JP4506259B2 - 燃料電池用電解質層、燃料電池、および燃料電池用電解質層の製造方法 - Google Patents
燃料電池用電解質層、燃料電池、および燃料電池用電解質層の製造方法 Download PDFInfo
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Description
電気化学反応に供されるガスを透過させる緻密な基材と、
前記基材上に形成されると共に細孔を有する多孔質層と、
前記細孔内に担持された無機質の電解質と
を備えることを要旨とする。
(a)電気化学反応に供されるガスを透過させる緻密な基材を用意する工程と、
(b)前記基材上に、細孔を有する多孔質層を形成する工程と、
(c)前記細孔内に、無機質の電解質を担持させる工程と
を備えることを要旨とする。
前記基材は水素透過性を有し、
前記電解質はプロトン伝導性を有することとしても良い。
前記電解質は固体酸であり、
前記(c)工程は、
(c−1)前記多孔質層が有する前記細孔内に、前記固体酸の溶液を導入する工程と、
(c−2)前記溶液を細孔内に導入した前記多孔質体を乾燥させる工程と
を備えることとしても良い。
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:
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、電解質層21と、電解質層21を両側から挟持してサンドイッチ構造を形成するガス拡散電極22,23と、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟持するガスセパレータ24,25とを備えている。ガスセパレータ24とガス拡散電極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25とガス拡散電極23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。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ても良い。
以下に、単セル20の製造工程を説明する。以下、電解質層21をガス拡散電極22,23で挟持した構造を、MEA(Membrane Electrode Assembly)と呼ぶ。図2は、MEAの製造工程を表わす説明図である。
以下に、第2実施例の燃料電池の製造工程を説明する。第2実施例の燃料電池は、第1実施例の燃料電池と同様の構造を有しており、電解質層21の構成材料だけが異なっている。そのため、図2に基づいて、MEAの製造工程についてのみ説明する。なお、第1実施例と共通する部分については同じ参照番号を付して説明を省略する。
以下に、第3実施例の燃料電池の製造工程を説明する。第3実施例の燃料電池は、第1実施例の燃料電池と同様の構造を有しており、電解質層21の構成材料だけが異なっている。そのため、図2に基づいて、MEAの製造工程についてのみ説明する。なお、第1実施例と共通する部分については同じ参照番号を付して説明を省略する。
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。
第1ないし第3実施例のステップS120で、電解質を含有する溶液中に多孔質層を浸漬した後に乾燥させる工程を繰り返す回数は、用いる電解質溶液の濃度に応じて適宜設定すればよい。多孔質層が有する細孔内において、電解質が、多孔質層の厚み方向にわたって連続して担持され、多孔質層の一方の面側から他方の面側へと電解質内をプロトンが移動可能となる電解質部28が形成されればよい。
第2実施例のステップS130において、ガス拡散層とのホットプレスに先立って電解質層21上に電解質溶液を滴下しているが、この工程の要不要は、用いる電解質(固体酸)の種類やホットプレスの条件に応じて決定すればよい。電解質層21上へ電解質溶液を滴下する工程は、ガス拡散電極23上に担持された触媒と電解質との接触を確保するためのものであり、触媒と電解質との接触を確保することで、電気化学反応の際には、ガス拡散電極23上の触媒に対してスムーズにプロトンを供給可能となる。用いる電解質(固体酸)の融点と、ホットプレスの温度によって、充填した固体酸の表面近傍の一部がホットプレス時に溶融可能である場合には、電解質層21上へ電解質溶液を滴下する工程を省略することができる。ホットプレスの温度や圧力および時間などの条件は、固体酸の融点や各部材間の接着し易さ等に応じて適宜設定すればよい。
第1ないし第3実施例では、水素透過性金属層27を構成する金属と、多孔質層を構成する多孔質材料と、電解質との組み合わせをそれぞれ異ならせているが、これらの水素透過性金属や多孔質材料や電解質は、任意に選択して種々の組み合わせが可能である。
