JP4661102B2 - Manufacturing method of electrolyte membrane for fuel cell and fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池用であって、水素透過性金属層を有する電解質膜の製造方法およびその膜を用いた燃料電池に関する。   The present invention relates to a method for producing an electrolyte membrane having a hydrogen permeable metal layer and a fuel cell using the membrane.

従来から、水素と空気との電気化学反応によって発電する燃料電池に関して、様々な構造が提案されている(下記特許文献1,特許文献2参照)。例えば、下記特許文献1には、ガス(水素)透過性を有するパラジウムの金属膜の燃料極、水素ガスのプロトン伝導性を有する固体電解質、酸化物導電性を有する空気極の3種類の層を、この順序で積層したガス分離膜式燃料電池が開示されている。こうした燃料電池では、燃料極としてセラミック材料ではなく水素透過性を有する金属膜を用いることで、3種類の層を積層して製造する際や、高温条件下で使用する際の材料の熱膨張率差に基づくクラックの発生や層間の剥離等を抑制するとされている。   Conventionally, various structures have been proposed for fuel cells that generate electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and air (see Patent Document 1 and Patent Document 2 below). For example, in Patent Document 1 below, there are three types of layers: a fuel electrode of a palladium metal film having gas (hydrogen) permeability, a solid electrolyte having proton conductivity of hydrogen gas, and an air electrode having oxide conductivity. A gas separation membrane fuel cell laminated in this order is disclosed. In such a fuel cell, by using a metal film having hydrogen permeability instead of a ceramic material as a fuel electrode, the thermal expansion coefficient of the material when it is manufactured by stacking three types of layers or when used under high temperature conditions It is said that the generation of cracks based on the difference and delamination between layers are suppressed.

特開平4−345762号公報JP-A-4-345762 特開2004−146337号公報JP 2004-146337 A

しかしながら、かかる構成の燃料電池を用いても、運転中に金属膜を水素が透過することにより、固体電解質と金属膜との間で剥離が生じてしまうことがあった。これは、金属膜を水素が透過する際、金属膜が固体電解質に比して大きく膨張し、固体電解質との接合界面側に引張方向の応力が発生するためであった。   However, even when the fuel cell having such a configuration is used, peeling may occur between the solid electrolyte and the metal film due to permeation of hydrogen through the metal film during operation. This is because when hydrogen permeates through the metal film, the metal film expands more than the solid electrolyte, and stress in the tensile direction is generated on the side of the joint interface with the solid electrolyte.

水素透過性を有する金属膜とプロトン伝導性を有する固体電解質とを積層して構成される電解質膜に、こうした剥離による欠損が生じることで、電解質膜を用いた燃料電池の性能を低下させることがあった。   Defects caused by such delamination occur in an electrolyte membrane that is formed by laminating a metal membrane with hydrogen permeability and a solid electrolyte with proton conductivity, which may reduce the performance of fuel cells using the electrolyte membrane. there were.

本発明は、こうした問題を踏まえて、運転中の金属膜の膨張に起因して生じる固体電解質と金属膜との剥離を抑制する電解質膜の製造方法およびこうした電解質膜を備えた燃料電池を提供することを目的とする。   In light of these problems, the present invention provides a method of manufacturing an electrolyte membrane that suppresses separation between the solid electrolyte and the metal membrane caused by the expansion of the metal membrane during operation, and a fuel cell including such an electrolyte membrane. For the purpose.

本発明の電解質膜の製造方法は、上記課題に鑑み、以下の手法を採った。すなわち、燃料電池に用いられ、水素透過性金属を含有する水素透過性金属層上にプロトン伝導性を有する電解質層を積層する電解質膜の製造方法であって、前記水素透過性金属層における前記電解質層を積層する界面側に前記水素透過性金属層の面に沿った圧縮方向の残留応力を付加する工程を備え、前記工程は、前記水素透過性金属層に引張方向の応力による塑性変形を付加しながら、前記電解質層を成膜する工程であることを要旨としている。 In view of the above problems, the method for manufacturing an electrolyte membrane of the present invention employs the following method. That is, a method for producing an electrolyte membrane used in a fuel cell, in which an electrolyte layer having proton conductivity is laminated on a hydrogen permeable metal layer containing a hydrogen permeable metal, the electrolyte in the hydrogen permeable metal layer A step of applying a residual stress in a compressive direction along the surface of the hydrogen permeable metal layer to the interface side where the layers are laminated , and the step includes subjecting the hydrogen permeable metal layer to plastic deformation due to a stress in a tensile direction. The gist is that it is a step of forming the electrolyte layer while adding .

本発明の電解質膜の製造方法によれば、水素透過性金属層の電解質層側に、圧縮方向の残留応力を備えた電解質膜を製造する。こうして製造された電解質膜を水素が透過する際に、水素透過性金属層の膨張により発生する引張方向の応力は、水素透過性金属層の界面側に付加した圧縮方向の残留応力によって低減する。つまり、圧縮方向の残留応力が水素透過性金属層の引張方向の応力を打ち消す方向に働くため、電解質膜の水素透過により水素透過性金属層と電解質層とに発生する応力を低減する。したがって、水素の透過による膨張に起因した水素透過性金属層と電解質層との剥離を抑制することができる。   According to the method for producing an electrolyte membrane of the present invention, an electrolyte membrane having a residual stress in the compression direction is produced on the electrolyte layer side of the hydrogen permeable metal layer. When hydrogen permeates through the electrolyte membrane thus produced, the tensile stress generated by the expansion of the hydrogen permeable metal layer is reduced by the compressive residual stress applied to the interface side of the hydrogen permeable metal layer. That is, the residual stress in the compression direction works in a direction to cancel the stress in the tensile direction of the hydrogen permeable metal layer, so that the stress generated in the hydrogen permeable metal layer and the electrolyte layer due to hydrogen permeation of the electrolyte membrane is reduced. Therefore, peeling between the hydrogen permeable metal layer and the electrolyte layer due to expansion due to hydrogen permeation can be suppressed.

かかる電解質膜の製造方法における圧縮残留応力を付加する工程としては、例えば、水素透過性金属層自体に引張方向の塑性変形を加えながら電解質層を成膜する工程や、水素透過性金属層の表面にローラ等による引張方向の塑性変形を与える等のいわゆる機械的な表面処理を施して電解質層を成膜する工程などであっても良い。水素透過性金属層自体に引張方向の塑性変形を加えながら電解質層を成膜する場合には、塑性変形が電解質層の成膜による拘束を受け、その内部に残留応力を付加することができる。こうした工程を経ることで、水素透過性金属層と電解質層との剥離を抑制することができる。   Examples of the step of applying compressive residual stress in the method of manufacturing an electrolyte membrane include a step of forming an electrolyte layer while applying plastic deformation in the tensile direction to the hydrogen permeable metal layer itself, and a surface of the hydrogen permeable metal layer. It may be a process of forming an electrolyte layer by applying a so-called mechanical surface treatment such as applying plastic deformation in a tensile direction by a roller or the like. When forming an electrolyte layer while applying plastic deformation in the tensile direction to the hydrogen permeable metal layer itself, the plastic deformation is constrained by the formation of the electrolyte layer, and residual stress can be added to the inside. Through these steps, peeling between the hydrogen permeable metal layer and the electrolyte layer can be suppressed.

