JP4863043B2 - Proton conducting fuel cell manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、プロトン伝導性の金属酸化物を電解質層に用いたプロトン伝導形燃料電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a proton conductive fuel cell using a proton conductive metal oxide in an electrolyte layer and a method for manufacturing the same.
近年、空気(酸素)と燃料ガス(水素等)の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池のうち、プロトン伝導形燃料電池としては、電解質層にナフィオン(登録商標)等のプロトン伝導性高分子膜を用いたものが知られている。プロトン伝導性高分子膜は、一般に含水率が低くなるとイオン伝導性が低下し、膜抵抗が大きくなる。従って、プロトン伝導性高分子膜を用いた燃料電池では、膜抵抗を実用的な範囲に抑えるために、水分の極端な蒸発を回避できる低温での運転が必要とされる。現状では、上記燃料電池は、通常150℃以下の動作温度で使用されている。 In recent years, fuel cells that generate electricity by an electrochemical reaction between air (oxygen) and fuel gas (hydrogen or the like) have attracted attention as energy sources. Among fuel cells, a proton conductive fuel cell is known that uses a proton conductive polymer membrane such as Nafion (registered trademark) as an electrolyte layer. In general, proton conductive polymer membranes have low ionic conductivity and a high membrane resistance when the water content is low. Therefore, in a fuel cell using a proton conductive polymer membrane, in order to keep the membrane resistance within a practical range, it is necessary to operate at a low temperature that can avoid extreme evaporation of moisture. At present, the fuel cell is normally used at an operating temperature of 150 ° C. or lower.
一般に、燃料電池の電極反応は、動作温度が高いほど円滑に進行する。一方、極端に動作温度が高い場合、燃料電池を用いるシステムにおいて、耐熱性を考慮した構成部材や構造とする必要があり、設計上の制約が大きくなる。このような背景から、動作温度が200〜500℃程度の範囲のプロトン伝導形燃料電池が望まれている。 In general, the electrode reaction of a fuel cell proceeds more smoothly as the operating temperature is higher. On the other hand, when the operating temperature is extremely high, in a system using a fuel cell, it is necessary to use a component member or a structure that takes heat resistance into consideration, and design restrictions are increased. Against this background, a proton conduction fuel cell having an operating temperature in the range of about 200 to 500 ° C. is desired.
上記要望を満たすプロトン伝導形燃料電池として、非特許文献1に、プロトン伝導性の金属酸化物を電解質層に用いたプロトン伝導形燃料電池が提案されている。このプロトン伝導形燃料電池では、BaCeO3系ペロブスカイト型金属酸化物を電解質層に用いているため、従来のプロトン伝導性高分子膜を用いた燃料電池に比べ、動作温度を上昇させることができる。
しかし、非特許文献1に提案されたプロトン伝導形燃料電池では、電解質層をレーザーアブレーション法により形成していることから、電解質層内において厚み方向(即ちプロトンの移動方向)にほぼ直交する結晶粒界が多数存在するため、電解質層のプロトン伝導性が低下するおそれがある。その結果、プロトン伝導形燃料電池内の電気抵抗(内部抵抗)が増大するおそれがある。 However, in the proton conduction fuel cell proposed in Non-Patent Document 1, since the electrolyte layer is formed by the laser ablation method, crystal grains that are substantially orthogonal to the thickness direction (that is, the proton movement direction) in the electrolyte layer. Since there are many boundaries, the proton conductivity of the electrolyte layer may be reduced. As a result, the electrical resistance (internal resistance) in the proton conducting fuel cell may increase.
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、動作温度を上昇させることができる上、電解質層内においてプロトンの移動を妨げる粒界の低減が可能なプロトン伝導形燃料電池及びその製造方法を提供する。 The present invention has been made in view of such circumstances, and it is possible to raise the operating temperature and to reduce the grain boundary that hinders the movement of protons in the electrolyte layer and a method for manufacturing the same. I will provide a.
本発明のプロトン伝導形燃料電池は、電解質層と、前記電解質層の少なくとも一部を挟持する一対の多孔質電極層とを有するプロトン伝導形燃料電池であって、
前記電解質層のうち前記一対の多孔質電極層で挟持された領域は、プロトン伝導性の金属酸化物からなる結晶の集合体を含み、
前記結晶は、一方の前記多孔質電極層の表面の略法線方向に沿って延出した柱状構造を有することを特徴とする。
The proton conductive fuel cell of the present invention is a proton conductive fuel cell having an electrolyte layer and a pair of porous electrode layers sandwiching at least a part of the electrolyte layer,
The region sandwiched between the pair of porous electrode layers in the electrolyte layer includes a crystal aggregate made of proton-conductive metal oxide,
The crystal has a columnar structure extending along a substantially normal direction of the surface of one of the porous electrode layers.
本発明のプロトン伝導形燃料電池の製造方法は、多孔質電極層と、前記多孔質電極層上に形成された、プロトン伝導性の金属酸化物膜からなる電解質層とを含むプロトン伝導形燃料電池の製造方法であって、
加熱された前記多孔質電極層上に、金属源を含む金属酸化物膜形成用溶液を噴霧することによって、前記金属酸化物膜を形成することを特徴とする。
A method for producing a proton conductive fuel cell according to the present invention includes a porous electrode layer and an electrolyte layer formed on the porous electrode layer and made of a proton conductive metal oxide film. A manufacturing method of
The metal oxide film is formed by spraying a solution for forming a metal oxide film containing a metal source on the heated porous electrode layer.
本発明のプロトン伝導形燃料電池は、プロトン伝導性の金属酸化物を電解質層に用いているため、動作温度を上昇させることができる。また、電解質層のうち一対の多孔質電極層で挟持された領域が結晶の集合体を含み、この結晶が一方の多孔質電極層の表面の略法線方向に沿って延出した柱状構造を有するため、電解質層内におけるプロトンの移動を妨げる粒界を低減することができる。これにより、電解質層のプロトン伝導性を向上させることができるため、例えば内部抵抗の低減が可能なプロトン伝導形燃料電池を提供することができる。また、本発明のプロトン伝導形燃料電池の製造方法によれば、上述した本発明のプロトン伝導形燃料電池を容易に製造することができる。 Since the proton conductive fuel cell of the present invention uses a proton conductive metal oxide in the electrolyte layer, the operating temperature can be increased. In addition, a region sandwiched between the pair of porous electrode layers in the electrolyte layer includes an aggregate of crystals, and a columnar structure in which the crystals extend along a substantially normal direction of the surface of one porous electrode layer. Therefore, grain boundaries that hinder the movement of protons in the electrolyte layer can be reduced. Thereby, since the proton conductivity of the electrolyte layer can be improved, for example, a proton conduction fuel cell capable of reducing the internal resistance can be provided. In addition, according to the method for producing a proton conducting fuel cell of the present invention, the above-described proton conducting fuel cell of the present invention can be easily produced.
本発明のプロトン伝導形燃料電池は、電解質層と、この電解質層の少なくとも一部を挟持する一対の多孔質電極層とを有し、上記電解質層のうち上記一対の多孔質電極層で挟持された領域が、プロトン伝導性の金属酸化物からなる結晶の集合体を含む。これにより、従来のプロトン伝導性高分子膜を用いた燃料電池に比べ、動作温度を上昇させることができる。また、本発明のプロトン伝導形燃料電池は、上記結晶が、一方の上記多孔質電極層の表面の略法線方向に沿って延出した柱状構造を有する。これにより、電解質層内におけるプロトンの移動を妨げる粒界(例えば、プロトンの移動方向に対し直交する方向の粒界)を低減することができる。よって、本発明のプロトン伝導形燃料電池によれば、電解質層のプロトン伝導性を向上させることができるため、例えば内部抵抗の低減が可能なプロトン伝導形燃料電池を提供することができる。 The proton conductive fuel cell of the present invention has an electrolyte layer and a pair of porous electrode layers that sandwich at least a part of the electrolyte layer, and is sandwiched by the pair of porous electrode layers among the electrolyte layers. The region includes an aggregate of crystals made of proton-conductive metal oxide. As a result, the operating temperature can be increased as compared with a fuel cell using a conventional proton conductive polymer membrane. In the proton conducting fuel cell of the present invention, the crystal has a columnar structure extending along a substantially normal direction of the surface of one of the porous electrode layers. Thereby, the grain boundary (for example, grain boundary of the direction orthogonal to the moving direction of a proton) which prevents the movement of the proton in an electrolyte layer can be reduced. Therefore, according to the proton conducting fuel cell of the present invention, the proton conductivity of the electrolyte layer can be improved, and therefore, for example, a proton conducting fuel cell capable of reducing internal resistance can be provided.
上記一対の多孔質電極層としては、燃料極層及び空気極層を使用することができる。この場合、上記結晶は、燃料極層及び空気極層のいずれか一方の表面の略法線方向に沿って延出した柱状構造を有する。なお、上記一対の多孔質電極層は、上記電解質層の少なくとも一部を挟持していればよい。よって、後述するように、例えば上記電解質層の一部が、上記一対の多孔質電極層のいずれか一方の内部に形成されていてもよい。また、上記一対の多孔質電極層のいずれか一方は、必ずしも上記電解質層に接触している必要はない。例えば上記一対の多孔質電極層が、上記電解質層とともに別の層(例えば後述するプロトン透過膜)を挟持していてもよい。 As the pair of porous electrode layers, a fuel electrode layer and an air electrode layer can be used. In this case, the crystal has a columnar structure extending along a substantially normal direction of the surface of one of the fuel electrode layer and the air electrode layer. The pair of porous electrode layers only need to sandwich at least part of the electrolyte layer. Therefore, as described later, for example, a part of the electrolyte layer may be formed inside one of the pair of porous electrode layers. Further, one of the pair of porous electrode layers is not necessarily in contact with the electrolyte layer. For example, the pair of porous electrode layers may sandwich another layer (for example, a proton permeable membrane described later) together with the electrolyte layer.
