JP4075786B2 - 燃料電池の製造方法および燃料電池 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池に関し、詳しくは、電解質層と共に水素透過性金属層を備える燃料電池に関する。

従来、様々な種類の燃料電池が提案されている。例えば、特許文献１には、プロトン伝導性を有する電解質層のアノード側に、水素透過性を有するパラジウム系金属膜を配設した燃料電池が開示されている。このような燃料電池は、例えば、金属薄膜である水素透過性金属層上に、セラミックなどの固体電解質層を成膜することによって製造することができる。電解質層はガス不透過な緻密層とする必要があるが、緻密な金属薄膜上に電解質層を成膜する場合には、多孔質体から成る電極部材上に電解質層を形成する場合に比べて電解質層の薄型化が可能となり、電解質層を薄型化することで電解質層の膜抵抗を低減することができる。したがって、燃料電池の性能を向上させることが可能となり、また、燃料電池の運転温度をより低くすることが可能となる。

特開平５−２９９１０５号公報

しかしながら、金属薄膜である水素透過性金属層を基材とし、この基材上に固体電解質層を成膜して電解質層を形成する燃料電池では、多孔質体から成る電極部材を基材とする場合に比べて、電解質層と基材との間の接触面積が小さくなってしまう。そのため、水素透過性金属層上に電解質層を形成する燃料電池では、電解質層に対してプロトンが供給される効率がより低くなり、燃料電池における出力密度の向上の妨げとなる可能性があった。

さらに、上記水素透過性金属層上に電解質層を形成したのち、この電解質層上にさらに金属薄膜を成膜して電極と成す場合には、この電極と電解質層との間の接触面積も、制限されたものとなってしまう。電極と電解質層との間の接触面積が制限されることもまた、燃料電池における出力密度を向上させる際の妨げとなる可能性がある。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、電解質層と共に水素透過性金属層を備える燃料電池において、電解質層と隣接部材との間の接触面積を確保して、出力密度のさらなる向上を可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の燃料電池の製造方法は、水素透過性金属を含有する水素透過性金属層と、該水素透過性金属層上に配設されると共にプロトン伝導性を有する電解質層と、を備える燃料電池の製造方法であって、
（ａ）前記水素透過性金属層の表面を非平滑化する工程と、
（ｂ）前記水素透過性金属層に対して、前記電解質層を形成するための電解質材料を放出し、前記非平滑化した表面に沿って前記電解質層を形成する工程と
を備えることを要旨とする。

以上のように構成された本発明の第１の燃料電池の製造方法によれば、水素透過性金属層の表面を非平滑化し、水素透過性金属層の非平滑化した表面上に電解質層を形成するため、水素透過性金属層と電解質層との間の接触面積をより大きくすることができ、燃料電池における出力密度の向上を図ることが可能となる。さらに、本発明の燃料電池の製造方法では、電解質層は、水素透過性金属層の非平滑化した表面に沿って設けられるため、電解質層の薄型化が達成され、燃料電池における内部抵抗をより低減することができる。

本発明の第１の燃料電池の製造方法において、前記（ａ）工程は、前記非平滑化によって、前記水素透過性金属層の表面に凹凸形状を形成することとしても良い。

このような構成とすることで、電解質層を、水素透過性金属層上に形成した凹凸形状に沿った形状とすることができる。

本発明の第１の燃料電池の製造方法において、
前記凹凸形状は、該凹凸形状が備える凸部の高さが所定範囲内に揃う規則性を有しており、
前記（ｂ）工程は、前記凸部の高さ寸法よりも厚さ寸法が小さい前記電解質層を形成することとしても良い。

このような構成とすることで、凹凸形状に沿った電解質層を効率よく形成することができる。

本発明の第１の燃料電池の製造方法において、
前記（ａ）工程で形成する前記凹凸形状が備える凸部は、前記水素透過性金属層の面方向に対して略垂直な壁面を有し、
前記（ｂ）工程は、
（ｂ−１）前記水素透過性金属層に対して、該水素透過性金属層の面方向に略垂直に前記電解質材料を放出する工程と、
（ｂ−２）前記水素透過性金属層に対して、前記（ｂ−１）工程とは異なる角度で前記電解質材料を放出する工程と
を備えることとしても良い。

凹凸形状が、水素透過性金属層の面方向に対して略垂直な壁面を有することとすれば、略垂直な壁面を有しない場合に比べて、凹凸形状が備える凸部の高さが所定の値のときに、水素透過性金属層の表面積をより大きくすることが可能となる。そのため、水素透過性金属層と電解質層との接触面積をより大きくすることが可能となり好ましい。このような場合には、水素透過性金属層の面方向に略垂直に電解質材料を放出する工程と、垂直方向とは異なる角度で電解質材料を放出する工程とを行なうことで、凹凸形状に沿った電解質層を確実に形成することができる。