上記の製造方法における水素透過性金属層は複数の水素透過性金属が積層された複合水素透過性金属層からなり、前記工程は、前記複合水素透過性金属層における一の水素透過性金属上に圧縮方向の残留応力を付加した水素透過性金属を積層する第1工程と、前記第1工程の後、前記一の水素透過性金属と前記圧縮方向の残留応力を付加した水素透過性金属とを、所定の方法で接合する第2工程と、前記第2工程の後、前記圧縮方向の残留応力を付加した水素透過性金属層上に、前記電解質層を成膜する第3工程とを備えるものとしても良い。   The hydrogen permeable metal layer in the manufacturing method includes a composite hydrogen permeable metal layer in which a plurality of hydrogen permeable metals are laminated, and the step is performed on one hydrogen permeable metal in the composite hydrogen permeable metal layer. A first step of laminating a hydrogen permeable metal to which a compressive residual stress is applied; and after the first step, the one hydrogen permeable metal and a hydrogen permeable metal to which a compressive residual stress is applied. A second step of bonding by a predetermined method, and a third step of forming the electrolyte layer on the hydrogen permeable metal layer to which the residual stress in the compression direction is applied after the second step. It is also good.

かかる電解質膜の製造方法によれば、電解質層を成膜する基材となる水素透過性金属層に、複数の水素透過性金属を積層してなる複合水素透過性金属層を用いる。この複合水素透過性金属層の電解質層との界面側には、圧縮方向の残留応力を付加した水素透過性金属を積層する。つまり、複合水素透過性金属層は、許容できる限り水素透過性金属が何層あっても良いが、電解質層との界面側には圧縮方向の残留応力を予め付加した水素透過性金属を使用する。したがって、複合水素透過性金属層と電解質層との剥離を抑制することができる。   According to such a method for producing an electrolyte membrane, a composite hydrogen permeable metal layer formed by laminating a plurality of hydrogen permeable metals is used on a hydrogen permeable metal layer serving as a base material for forming an electrolyte layer. On the interface side of the composite hydrogen permeable metal layer with the electrolyte layer, a hydrogen permeable metal to which a residual stress in the compression direction is added is laminated. In other words, the composite hydrogen permeable metal layer may have any number of hydrogen permeable metals as much as possible, but a hydrogen permeable metal to which a residual stress in the compression direction is applied in advance is used on the interface side with the electrolyte layer. . Therefore, peeling between the composite hydrogen permeable metal layer and the electrolyte layer can be suppressed.

上記の製造方法において、前記第1工程は、前記複合水素透過性金属層の表裏面に圧縮方向の残留応力を付加した水素透過性金属を積層する工程であり、前記第3工程は、前記表裏面に積層された前記水素透過性金属の一方に前記電解質膜を成膜する工程であるものとしても良い。   In the above manufacturing method, the first step is a step of laminating a hydrogen permeable metal to which a residual stress in the compression direction is applied on the front and back surfaces of the composite hydrogen permeable metal layer, and the third step is the table. It may be a step of forming the electrolyte membrane on one of the hydrogen permeable metals laminated on the back surface.

かかる電解質膜の製造方法によれば、複合水素透過性金属層は、残留応力を付加していない水素透過性金属を、残留応力を付加した水素透過性金属で両側から挟みこんで形成する。したがって、複合水素透過性金属層と電解質層との剥離を抑制すると共に、複合水素透過性金属層に不要な曲げ方向の応力が働くことを抑えることができる。   According to such a method for manufacturing an electrolyte membrane, the composite hydrogen permeable metal layer is formed by sandwiching a hydrogen permeable metal to which residual stress is not applied from both sides with a hydrogen permeable metal to which residual stress is applied. Therefore, peeling of the composite hydrogen permeable metal layer and the electrolyte layer can be suppressed, and unnecessary stress in the bending direction can be suppressed from acting on the composite hydrogen permeable metal layer.

上記の製造方法において、前記第2工程は、金属の表面を活性し、所定の加圧下で接合する表面活性化接合法を用いて接合する工程であるものとしても良い。   In the above manufacturing method, the second step may be a step of activating the metal surface and bonding using a surface activated bonding method of bonding under a predetermined pressure.

かかる電解質膜の製造方法によれば、表面活性化接合法を用いて複合水素透過性金属層を生成し、その上に電解質層を成膜する。こうした製造方法を用いることで、複数の水素透過性金属同士を接合して多層とすることができ、一の水素透過性金属層の内部に圧縮方向の残留応力を付加したものと同等である複合水素透過性金属層を生成することができる。   According to this method for producing an electrolyte membrane, a composite hydrogen permeable metal layer is generated using a surface activated bonding method, and an electrolyte layer is formed thereon. By using such a manufacturing method, a plurality of hydrogen permeable metals can be joined together to form a multilayer, which is equivalent to a composite in which a residual stress in the compression direction is added to the inside of one hydrogen permeable metal layer. A hydrogen permeable metal layer can be produced.

本発明の燃料電池は、水素透過性金属を含有する水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層とからなる電解質膜を有する燃料電池であって、前記水素透過性金属層に引張方向の応力による塑性変形を付加しながら前記電解質層を成膜することによって、前記水素透過性金属層における前記電解質層を積層する界面側に前記水素透過性金属層の面に沿った圧縮方向の残留応力を付加した圧縮残留応力層を備えるものとすることができる。

The fuel cell according to the present invention is a fuel cell having an electrolyte membrane composed of a hydrogen permeable metal layer containing a hydrogen permeable metal and an electrolyte layer having proton conductivity, wherein the hydrogen permeable metal layer has a tensile direction. By forming the electrolyte layer while adding plastic deformation due to the stress of, the interface of the hydrogen permeable metal layer in the compression direction along the surface of the hydrogen permeable metal layer is formed on the interface side where the electrolyte layer is laminated. A compressive residual stress layer to which residual stress is added can be provided.