上記結晶を構成するプロトン伝導性の金属酸化物としては、例えばペロブスカイト型の結晶構造を有する金属酸化物が挙げられる。このうち、一般式ABO3で表される金属酸化物であって、上記Aがアルカリ土類金属元素からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、上記Bが上記Aよりイオン半径が小さい金属元素からなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である金属酸化物は、プロトン伝導性が良好であるため好ましい。このような金属酸化物としては、SrCeO3、SrZrO3、BaZrO3、BaCeO3、CaZrO3等が挙げられる。また、電解質層のプロトン伝導性をより向上させるには、上記A及び上記Bの少なくとも一方が、原子価の相違する複数の金属元素であることが好ましい。このような金属酸化物としては、SrCeO3を母体とする金属酸化物であって、構成元素であるCeの1〜15%程度を3価の金属元素(例えばSc等)に置換したものや、BaZrO3を母体とする金属酸化物であって、構成元素であるZrの1〜15%程度を3価の金属元素(例えばY等)に置換したもの等が例示できる。 Examples of the proton conductive metal oxide constituting the crystal include a metal oxide having a perovskite crystal structure. Of these, a metal oxide represented by the general formula ABO 3 , wherein A is at least one element selected from the group consisting of alkaline earth metal elements, and B is a metal having an ionic radius smaller than that of A A metal oxide, which is at least one element selected from the group consisting of elements, is preferable because proton conductivity is good. Examples of such metal oxides include SrCeO 3 , SrZrO 3 , BaZrO 3 , BaCeO 3 , and CaZrO 3 . In order to further improve the proton conductivity of the electrolyte layer, it is preferable that at least one of A and B is a plurality of metal elements having different valences. As such a metal oxide, a metal oxide having SrCeO 3 as a base, in which about 1 to 15% of Ce as a constituent element is replaced with a trivalent metal element (for example, Sc), Examples thereof include metal oxides based on BaZrO 3 in which about 1 to 15% of the constituent element Zr is substituted with a trivalent metal element (for example, Y).
上記燃料極層や上記空気極層の材料は、特に限定されず、例えば一般の固体高分子膜形燃料電池に使用されている燃料極層や空気極層の材料が使用できる。その一例としては、白金触媒を担持したカーボン微粒子を挙げることができる。また、上記燃料極層の材料として、Yを添加した安定化ジルコニア(以下、「YSZ」と略称する)とNiとのサーメット(Ni−YSZ)や、YSZとRuとのサーメット(Ru−YSZ)等を使用することもできる。また、上記空気極層の材料として、(La,Sr)MnO3、(La,Sr)(Mn,Co)O3等のランタンストロンチウムマンガネート系や、(La,Sr)(Fe,Co)O3等を使用することもできる。なお、上記燃料極層及び上記空気極層の気孔率は、いずれも通常20〜60体積%であり、好ましくは30〜50体積%である。また、上記燃料極層及び上記空気極層の厚みは、いずれも通常5〜50μmである。また、上記燃料極層内及び上記空気極層内の気孔の平均径は、いずれも0.1〜100μmの範囲内が好ましく、0.1〜10μmの範囲内がより好ましい。 The materials for the fuel electrode layer and the air electrode layer are not particularly limited, and for example, the materials for the fuel electrode layer and the air electrode layer used in general solid polymer membrane fuel cells can be used. As an example, carbon fine particles carrying a platinum catalyst can be mentioned. Further, as a material of the fuel electrode layer, Y-added stabilized zirconia (hereinafter abbreviated as “YSZ”) and Ni cermet (Ni—YSZ), YSZ and Ru cermet (Ru—YSZ) Etc. can also be used. Further, as the material of the air electrode layer, lanthanum strontium manganate such as (La, Sr) MnO 3 , (La, Sr) (Mn, Co) O 3, or (La, Sr) (Fe, Co) O 3 etc. can also be used. The porosity of the fuel electrode layer and the air electrode layer is usually 20 to 60% by volume, preferably 30 to 50% by volume. The thicknesses of the fuel electrode layer and the air electrode layer are usually 5 to 50 μm. Moreover, the average diameter of the pores in the fuel electrode layer and the air electrode layer is preferably in the range of 0.1 to 100 μm, and more preferably in the range of 0.1 to 10 μm.
また、本発明において電解質層のプロトン伝導性をより向上させるには、上記結晶のアスペクト比が2以上であることが好ましい。ここで「アスペクト比」とは、上記結晶における上記一方の多孔質電極層の表面の略法線方向の結晶長さを、上記結晶における上記略法線方向と直交する方向の結晶径で除した値をいう。なお、上記結晶における上記略法線方向の結晶長さは、例えば10nm〜50μm程度であり、上記結晶における上記略法線方向と直交する方向の結晶径は、例えば5nm〜25nm程度である。 In the present invention, in order to further improve the proton conductivity of the electrolyte layer, the aspect ratio of the crystal is preferably 2 or more. Here, the “aspect ratio” is obtained by dividing the crystal length in the substantially normal direction of the surface of the one porous electrode layer in the crystal by the crystal diameter in the direction orthogonal to the approximately normal direction in the crystal. Value. The crystal length in the substantially normal direction of the crystal is, for example, about 10 nm to 50 μm, and the crystal diameter of the crystal in the direction orthogonal to the substantially normal direction is, for example, about 5 nm to 25 nm.
また、本発明において電解質層のプロトン伝導性を更に向上させるには、上記結晶が単結晶であることが好ましい。特に、この単結晶の両端が上記一対の多孔質電極層のそれぞれの表面に接していると、プロトン伝導性をより一層向上させることができるため好ましい。 In the present invention, in order to further improve the proton conductivity of the electrolyte layer, the crystal is preferably a single crystal. In particular, it is preferable that both ends of the single crystal are in contact with the respective surfaces of the pair of porous electrode layers because proton conductivity can be further improved.
また、上記集合体は、上記結晶が上記一方の多孔質電極層の表面に沿って配列した集合体であってもよい。この構成によれば、上記結晶同士が密接するため、電解質層の緻密性が向上する。これにより、電解質層のガス不透過性を向上させることができる。 The aggregate may be an aggregate in which the crystals are arranged along the surface of the one porous electrode layer. According to this configuration, since the crystals are in close contact with each other, the denseness of the electrolyte layer is improved. Thereby, the gas impermeability of the electrolyte layer can be improved.
また、本発明においては、上記電解質層が、上記一方の多孔質電極層の表面に沿って形成された上記金属酸化物からなる第1被膜を更に含み、上記集合体が、上記第1被膜の表面に沿って配列した上記結晶の集合体であってもよい。この構成によれば、上記第1被膜に含まれる結晶を結晶核とし、この結晶核から柱状に結晶成長した上記結晶の集合体を得ることができるため、上記結晶同士がより密接した上記集合体とすることができる。これにより、電解質層のガス不透過性をより向上させることができる。なお、上記効果を確実に発揮させるためには、上記第1被膜の厚みが、10nm以上10μm以下であることが好ましく、10nm以上1μm以下であることがより好ましい。 In the present invention, the electrolyte layer further includes a first film made of the metal oxide formed along the surface of the one porous electrode layer, and the assembly includes the first film. It may be an aggregate of the crystals arranged along the surface. According to this configuration, since the crystal contained in the first film is a crystal nucleus, and an aggregate of the crystals grown in a columnar shape from the crystal nucleus can be obtained, the aggregate in which the crystals are closer to each other is obtained. It can be. Thereby, the gas impermeability of the electrolyte layer can be further improved. In addition, in order to exhibit the said effect reliably, it is preferable that the thickness of the said 1st film is 10 nm or more and 10 micrometers or less, and it is more preferable that they are 10 nm or more and 1 micrometer or less.
また、上記電解質層は、上記一方の多孔質電極層内の気孔を形成する壁面の少なくとも一部を被覆する第2被膜を更に含んでいてもよい。例えば、上記多孔質電極層と上記電解質層との界面近傍に位置する上記多孔質電極層の表面層に上記第2被膜が存在すると、上記多孔質電極層と上記電解質層との密着性が向上するため好ましい。また、上記第2被膜が存在すると、電極反応の反応場が増大するため電極反応の円滑化が可能となる。上記効果をより確実に発揮させるためには、上記多孔質電極層と上記電解質層との界面から、上記多孔質電極層の深さ方向に少なくとも10nm(より好ましくは少なくとも100nm、特に好ましくは少なくとも1μm)までの範囲に存在する上記気孔内に、上記第2被膜が存在していることが好ましい。また、上記第2被膜の厚みは、10nm以上10μm以下であることが好ましく、10nm以上1μm以下であることがより好ましい。この範囲内であれば、上記多孔質電極層のガス透過性を良好に維持した上で、電極反応の反応場を増大させることができる。なお、上記第2被膜の材料は、例えば上記第1被膜と同様であればよい。 The electrolyte layer may further include a second coating that covers at least a part of a wall surface that forms pores in the one porous electrode layer. For example, when the second coating is present on the surface layer of the porous electrode layer located near the interface between the porous electrode layer and the electrolyte layer, the adhesion between the porous electrode layer and the electrolyte layer is improved. Therefore, it is preferable. In addition, when the second coating is present, the reaction field of the electrode reaction increases, so that the electrode reaction can be facilitated. In order to exhibit the effect more reliably, at least 10 nm (more preferably at least 100 nm, particularly preferably at least 1 μm) in the depth direction of the porous electrode layer from the interface between the porous electrode layer and the electrolyte layer. It is preferable that the second coating is present in the pores existing in the range up to. The thickness of the second coating is preferably 10 nm or more and 10 μm or less, and more preferably 10 nm or more and 1 μm or less. Within this range, it is possible to increase the reaction field of the electrode reaction while maintaining good gas permeability of the porous electrode layer. In addition, the material of the said 2nd film should just be the same as that of the said 1st film, for example.