第1ないし第3実施例では、電解質層21において水素透過性金属層27はアノード側に配設されているが、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、水素透過性金属層27がカソード側、電解質部28がアノード側となるように電解質層21を配設しても良い。
第1ないし第3実施例では、多孔質層の細孔内に担持させる電解質として固体酸を用いたが、異なる種類の無機質電解質を担持させることとしても良い。例えば、液状の酸を、プロトン伝導性電解質として用い、多孔質層の細孔内に充填することとしても良い。燃料電池用電解質層の作製時に液状である電解質であれば、実施例の固体酸に代えて用い、本発明の燃料電池用電解質層の製造方法を適用することができる。液状の酸としては、例えば、硫酸、リン酸、過塩素酸水溶液や、ホウ酸水溶液が挙げられる。このように発電時に液状である酸を電解質として用いる場合には、発電中における液状電解質の多孔質層からの漏れ出しを、緻密な基材により抑えることができる。
また、電解質として、酸化物イオン伝導性を有する電解質を用いることも可能である。酸化物イオン伝導性を有する電解質としては、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)などのジルコニア系酸化物イオン伝導体や、ペロブスカイト型構造を有する酸化物イオン伝導体など、種々のセラミックス酸化物イオン伝導体を用いることができる。この場合には、電解質を担持する多孔質層を形成するための緻密な基材として、水素透過性金属層に代えて、酸素透過性を有する緻密層を用いればよい。すなわち、基材上の多孔質層に担持させる電解質として、基材を透過して電気化学反応に供されるガス(水素または酸素)の構成元素のイオン(上記ガスが水素の場合はプロトン、上記ガスが酸素の場合は酸化物イオン)の伝導性を有する電解質を用いることで、良好に動作する燃料電池を得ることができる。酸素透過性を有する緻密層は、例えば、Agから成る金属箔、あるいはLa0.7Sr0.3Ga0.6Fe0.4O3から成る焼結体によって形成することができる。
また、電解質を内部に担持させる多孔質層は、構成成分に化学的な修飾を施して、多孔質担体自身にある程度のイオン伝導性(内部に担持する電解質と同様のイオン伝導性)を付与した材料によって形成することも可能である。
21…電解質層
22,23…ガス拡散電極
24,25…ガスセパレータ
27…水素透過性金属層
28…電解質部
30…単セル内燃料ガス流路
32…単セル内酸化ガス流路
Claims (8)
- 燃料電池用電解質層であって、
水素透過性を有する緻密な基材と、
前記基材上に直接成膜することによって形成されると共に細孔を有する多孔質層と、
前記細孔内に担持された無機質の電解質であって、プロトン伝導性を有する電解質と
を備える燃料電池用電解質層。 - 請求項1記載の燃料電池用電解質層であって、
前記電解質は固体酸である
燃料電池用電解質層。 - 請求項1記載の燃料電池用電解質層であって、
前記電解質は液状の酸である
燃料電池用電解質層。 - 燃料電池用電解質層であって、
酸素透過性を有する緻密な基材と、
前記基材上に直接成膜することによって形成されると共に細孔を有する多孔質層と、
前記細孔内に担持された無機質の電解質であって、酸化物イオン伝導性を有する電解質と
を備える燃料電池用電解質層。 - 燃料電池であって、
請求項1ないし3いずれか記載の燃料電池用電解質層と、
前記多孔質層に隣接して、前記基材と対向する側に配設されると共に、電気化学反応を促進する活性を示す触媒と
を備え、
前記基材は、電気化学反応を促進する触媒活性を示す
燃料電池。 - 燃料電池用電解質層の製造方法であって、
(a)水素透過性を有する緻密な基材を用意する工程と、
(b)前記基材上に、細孔を有する多孔質層を形成する工程と、
(c)前記細孔内に、無機質の電解質であってプロトン伝導性を有する電解質を担持させる工程と
を備える燃料電池用電解質層の製造方法。 - 請求項6記載の燃料電池用電解質層の製造方法であって、
前記電解質は固体酸であり、
前記(c)工程は、
(c−1)前記多孔質層が有する前記細孔内に、前記固体酸の溶液を導入する工程と、
(c−2)前記溶液を細孔内に導入した前記多孔質体を乾燥させる工程と
を備える燃料電池用電解質層の製造方法。 - 燃料電池用電解質層の製造方法であって、
(a)酸素透過性を有する緻密な基材を用意する工程と、
(b)前記基材上に、細孔を有する多孔質層を形成する工程と、
(c)前記細孔内に、無機質の電解質であって酸化物イオン伝導性を有する電解質を担持させる工程と
を備える燃料電池用電解質層の製造方法。
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