かかる燃焼電池によれば、上記の製造方法や、その他、水素透過性金属表面に残留応力を付加する種々の製造方法を利用して、水素透過性金属層に圧縮残留応力層を形成する。したがって、圧縮残留応力層を水素が透過する際の水素透過性金属層の膨張を抑制し、電解質層との剥離を抑制することができる。その結果、燃焼電池としての性能低下を抑制することができる。   According to such a combustion battery, the compressive residual stress layer is formed on the hydrogen permeable metal layer by using the above manufacturing method and other various manufacturing methods for applying a residual stress to the hydrogen permeable metal surface. Therefore, expansion of the hydrogen permeable metal layer when hydrogen permeates through the compressive residual stress layer can be suppressed, and separation from the electrolyte layer can be suppressed. As a result, performance degradation as a combustion battery can be suppressed.

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて次の順序で説明する。
A.燃料電池の構造:
B.第1の電解質膜の製造方法:
C.第2の電解質膜の製造方法:
D.変形例:
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Fuel cell structure:
B. Method for producing first electrolyte membrane:
C. Method for producing second electrolyte membrane:
D. Variations:

A.燃料電池の構造:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池を構成する単セルの概略構成を示す断面模式図である。本実施例の燃料電池は、燃料ガス中から分離した水素と、空気等の酸化ガス中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池である。この燃料電池は、図1に示す単セル10を複数積層し、これを両端からエンドプレート80にて挟持することで形成されている。複数の単セル10を直列に接続したスタック構造とすることで、システムに必要な電力を取り出すことができる。
A. Fuel cell structure:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a single cell constituting a fuel cell as one embodiment of the present invention. The fuel cell of this embodiment is a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between hydrogen separated from the fuel gas and oxygen in an oxidizing gas such as air. This fuel cell is formed by stacking a plurality of single cells 10 shown in FIG. 1 and sandwiching them from both ends by end plates 80. By using a stack structure in which a plurality of single cells 10 are connected in series, power necessary for the system can be taken out.

スタック構造の燃料電池は、燃料ガスや空気などを供給する通路(図示なし)を備えており、例えば、高圧タンクに貯留された燃料ガスやコンプレッサを介した空気が通路に供給される。こうしたガスは、エンドプレート80、通路を介して、各単セル10内に十分に供給される。なお、燃料電池には、燃料ガスと酸化ガスとが直交して流れる直交流型と平行流型(対向流型を含む)とがあるが、本実施例では、説明を簡単にするため、平行流型として図示している。   The fuel cell having a stack structure is provided with a passage (not shown) for supplying fuel gas, air, and the like. For example, fuel gas stored in a high-pressure tank or air via a compressor is supplied to the passage. Such gas is sufficiently supplied into each single cell 10 through the end plate 80 and the passage. The fuel cell includes a cross flow type and a parallel flow type (including a counter flow type) in which the fuel gas and the oxidizing gas flow orthogonally, but in this embodiment, in order to simplify the description, a parallel flow type is used. It is shown as a flow type.

図1に示すように、この単セル10は、主に、燃料ガスや酸化ガスの単セル10内の流路となるガスセパレータ60,70、電解質膜と電極とを一体で備えたMEA100(Membrane-Electrode Assembly)等からなり、ガスセパレータ60,70でMEA100を両側から挟みこんで形成されている。なお、図示は省略するが、スタック構造の内部温度を調整するために、各単セル間に、または所定数の単セルを積層する毎に、燃料電池を冷却する冷媒の通過する冷媒流路を設けるものとしても良い。   As shown in FIG. 1, this single cell 10 is mainly composed of an MEA 100 (Membrane comprising gas separators 60 and 70, which are flow paths in the single cell 10 for fuel gas and oxidizing gas, and an electrolyte membrane and electrodes integrally. -Electrode Assembly) and the like, and the MEA 100 is sandwiched from both sides by gas separators 60 and 70. Although illustration is omitted, in order to adjust the internal temperature of the stack structure, a refrigerant flow path through which a refrigerant for cooling the fuel cell passes is provided between each single cell or each time a predetermined number of single cells are stacked. It may be provided.

ガスセパレータ60,70は、カーボンや金属などの導電性材料で形成され、燃料ガス,酸化ガスを透過させない緻密質体で構成されている。ガスセパレータ60の表面には燃料ガスを単セル10内部に導く燃料ガス流路65を形成する凹凸形状が、ガスセパレータ70の表面には酸化ガスを単セル10内部に導く酸化ガス流路75を形成する凹凸形状が、それぞれ形成されている。   The gas separators 60 and 70 are made of a conductive material such as carbon or metal, and are formed of a dense material that does not allow fuel gas and oxidant gas to permeate. The surface of the gas separator 60 has a concavo-convex shape that forms a fuel gas channel 65 that guides the fuel gas to the inside of the single cell 10, and the surface of the gas separator 70 has an oxidizing gas channel 75 that guides the oxidizing gas to the inside of the unit cell 10. The uneven shape to be formed is formed respectively.

こうしたガスセパレータ60,70の流路の内、燃料ガス流路65には燃料ガスとしての炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスが、酸化ガス流路75には酸化ガスとしての空気が、それぞれ供給されている。ガスセパレータ60,70は、供給された水素リッチガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応にて発生する電気を集電する機能を有している。   Of these flow paths of the gas separators 60, 70, the fuel gas flow path 65 contains hydrogen-rich gas obtained by reforming hydrocarbon fuel as fuel gas, and the oxidant gas flow path 75 contains air as oxidizing gas. Are supplied. The gas separators 60 and 70 have a function of collecting electricity generated by an electrochemical reaction between hydrogen in the supplied hydrogen-rich gas and oxygen in the air.

MEA100は、主に、水素を選択的に透過する水素透過性金属層20とプロトン伝導性を有する電解質層30とを有する電解質膜50と、カソード電極40と、から構成され、水素透過性金属層20,電解質層30,カソード電極40の順序で積層されている。   The MEA 100 is mainly composed of an electrolyte membrane 50 having a hydrogen permeable metal layer 20 that selectively permeates hydrogen and an electrolyte layer 30 having proton conductivity, and a cathode electrode 40, and a hydrogen permeable metal layer. 20, the electrolyte layer 30 and the cathode electrode 40 are laminated in this order.

カソード電極40は、電解質膜50の電解質層30上に成膜された金属やセラミックス系の材料などからなる層であり、例えば、電気化学反応を促進する触媒活性を有する貴金属であるパラジウム(Pd)などにより形成することができる。さらに、電気化学反応を促進するため、パラジウムに替えて、または、パラジウムと共に、白金(Pt)等の触媒層を設けるものとすることもできる。なお、本実施例では、カソード電極40としてセラミックス電極材(LaSrO,BaPrCo)を使用している。   The cathode electrode 40 is a layer made of a metal or a ceramic material formed on the electrolyte layer 30 of the electrolyte membrane 50. For example, palladium (Pd) which is a noble metal having a catalytic activity for promoting an electrochemical reaction. Or the like. Furthermore, in order to promote the electrochemical reaction, a catalyst layer such as platinum (Pt) may be provided instead of or together with palladium. In this embodiment, a ceramic electrode material (LaSrO, BaPrCo) is used as the cathode electrode 40.