上記電解質層のうち上記一対の多孔質電極層で挟持された領域の厚みは、通常10nm以上50μm以下であり、好ましくは10nm以上10μm以下であり、さらに好ましくは100nm以上5μm以下であり、最も好ましくは、100nm以上1μm以下である。上記厚みが10nm未満の場合、上記一対の多孔質電極層同士が接触するおそれがある。一方、上記厚みが50μmを超えると、上記電解質層のプロトン伝導性が低下するおそれがある。なお、上記電解質層の上記領域において、上記柱状構造を有する結晶の集合体が占める割合は、例えば95体積%以上であり、プロトン伝導性をより向上させるには、98体積%以上であることが好ましく、最も好ましくは100体積%である。 The thickness of the region sandwiched between the pair of porous electrode layers in the electrolyte layer is usually 10 nm to 50 μm, preferably 10 nm to 10 μm, more preferably 100 nm to 5 μm, and most preferably. Is 100 nm or more and 1 μm or less. When the thickness is less than 10 nm, the pair of porous electrode layers may come into contact with each other. On the other hand, if the thickness exceeds 50 μm, the proton conductivity of the electrolyte layer may be reduced. The proportion of the aggregate of crystals having the columnar structure in the region of the electrolyte layer is, for example, 95% by volume or more, and is 98% by volume or more in order to further improve proton conductivity. Preferably, it is 100% by volume.
また、本発明のプロトン伝導形燃料電池は、上記燃料極層と上記電解質層との間に配置された、プロトンを選択的に透過させるプロトン透過膜を更に含んでいてもよい。例えば、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを燃料ガスとして用いる場合、上記プロトン透過膜によって、上記水素リッチガスに含まれる二酸化炭素等が電解質層へ拡散することを防止できるため、二酸化炭素等による電解質層の劣化を防止できるからである。この場合、上記水素リッチガスからプロトンのみを確実に分離するには、上記プロトン透過膜がパラジウムを含むことが好ましい。なお、上記プロトン透過膜の厚みは、通常0.5〜30μmであり、好ましくは1〜15μmである。 In addition, the proton conducting fuel cell of the present invention may further include a proton permeable membrane that is disposed between the fuel electrode layer and the electrolyte layer and selectively transmits protons. For example, when a hydrogen-rich gas obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel is used as a fuel gas, carbon dioxide contained in the hydrogen-rich gas can be prevented from diffusing into the electrolyte layer by the proton permeable membrane. This is because deterioration of the electrolyte layer due to carbon or the like can be prevented. In this case, in order to reliably separate only protons from the hydrogen rich gas, the proton permeable membrane preferably contains palladium. The proton permeable membrane has a thickness of usually 0.5 to 30 μm, preferably 1 to 15 μm.
次に、本発明のプロトン伝導形燃料電池の製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of the proton conduction fuel cell of the present invention will be described.
本発明のプロトン伝導形燃料電池の製造方法では、多孔質電極層(燃料極層又は空気極層)を加熱した状態で、この多孔質電極層上に金属源を含む金属酸化物膜形成用溶液を噴霧することにより、プロトン伝導性の金属酸化物膜からなる電解質層を形成する。本方法により得られる電解質層は、上記多孔質電極層の表面の略法線方向に沿って延出した柱状構造を有する結晶の集合体を含む。また、本方法によれば、例えば1000℃以上の高温での熱処理工程が不要となり、電解質層の緻密化を容易に行うことができるため、製造工程をより簡便にすることができる。 In the method for producing a proton conducting fuel cell of the present invention, a solution for forming a metal oxide film containing a metal source on the porous electrode layer in a state where the porous electrode layer (fuel electrode layer or air electrode layer) is heated. To form an electrolyte layer made of a proton-conductive metal oxide film. The electrolyte layer obtained by this method includes an aggregate of crystals having a columnar structure extending along a substantially normal direction of the surface of the porous electrode layer. In addition, according to this method, for example, a heat treatment step at a high temperature of 1000 ° C. or higher is not required, and the electrolyte layer can be easily densified, so that the manufacturing process can be further simplified.
上記多孔質電極層の加熱温度は、金属酸化物膜形成温度以上であることが好ましい。ここで、「金属酸化物膜形成温度」とは、上記金属源を構成する金属元素が酸素と結合して上記多孔質電極層上に金属酸化物膜が形成される最低温度のことである。上記金属酸化物膜形成温度は、金属源の種類や溶媒等の上記金属酸化物膜形成用溶液の組成によって大きく異なり、通常200〜500℃の範囲内である。特に、生産性の観点から、300〜400℃の範囲内となるように、金属源の種類や溶媒等を選択するのが好ましい。また、上記金属酸化物膜形成用溶液が、後述する酸化剤や還元剤を含む場合、上記金属酸化物膜形成温度は、通常150〜400℃の範囲内であり、特に、生産性の観点から、300〜400℃の範囲内となるように、金属源の種類や溶媒等を選択するのが好ましい。 The heating temperature of the porous electrode layer is preferably equal to or higher than the metal oxide film forming temperature. Here, the “metal oxide film formation temperature” is the lowest temperature at which a metal element constituting the metal source is combined with oxygen to form a metal oxide film on the porous electrode layer. The metal oxide film forming temperature varies greatly depending on the composition of the metal oxide film forming solution such as the type of metal source and solvent, and is usually in the range of 200 to 500 ° C. In particular, from the viewpoint of productivity, it is preferable to select the type of metal source, the solvent, and the like so that the temperature is in the range of 300 to 400 ° C. When the metal oxide film forming solution contains an oxidizing agent or a reducing agent described later, the metal oxide film forming temperature is usually in the range of 150 to 400 ° C., particularly from the viewpoint of productivity. It is preferable to select the type of metal source, the solvent, and the like so that the temperature is in the range of 300 to 400 ° C.
上記金属酸化物膜形成温度は、以下の方法により測定することができる。まず、所望の金属源を含む金属酸化物膜形成用溶液を調製する。次に、多孔質電極層の加熱温度を変化させて、上記多孔質電極層上に上記金属酸化物膜形成用溶液を接触させることにより、金属酸化物膜を形成することができる多孔質電極層の加熱温度のうち、最低の加熱温度を測定する。この最低の加熱温度を本明細書における「金属酸化物膜形成温度」とすることができる。この際、金属酸化物膜が形成したか否かは、例えばX線回折装置(リガク製、RINT−1500)により得られた結果から判断することができる。 The metal oxide film formation temperature can be measured by the following method. First, a metal oxide film forming solution containing a desired metal source is prepared. Next, by changing the heating temperature of the porous electrode layer and bringing the metal oxide film forming solution into contact with the porous electrode layer, a porous electrode layer capable of forming a metal oxide film Of these heating temperatures, the lowest heating temperature is measured. This minimum heating temperature can be referred to as a “metal oxide film forming temperature” in this specification. At this time, whether or not the metal oxide film is formed can be determined from the result obtained by, for example, an X-ray diffraction apparatus (RINT-1500, manufactured by Rigaku).
上記多孔質電極層の加熱方法は、特に限定されるものではないが、例えば、ホットプレート、オーブン、焼成炉、赤外線ランプ、熱風送風機等による加熱方法を挙げることができ、中でも、ホットプレートを使用すると、多孔質電極層の温度を所望の温度に確実に保持できるため好ましい。 The heating method of the porous electrode layer is not particularly limited, and examples thereof include a heating method using a hot plate, oven, firing furnace, infrared lamp, hot air blower, etc. Among them, a hot plate is used. Then, since the temperature of a porous electrode layer can be reliably hold | maintained at desired temperature, it is preferable.
上記電解質層を形成する際の支持基板として使用する上記多孔質電極層は、上述した燃料極層又は空気極層が使用できる。その構成材料等については、上述と同様であるため省略する。なお、上記多孔質電極層は、それ自体を上記電解質層の形成用の支持基板として使用してもよいし、多孔質な支持基板上に電極層の材料をコーティングしたものを多孔質電極層とし、これを上記電解質層の形成用の支持基板として使用してもよい。多孔質な支持基板の材料としては、耐熱性セラミックスや耐熱性金属等を使用することができる。 As the porous electrode layer used as a support substrate when forming the electrolyte layer, the above-described fuel electrode layer or air electrode layer can be used. The constituent materials and the like are the same as described above, and will be omitted. The porous electrode layer itself may be used as a support substrate for forming the electrolyte layer, or a porous support layer coated with a material for the electrode layer is used as the porous electrode layer. This may be used as a support substrate for forming the electrolyte layer. As a material for the porous support substrate, heat-resistant ceramics, heat-resistant metals, or the like can be used.
