膜形成面の反対側より酸素含有ガスを供給
することにより、前記多孔質膜内部あるいはその表面に
前記金属酸化物を析出させたことを特徴とするものであ
る。
【0010】
【作用】本発明の金属酸化物膜の製法は、特に基体が多
孔質体である場合にその表面に緻密な金属酸化物膜を比
較的厚く形成する場合において有効である。例えば、固
体電解質型燃料電池セルを作製する過程で用いられる多
孔質の円筒状基体は、開気孔率15〜35%で、平均細
孔径が1.8μm〜2.5μm程度である。
【0011】気相成長法によりこの多孔質基体表面に金
属酸化物膜を形成する場合、細孔径が大きいために析出
した金属酸化物で緻密な膜が形成されにくく、成長速度
が遅いために長時間の反応を必要とする。
【0012】これに対して、基体の表面にスラリーを塗
布して熱処理した金属酸化物膜は、その熱処理条件にも
異なるが、およそ平均細孔径が0.1μm以下の厚い多
孔質膜を形成することができ、このような平均細孔径が
小さい多孔質膜に対して気相成長法により成膜を行うこ
とにより、細孔が容易に塞がりやすく、成膜時間を短縮
しても緻密質の金属酸化物膜を形成することができる。
【0013】これにより、燃料電池セルにおけるセル間
の電気的接続を担うインターコネクター膜の成膜に用い
ることにより、成膜時間を短縮できるとともに従来法に
比較してインターコネクター膜の緻密化を達成できるた
めにインターコネクター自体の抵抗を小さくできるため
に燃料電池の発電効率を高めることができる。
【0014】
【実施例】次に、本発明を円筒型燃料電池セルのインタ
ーコネクター膜を形成する場合を例にして具体的に説明
する。円筒型燃料電池セルの支持管は、開気孔率が15
〜35%、平均細孔径が1.0〜2.0μm程度の多孔
質のLaMnO3 からなる円筒状基体からなる。また、
この基体の一端は閉じられている。
【0015】本発明によれば、まず、上記多孔質基体の
表面に金属酸化物を含有するスラリーを塗布する。スラ
リーを塗布する方法としては、円筒状基体を金属酸化物
粉末をバインダーを含んだ純水などの溶媒に分散したス
ラリー液中に浸漬する方法や、スラリーをハケ塗りする
方法などがあるが、スラリーの塗布の均一性からは浸漬
塗布法がよい。この浸漬塗布法によれば、円筒状基体の
内側を減圧下に維持したままスラリー中に浸漬すること
により、スラリーの塗布量を高めることができる。
【0016】次に、スラリーを塗布した円筒状基体を十
分に乾燥した後、熱処理して金属酸化物を基体に焼き付
け処理する。この時の熱処理温度は、成膜する金属酸化
物により異なるが、例えば、LaCrO3 系材料の場合
には1400〜1500℃の酸化性雰囲気で行えばよ
い。この焼き付け処理により金属酸化物は強固に基体に
付着するが、この時の金属酸化物膜はこの後の気相成長
法時に酸素ガスを透過供給するために気孔率が10〜1
5%、平均細孔径が0.02〜0.1μm程度であるこ
とが望ましい。このような気孔率や平均細孔径は、スラ
リー中の金属酸化物粉末の平均粒径を0.5μm以下と
することにより制御できる。上記のようにして形成され
る多孔質膜はその厚みが50μm以下、特に20〜30
μmであることが望ましく、厚みが50μmを越えると
剥離することがある。
【0017】さらに、本発明によれば、上記のようにし
て金属酸化物からなる多孔質膜が形成された多孔質基体
を気相反応炉に収容する。次に、図2に基づき気相成長
法による金属酸化物膜の成膜を説明する。図2は、金属
酸化物膜を成膜する装置の概略図である。図2によれ
ば、反応室6内に前記多孔質膜7が形成された円筒状基
体8を有底部を上にして設置される。また、反応室6に
は、ハロゲン含有ガスやキャリアガスなどを反応室に導
入するためのガス制御装置9、ガス導入路10が設置さ
れている。反応室6の周りには加熱ヒータ11が装備さ
れ、反応室内を所定の温度に加熱するように制御されて
いる。さらに、反応室6内には、所望の組成の膜を析出
するための金属酸化物と炭素からなる蒸発源12が設け
られている。なお、反応室6内は蒸発源12により上下
に2分割されており、蒸発源12は、多孔質の原料支持
部材13上に蒸発源物質が収容されている。
【0018】一方、円筒状基体8内には、酸素供給路1
4を介して下側から酸素含有ガスが供給されるように構
成されている。酸素含有ガスは、具体的には水(H
2 O)内にH2 ガスと酸素濃度希釈用のAr、Heガス
を導入し、H2 O水蒸気とH2 ガスとArガスの混合ガ
スからなる。
【0019】上記装置により、成膜しようとする金属酸
化物がLaCrMgO3 である場合、蒸発源12にはL
aCrMgO3 の多孔質体と炭素粉末を設置する。そこ
に、ガス制御装置よりHClなどのハロゲン化ガスを反
応炉6内に導入するとハロゲン化ガスと蒸発源12に設