水素透過性金属層20は、水素透過性を有する金属からなる層であり、例えば、パラジウム(Pd),Pd合金等により形成することができる。あるいは、バナジウム(V),ニオブ(Nb),タンタル(Ta)等や、これらの合金の上に、パラジウム(Pd),Pd合金層を形成した多層構造により形成することができる。こうした水素透過性金属層20は、高純度の水素を生成する水素分離膜としての機能に加え、アノード電極としての機能を有している。   The hydrogen permeable metal layer 20 is a layer made of a metal having hydrogen permeability, and can be formed of, for example, palladium (Pd), a Pd alloy, or the like. Alternatively, it can be formed by a multilayer structure in which a palladium (Pd) or Pd alloy layer is formed on vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta) or the like or an alloy thereof. Such a hydrogen permeable metal layer 20 has a function as an anode electrode in addition to a function as a hydrogen separation membrane that generates high-purity hydrogen.

電解質層30は、プロトン伝導性を有する固体電解質からなる層であり、例えば、セラミック系の固体酸化物であるBaCeO、SrCeO系のペロブスカイト、パイロクロア等を用いることができる。こうした電解質層30を、緻密な水素透過性金属層20上に薄膜として成膜することで電解質膜50は形成される。 The electrolyte layer 30 is a layer made of a solid electrolyte having proton conductivity. For example, BaCeO 3 , SrCeO 3 perovskite, pyrochlore, or the like, which is a ceramic solid oxide, can be used. The electrolyte membrane 50 is formed by forming such an electrolyte layer 30 as a thin film on the dense hydrogen permeable metal layer 20.

本実施例の電解質膜50を構成する水素透過性金属層20には、所定の処理を施すことで圧縮方向の残留応力(圧縮残留応力)を付加している。図1に示した水素透過性金属層20上の矢印Pは、圧縮残留応力を示している。この圧縮残留応力Pは、水素透過性金属層20の表面から所定の深さに及び、水素透過性金属層20内部に圧縮残留応力の層21を形成している。   A residual stress in the compression direction (compressive residual stress) is applied to the hydrogen permeable metal layer 20 constituting the electrolyte membrane 50 of the present embodiment by performing a predetermined treatment. An arrow P on the hydrogen permeable metal layer 20 shown in FIG. 1 indicates a compressive residual stress. This compressive residual stress P extends from the surface of the hydrogen permeable metal layer 20 to a predetermined depth, and forms a layer 21 of compressive residual stress inside the hydrogen permeable metal layer 20.

一般に、残留応力は、外力や熱による局部的な体積変化、寸法変化を(つまり、不均質な塑性変形を)与え、金属等の弾性体の内部の不調和の応力場に起因して発生する。つまり、外力や熱などをコントロールすることで圧縮方向の応力場を生成することができる。本実施例の電解質膜50は、こうした圧縮残留応力Pを内部に付加した水素透過性金属層20上に電解質層30を積層して形成されている。   In general, residual stress is generated due to an inconsistent stress field inside an elastic body such as metal, which gives local volume changes and dimensional changes (that is, inhomogeneous plastic deformation) due to external force and heat. . That is, a stress field in the compression direction can be generated by controlling external force, heat, and the like. The electrolyte membrane 50 of this embodiment is formed by laminating an electrolyte layer 30 on the hydrogen permeable metal layer 20 to which such compressive residual stress P is added.

以上の構成の燃料電池を運転する場合、外部から供給された水素リッチガス中の水素(プロトン)は、電解質膜50を透過し、カソード電極40にて酸素と反応する。この反応過程において、水素透過性金属層20は、水素の透過に伴って膨張する。   When the fuel cell having the above configuration is operated, hydrogen (proton) in the hydrogen-rich gas supplied from the outside passes through the electrolyte membrane 50 and reacts with oxygen at the cathode electrode 40. In this reaction process, the hydrogen permeable metal layer 20 expands with the permeation of hydrogen.

図2は、水素の透過に伴う電解質膜の膨張の様子を示す説明図である。図示するように、水素透過性金属層αは、400℃から500℃に至る高温運転条件の下、水素の透過に伴って、水素の移動方向に直交する方向に膨張する(伸びる)ことが一般的に知られている。   FIG. 2 is an explanatory diagram showing the state of expansion of the electrolyte membrane accompanying hydrogen permeation. As shown in the figure, the hydrogen-permeable metal layer α generally expands (extends) in a direction perpendicular to the direction of hydrogen movement with the permeation of hydrogen under high-temperature operating conditions ranging from 400 ° C. to 500 ° C. Known.

水素透過性金属層αと電解質層βとでは、水素の透過による膨張率が異なり、水素透過性金属層αは電解質層βに比べて大きく膨張する。そのため、電解質層βは、水素透過性金属層αにより伸ばされた状態(接合界面に引張応力Tを受けた状態)となる。例えば、この引張応力Tが、接合界面の強度を超えると、水素透過性金属層αと電解質層βとの間には剥離が生じることとなる。   The hydrogen permeable metal layer α and the electrolyte layer β have different expansion rates due to the permeation of hydrogen, and the hydrogen permeable metal layer α expands greatly compared to the electrolyte layer β. Therefore, the electrolyte layer β is in a state stretched by the hydrogen permeable metal layer α (a state in which the tensile stress T is applied to the bonding interface). For example, when the tensile stress T exceeds the strength of the bonding interface, peeling occurs between the hydrogen permeable metal layer α and the electrolyte layer β.

本実施例の水素透過性金属層20は、その内部に圧縮残留応力Pを有しているため、水素透過性金属層20の膨張を抑制し、膨張に起因して接合界面に生じる引張応力Tを低減することができる。したがって、水素透過性金属層αと電解質層βとの接合界面での剥離を抑制することができる。   Since the hydrogen permeable metal layer 20 of this embodiment has a compressive residual stress P inside thereof, the hydrogen permeable metal layer 20 is restrained from expanding, and the tensile stress T generated at the joint interface due to the expansion. Can be reduced. Therefore, peeling at the joint interface between the hydrogen permeable metal layer α and the electrolyte layer β can be suppressed.

換言すると、圧縮残留応力Pを付加しておくことで、水素の透過時に発生する水素透過性金属層20の膨張の割合を低減し、水素透過性金属層20と電解質層30との膨張率の差を低減し、剥離を抑制する。その結果、燃料電池の性能低下を抑制することができる。以下に、圧縮残留応力を付加した電解質膜50の製造方法について、説明する。   In other words, by adding the compressive residual stress P, the rate of expansion of the hydrogen permeable metal layer 20 generated during the permeation of hydrogen is reduced, and the expansion rate of the hydrogen permeable metal layer 20 and the electrolyte layer 30 is reduced. Reduce the difference and suppress peeling. As a result, it is possible to suppress the performance degradation of the fuel cell. Below, the manufacturing method of the electrolyte membrane 50 which added the compressive residual stress is demonstrated.