上記金属源としては、上記金属酸化物膜を構成する金属を含み、かつ後述する溶媒に溶解するものであればよい。例えば、金属塩、金属イオンに対して無機物又は有機物が配位した金属錯体、分子中に金属−炭素結合を有する有機金属化合物等を使用することができる。上記金属源は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を混合して使用してもよい。
Any metal source may be used as long as it contains the metal constituting the metal oxide film and dissolves in a solvent described later. For example, a metal salt, a metal complex in which an inorganic substance or an organic substance is coordinated with a metal ion, an organometallic compound having a metal-carbon bond in the molecule, or the like can be used. The said metal source may be used individually by 1 type, and may mix and
上記金属源を構成する金属元素としては、所望の金属組成の金属酸化物膜を得ることができれば特に限定されるものではないが、Mg、Ca、Sr、Ba、Al、Si、Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Y、Zr、Ag、In、Sn、Hf、Ta、Pb、La、Ce、Sm及びGdから選ばれる少なくとも一つの金属元素であることが好ましい。上記金属元素は、プールベ線図において、金属酸化物として存在する領域(以下、「金属酸化物領域」という)、又は金属水酸化物として存在する領域(以下、「金属水酸化物領域」という)を有しているため、金属酸化物膜の主用構成元素として適している。更に好ましくは、プロトン伝導性の良好な金属酸化物を構成することができるCa、Sr、Ba、Sc、Y、Zr、Ceが適している。上記金属源(1種又は複数種)は、上記金属元素を2種類以上含有していてもよい。 The metal element constituting the metal source is not particularly limited as long as a metal oxide film having a desired metal composition can be obtained, but Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Si, Sc, Ti, It is at least one metal element selected from V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Y, Zr, Ag, In, Sn, Hf, Ta, Pb, La, Ce, Sm, and Gd. Is preferred. In the Pourbaille diagram, the metal element is a region present as a metal oxide (hereinafter referred to as “metal oxide region”) or a region present as a metal hydroxide (hereinafter referred to as “metal hydroxide region”). Therefore, it is suitable as a main constituent element of the metal oxide film. More preferably, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Zr, and Ce, which can constitute a metal oxide having good proton conductivity, are suitable. The said metal source (1 type or multiple types) may contain 2 or more types of the said metal element.
上記金属塩としては、上記金属元素を含む塩化物、硝酸塩、硫酸塩、過塩素酸塩、酢酸塩、リン酸塩、臭素酸塩等を挙げることができる。中でも、本発明においては、塩化物、硝酸塩、酢酸塩を使用することが好ましい。これらの化合物は汎用品として入手が容易だからである。 Examples of the metal salt include chlorides, nitrates, sulfates, perchlorates, acetates, phosphates, bromates and the like containing the above metal elements. Among these, in the present invention, it is preferable to use chloride, nitrate, and acetate. This is because these compounds are easily available as general-purpose products.
また、上記金属錯体や上記有機金属化合物の具体例としては、マグネシウムジエトキシド、アルミニウムアセチルアセトナート、カルシウムアセチルアセトナート二水和物、カルシウムジ(メトキシエトキシド)、グルコン酸カルシウム一水和物、クエン酸カルシウム四水和物、サリチル酸カルシウム二水和物、チタンラクテート、チタンアセチルアセトネート、テトライソプロピルチタネート、テトラノルマルブチルチタネート、テトラ(2−エチルヘキシル)チタネート、ブチルチタネートダイマー、チタニウムビス(エチルヘキソキシ)ビス(2−エチル−3−ヒドロキシヘキソキシド)、ジイソプロポキシチタンビス(トリエタノールアミネート)、ジヒドロキシビス(アンモニウムラクテート)チタニウム、ジイソプロポキシチタンビス(エチルアセトアセテート)、チタンペロキソクエン酸アンモニウム四水和物、ジシクロペンタジエニル鉄(II)、乳酸鉄(II)三水和物、鉄(III)アセチルアセトナート、コバルト(II)アセチルアセトナート、ニッケル(II)アセチルアセトナート二水和物、銅(II)アセチルアセトナート、銅(II)ジピバロイルメタナート、エチルアセト酢酸銅(II)、亜鉛アセチルアセトナート、乳酸亜鉛三水和物、サリチル酸亜鉛三水和物、ステアリン酸亜鉛、ストロンチウムジピバロイルメタナート、イットリウムジピバロイルメタナート、ジルコニウムテトラ−n−ブトキシド、ジルコニウム(IV)エトキシド、ジルコニウムノルマルプロピレート、ジルコニウムノルマルブチレート、ジルコニウムテトラアセチルアセトネート、ジルコニウムモノアセチルアセトネート、ジルコニウムアセチルアセトネートビスエチルアセトアセテート、ジルコニウムアセテート、ジルコニウムモノステアレート、ペンタ−n−ブトキシニオブ、ペンタエトキシニオブ、ペンタイソプロポキシニオブ、トリス(アセチルアセトナト)インジウム(III)、2−エチルヘキサン酸インジウム(III)、テトラエチルすず、酸化ジブチルすず(IV)、トリシクロヘキシルすず(IV)ヒドロキシド、ランタンアセチルアセトナート二水和物、トリ(メトキシエトキシ)ランタン、ペンタイソプロポキシタンタル、ペンタエトキシタンタル、タンタル(V)エトキシド、セリウム(III)アセチルアセトナート、クエン酸鉛(II)三水和物、シクロヘキサン酪酸鉛等を挙げることができる。中でも、入手が容易で扱いやすい点から、マグネシウムジエトキシド、アルミニウムアセチルアセトナート、カルシウムアセチルアセトナート二水和物、チタンラクテート、チタンアセチルアセトネート、テトライソプロピルチタネート、テトラノルマルブチルチタネート、テトラ(2−エチルヘキシル)チタネート、ブチルチタネートダイマー、ジイソプロポキシチタンビス(エチルアセトアセテート)、乳酸鉄(II)三水和物、鉄(III)アセチルアセトナート、亜鉛アセチルアセトナート、乳酸亜鉛三水和物、ストロンチウムジピバロイルメタナート、ペンタエトキシニオブ、トリス(アセチルアセトナト)インジウム(III)、2−エチルヘキサン酸インジウム(III)、テトラエチルすず、酸化ジブチルすず(IV)、ランタンアセチルアセトナート二水和物、トリ(メトキシエトキシ)ランタン、セリウム(III)アセチルアセトナートを使用することが好ましい。 Specific examples of the metal complex and the organometallic compound include magnesium diethoxide, aluminum acetylacetonate, calcium acetylacetonate dihydrate, calcium di (methoxyethoxide), and calcium gluconate monohydrate. , Calcium citrate tetrahydrate, calcium salicylate dihydrate, titanium lactate, titanium acetylacetonate, tetraisopropyl titanate, tetranormal butyl titanate, tetra (2-ethylhexyl) titanate, butyl titanate dimer, titanium bis (ethylhexoxy) Bis (2-ethyl-3-hydroxyhexoxide), diisopropoxytitanium bis (triethanolamate), dihydroxybis (ammonium lactate) titanium, diisopropoxytita Bis (ethylacetoacetate), Titanium peroxo ammonium citrate tetrahydrate, Dicyclopentadienyl iron (II), Iron (II) lactate trihydrate, Iron (III) acetylacetonate, Cobalt (II) Acetylacetonate, nickel (II) acetylacetonate dihydrate, copper (II) acetylacetonate, copper (II) dipivaloylmethanate, copper (II) ethylacetoacetate, zinc acetylacetonate, zinc lactate Hydrates, zinc salicylate trihydrate, zinc stearate, strontium dipivaloylmethanate, yttrium dipivaloylmethanate, zirconium tetra-n-butoxide, zirconium (IV) ethoxide, zirconium normal propyrate, zirconium Normal butyrate, zirconium tetraacetylacetonate, zirconium monoacetylacetonate , Zirconium acetylacetonate bisethylacetoacetate, zirconium acetate, zirconium monostearate, penta-n-butoxyniobium, pentaethoxyniobium, pentaisopropoxyniobium, tris (acetylacetonato) indium (III), 2-ethyl Indium hexanoate (III), tetraethyltin, dibutyltin oxide (IV), tricyclohexyltin (IV) hydroxide, lanthanum acetylacetonate dihydrate, tri (methoxyethoxy) lanthanum, pentaisopropoxytantalum, pentaethoxytantalum Tantalum (V) ethoxide, cerium (III) acetylacetonate, lead (II) citrate trihydrate, lead cyclohexanebutyrate and the like. Among these, magnesium diethoxide, aluminum acetylacetonate, calcium acetylacetonate dihydrate, titanium lactate, titanium acetylacetonate, tetraisopropyl titanate, tetranormal butyl titanate, tetra (2) are easily available and easy to handle. -Ethylhexyl) titanate, butyl titanate dimer, diisopropoxytitanium bis (ethyl acetoacetate), iron (II) lactate trihydrate, iron (III) acetylacetonate, zinc acetylacetonate, zinc lactate trihydrate, strontium Dipivaloylmethanate, pentaethoxyniobium, tris (acetylacetonato) indium (III), indium (III) 2-ethylhexanoate, tetraethyltin, dibutyltin oxide (IV), lanthanum acetylacetate Over preparative dihydrate, tri (methoxyethoxy) lanthanum, it is preferable to use a cerium (III) acetylacetonate.