置された蒸発物質が接触しLa、CaおよびMgのハロ
ゲン化ガスが生成される。この金属ハロゲン化ガスを円
筒状基体表面に供給する。
【0020】一方、円筒状基体の内側に前記酸素含有ガ
スを導入すると、酸素含有ガスは、円筒状基体および多
孔質膜を透過し多孔質膜表面に供給され、前記金属ハロ
ゲン化ガスと酸素含有ガスが反応し多孔質膜表面にLa
CrMgO3 固溶体膜が形成される。
【0021】かかる成膜時の反応炉内圧力は200to
rr以下に保持し、蒸発源12は1200〜1350
℃、円筒状基体6近傍は1300〜1400℃となるよ
うにヒータ11により加熱される。また、ガス導入路1
0から導入されるガス種はHClガスを0.1〜100
ccmおよびArガスを5000ccmの流量であるこ
とが望ましい。また、円筒状基体8の内側に供給される
ガスは1000ccmの流量でH2 O,H2 および酸素
濃度希釈用Arガスからなる酸素含有ガスを供給するこ
とにより、円筒状基体7近傍の酸素分圧を10-7atm
となるように制御すればよい。
【0022】実施例 円筒形状の基体としてLaMnO3からなるとともに、
気孔率30%、平均細孔径2.0μm、一端が閉じられ
た基体を準備した。そして、この円筒状基体の内部を1
00torrの減圧状態として、平均粒径が1.5μm
のLaCr(Mg)O3粉末からなるスラリー中に5秒
間浸漬させた後、これをスラリー中から引き上げて乾燥
させ、1450℃で2時間の焼き付けを行い、基体表面
に平均粒径0.5μmのLaCr(Mg)O3からなる
厚みが30μmの多孔質膜を形成した。この多孔質膜の
相対密度をアルキメデス法により測定したところ80%
であり、水銀圧入法により平均細孔径を測定したとこ
ろ、0.3μmであった。
【0023】これを図2に示した炉内圧力が20tor
r以下に保持した反応炉内に収容し、ヒータにより蒸発
源を1250℃、基体近傍を1350℃になるように加
熱しながら、ガス導入路よりHClガスを5〜100c
cmの流量で、またキャリアとしてArガスを5000
ccmの流量で反応炉内に導入した。
【0024】また、基体内部に1500ccmの流量で
Ar、He、O2ガスを供給し、3時間保持したとこ
ろ、多孔質膜の表面に厚さ15μmのLaMg0.1Cr
0.93組成の金属酸化物膜を形成することができた。得
られた膜に対して相対密度を測定したところ、99.5
%と非常に緻密質であることがわかった。
【0025】比較のために、上記実施例において、金属
酸化物の浸漬塗布を行なわない以外は同様にして直接気
相合成法により厚み10μmのLaMgCrO3 金属酸
化物膜を形成したところ、8時間の反応が必要であっ
た。しかも、得られた膜の気孔率を測定したところ90
%と本発明に比較して低いものであった。
【0026】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の金属酸化
物膜の製法によれば、多孔質な基体の表面に緻密な膜を
短時間で成膜することができる。よって、これを燃料電
池セルにおけるセル間の電気的接続を担うインターコネ
クター膜の成膜に用いることにより、成膜時間を短縮で
きるとともに従来法に比較してインターコネクター膜の
緻密化を達成できるためにインターコネクター自体の抵
抗を小さくできるために燃料電池の発電効率を高めるこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】円筒型燃料電池セルの構造を示す図である。
【図2】本発明の実施例において用いられる成膜装置の
概略配置図である。
【符号の説明】
6 反応室 7 多孔質膜 8 円筒状基体 9 ガス制御装置 10ガス導入路 11加熱ヒータ 12蒸発源 14酸素供給路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 16/00 - 16/56 H01M 8/02 INSPEC(DIALOG) JICSTファイル(JOIS)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】多孔質基体の片面に金属酸化物を含有する
    スラリーを塗布し乾燥した後に加熱処理して前記金属酸
    化物からなる厚さ50μm以下の多孔質膜を形成した
    後、該基体を反応炉に収容し、前記多孔質膜形成面に前
    記金属酸化物を構成する金属のハロゲン化ガスを供給す
    ると同時に、前記基体の多孔質膜形成面の反対側から酸
    素含有ガスを供給することにより、前記多孔質膜内部あ
    るいはその表面に前記金属酸化物を析出させることを特
    徴とする金属酸化物膜の製法。
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