B.第1の電解質膜の製造方法:
図3は、第1実施例として、圧縮残留応力を付加した電解質膜50の製造工程を示す工程図である。電解質膜50の製造にあたって、まず、電解質膜50の基礎となる水素透過性金属基材を準備する(ステップS300)。第1実施例では、水素透過性金属層20を形成する基材S1として、100(μm)の厚みのパラジウム(Pd)を使用している。
B. Method for producing first electrolyte membrane:
FIG. 3 is a process diagram showing a manufacturing process of the electrolyte membrane 50 to which the compressive residual stress is applied as the first embodiment. In manufacturing the electrolyte membrane 50, first, a hydrogen-permeable metal base material that is the basis of the electrolyte membrane 50 is prepared (step S300). In the first embodiment, palladium (Pd) having a thickness of 100 (μm) is used as the base material S1 for forming the hydrogen permeable metal layer 20.

続いて、基材S1の端部を引っ張り、基材S1自体に張力(テンション)を付加する(ステップS310)。このテンションは、基材S1に塑性変形を発生させる負荷であり、後の工程で圧縮残留応力を発生させる。   Subsequently, the end of the base material S1 is pulled to apply tension to the base material S1 itself (step S310). This tension is a load that causes plastic deformation in the substrate S1, and generates a compressive residual stress in a later step.

テンションを付加した状態の基材S1上に、電解質層30を成膜する(ステップS320)。第1実施例では、電解質層30としてSrCeO系のペロブスカイト(以下、単にペロブスカイト)を、1(μm)の厚みに成膜している。 The electrolyte layer 30 is formed on the base material S1 in a state where tension is applied (step S320). In the first embodiment, SrCeO 3 -based perovskite (hereinafter simply referred to as perovskite) is formed as the electrolyte layer 30 to a thickness of 1 (μm).

この成膜には、液相成長法の一種である公知のゾル・ゲル法を用いている。ゾル・ゲル法は、ゾル状の成膜材料を基材表面にコートして、乾燥、焼成し、ゲル状態を経て、薄膜を得る方法である。第1実施例では、この方法を用いてペロブスカイトを成膜しているが、一般的なスパッタ法や、物理蒸着法(PVD)、化学蒸着法(CVD)など種々の成膜方法を用いるものとしても良い。   For this film formation, a known sol-gel method, which is a kind of liquid phase growth method, is used. The sol-gel method is a method in which a base material surface is coated with a sol-shaped film forming material, dried and fired, and a thin film is obtained through a gel state. In the first embodiment, a perovskite film is formed using this method, but various film forming methods such as a general sputtering method, a physical vapor deposition method (PVD), and a chemical vapor deposition method (CVD) are used. Also good.

ペロブスカイトを成膜して形成した電解質膜50は、テンションが付加されたままの状態である。このテンションを除去して(ステップS330)、一連の製造工程を終了する。   The electrolyte membrane 50 formed by depositing perovskite is in a state where tension is still applied. This tension is removed (step S330), and a series of manufacturing processes is completed.

こうして製造された電解質膜50の基材S1は、テンションの付加による変形の過程で、ペロブスカイトの成膜により一様な塑性変形が拘束される。一般に、自由で一様な塑性変形でもそれが拘束される場合には、残留応力が発生する。第1実施例の基材S1は、テンションを付加した状態でペロブスカイトを成膜することで、その内部(表面)に圧縮残留応力を保持したものとなる。こうした製造工程を経ることで、水素透過性金属層20である基材S1を水素が透過する際の、基材S1の膨張を抑え、基材S1とペロブスカイトとの界面の剥離を抑制する電解質膜50を製造することができる。   The base material S1 of the electrolyte membrane 50 thus manufactured is restrained from uniform plastic deformation by the formation of perovskite in the process of deformation due to the addition of tension. In general, residual stress occurs when free and uniform plastic deformation is constrained. The base material S1 of the first embodiment is formed by depositing a perovskite with a tension applied thereto, thereby holding a compressive residual stress inside (surface) thereof. Through such a manufacturing process, an electrolyte membrane that suppresses expansion of the base material S1 when hydrogen permeates the base material S1 that is the hydrogen permeable metal layer 20, and suppresses peeling at the interface between the base material S1 and the perovskite. 50 can be manufactured.

さらに、ペロブスカイトは、そのベースとなる基材S1にテンションを付加した状態で成膜され、その後、テンションを除去する。このテンションは、主に塑性変形に用いられるが、わずかに基材S1の弾性変形にも用いられる。つまり、電解質膜50(基材S1)にかかるテンションの除去により、弾性変形限度内で電解質膜50(基材S1)が縮み(戻り)、ペロブスカイト自体に圧縮応力を付加することができる。この製造方法は、基材S1に圧縮残留応力を与えると共に、ペロブスカイトにも圧縮方向の応力(これも、圧縮残留応力と呼ぶ)を与えることができる。   Further, the perovskite is formed with a tension applied to the base material S1 serving as the base, and then the tension is removed. This tension is mainly used for plastic deformation, but is also slightly used for elastic deformation of the substrate S1. That is, by removing the tension applied to the electrolyte membrane 50 (base material S1), the electrolyte membrane 50 (base material S1) contracts (returns) within the elastic deformation limit, and compressive stress can be applied to the perovskite itself. This manufacturing method can give compressive residual stress to the base material S1, and can give compressive stress (also referred to as compressive residual stress) to the perovskite.

こうして予め圧縮残留応力を与えたペロブスカイト(電解質層30)に、燃料電池の運転により所定の引張応力が生じた場合には、その引張応力を内部の圧縮残留応力により緩和することができる。つまり、引張方向の許容応力を向上することができる。   Thus, when a predetermined tensile stress is generated in the perovskite (electrolyte layer 30) to which the compressive residual stress has been applied in advance by the operation of the fuel cell, the tensile stress can be relaxed by the internal compressive residual stress. That is, the allowable stress in the tensile direction can be improved.

他方、電解質層30に、所定の圧縮応力が生じた場合には、内部の圧縮残留応力が加算されるため、圧縮方向の応力が増大することとなる。一般に、ペロブスカイトに代表される電解質層30に用いる材料は、引張方向よりも圧縮方向に対して高い許容応力を有する。したがって、圧縮方向の応力が増大しても、概ね許容することができる。その結果、引張方向と圧縮方向との強度バランスを加味した電解質層30、それを備えた電解質膜50を形成することができ、電解質膜50全体の強度を向上することができる。   On the other hand, when a predetermined compressive stress is generated in the electrolyte layer 30, the internal compressive residual stress is added, so that the stress in the compression direction increases. In general, a material used for the electrolyte layer 30 typified by perovskite has a higher allowable stress in the compression direction than in the tensile direction. Therefore, even if the stress in the compression direction increases, it can be generally allowed. As a result, the electrolyte layer 30 taking into account the strength balance between the tensile direction and the compression direction, and the electrolyte membrane 50 including the electrolyte layer 30 can be formed, and the strength of the entire electrolyte membrane 50 can be improved.