上記金属源を適宜選択することによって、例えば、プロトン伝導形燃料電池用の電解質材料として好適なペロブスカイト型の結晶構造を有する金属酸化物膜を形成することができる。 By appropriately selecting the metal source, for example, a metal oxide film having a perovskite crystal structure suitable as an electrolyte material for a proton conducting fuel cell can be formed.
上記金属酸化物膜形成用溶液に用いられる溶媒は、上述した金属源を溶解することができるものであれば、特に限定されるものではない。例えば、金属源が金属塩の場合は、メタノール、エタノール、2−プロパノール、1−プロパノール、ブタノール等の総炭素数が5以下の低級アルコール、水、トルエン、これらの混合溶媒等を使用することができ、金属源が金属錯体又は有機金属化合物の場合は、水、上述した低級アルコール、トルエン、これらの混合溶媒等を使用することができる。また、本発明においては、上記溶媒を組み合わせて使用してもよい。例えば、水への溶解性は低いが有機溶媒への溶解性は高い金属錯体と、有機溶媒への溶解性は低いが水への溶解性は高い材料(例えば後述する還元剤)とを使用する場合は、水と有機溶媒との混合溶媒を使用して両者を溶解させ、均一な金属酸化物膜形成用溶液とすることができる。 The solvent used in the metal oxide film forming solution is not particularly limited as long as it can dissolve the metal source described above. For example, when the metal source is a metal salt, a lower alcohol having a total carbon number of 5 or less such as methanol, ethanol, 2-propanol, 1-propanol, butanol, water, toluene, a mixed solvent thereof or the like may be used. In the case where the metal source is a metal complex or an organometallic compound, water, the above-described lower alcohol, toluene, a mixed solvent thereof or the like can be used. In the present invention, the above solvents may be used in combination. For example, a metal complex having low solubility in water but high solubility in an organic solvent and a material having low solubility in an organic solvent but high solubility in water (for example, a reducing agent described later) are used. In the case, a mixed solvent of water and an organic solvent is used to dissolve both of them, and a uniform metal oxide film forming solution can be obtained.
上記金属酸化物膜形成用溶液における上記金属源の濃度としては、通常0.001〜10mol/リットルであり、中でも0.01〜1mol/リットルであることが好ましい。濃度が0.001mol/リットル未満であると、金属酸化物膜の成膜反応が起こり難く、所望の金属酸化物膜を得ることができない可能性があり、濃度が10mol/リットルを超えると、沈殿物が生成する可能性があるからである。 The concentration of the metal source in the metal oxide film forming solution is usually 0.001 to 10 mol / liter, and preferably 0.01 to 1 mol / liter. If the concentration is less than 0.001 mol / liter, the metal oxide film formation reaction hardly occurs and the desired metal oxide film may not be obtained. If the concentration exceeds 10 mol / liter, precipitation occurs. This is because things may be generated.
上記金属酸化物膜形成用溶液は、酸化剤及び還元剤から選ばれる少なくとも一つを更に含んでいてもよい。金属酸化物膜の成膜反応を促進させることができるからである。例えば、上記金属酸化物膜形成用溶液に酸化剤が含まれていると、上記金属源が溶解してなる金属イオン等の酸化が速やかに行われるため、金属酸化物膜の成膜反応が促進する。また、例えば、上記金属酸化物膜形成用溶液に還元剤が含まれていると、この還元剤が分解して電子を放出することにより水(溶媒)の電気分解反応を誘発すると考えられる。水の電気分解反応が起こると水酸化物イオンが発生し、これにより、金属酸化物膜形成用溶液のpHが上昇し、プールベ線図における金属酸化物領域又は金属水酸化物領域へとシフトするため、金属酸化物膜の成膜反応が促進する。 The metal oxide film forming solution may further contain at least one selected from an oxidizing agent and a reducing agent. This is because the deposition reaction of the metal oxide film can be promoted. For example, if the metal oxide film forming solution contains an oxidizing agent, the metal ions dissolved by the metal source are rapidly oxidized, which accelerates the metal oxide film formation reaction. To do. Further, for example, if a reducing agent is contained in the metal oxide film forming solution, it is considered that the reducing agent decomposes and emits electrons, thereby inducing an electrolysis reaction of water (solvent). When water electrolysis occurs, hydroxide ions are generated, which increases the pH of the metal oxide film forming solution and shifts to the metal oxide region or metal hydroxide region in the Pourbaix diagram. Therefore, the film formation reaction of the metal oxide film is promoted.
上記酸化剤としては、上述した溶媒に溶解し、かつ上記金属源が溶解してなる金属イオン等を酸化することができるものであれば特に限定されず、例えば、過酸化水素、亜硝酸ナトリウム、亜硝酸カリウム、臭素酸ナトリウム、臭素酸カリウム、酸化銀、二クロム酸、過マンガン酸カリウム等が挙げられ、中でも過酸化水素、亜硝酸カリウムを使用するのが好ましい。 The oxidizing agent is not particularly limited as long as it can be dissolved in the above-described solvent and can oxidize a metal ion or the like formed by dissolving the metal source. For example, hydrogen peroxide, sodium nitrite, Examples thereof include potassium nitrite, sodium bromate, potassium bromate, silver oxide, dichromic acid, and potassium permanganate. Among them, hydrogen peroxide and potassium nitrite are preferably used.
上記金属酸化物膜形成用溶液における上記酸化剤の濃度は、酸化剤の種類に応じて異なるが、通常0.001〜1mol/リットルであり、中でも0.01〜0.1mol/リットルであることが好ましい。濃度が0.001mol/リットル未満であると、金属酸化物膜の成膜反応を促進させる効果を充分に発揮することができない可能性があり、濃度が1mol/リットルを超えると、濃度の増加に見合う効果が得られず、コスト上好ましくないからである。 The concentration of the oxidizing agent in the metal oxide film forming solution varies depending on the type of the oxidizing agent, but is usually 0.001 to 1 mol / liter, particularly 0.01 to 0.1 mol / liter. Is preferred. If the concentration is less than 0.001 mol / liter, there is a possibility that the effect of promoting the film formation reaction of the metal oxide film may not be sufficiently exhibited. If the concentration exceeds 1 mol / liter, the concentration increases. This is because a suitable effect cannot be obtained and this is not preferable in terms of cost.
上記還元剤としては、上述した溶媒に溶解し、かつ分解反応により電子を放出することができるものであれば、特に限定されず、例えば、ボラン−tert−ブチルアミン錯体、ボラン−N,Nジエチルアニリン錯体、ボラン−ジメチルアミン錯体、ボラン−トリメチルアミン錯体等のボラン系錯体、水酸化シアノホウ素ナトリウム、水酸化ホウ素ナトリウム等を挙げることができ、中でもボラン系錯体を使用することが好ましい。 The reducing agent is not particularly limited as long as it is soluble in the above-described solvent and can release electrons by a decomposition reaction. For example, borane-tert-butylamine complex, borane-N, N diethylaniline. Examples include complexes, borane complexes such as borane-dimethylamine complex and borane-trimethylamine complex, sodium cyanoborohydride, sodium borohydride, etc. Among them, it is preferable to use borane complex.
上記金属酸化物膜形成用溶液における上記還元剤の濃度は、還元剤の種類に応じて異なるが、通常0.001〜1mol/リットルであり、中でも0.01〜0.1mol/リットルであることが好ましい。濃度が0.001mol/リットル未満であると、金属酸化物膜の成膜反応を促進させる効果を充分に発揮することができない可能性があり、濃度が1mol/リットルを超えると、濃度の増加に見合う効果が得られず、コスト上好ましくないからである。 The concentration of the reducing agent in the metal oxide film forming solution varies depending on the type of the reducing agent, but is usually 0.001 to 1 mol / liter, particularly 0.01 to 0.1 mol / liter. Is preferred. If the concentration is less than 0.001 mol / liter, there is a possibility that the effect of promoting the film formation reaction of the metal oxide film may not be sufficiently exhibited. If the concentration exceeds 1 mol / liter, the concentration increases. This is because a suitable effect cannot be obtained and this is not preferable in terms of cost.
また、上記金属酸化物膜形成用溶液は、補助イオン源や界面活性剤等の添加剤を含有していても良い。 The metal oxide film forming solution may contain additives such as an auxiliary ion source and a surfactant.
上記補助イオン源は、電子と反応して水酸化物イオンを発生するものであり、金属酸化物膜形成用溶液のpHを上昇させ、金属酸化物膜の成膜反応を促進させることができる。これは、プールベ線図において、金属酸化物領域や金属水酸化物領域へと誘導する働きのことである。従って、上記補助イオン源は、熱で分解して電子を放出する還元剤と組み合わせることで効果を発揮するが、金属酸化物膜形成用溶液に還元剤が含まれていなくても、加熱により酸素を放出するため、単独で酸化剤としても使用できる。なお、上記補助イオン源の使用量は、使用する金属源等に応じて適宜設定すればよい。 The auxiliary ion source generates hydroxide ions by reacting with electrons, and can increase the pH of the metal oxide film forming solution and promote the film forming reaction of the metal oxide film. This is a function of guiding to a metal oxide region or a metal hydroxide region in the Pourbaix diagram. Therefore, the auxiliary ion source is effective when combined with a reducing agent that decomposes by heat and emits electrons. Even if the reducing agent is not contained in the metal oxide film forming solution, oxygen is generated by heating. Can be used alone as an oxidizing agent. In addition, what is necessary is just to set the usage-amount of the said auxiliary ion source suitably according to the metal source etc. to be used.