本発明の燃料電池の製造方法において、前記（ｂ）工程は、前記水素透過性金属層を、所定の揺動軸を中心として揺動させつつ、該揺動する水素透過性金属層に対して、一方向から前記電解質材料を放出することとしても良い。あるいは、前記（ｂ）工程は、前記電解質材料を放出する電解質材料放出源の、前記水素透過性金属層に対する相対的な位置を変化させつつ、前記水素透過性金属層上に前記電解質材料を放出することとしても良い。

これらの方法を用いることで、水素透過性金属層に対して異なる角度から電解質材料を放出する動作を容易に行なうことができ、凹凸形状に沿った電解質層を効率よく形成することができる。また、水素透過性金属層の面方向に略垂直に電解質材料を放出する工程と、垂直方向とは異なる角度で電解質材料を放出する工程とを、容易に実行可能となる。

本発明の第１の燃料電池の製造方法において、さらに、
（ｃ）前記凹凸形状に沿って形成されることで該凹凸形状に応じた形状を有する前記電解質層に対して、電子伝導性を示す導電性材料を放出し、前記電解質層上に前記導電性材料から成る導電層を形成する工程を備えることとしても良い。

このような構成とすれば、水素透過性金属層と電解質層との間の接触面積に加えて、電解質層と導電層との間の接触面積も充分に大きくすることができ、燃料電池における出力密度のさらなる向上を図ることが可能となる。

本発明の第２の燃料電池の製造方法は、水素透過性金属を含有する水素透過性金属層と、該水素透過性金属層上に配設されると共にプロトン伝導性を有する電解質層と、を備える燃料電池の製造方法であって、
（ａ）前記水素透過性金属層上に、表面を非平滑化された前記電解質層を形成する工程と、
（ｂ）前記電解質層に対して、電子伝導性を示す導電性材料を放出し、前記非平滑化した表面に沿って前記導電性材料から成る導電層を形成する工程と
を備えることを要旨とする。

以上のように構成された本発明の第２の燃料電池の製造方法によれば、電解質層の表面を非平滑化し、電解質層の非平滑化した表面上に導電層を形成するため、電解質層と導電層との間の接触面積を確保することができ、燃料電池における出力密度の向上を図ることが可能となる。

本発明の第１または第２の燃料電池の製造方法において、
前記導電性材料は貴金属であり、前記導電層は電極であることとしても良い。

このような構成とすれば、電解質層と電極との間の接触面積をより大きくすることができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池の製造方法により製造された燃料電池などの形態で実現することが可能である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
Ｂ．製造方法：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．第３実施例：
Ｅ．変形例：

Ａ．燃料電池の構成：
図１は、本発明の好適な一実施例である燃料電池を構成する単セル２０の構成の概略を表わす断面模式図である。単セル２０は、水素透過性金属層２２と電解質層２１とから成る電解質部２３と、電解質層２１上に形成されるカソード電極２４と、ガスセパレータ２７，２９とを備えている。ガスセパレータ２７と水素透過性金属層２２との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路３０が形成されている。また、ガスセパレータ２９とカソード電極２４との間には、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路３２が形成されている。水素透過性金属層２２、電解質層２１およびカソード電極２４から成る構造を、以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）４０と呼ぶ。図１では単セル２０を示したが、実際の本実施例の燃料電池は、図１の単セル２０を複数積層したスタック構造を有している。なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各単セル間に、あるいは所定数の単セルを積層する毎に、冷媒の通過する冷媒流路を設けることとしても良い。

水素透過性金属層２２は、水素透過性を有する金属によって形成されている。水素透過性金属層２２は、例えば、パラジウム（Ｐｄ）またはＰｄ合金により形成することができる。あるいは、バナジウム（Ｖ）等の５族金属（Ｖの他、ニオブ、タンタル等）または５族金属の合金を基材として、少なくともその一方の面（単セル内燃料ガス流路３０側）にＰｄやＰｄ合金層を形成した多層膜とすることができる。水素透過性金属層２２において、少なくとも単セル内燃料ガス流路３０側の表面を構成するＰｄは、水素が水素透過性金属層２２を透過する際に、水素分子を解離させる活性を有する。本実施例では、水素透過性金属層２２は、アノード電極としての機能を果たす。