なお、こうした製造工程を実行する成膜装置には、種々の態様が考えられるが、その一例を図4に示した。図4は、第1実施例の製造方法により電解質膜50を製造する成膜装置の概略構成図である。この成膜装置では、コイル状に準備された水素透過性金属の基材S1から連続的に電解質膜50を成膜することができる。   In addition, although various aspects can be considered for the film-forming apparatus which performs such a manufacturing process, the example was shown in FIG. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a film forming apparatus for manufacturing the electrolyte membrane 50 by the manufacturing method of the first embodiment. In this film forming apparatus, the electrolyte membrane 50 can be continuously formed from the hydrogen-permeable metal base material S1 prepared in a coil shape.

図示するように、この成膜装置400は、主に、ペロブスカイトを成膜する成膜部410,成膜部410に水素透過性金属の基材S1を搬入するローラ420,基材S1にテンションを付加するテンションローラ430,基材Sおよび電解質膜50を挟持する挟持ローラ425,435,基材S1をコイル状に保持する保持ロール部440,生成された電解質膜50を巻き取る巻取ロール部450などから構成されている。   As shown in the figure, this film forming apparatus 400 mainly includes a film forming unit 410 for forming a perovskite film, a roller 420 for carrying a hydrogen permeable metal base material S1 into the film forming unit 410, and a tension on the base material S1. The tension roller 430 to be added, the holding rollers 425 and 435 that hold the base material S and the electrolyte membrane 50, the holding roll portion 440 that holds the base material S1 in a coil shape, and the winding roll portion 450 that winds the generated electrolyte membrane 50 Etc.

この成膜装置400では、テンションローラ430と挟持ローラ435とにより電解質膜50を挟持し、ローラ420と挟持ローラ425とにより基材S1を挟持し、テンションローラ430のローラ回転速度を調整することで、成膜部410内の基材S1にテンションを付加することができる。   In this film forming apparatus 400, the electrolyte membrane 50 is sandwiched between the tension roller 430 and the sandwiching roller 435, the substrate S1 is sandwiched between the roller 420 and the sandwiching roller 425, and the roller rotation speed of the tension roller 430 is adjusted. A tension can be applied to the base material S1 in the film forming section 410.

ローラ420,テンションローラ430,挟持ローラ425,435によって、テンションを付加した状態で成膜部410に搬入された基材S1は、その上面にペロブスカイトを積層し、電解質膜50として巻取ロール部440に巻き取られる。こうした装置を用いて製造された電解質膜50は、その基材S1に圧縮残留応力を付加したものとなる。かかる電解質膜50を燃焼電池に使用することで、水素透過性金属層20と電解質層30との剥離による燃焼電池の性能低下を抑制することができる。   The base material S1 carried into the film forming unit 410 with tension applied by the roller 420, the tension roller 430, and the sandwiching rollers 425 and 435 is laminated with a perovskite on the upper surface thereof, and the winding roll unit 440 serves as the electrolyte membrane 50. Rolled up. The electrolyte membrane 50 manufactured using such an apparatus is obtained by adding compressive residual stress to the base material S1. By using such an electrolyte membrane 50 for a combustion battery, it is possible to suppress deterioration in the performance of the combustion battery due to the separation of the hydrogen permeable metal layer 20 and the electrolyte layer 30.

C.第2の電解質膜の製造方法:
図5は、第2実施例として、圧縮残留応力を付加した電解質膜の製造工程を示す工程図である。電解質膜50の製造にあたって、まず、電解質膜50の基礎となる水素透過性金属の基材S2を製造する(ステップS500)。このステップでは、水素透過性金属層20を形成する基材S2として、バナジウム(V)を基礎とし、その両面をパラジウム(Pd)で挟み込んで形成した複合金属膜を生成する。
C. Method for producing second electrolyte membrane:
FIG. 5 is a process diagram showing a manufacturing process of an electrolyte membrane to which compressive residual stress is applied as a second embodiment. In manufacturing the electrolyte membrane 50, first, a hydrogen-permeable metal base material S2 which is the basis of the electrolyte membrane 50 is manufactured (step S500). In this step, as the base material S2 on which the hydrogen permeable metal layer 20 is formed, a composite metal film is formed which is formed by using vanadium (V) as a base and sandwiching both surfaces thereof with palladium (Pd).

この複合金属膜の製造には、異種金属(バナジウム,パラジウム)の表面を活性化して接合する表面活性化接合法を用いている。   The composite metal film is manufactured using a surface activated bonding method in which the surfaces of different metals (vanadium, palladium) are activated and bonded.

図6は、表面活性化接合法の一つとして異種金属を接合するグラッド法の説明図である。なお、第2実施例の基材S2は、Pd−V−Pdの3層からなる複合金属膜であるが、説明を簡単にするため、2種類の異種金属による接合を示した。   FIG. 6 is an explanatory diagram of a grading method for bonding dissimilar metals as one of the surface activated bonding methods. In addition, although base material S2 of 2nd Example is a composite metal film which consists of 3 layers of Pd-V-Pd, in order to simplify description, the joining by two types of dissimilar metals was shown.

図示するように、このクラッド法では、金属材料Aと金属材料Bとを、所定の圧力Fで加圧して接合する。加圧には加圧用ローラ600を、接合した複合金属膜の移動には巻取用ローラ610を、それぞれ用い、連続して複合金属膜を生成している。   As shown in the figure, in this clad method, the metal material A and the metal material B are pressurized and bonded with a predetermined pressure F. A pressurizing roller 600 is used for pressurization, and a take-up roller 610 is used for moving the joined composite metal film, and a composite metal film is continuously generated.

ここで使用する金属材料Aはバナジウム(V)、金属材料Bはパラジウム(Pd)であり、金属材料Bには予め圧縮残留応力を付加している。予め圧縮残留応力を付加する方法としては、ショットピーニングなどの機械的な表面処理や、表面焼入れなどの熱処理、または金属材料A、金属材料Bのロール速度(金属材料A、金属材料Bのテンションローラの負荷)を異ならせながら接合することにより残留応力を付加するなどの種々の方法を用いることができる。   The metal material A used here is vanadium (V), the metal material B is palladium (Pd), and a compressive residual stress is applied to the metal material B in advance. As a method for applying compressive residual stress in advance, mechanical surface treatment such as shot peening, heat treatment such as surface quenching, or roll speed of metal material A and metal material B (tension roller of metal material A and metal material B) Various methods can be used, such as applying residual stress by bonding with different loads.