このような補助イオン源としては、具体的には、塩素酸イオン、過塩素酸イオン、亜塩素酸イオン、次亜塩素酸イオン、臭素酸イオン、次臭素酸イオン、硝酸イオン、亜硝酸イオン等のイオン種を挙げることができる。これらの補助イオン源は、溶液中で下記の反応を起こすと考えられている。
(化1) ClO4 - + H2O + 2e- ⇔ ClO3 - + 2OH-
(化2) ClO3 - + H2O + 2e- ⇔ ClO2 - + 2OH-
(化3) ClO2 - + H2O + 2e- ⇔ ClO- + 2OH-
(化4) 2ClO- + 2H2O + 2e- ⇔ Cl2 + 4OH-
(化5) BrO3 - + 2H2O + 4e- ⇔ BrO- + 4OH-
(化6) 2BrO- + 2H2O + 2e- ⇔ Br2 + 4OH-
(化7) NO3 - + H2O + 2e- ⇔ NO2 - + 2OH-
(化8) NO2 - + 3H2O + 3e- ⇔ NH3 + 3OH-
Specific examples of such auxiliary ion sources include chlorate ions, perchlorate ions, chlorite ions, hypochlorite ions, bromate ions, hypobromate ions, nitrate ions, nitrite ions, etc. Can be mentioned. These auxiliary ion sources are believed to cause the following reactions in solution.
(Chemical formula 1) ClO 4 − + H 2 O + 2e − ⇔ ClO 3 − + 2OH −
(Chemical Formula 2) ClO 3 − + H 2 O + 2e − ⇔ ClO 2 − + 2OH −
(Chemical Formula 3) ClO 2 − + H 2 O + 2e − ⇔ ClO − + 2OH −
(Formula 4) 2ClO - + 2H 2 O + 2e -
(Formula 5) BrO 3 - + 2H 2 O + 4e - ⇔ BrO - + 4OH -
(Of 6) 2BrO - + 2H 2 O + 2e -
(Chemical Formula 7) NO 3 − + H 2 O + 2e − NO NO 2 − + 2OH −
(Chemical Formula 8) NO 2 − + 3H 2 O + 3e − NH NH 3 + 3OH −
上記界面活性剤は、多孔質電極層表面に対する金属酸化物膜形成用溶液の濡れ性を向上させ、金属酸化物膜の成膜反応を促進させることができる。このような界面活性剤としては、具体的にはサーフィノール485、サーフィノールSE、サーフィノールSE−F、サーフィノール504、サーフィノールGA、サーフィノール104A、サーフィノール104BC、サーフィノール104PPM、サーフィノール104E、サーフィノール104PA等のサーフィノールシリーズ(以上、全て日信化学工業社製商品名)、NIKKOL AM301、NIKKOL AM313ON(以上、全て日光ケミカル社製商品名)等を挙げることができる。なお、上記界面活性剤の使用量は、使用する金属源等に応じて適宜設定すればよい。 The surfactant can improve the wettability of the metal oxide film forming solution with respect to the surface of the porous electrode layer and promote the film formation reaction of the metal oxide film. Specific examples of such surfactants include Surfinol 485, Surfinol SE, Surfinol SE-F, Surfinol 504, Surfinol GA, Surfinol 104A, Surfinol 104BC, Surfinol 104PPM, Surfinol 104E. Surfynol series such as Surfinol 104PA (all are trade names manufactured by Nissin Chemical Industry Co., Ltd.), NIKKOL AM301, NIKKOL AM313ON (all are trade names manufactured by Nikko Chemical Co., Ltd.), and the like. In addition, what is necessary is just to set the usage-amount of the said surfactant suitably according to the metal source etc. to be used.
上記金属酸化物膜形成用溶液を上記多孔質電極層上に噴霧する方法は、例えばスプレー装置等を用いて噴霧する方法等が挙げられる。上記スプレー装置等を用いて噴霧する場合、液滴の径は、通常0.1〜1000μmであり、中でも0.5〜300μmであることが好ましい。液滴の径が上記範囲内にあれば、噴霧による上記多孔質電極層の温度の低下を抑制することができ、均一な金属酸化物膜を得ることができるからである。 Examples of the method of spraying the metal oxide film forming solution onto the porous electrode layer include a method of spraying using a spray device or the like. When spraying using the said spray apparatus etc., the diameter of a droplet is 0.1-1000 micrometers normally, and it is preferable that it is 0.5-300 micrometers especially. This is because if the diameter of the droplet is within the above range, a decrease in the temperature of the porous electrode layer due to spraying can be suppressed, and a uniform metal oxide film can be obtained.
また、上記スプレー装置の噴射ガスとしては、金属酸化物膜の形成を阻害しない限り特に限定されるものではないが、例えば、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素等を挙げることができ、中でも不活性な気体である窒素、アルゴン、ヘリウムが好ましい。また、金属酸化物膜形成用溶液の噴射量としては、通常0.001〜1リットル/minであり、得られる金属酸化物膜の緻密性をより向上させるためには、0.001〜0.05リットル/minであることが好ましい。この際、形成される金属酸化物膜の厚みは、繰り返し噴霧することによって任意に調整できる。また、上記スプレー装置は、固定されているもの、可動式のもの、回転によって上記溶液を噴射させるもの、圧力によって上記溶液を噴射させるもの等であってもよい。このようなスプレー装置としては、一般的に用いられるスプレー装置を用いることができ、例えばハンドスプレー(アズワン社製)等を用いることができる。 The spray gas of the spray device is not particularly limited as long as it does not inhibit the formation of the metal oxide film, and examples thereof include air, nitrogen, argon, helium, oxygen and the like. Active gases such as nitrogen, argon and helium are preferred. Further, the injection amount of the solution for forming a metal oxide film is usually 0.001 to 1 liter / min. In order to further improve the denseness of the resulting metal oxide film, 0.001 to 0.001. It is preferably 05 liter / min. At this time, the thickness of the formed metal oxide film can be arbitrarily adjusted by spraying repeatedly. The spray device may be a fixed device, a movable device, a device that ejects the solution by rotation, a device that ejects the solution by pressure, or the like. As such a spray device, a commonly used spray device can be used, and for example, hand spray (manufactured by ASONE) or the like can be used.
また、上記方法によって金属酸化物膜、即ち電解質層を形成した後、この電解質層の洗浄及び乾燥を行ってもよい。上記電解質層の洗浄は、電解質層の表面等に存在する不純物を取り除くために行われるものである。洗浄方法としては、例えば、金属酸化物膜形成用溶液に使用した溶媒を用いて洗浄する方法等を挙げることができる。また、上記電解質層の乾燥を行う際は、常温で放置することにより乾燥してもよいが、オーブン等の加熱装置中で乾燥してもよい。 Further, after forming a metal oxide film, that is, an electrolyte layer by the above method, the electrolyte layer may be washed and dried. The washing of the electrolyte layer is performed to remove impurities present on the surface of the electrolyte layer. Examples of the cleaning method include a method of cleaning using a solvent used in the metal oxide film forming solution. When the electrolyte layer is dried, the electrolyte layer may be left at room temperature to dry, or may be dried in a heating apparatus such as an oven.
次に、上述の方法で得られた電解質層上に、上記電解質層を形成する際の支持基板として使用した多孔質電極層と対をなす多孔質電極層(燃料極層又は空気極層)を形成する方法の一例について説明する。まず、電極層の材料とバインダーとを溶媒に加えてペーストを調製し、このペーストをスクリーン印刷法、ドクターブレード法等の塗布方法により上記電解質層上に塗布する。そして、これらを例えば100℃程度の温度で乾燥させることにより、上記電解質層上に燃料極層又は空気極層を形成する。以上の方法により、本発明のプロトン伝導形燃料電池が得られる。 Next, on the electrolyte layer obtained by the above method, a porous electrode layer (fuel electrode layer or air electrode layer) paired with the porous electrode layer used as a support substrate when forming the electrolyte layer is formed. An example of a forming method will be described. First, a paste is prepared by adding the electrode layer material and a binder to a solvent, and this paste is applied onto the electrolyte layer by an application method such as a screen printing method or a doctor blade method. And these are dried at the temperature of about 100 degreeC, for example, and a fuel electrode layer or an air electrode layer is formed on the said electrolyte layer. By the above method, the proton conductive fuel cell of the present invention is obtained.
以上、本発明のプロトン伝導形燃料電池の製造方法について説明したが、本発明のプロトン伝導形燃料電池の製造方法は、上述した内容以外の工程が追加されていてもよい。以下に、上述した内容以外の工程が追加された本発明のプロトン伝導形燃料電池の製造方法(電解質層の形成方法のみ)について説明する。 The method for manufacturing a proton conductive fuel cell of the present invention has been described above. However, the method for manufacturing a proton conductive fuel cell of the present invention may include steps other than those described above. Below, the manufacturing method (only the formation method of an electrolyte layer) of the proton conduction type fuel cell of this invention to which processes other than the content mentioned above were added is demonstrated.