電解質層２１は、プロトン伝導性を有する固体電解質から成る層である。電解質層２１を構成する固体電解質としては、例えば、ＢａＣｅＯ₃、ＳｒＣｅＯ₃系のセラミックスプロトン伝導体を用いることができる。電解質層２１は、緻密な水素透過性金属層２２上に成膜されるため、多孔質上に成膜する場合のように電解質層の緻密さを確保するために厚く形成する必要がなく、充分な薄膜化が可能となる。電解質層２１を形成するための工程は、本発明の要部に対応するものであり、後に詳しく説明する。

カソード電極２４は、電解質層２１上に成膜された金属層であり、電気化学反応を促進する触媒活性を有する貴金属により形成されている。本実施例では、カソード電極２４はＰｄにより形成されている。白金（Ｐｔ）等、水素透過性を有しない他種の貴金属によりカソード電極２４を構成する場合には、カソード電極２４を充分に薄く形成するなどして、カソード電極２４の外側（単セル内酸化ガス流路３２側）と電解質層２１との間にガス透過性を確保すればよい。カソード電極２４を形成するための工程についても、後に詳しく説明する。なお、図１では、電解質層２１およびカソード電極２４は、表面が平坦な板状部材として記載しているが、実際には表面は平坦ではない。これらの具体的な形状については後述する。

ガスセパレータ２７，２９は、カーボンや金属などの導電性材料で形成されたガス不透過な部材である。ガスセパレータ２７，２９の表面には、既述した単セル内燃料ガス流路３０や単セル内酸化ガス流路３２を形成するための所定の凹凸形状が形成されている。なお、図１に示した本実施例の単セル２０においては、ＭＥＡ４０とガスセパレータとの間に、さらに、導電性と共にガス透過性を有する部材を配設する等の変形が可能である。

燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。また、燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。

Ｂ．製造方法：
以下に、本実施例の単セル２０を製造する際の特徴的な工程であるＭＥＡ４０の製造工程を説明する。図２は、ＭＥＡ４０の製造工程を表わす説明図である。

ＭＥＡ４０を作成する際には、まず、水素透過性金属層２２を用意する（ステップＳ１００）。水素透過性金属層２２は、既述したように、Ｐｄを含有する層、あるいは５族金属を含有する層を基材として、少なくともその一方の面上にＰｄを含有する層を有する金属膜である。水素透過性金属層２２は、数十μｍ（例えば４０μｍ程度）の厚みに形成すればよい。

次に、ステップＳ１００で用意した水素透過性金属層２２に対して、水素透過性金属層２２の表面を凹凸化する処理を施す（ステップＳ１１０）。ステップＳ１１０における凹凸化の処理は、水素透過性金属層２２が、５族金属を含有する層から成る基材の一方の面上にＰｄを含有する層を形成した構造を有する場合には、５族金属を含有する層から成る基材側に対して施される。

凹凸化の処理は、例えば機械加工や物理研磨によって行なうことができる。物理研磨としては、例えばショットブラストを行なうこととしても良いし、あるいは、形成すべき凹凸形状に応じて水素透過性金属層２２上をマスキングした後に、イオンミリングやプラズマエッチングを行なうこととしても良い。また、形成すべき凹凸形状に応じたパターンのフォトレジストを用いて溶液エッチングを行なうなど、化学研磨を施すこととしても良い。また、イオン照射やレーザ照射により凹凸形状を形成することとしても良い。あるいは、上記のようにステップＳ１００で形成した水素透過性金属層２２の表面を削る、あるいは荒らすことによって凹凸形状を形成する処理に代えて、物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、ゾルゲル法、めっきなどにより、所定の形状（例えば縞状）の凸部を構成する水素透過性金属の層を、水素透過性金属層２２上に形成することとしても良い。

図３は、表面に凹凸化処理を施した水素透過性金属層２２の様子を表わす断面模式図である。図３では、水素透過性金属層２２の表面に形成する凹凸形状として規則的な形状を示しているが、不規則な形状としても良い。また、凸部の上部は、図３に示すように必ずしも平坦に形成する必要はない。また、図３では、凹凸形状の一例として、水素透過性金属層２２面に略垂直な壁面を有する凸部を備える凹凸形状を示しているが、異なる形状としても良い。凹凸化処理の方法を適宜選択することで、種々の凹凸形状を形成することができる。