金属材料Aと、圧縮残留応力を付加した金属材料Bとの接合面には、加圧用ローラ600を通過する前に所定の処理(前処理)が施される。この前処理は、真空中の雰囲気下でアルゴン(Ar)イオンなどを、金属材料A,Bの表面にぶつけ、表面上に存在する付着物、酸化被膜等を除去して、活性な表面を露出させる(表面の活性化)処理である。こうして活性化された接合表面を持つ金属材料A,Bを加圧用ローラ600に搬入し、異種金属同士を接合する。こうした前処理により、接合に要する圧力Fを比較的低い圧力とすることができる。   A predetermined treatment (pretreatment) is performed on the joint surface between the metal material A and the metal material B to which the compressive residual stress is applied before passing through the pressure roller 600. In this pretreatment, argon (Ar) ions or the like are struck against the surfaces of the metal materials A and B in a vacuum atmosphere to remove the deposits, oxide films, etc. existing on the surfaces, thereby exposing the active surfaces. (Surface activation) treatment. The metal materials A and B having the bonding surfaces thus activated are carried into the pressure roller 600, and different metals are bonded to each other. By such pretreatment, the pressure F required for joining can be set to a relatively low pressure.

こうしたグラッド法を用いて生成した3層の金属複合膜としての基材S2上に、電解質層30を成膜し(ステップS510)、一連の製造工程を終了する。この電解質層30は、第1の製造方法と同様、ペロブスカイトを使用し、その成膜方法にはゾル・ゲル法を用いている。なお、成膜方法としては、上述のように物理蒸着法(PVD)、化学蒸着法(CVD)などの種々の方法を用いることができる。   The electrolyte layer 30 is formed on the base material S2 as a three-layered metal composite film generated using such a grad method (step S510), and a series of manufacturing steps is completed. The electrolyte layer 30 uses perovskite as in the first manufacturing method, and the sol-gel method is used as the film formation method. As a film forming method, various methods such as physical vapor deposition (PVD) and chemical vapor deposition (CVD) can be used as described above.

第2実施例では、基材S2の表裏面に相当するパラジウム(Pd)に、予め圧縮残留応力を付加している。したがって、第1実施例と同様、電解質膜50への水素透過時の、基材S2と電解質層30との剥離を低減することができる。   In the second embodiment, compressive residual stress is applied in advance to palladium (Pd) corresponding to the front and back surfaces of the substrate S2. Therefore, as in the first embodiment, it is possible to reduce peeling between the base material S2 and the electrolyte layer 30 when hydrogen permeates the electrolyte membrane 50.

また、第2実施例では、基材S2の表裏面に圧縮残留応力を保持しているため、接合界面側にのみ圧縮残留応力を保持している場合に比べ、水素透過時における電解質膜の曲げ変形を抑制することができる。もとより、電解質層30との接合界面側にのみ圧縮残留応力を付加したパラジウム(Pd)を用いるものとしても、剥離の抑制に効果を奏する。なお、複合金属膜を構成する異種金属(バナジウム,パラジウム)同士の膨張率の差は、剥離の問題を生じるほどの影響はない。   Further, in the second embodiment, since the compressive residual stress is held on the front and back surfaces of the base material S2, the electrolyte membrane is bent during hydrogen permeation compared to the case where the compressive residual stress is held only on the bonding interface side. Deformation can be suppressed. Of course, even when palladium (Pd) to which compressive residual stress is added only on the interface side with the electrolyte layer 30 is used, it is effective in suppressing peeling. In addition, the difference in the expansion coefficient between different metals (vanadium, palladium) constituting the composite metal film does not have an influence that causes a problem of peeling.

D.変形例:
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
D. Variations:
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and can of course be implemented in various forms without departing from the spirit of the present invention. .

第1実施例では、基材S1にテンションを掛けながらペロブスカイトを成膜する過程で、基材S1に圧縮残留応力を付加するものとしたが、ペロブスカイトの成膜前の段階で基材S1に圧縮残留応力を付加するものとしても良い。   In the first embodiment, compressive residual stress is applied to the base material S1 in the process of forming the perovskite while applying tension to the base material S1, but it is compressed to the base material S1 before the perovskite film is formed. It is good also as what adds a residual stress.

例えば、図4に示した電解質膜の成膜装置において、基材S1の搬送方向と逆方向に挟持ローラ425を強制的に回転させることで圧縮残留応力を付加する構成とするものとしても良い。この場合、基材S1の表面(ペロブスカイトを成膜する側)は、挟持ローラ425の回転方向に引っ張られ、局所的に塑性変形する。基材S1の表層内部では、引張りの変形を押し留める圧縮方向の反力が働き、これが圧縮残留応力となる。こうしてペロブスカイトの成膜前の基材S1表面に圧縮残留緒応力を付加し、そのまま弾性限度内のテンションを基材S1に掛けながら、ペロブスカイトを成膜するものとすれば良い。   For example, the electrolyte membrane deposition apparatus shown in FIG. 4 may be configured to apply compressive residual stress by forcibly rotating the clamping roller 425 in the direction opposite to the conveying direction of the substrate S1. In this case, the surface of the substrate S1 (the side on which the perovskite is formed) is pulled in the rotation direction of the sandwiching roller 425 and locally plastically deformed. Inside the surface layer of the substrate S1, a reaction force in the compression direction that holds down the tensile deformation acts, and this becomes a compressive residual stress. In this way, the perovskite film may be formed while applying compressive residual stress to the surface of the base material S1 before the perovskite film is formed and applying a tension within the elastic limit to the base material S1 as it is.

また、ペロブスカイトの成膜前に予め基材S1に圧縮残留応力を付加する方法としては、どのような表面処理を施すものとしても良い。例えば、基材S1の表面に、ショットピーニングなどの機械的な表面処理や、表面焼入れなどの熱処理を施して圧縮残留応力を付加することができる。   In addition, as a method of applying compressive residual stress to the substrate S1 in advance before forming the perovskite, any surface treatment may be performed. For example, the surface of the substrate S1 can be subjected to mechanical surface treatment such as shot peening or heat treatment such as surface quenching to apply compressive residual stress.

本実施例では、水素透過性金属層に圧縮残留応力を付加して、水素の透過時における水素透過性金属層の膨張を抑制する構成としたが、例えば、水素透過性金属を含む電解質膜を支持する枠体を設ける燃料電池であれば、枠体自体に圧縮残留応力を付加して、燃料電池を構成するものとしても良い。こうすることで、水素透過性金属の膨張を更に抑制することができる。   In this example, compressive residual stress is applied to the hydrogen permeable metal layer to suppress the expansion of the hydrogen permeable metal layer during the permeation of hydrogen. For example, an electrolyte membrane containing a hydrogen permeable metal is used. In the case of a fuel cell provided with a supporting frame, a compressive residual stress may be applied to the frame itself to constitute the fuel cell. By doing so, the expansion of the hydrogen permeable metal can be further suppressed.