まず、(1)金属源と、酸化剤又は還元剤とを含む第1金属酸化物膜形成用溶液に、多孔質電極層(燃料極層又は空気極層)を浸漬することにより、この多孔質電極層上に接触する第1金属酸化物膜(プロトン伝導性金属酸化物膜)を形成する。次に、(2)第1金属酸化物膜を金属酸化物膜形成温度以上に加熱した状態で、この第1金属酸化物膜上に金属源を含む第2金属酸化物膜形成用溶液を噴霧することにより第2金属酸化物膜(プロトン伝導性金属酸化物膜)を形成して、上記第1金属酸化物膜と上記第2金属酸化物膜とからなる電解質層を得る。これにより、上述した製造方法と同様の効果を発揮させることができる上、上記第2金属酸化物膜を形成する際、上記第1金属酸化物膜に含まれる結晶を結晶核として柱状に結晶を成長させることができるため、上記柱状構造からなる結晶同士が密接した集合体を含む第2金属酸化物膜を得ることができる。よって、得られる電解質層のガス不透過性をより向上させることができる。なお、上記第1金属酸化物膜のうち上記多孔質電極層上に形成された領域は、上記「第1被膜」に相当する。 First, (1) a porous electrode layer (fuel electrode layer or air electrode layer) is immersed in a solution for forming a first metal oxide film containing a metal source and an oxidizing agent or a reducing agent. A first metal oxide film (proton conductive metal oxide film) in contact with the electrode layer is formed. Next, (2) in a state where the first metal oxide film is heated to the metal oxide film formation temperature or higher, a second metal oxide film forming solution containing a metal source is sprayed on the first metal oxide film. As a result, a second metal oxide film (proton conductive metal oxide film) is formed, and an electrolyte layer composed of the first metal oxide film and the second metal oxide film is obtained. As a result, the same effects as those of the manufacturing method described above can be exhibited, and when the second metal oxide film is formed, the crystals contained in the first metal oxide film are used as crystal nuclei to form crystals in a columnar shape. Since it can be made to grow, the 2nd metal oxide film containing the aggregate | assembly which the crystals which consist of the said columnar structure closely_contact | adhered can be obtained. Therefore, the gas impermeability of the obtained electrolyte layer can be further improved. Note that a region of the first metal oxide film formed on the porous electrode layer corresponds to the “first coating”.
また、上述した方法によれば、第1金属酸化物膜を多孔質電極層の表面だけでなく、多孔質電極層内の気孔を形成する壁面上にも形成することができる。通常、上述した方法により得られる第1金属酸化物膜の一部は、上記多孔質電極層の上記壁面の少なくとも一部に沿って形成される。なお、上記多孔質電極層内の気孔を形成する壁面に沿って形成された上記第1金属酸化物膜の一部は、上記「第2被膜」に相当する。 Further, according to the above-described method, the first metal oxide film can be formed not only on the surface of the porous electrode layer but also on the wall surface forming the pores in the porous electrode layer. Usually, a part of the first metal oxide film obtained by the above-described method is formed along at least a part of the wall surface of the porous electrode layer. A part of the first metal oxide film formed along the wall surface forming pores in the porous electrode layer corresponds to the “second coating”.
なお、上記(2)工程については上述と同様であるため、以下、上記(1)工程についてのみ説明し、重複する説明は省略する。 In addition, since said (2) process is the same as that of the above-mentioned, below, only the said (1) process is demonstrated and the overlapping description is abbreviate | omitted.
上記(1)工程で使用する第1金属酸化物膜形成用溶液は、金属源と、酸化剤又は還元剤とを含む。金属源、酸化剤及び還元剤の具体例は、上述と同様なので説明を省略する。また、第1金属酸化物膜形成用溶液のその他の成分(溶媒、添加剤等)についても、上述と同様なので説明を省略する。なお、上記第1金属酸化物膜形成用溶液と、上記第2金属酸化物膜形成用溶液とは、同じものを使用してもよいし、それぞれ異なるものを使用してもよい。上記第1金属酸化物膜形成用溶液と、上記第2金属酸化物膜形成用溶液とが相違する場合、上記第1金属酸化物膜形成用溶液により得られる上記第1金属酸化物膜の結晶系と、上記第2金属酸化物膜形成用溶液により得られる上記第2金属酸化物膜の結晶系とが近似する(又は一致する)ように、それぞれの溶液組成を選択するのが好ましい。 The first metal oxide film forming solution used in the step (1) includes a metal source and an oxidizing agent or a reducing agent. Specific examples of the metal source, the oxidizing agent, and the reducing agent are the same as described above, and thus the description thereof is omitted. Further, the other components (solvent, additive, etc.) of the first metal oxide film forming solution are the same as described above, and thus the description thereof is omitted. The first metal oxide film forming solution and the second metal oxide film forming solution may be the same or different from each other. When the first metal oxide film forming solution is different from the second metal oxide film forming solution, the crystal of the first metal oxide film obtained by the first metal oxide film forming solution It is preferable to select each solution composition so that the system and the crystal system of the second metal oxide film obtained by the second metal oxide film forming solution are approximated (or matched).
上記第1金属酸化物膜形成用溶液に上記多孔質電極層を浸漬する際、上記第1金属酸化物膜形成用溶液及び上記多孔質電極層の少なくとも一方(好ましくは双方)を、10℃以上の温度に保持してもよい。第1金属酸化物膜の成膜反応を促進させることができるからである。第1金属酸化物膜の成膜反応をより促進させるためには、50℃以上の温度に加熱することが好ましく、60℃以上の温度に加熱することがより好ましい。この場合、加熱温度は、作業性の観点から、上記第1金属酸化物膜形成用溶液の沸点以下の温度とすることが好ましい。例えば、上記第1金属酸化物膜形成用溶液及び上記多孔質電極層の少なくとも一方(好ましくは双方)を、通常10〜100℃の範囲に保持すればよく、生産性の観点から50〜90℃の範囲に加熱することが好ましい。 When immersing the porous electrode layer in the first metal oxide film forming solution, at least one (preferably both) of the first metal oxide film forming solution and the porous electrode layer is 10 ° C. or higher. You may hold | maintain to the temperature of. This is because the film formation reaction of the first metal oxide film can be promoted. In order to further promote the film formation reaction of the first metal oxide film, it is preferable to heat to a temperature of 50 ° C. or higher, and more preferably to a temperature of 60 ° C. or higher. In this case, the heating temperature is preferably set to a temperature not higher than the boiling point of the first metal oxide film forming solution from the viewpoint of workability. For example, at least one (preferably both) of the first metal oxide film forming solution and the porous electrode layer may be normally maintained in a range of 10 to 100 ° C., and 50 to 90 ° C. from the viewpoint of productivity. It is preferable to heat to this range.
上記第1金属酸化物膜形成用溶液に上記多孔質電極層を浸漬する際、上記多孔質電極層と上記第1金属酸化物膜形成用溶液とが接触している部分に、気泡状の酸化性ガスを接触させてもよい。上記金属源が溶解してなる金属イオン等の酸化が速やかに行われるため、第1金属酸化物膜の成膜反応が促進するからである。このような酸化性ガスとしては、上記金属源が溶解してなる金属イオン等を酸化することができるものであれば特に限定されず、例えば、酸素、オゾン、亜硝酸ガス、二酸化窒素、二酸化塩素、ハロゲンガス等が挙げられ、中でも酸素、オゾンを使用することが好ましく、特にオゾンを使用することが好ましい。工業的に入手が容易であり、低コスト化が実現できるからである。また、上述した気泡状の酸化性ガスの導入方法については、特に限定されるものではないが、例えば、バブラーを使用する方法を挙げることができる。バブラーを使用することにより、上記多孔質電極層と上記第1金属酸化物膜形成用溶液とが接触している部分と、酸化性ガスとの接触面積を増大させることができ、第1金属酸化物膜の成膜速度を効率よく向上させることができるからである。このようなバブラーとしては、一般的なバブラーを使用することができ、例えば、ナフロンバブラー(アズワン社製)等を挙げることができる。また、上記酸化性ガスは、通常ガスボンベから第1金属酸化物膜形成用溶液に供給することができ、オゾンに関しては、オゾン発生装置から第1金属酸化物膜形成用溶液に供給することができる。 When the porous electrode layer is immersed in the first metal oxide film forming solution, a bubble-like oxidation is formed in a portion where the porous electrode layer and the first metal oxide film forming solution are in contact with each other. A sex gas may be contacted. This is because the metal ions and the like formed by dissolving the metal source are rapidly oxidized, so that the film formation reaction of the first metal oxide film is promoted. Such an oxidizing gas is not particularly limited as long as it can oxidize metal ions and the like obtained by dissolving the metal source. For example, oxygen, ozone, nitrous acid gas, nitrogen dioxide, chlorine dioxide In particular, oxygen and ozone are preferably used, and ozone is particularly preferably used. This is because it is easy to obtain industrially and can realize cost reduction. Moreover, the method for introducing the bubble-like oxidizing gas described above is not particularly limited, and examples thereof include a method using a bubbler. By using a bubbler, the contact area between the portion where the porous electrode layer and the first metal oxide film forming solution are in contact with the oxidizing gas can be increased. This is because the deposition rate of the physical film can be improved efficiently. As such a bubbler, a general bubbler can be used, and examples thereof include a Naflon bubbler (manufactured by ASONE). Further, the oxidizing gas can be normally supplied from the gas cylinder to the first metal oxide film forming solution, and ozone can be supplied from the ozone generator to the first metal oxide film forming solution. .