凹凸化処理の後は、水素透過性金属層２２上において、上記凹凸形状に沿って電解質層２１を形成し、電解質部２３を作製する（ステップＳ１２０）。電解質層２１の形成は、水素透過性金属層２２に対して、電解質層２１を形成するための電解質材料を一方向に放出することによって行なうものであり、このように電解質材料を放出することによって上記凹凸形状に沿って電解質層２１を形成する。電解質材料を一方向に放出する電解質材料放出源から電解質材料を放出して電解質層２１を形成する方法としては、具体的には、スパッタ法やイオンプレーティング、あるいは真空蒸着法などのＰＶＤを挙げることができる。あるいは、これらＰＶＤ以外の方法であっても良く、例えば溶射により電解質層２１を形成することとしても良い。

凹凸形状に沿って電解質層２１を形成するために本実施例では、電解質層２１を形成する際に、水素透過性金属層２２を、所定の揺動軸を中心としてシーソー状に揺動させている。図４に、水素透過性金属層２２を揺動させながら電解質層２１を形成する様子を模式的に示す。本実施例では、このように水素透過性金属層２２を揺動させて、水素透過性金属層２２表面に対する電解質材料の放出角度を変更しつつ、上記凹凸形状の凸部の高さ寸法よりも薄くなるように、水素透過性金属層２２上に電解質材料を成膜している。凹凸形状が、この凹凸形状が備える凸部の高さが所定の範囲内に揃う規則性を有している場合には、凸部の高さ寸法よりも薄くなるように電解質材料を成膜することで、凹凸形状に沿った電解質層２１を形成することができる。図５は、電解質層２１を形成した電解質部２３の様子を表わす断面模式図である。このように電解質層２１を形成することで、電解質層２１の表面は、水素透過性金属層２２が有する凹凸形状に対応する凹凸形状が形成される。電解質層２１は、例えば、０．１〜５μｍの厚さとすることができ、上記凸部の高さ寸法よりも厚さを薄く形成することで、水素透過性金属層２２の凹凸形状に沿った電解質層２１を形成することができる。

電解質層２１を形成した後は、この電解質層２１上にさらにカソード電極２４を形成し（ステップＳ１３０）、ＭＥＡ４０を完成する。カソード電極２４も、電解質層２１の形成方法と同様に、カソード電極２４を形成するための電極材料を電解質部２３に対して一方向に放出すると共に、電解質部２３を揺動させることによって形成する。電極材料を一方向に放出してカソード電極を形成する方法としては、ＰＶＤや溶射など、電解質層を２１を形成するために用いる方法と同様の方法を用いることができる。図６に、電解質部２３を揺動させながらカソード電極２４を形成する様子を模式的に示す。既述したように、電解質層２１は、水素透過性金属層２２が有する凹凸形状に対応する凹凸形状を有しているため、電解質層２１と同様の方法でカソード電極２４を形成することで、電解質層２１の凹凸形状に沿ったカソード電極２４を形成することができる。カソード電極２４は、例えば１μｍ以下に形成することが望ましい。

燃料電池を組み立てる際にはさらに、図２に従って作製したＭＥＡ４０を挟持するようにガスセパレータ２７および２９を配設して単セル２０を形成し、さらにこの単セル２０を所定数積層する。

以上のように構成された本実施例の燃料電池の製造方法によれば、水素透過性金属層２２表面に凹凸形状を形成し、この凹凸形状を形成した水素透過性金属層２２上に電解質層２１を形成するため、水素透過性金属層２２と電解質層２１との間の接触面積を大きく確保することができ、燃料電池における出力密度の向上を図ることが可能となる。

さらに、本実施例では、電解質層２１は、水素透過性金属層２２が備える凹凸形状に沿って設けられるため、電解質層２１の薄型化が達成され、燃料電池における内部抵抗をより低減することができる。また、水素透過性金属層２２が備える凹凸形状に沿って電解質層２１を形成することで、電解質層２１もまた、上記凹凸形状に応じた凹凸形状を有することになる。したがって、この電解質層２１上にカソード電極２４を設けることで、さらに電解質層２１とカソード電極２４との間の接触面積を確保することができ、燃料電池における出力密度のさらなる向上を図ることが可能となる。