本発明の一実施例としての燃料電池を構成する単セルの概略構成を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows schematic structure of the single cell which comprises the fuel cell as one Example of this invention. 水素の透過に伴う電解質膜の膨張の様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the mode of expansion | swelling of the electrolyte membrane accompanying permeation | transmission of hydrogen. 第1実施例として、圧縮残留応力を付加した電解質膜の製造工程を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing process of the electrolyte membrane which added the compressive residual stress as 1st Example. 第1実施例の製造方法により電解質膜を製造する成膜装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the film-forming apparatus which manufactures an electrolyte membrane with the manufacturing method of 1st Example. 第2実施例として、圧縮残留応力を付加した電解質膜の製造工程を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing process of the electrolyte membrane which added compressive residual stress as 2nd Example. 表面活性化接合法の一つとして異種金属を接合するグラッド法の説明図である。It is explanatory drawing of the grad method which joins a dissimilar metal as one of the surface activation joining methods.

符号の説明Explanation of symbols

10...単セル
20...水素透過性金属層
21...圧縮残留応力の層
30...電解質層
40...カソード電極
50...電解質膜
60,70...ガスセパレータ
65...燃料ガス流路
75...酸化ガス流路
80...エンドプレート
100...MEA
400...成膜装置
410...成膜部
420...ローラ
425,435...挟持ローラ
430...テンションローラ
440...保持ロール部
450...巻取ロール部
600...加圧用ローラ
610...巻取用ローラ
10 ... single cell 20 ... hydrogen permeable metal layer 21 ... compressed residual stress layer 30 ... electrolyte layer 40 ... cathode electrode 50 ... electrolyte membrane 60,70 ... gas separator 65 ... Fuel gas passage 75 ... Oxidation gas passage 80 ... End plate 100 ... MEA
400 ... Film forming apparatus 410 ... Film forming unit 420 ... Roller 425, 435 ... Nipping roller 430 ... Tension roller 440 ... Holding roll unit 450 ... Winding roll unit 600. ..Pressurizing roller 610 ... Winding roller

Claims (5)

燃料電池に用いられ、水素透過性金属を含有する水素透過性金属層上にプロトン伝導性を有する電解質層を積層する電解質膜の製造方法であって、
前記水素透過性金属層における前記電解質層を積層する界面側に前記水素透過性金属層の面に沿った圧縮方向の残留応力を付加する工程を備え
前記工程は、前記水素透過性金属層に引張方向の応力による塑性変形を付加しながら、前記電解質層を成膜する工程である、電解質膜の製造方法。
A method for producing an electrolyte membrane for use in a fuel cell, wherein an electrolyte layer having proton conductivity is laminated on a hydrogen permeable metal layer containing a hydrogen permeable metal,
The interface side of laminating said electrolyte layer on the hydrogen permeable metal layer, comprising the step of adding the hydrogen-permeable metal layer residual stress in the compressive direction along the surface of,
The said process is a manufacturing method of the electrolyte membrane which is a process of forming the said electrolyte layer, adding the plastic deformation by the stress of a tensile direction to the said hydrogen permeable metal layer .
請求項1に記載の電解質膜の製造方法であって、
前記水素透過性金属層は複数の水素透過性金属が積層された複合水素透過性金属層からなり、
前記工程は、
前記複合水素透過性金属層における一の水素透過性金属上に圧縮方向の残留応力を付加した水素透過性金属を積層する第1工程と、
前記第1工程の後、前記一の水素透過性金属と前記圧縮方向の残留応力を付加した水素透過性金属とを、所定の方法で接合する第2工程と、
前記第2工程の後、前記圧縮方向の残留応力を付加した水素透過性金属層上に、前記電解質層を成膜する第3工程と
を備える電解質膜の製造方法。
It is a manufacturing method of the electrolyte membrane according to claim 1,
The hydrogen permeable metal layer comprises a composite hydrogen permeable metal layer in which a plurality of hydrogen permeable metals are laminated,
The process includes
A first step of laminating a hydrogen permeable metal to which a residual stress in a compressive direction is added on one hydrogen permeable metal in the composite hydrogen permeable metal layer;
After the first step, the second step of joining the one hydrogen permeable metal and the hydrogen permeable metal to which the residual stress in the compression direction is added by a predetermined method;
After the second step, a third step of forming the electrolyte layer on the hydrogen permeable metal layer to which the residual stress in the compression direction is applied.
請求項に記載の電解質膜の製造方法であって、
前記第1工程は、前記複合水素透過性金属層の表裏面に圧縮方向の残留応力を付加した水素透過性金属を積層する工程であり、
前記第3工程は、前記表裏面に積層された前記水素透過性金属の一方に前記電解質膜を成膜する工程である
電解質膜の製造方法。
It is a manufacturing method of the electrolyte membrane according to claim 2 ,
The first step is a step of laminating a hydrogen permeable metal added with a residual stress in the compression direction on the front and back surfaces of the composite hydrogen permeable metal layer,
The third step is a step of forming the electrolyte membrane on one of the hydrogen permeable metals laminated on the front and back surfaces.
請求項または請求項3に記載の電解質膜の製造方法であって、
前記第2工程は、金属の表面を活性し、所定の加圧下で接合する表面活性化接合法を用いて接合する工程である電解質膜の製造方法。
A method for producing an electrolyte membrane according to claim 2 or claim 3 ,
The second step is a method of manufacturing an electrolyte membrane, which is a step of activating a metal surface and bonding using a surface activated bonding method of bonding under a predetermined pressure.
水素透過性金属を含有する水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層とからなる電解質膜を有する燃料電池であって、
前記水素透過性金属層に引張方向の応力による塑性変形を付加しながら前記電解質層を成膜することによって、前記水素透過性金属層における前記電解質層を積層する界面側に前記水素透過性金属層の面に沿った圧縮方向の残留応力を付加した圧縮残留応力層を備える燃料電池。
A fuel cell having an electrolyte membrane comprising a hydrogen permeable metal layer containing a hydrogen permeable metal and an electrolyte layer having proton conductivity,
By forming the electrolyte layer while applying plastic deformation due to stress in the tensile direction to the hydrogen permeable metal layer, the hydrogen permeable metal layer is formed on the interface side of the hydrogen permeable metal layer on which the electrolyte layer is laminated. A fuel cell comprising a compressive residual stress layer to which a compressive residual stress is applied along the surface of the layer.
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