ここで、本実施例では、電解質層２１を形成するために、凹凸形状を形成した水素透過性金属層を揺動させつつ、凹凸形状が有する凸部の高さ寸法よりも厚さの薄い電解質層２１を形成しているため、凹凸形状に沿って水素透過性金属層２２全体を覆う電解質層２１を容易に形成することが可能となる。特に、本実施例のように、水素透過性金属層２２が成す面に略垂直な壁面を有する凸部を備える凹凸形状に沿って電解質層２１を形成する場合には、水素透過性金属層２２を揺動させることで、確実に満遍なく電解質層２１を形成できる。上記略垂直な壁面を有する凸部を備える凹凸形状に沿って電解質層２１を形成するには、水素透過性金属層２２を揺動させつつ継続して電解質層２１の成膜を行なうほか、水素透過性金属層２２を揺動させる際に異なる複数の角度から電解質材料を放出することとしても良い。図７は、異なる複数の角度から、水素透過性金属層２２に対して電解質材料を放出する様子を示す説明図である。図７（Ａ）は、水素透過性金属層２２が成す面に略垂直な角度で電解質材料を放出する様子を示し、図７（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ、図７（Ａ）の状態から水素透過性金属層２２を互いに反対方向に所定角度揺動させた状態を示す。このように３つの異なる角度から電解質材料を放出することで、凹凸形状に沿った電解質層２１を効率よく形成することができる。あるいは、図７（Ｂ）、（Ｃ）に示した２つの異なる角度から電解質材料を放出することによっても、同様に凹凸形状に沿った電解質層２１を形成することができる。

電解質層２１を形成する際に水素透過性金属層２２を揺動させる角度は、任意に設定可能である。このとき、凹凸形状を形成する際に、水素透過性金属層２２上に互いに略平行な縞状の凸部を設けた場合には、水素透過性金属層２２を揺動させる際の揺動軸は、上記縞を形成する凸部に略平行にすることが望ましい。これによって、凹凸形状に沿う電解質層２１を確実に形成可能となる。

また、水素透過性金属層２２を揺動させる際の揺動軸は、完全に固定されている必要はなく、電解質材料放出源から電解質材料が放出される範囲と、成膜すべき電解質層２１の大きさに応じて、揺動軸自体が変位することとしても良い。水素透過性金属層２２が揺動軸を中心として揺動することにより、水素透過性金属層２２に対して電解質材料が放出される角度が変化するならば、凹凸に沿って容易に電解質層２１を形成することができる。

水素透過性金属層２２の凹凸形状が備える凸部が、上記略垂直な壁面を有する場合に、水素透過性金属層２２が成す面に略垂直な角度からのみ電解質材料を放出しても、凸部の高さ寸法を超える厚みで電解質層を形成するならば、水素透過性金属層２２全体を覆う連続した電解質層とすることができる。しかしながらこのような場合には、電解質層全体の厚みが増して電池の内部抵抗が増す。本実施例のように、水素透過性金属層２２を揺動させることで、凹凸に沿って、またさらに、凸部の高さ寸法よりも厚さ寸法が小さい電解質層を形成することができ、内部抵抗をより小さく抑えて電池性能が向上させると共に、燃料電池全体を薄型化することができる。

なお、水素透過性金属層２２の凹凸形状が備える凸部が垂直壁面を有する場合には、垂直壁面を有しない場合に比べて、凹凸形状が備える凸部の高さを所定値にしたときの水素透過性金属層の表面積をより大きくすることが可能となり好ましい。このように、凸部の高さを制限しつつ水素透過性金属層２２の表面積をより大きくできるため、水素透過性金属層２２の厚みを確保するために燃料電池が大型化することがない。しかしながら、水素透過性金属層２２の凹凸形状が備える凸部が垂直壁面を有しない場合にも、凹凸形状に沿って電解質層２１を設けることで、同様の効果を得ることができる。この場合にも、電解質層２２の厚みを、水素透過性金属層２２の凹凸形状が備える凸部の高さ寸法よりも薄くすることが望ましい。また、水素透過性金属層２２表面に形成される形状は、明確な凹部および／または凸部から成る凹凸形状である必要はなく、平坦な水素透過性金属層２２表面を非平滑化するものであれば良い。非平滑化された水素透過性金属層２２表面に沿って電解質層２１を形成することで、接触面積を増大させる既述した効果が得られる。

Ｃ．第２実施例：
水素透過性金属層２２の凹凸形状に沿って電解質層２１を形成する方法として、水素透過性金属層２２に対する電解質材料放出源の相対的な位置を変化させることによって、水素透過性金属層に対して電解質材料が放出される角度を変更することとしても良い。このような構成を第２実施例として以下に説明する。

第２実施例の燃料電池が備える単セルは、第１実施例と同様の構造を有しているため、以下、各部に第１実施例と同じ参照番号を付して説明する。第２実施例の燃料電池を製造する際にも、第１実施例と同様に、図２に示した製造工程に基づいてＭＥＡ４０が製造される。ここで、第２実施例では、ステップＳ１２０で電解質層２１を形成する際に、図４に示したように水素透過性金属層２２を揺動させるのに代えて、電解質材料放出源の水素透過性金属層２２に対する相対的な位置を変化させている。なお、一方向に電解質材料を放出する電解質材料放出源を用いる方法としては、第１実施例と同様にＰＶＤや溶射等の方法を用いることができる。

図８は、第２実施例の燃料電池の製造方法において、電解質層２１を形成する際の様子を模式的に表わす説明図である。図８では、電解質材料の放出方向が、常に水素透過性金属層２２上に向かうように、水素透過性金属層２２に対する電解質材料放出源の相対的な位置を変化させている。このように位置が変化する電解質材料放出源を用いて、水素透過性金属層２２の凹凸形状が備える凸部の高さ寸法よりも厚さの薄い電解質層２１を形成する。このとき、電解質材料の放出は、電解質材料放出源を移動させつつ継続的に行なっても良いし、複数の異なる所定の位置に電解質材料放出源が達したときに行なうこととしても良い。いずれの場合にも、水素透過性金属層２２上に対して、異なる角度から電解質材料を放出することで、水素透過性金属層２２の凹凸形状に沿った電解質層２１を容易に形成することができる。これによって、第１実施例と同様の効果を奏することができる。

なお、表面に凹凸形状を有する電解質層２１上にカソード電極２４を形成する際には、第１実施例と同様に電解質部２３を揺動させても良いし、第２実施例の電解質層形成工程と同様に、電解質部２３に対する電極材料放出源の相対的な位置を変化させても良い。第１実施例においても、図２のステップＳ１３０において図８と同様の方法を適用し、電解質部２３に対する電極材料放出源の相対的な位置を変化させることとしても良い。

Ｄ．第３実施例：
第１および第２実施例では、水素透過性金属層２２の凹凸形状に沿って電解質層２１を形成することにより、電解質層２１は上記凹凸形状に対応する凹凸形状を備えることとしたが、電解質層に積極的に凹凸形状を形成することとしても良い。このような構成を第３実施例として以下に説明する。

第３実施例の燃料電池は、第１実施例と同様の構造を有すると共に、同様の材料により形成されており、対応する部分には第１実施例における参照番号に１００を加えた数字を参照番号として付している。図９は、第３実施例のＭＥＡ１４０の製造工程を表わす説明図である。

ＭＥＡ１４０を作製する際には、まず、電解質部１２３を用意する（ステップＳ２００）。ステップＳ２００で用意する電解質部１２３は、水素透過性金属層１２２上に電解質層１２１を形成したものであるが、凹凸化の処理を施していない水素透過性金属層上に電解質層を形成したものであっても良い。あるいは、第１および第２実施例と同様に、水素透過性金属層に対して凹凸形状を形成し、この凹凸形状に沿った電解質層を形成したものであっても良い。また、水素透過性金属層の凹凸形状上により厚い電解質層が形成されたことにより、電解質層表面に充分な凹凸形状が形成されていないものであっても良い。

ステップＳ２００で電解質部１２３を用意すると、次に、この電解質部１２３が備える電解質層１２１表面を凹凸化する処理を施す（ステップＳ２１０）。ステップＳ２１０における凹凸化の処理は、第１実施例で説明した水素透過性金属層２２表面の凹凸化処理と同様の方法を用いることができる。例えば機械加工、物理研磨、化学研磨、イオン照射、レーザ照射などにより水素透過性金属層の表面を削る加工を施したり、ＰＶＤやＣＶＤ等により、凸部に対応する水素透過性金属の層を形成することとすれば良い。その後、電解質部１２３が備える凹凸形状に沿ってカソード電極１２４を形成して（ステップＳ２２０）、ＭＥＡ１４０を完成する。

カソード電極１２４は、第１実施例あるいは第２実施例と同様の方法により形成することができる。図１０に、一例として、特別な凹凸形状を有しない水素透過性金属層上に電解質層を形成した後に電解質層表面に凹凸形状を形成した電解質部１２３を揺動させて、カソード電極１２４を形成する様子を示す。あるいは、電解質部１２３に対して電極材料放出源の位置を変化させつつカソード電極１２４を形成することとしても良い。電解質部１２３が成す面に対して電極材料を放出する角度を変化させ、電解質層上の凹凸形状が備える凸部の高さ寸法よりも厚さ寸法が小さい層を形成することで、上記凹凸形状に沿ってカソード電極１２４を形成することができる。

第３実施例によれば、電解質層表面に積極的に凹凸形状を形成した後に、この電解質層上にカソード電極１２４を形成するため、電解質層とカソード電極１２４との間の接触面積を充分に確保することができ、燃料電池における出力密度の向上を図ることが可能となる。

このとき、水素透過性金属層上にも凹凸形状が設けられている場合には、水素透過性金属層と電解質層との接触面積も充分に大きくなるため、電池全体として、出力密度のさらなる向上を図ることができる。

また、凹凸形状を有する電解質層上にカソード電極１２４を形成する際に、この凹凸形状に沿ってカソード電極１２４を形成する場合には、カソード電極１２４は、凹凸形状が有する凸部の高さ寸法よりも厚さが薄くなるように形成すれば良いため、燃料電池全体を薄型化することができると共に、電極における内部抵抗を抑えることができる。また、電解質層上に設けた凹凸形状に沿ってカソード電極１２４を形成することで、カソード電極１２４もまたその表面に凹凸形状を有する場合には、カソード電極１２４と隣接部材との間の接触面積を大きくする効果を得ることも可能となる。例えば、カソード電極１２４とガスセパレータ（図１のガスセパレータ２９に対応する）との間に、さらに、ガス透過性を有するメッシュ状の導電性部材（ガス拡散層）を隣接部材として配設することとすれば、凹凸形状を有するカソード電極１２４と隣接部材との接触面積を効果的に確保することができる。なお、カソード電極１２４は、電解質層が有する凹凸形状に沿って形成するのではなく、例えば凹凸形状が有する凸部の高さ寸法以上の厚みに形成しても良く、この場合にも、電解質層とカソード電極１２４との間の接触面積を増大させる所定の効果を得ることができる。

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｅ１．変形例１：
既述した第１ないし第３実施例では、電解質層を形成する際の基材となる水素透過性金属層をアノード側に配設し、電解質層上に形成する貴金属層をカソード電極としたが、アノード側の配置とカソード側の配置とを入れ替えることとしても良い。すなわち、既述したいずれかの実施例における水素透過性金属層を燃料電池のカソード電極とし、電解質部の電解質層側に形成する貴金属層をアノード電極としても良い。この場合には、水素透過性金属層のカソード側にはさらに触媒層を設けることとしても良い。

Ｄ２．変形例２：
あるいは、電解質層と水素透過性金属層とを備える電解質部において、電解質層および／または水素透過性金属層を、複数備えることとしても良い。図１１は、５層構造を有するＭＥＡ２４０を備える単セル２２０の構成の概略を現わす断面模式図である。ＭＥＡ２４０は、５族金属あるいは５族金属合金で形成された基材層２２２と、基材層２２２の両面に成膜されて電解質層２１と同様の固体酸化物からなる電解質層２２１，２２５と、さらにそれらの外面に設けられたＰｄあるいはＰｄ合金からなる被覆層２２４，２２６と、を備えている。このような場合にも、本発明を適用することで同様の効果を得ることができる。すなわち、基材層２２２の両面にそれぞれ電解質層２２１，２２５を形成した後、電解質層２２１，２２５上に凹凸形状を形成し、第１または第２実施例と同様の方法により、電解質層２２１，２２５上にそれぞれ被覆層２２６，２２４を形成すればよい。

また、図１１に示した構造においても種々の変形が可能であり、例えば、被覆層２２４，２２６の一方または双方を省略してもよい。被覆層を設けない場合には、電解質層におけるガス流路側の面に触媒層を設けると共に、さらにその外側に、ガスセパレータと接するように、多孔質体からなる電極部材を配設すればよい。あるいは、図１１に示した構造において、電解質層２２１，２２５の一方を省略しても良い。いずれの場合にも、電解質層２２１，２２５を形成するのに先立って基材層２２２表面を凹凸化し、あるいは被覆層２２４，２２６を形成するのに先立って電解質層２２１，２２５表面を凹凸化して、実施例と同様に成膜を行なえば良い。これにより、電解質層における接触面積を増大させる同様の効果を得ることができる。

実施例では、電解質層上に電極を形成する構成について説明したが、上記のように導電性を有する複数の層あるいは複数の電解質層を備える燃料電池において、電極として働かない導電層を形成する際にも本発明を適用することができる。この場合にも、表面に凹凸形状を形成された水素透過性金属層上に電解質層を形成して、さらにその上に導電層を形成する際、あるいは、水素透過性金属層上に形成されると共に表面に凹凸形状を形成された電解質層上に導電層を形成する際に、本発明を適用することができる。これにより、電解質層と導電層との間の接触面積を確保して、燃料電池における出力密度の向上を図ることができる。

単セル２０の構成の概略を表わす断面模式図である。 ＭＥＡ４０の製造工程を表わす説明図である。 表面に凹凸処理を施した水素透過性金属層２２を表わす断面模式図である。 水素透過性金属層２２を揺動させながら電解質層２１を形成する様子を模式的に示す説明図である。 電解質層２１を形成した電解質部２３の様子を表わす断面模式図である。 電解質部２３を揺動させながら電解質層２１を形成する様子を模式的に示す説明図である。 異なる複数の角度から水素透過性金属層２２に対して電解質材料を放出する様子を示す説明図である。 電解質層２１を形成する際の様子を模式的に表わす説明図である。 ＭＥＡ１４０の製造工程を表わす説明図である。 電解質部１２３を揺動させて、カソード電極１２４を形成する様子を示す説明図である。 単セル２２０の構成の概略を現わす断面模式図である。

符号の説明

２０，２２０…単セル
２１，１２１…電解質層
２２，１２２…水素透過性金属層
２３，１２３…電解質部
２４，１２４…カソード電極
２７，２９…ガスセパレータ
３０…単セル内燃料ガス流路
３２…単セル内酸化ガス流路
４０，１４０，２４０…ＭＥＡ
２２１，２２５…電解質層
２２２…基材層
２２４，２２６…被覆層

Claims (10)

1. 水素透過性金属を含有する水素透過性金属層と、該水素透過性金属層上に配設されると共にプロトン伝導性を有する電解質層と、を備える燃料電池の製造方法であって、
   （ａ）前記水素透過性金属層の表面を非平滑化する工程と、
   （ｂ）前記水素透過性金属層に対して、前記電解質層を形成するための電解質材料を放出し、前記非平滑化した表面に沿って前記電解質層を形成する工程と
   を備える燃料電池の製造方法。
2. 請求項１記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記（ａ）工程は、前記非平滑化によって、前記水素透過性金属層の表面に凹凸形状を形成する
   燃料電池の製造方法。
3. 請求項２記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記（ｂ）工程は、前記凹凸形状が備える凸部の高さ寸法よりも、厚さ寸法が小さい前記電解質層を形成する
   燃料電池の製造方法。
4. 請求項２または３記載の燃料電池の製造方法において、
   前記（ａ）工程で形成する前記凹凸形状が備える凸部は、前記水素透過性金属層の面方向に対して垂直な壁面を有し、
   前記（ｂ）工程は、
   （ｂ−１）前記水素透過性金属層に対して、該水素透過性金属層の面方向に垂直に前記電解質材料を放出する工程と、
   （ｂ−２）前記水素透過性金属層に対して、前記（ｂ−１）工程とは異なる角度で前記電解質材料を放出する工程と
   を備える燃料電池の製造方法。
5. 請求項２ないし４いずれか記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記（ｂ）工程は、前記水素透過性金属層を、該水素透過性金属層をシーソー状に揺動させる揺動軸を中心として揺動させつつ、該揺動する水素透過性金属層に対して、一方向から前記電解質材料を放出する
   燃料電池の製造方法。
6. 請求項２ないし４いずれか記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記（ｂ）工程は、前記電解質材料を放出する電解質材料放出源から前記水素透過性金属層へと前記電解質材料が放出される角度が変更されるように、前記電解質材料放出源の、前記水素透過性金属層に対する相対的な位置を変化させつつ、前記水素透過性金属層上に前記電解質材料を放出する
   燃料電池の製造方法。
7. 請求項２ないし６いずれか記載の燃料電池の製造方法であって、さらに、
   （ｃ）前記凹凸形状に沿って形成されることで該凹凸形状に応じた形状を有する前記電解質層に対して、電子伝導性を示す導電性材料を放出し、前記電解質層上に前記導電性材料から成る導電層を形成する工程を備える
   燃料電池の製造方法。
8. 水素透過性金属を含有する水素透過性金属層と、該水素透過性金属層上に配設されると共にプロトン伝導性を有する電解質層と、を備える燃料電池の製造方法であって、
   （ａ）前記水素透過性金属層上に、表面を非平滑化された前記電解質層を形成する工程と、
   （ｂ）前記電解質層に対して、電子伝導性を示す導電性材料を放出し、前記非平滑化した表面に沿って前記導電性材料から成る導電層を形成する工程と
   を備える燃料電池の製造方法。
9. 請求項７または８記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記導電性材料は貴金属であり、前記導電層は電極である
   燃料電池の製造方法。
10. 水素透過性金属を含有する水素透過性金属層と、該水素透過性金属層上に配設されると共にプロトン伝導性を有する電解質層と、を備える燃料電池であって、
    請求項１ないし９いずれか記載の燃料電池の製造方法により製造された燃料電池。

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