また、上記第1金属酸化物膜形成用溶液に上記多孔質電極層を浸漬する際、上記多孔質電極層と上記第1金属酸化物膜形成用溶液とが接触している部分に、紫外線を照射してもよい。紫外線を照射することによって、水の電気分解反応を促進させたり、上述した還元剤の分解を促進させたりすることができると考えられ、発生した水酸化物イオンによって、上述したように第1金属酸化物膜の成膜反応を促進させることができるからである。また、紫外線を照射することにより、上述した補助イオン源から水酸化物イオンを発生させたり、得られる第1金属酸化物膜の結晶性を向上させたりすることもできる。なお、上記紫外線としては、波長が470nm以下の近紫外光も含むものとする。 In addition, when the porous electrode layer is immersed in the first metal oxide film forming solution, ultraviolet light is applied to a portion where the porous electrode layer and the first metal oxide film forming solution are in contact with each other. It may be irradiated. By irradiating with ultraviolet rays, it is considered that the electrolysis reaction of water can be promoted or the decomposition of the reducing agent described above can be promoted. As described above, the first metal is generated by the generated hydroxide ions. This is because the film formation reaction of the oxide film can be promoted. Further, by irradiating with ultraviolet rays, hydroxide ions can be generated from the auxiliary ion source described above, and the crystallinity of the obtained first metal oxide film can be improved. The ultraviolet light includes near ultraviolet light having a wavelength of 470 nm or less.
上記紫外線の波長としては、通常185〜470nmであり、成膜反応をより促進させるためには、185〜260nmであることが好ましい。また、上記紫外線の強度としては、通常1〜20mW/cm2であり、成膜反応をより促進させるためには、5〜15mW/cm2であることが好ましい。このような紫外線照射を行う紫外線照射装置としては、例えば市販の紫外線照射装置を使用することができ、具体的には、SEN特殊光源社製のHB400X−21等を使用することができる。 The wavelength of the ultraviolet light is usually 185 to 470 nm, and preferably 185 to 260 nm in order to further promote the film forming reaction. The intensity of the ultraviolet light is usually 1 to 20 mW / cm 2 , and preferably 5 to 15 mW / cm 2 in order to further promote the film forming reaction. As an ultraviolet irradiation apparatus for performing such ultraviolet irradiation, for example, a commercially available ultraviolet irradiation apparatus can be used, and specifically, HB400X-21 manufactured by SEN Special Light Source Co., Ltd. can be used.
以下、本発明の一実施形態について、適宜図面を参照して説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of the invention will be described with reference to the drawings as appropriate.
[第1実施形態]
まず、本発明の第1実施形態について図面を参照して説明する。参照する図1は、本発明の第1実施形態に係るプロトン伝導形燃料電池を示す模式断面図である。
[First Embodiment]
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 to be referred to is a schematic cross-sectional view showing a proton conducting fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
図1に示すように、第1実施形態に係るプロトン伝導形燃料電池10は、電解質層11と、電解質層11の一部を挟持する燃料極層12及び空気極層13とを有する。そして、電解質層11のうち燃料極層12及び空気極層13で挟持された領域は、プロトン伝導性の金属酸化物からなる結晶11aの集合体を含む。これにより、従来のプロトン伝導性高分子膜を用いた燃料電池に比べ、動作温度を上昇させることができる。
As shown in FIG. 1, the proton
結晶11aは、燃料極層12の表面12aの略法線方向に沿って延出した柱状構造を有しており、これらの結晶11aは、燃料極層12の表面12aに沿って配列した集合体を形成している。これにより、電解質層11内におけるプロトンの移動を妨げる粒界(例えば、プロトンの移動方向に対し直交する方向の粒界)を低減することができるため、電解質層11のプロトン伝導性を向上させることができる。更に、結晶11a同士が密接するため、電解質層11の緻密性が向上する。これにより、電解質層11のガス不透過性を向上させることができる。
The
また、電解質層11の一部11bは、燃料極層12内の気孔を形成する壁面12bの一部を被覆している。これにより、電極反応の反応場が増大するため、燃料極層12内における電極反応の円滑化が可能となる。なお、電解質層11の一部11bは、上述した「第2被膜」に相当する。
Further, a
次に、上述した第1実施形態に係るプロトン伝導形燃料電池10の製造方法の一例について、図面を参照して説明する。参照する図2A〜Cは、本発明の第1実施形態に係るプロトン伝導形燃料電池10の製造方法の一例を示す概略工程図である。なお、図2A〜Cにおいて、図1と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
Next, an example of a method for manufacturing the proton
まず、金属源を水等の溶媒に溶解させて金属酸化物膜形成用溶液1(図2A参照)を調製する。次に、図2Aに示すように、燃料極層12を、例えばホットプレート(図示せず)等により金属酸化物膜形成温度以上に加熱した状態で、スプレー装置2により金属酸化物膜形成用溶液1を燃料極層12上に噴霧する。これにより、図2Bに示すように、燃料極層12上に、結晶11aの集合体を含む電解質層11が形成される。この際、電解質層11の一部11bは、燃料極層12内の気孔を形成する壁面12bの一部を被覆する。
First, a metal source is dissolved in a solvent such as water to prepare a metal oxide film forming solution 1 (see FIG. 2A). Next, as shown in FIG. 2A, the
続いて、図2Cに示すように、電解質層11上に、スクリーン印刷法等の手段を用いて空気極層13を形成し、第1実施形態に係るプロトン伝導形燃料電池10が得られる。
Subsequently, as shown in FIG. 2C, the
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態について図面を参照して説明する。参照する図3は、本発明の第2実施形態に係るプロトン伝導形燃料電池を示す模式断面図である。なお、図3において、図1と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 to be referred to is a schematic cross-sectional view showing a proton conducting fuel cell according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 3, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図3に示すように、第2実施形態に係るプロトン伝導形燃料電池20は、電解質層21と、電解質層21の一部を挟持する燃料極層12及び空気極層13とを有する。そして、電解質層21のうち燃料極層12及び空気極層13で挟持された領域は、プロトン伝導性の金属酸化物からなる結晶21aの集合体を含む。また、電解質層21は、上記金属酸化物からなる被膜21bを更に含む。この被膜21bは、燃料極層12の表面12aに沿って形成された領域211bと、燃料極層12内の気孔を形成する壁面12bの一部に沿って形成された領域212bとを含む。なお、領域211bは、上記「第1被膜」に相当し、領域212bは、上記「第2被膜」に相当する。
As shown in FIG. 3, the proton
結晶21aは、燃料極層12の表面12aの略法線方向に沿って延出した柱状構造を有しており、これらの結晶21aは、被膜21bの領域211bに沿って配列した集合体を形成している。これにより、第2実施形態に係るプロトン伝導形燃料電池20は、上述した第1実施形態に係るプロトン伝導形燃料電池10と同様の効果を有する上、被膜21bの領域211bに含まれる結晶を結晶核とし、この結晶核から柱状に結晶成長した結晶21aの集合体を得ることができるため、結晶21a同士がより密接した集合体とすることができる。これにより、電解質層21のガス不透過性をより向上させることができる。
The
次に、上述した第2実施形態に係るプロトン伝導形燃料電池20の製造方法の一例について、図面を参照して説明する。参照する図4A,B及び図5A〜Cは、本発明の第2実施形態に係るプロトン伝導形燃料電池20の製造方法の一例を示す概略工程図である。なお、図4A,B及び図5A〜Cにおいて、図3と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
Next, an example of a method for manufacturing the proton
まず、金属源と、例えば還元剤とを、水等の溶媒に溶解させて第1金属酸化物膜形成用溶液1a(図4A参照)を調製する。そして、図4Aに示すように、第1金属酸化物膜形成用溶液1aに燃料極層12を浸漬する。これにより、図4Bに示すように、燃料極層12に接触する被膜21bが形成される。その後、被膜21bで覆われた燃料極層12を、第1金属酸化物膜形成用溶液1aから取り出す。
First, a metal source and a reducing agent, for example, are dissolved in a solvent such as water to prepare a first metal oxide film forming solution 1a (see FIG. 4A). Then, as shown in FIG. 4A, the
次に、図5Aに示すように、被膜21b及び燃料極層12を、例えばホットプレート(図示せず)等により金属酸化物膜形成温度以上に加熱した状態で、スプレー装置2により第2金属酸化物膜形成用溶液1b(例えば第1金属酸化物膜形成用溶液1aと同じ組成)を被膜21bの領域211b上に噴霧する。これにより、図5Bに示すように、被膜21bの領域211b上に結晶21aの集合体が形成され、被膜21bと結晶21aの集合体とを含む電解質層21が得られる。
Next, as shown in FIG. 5A, the
続いて、図5Cに示すように、電解質層21上に、スクリーン印刷法等の手段を用いて空気極層13を形成し、プロトン伝導形燃料電池20が得られる。
Subsequently, as shown in FIG. 5C, the
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されない。例えば、上記実施形態では、集合体を構成する結晶が燃料極層の表面の略法線方向に沿って延出した柱状構造を有する場合について例示したが、集合体を構成する結晶が空気極層の表面の略法線方向に沿って延出した柱状構造を有する結晶であってもよい。その場合、図6に示すように、燃料極層12と電解質層11との間に、Pd合金膜等のプロトン透過膜30を配置してもよい。
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the case where the crystals constituting the assembly have a columnar structure extending along the substantially normal direction of the surface of the fuel electrode layer is exemplified, but the crystals constituting the assembly are the air electrode layer. It may be a crystal having a columnar structure extending along a substantially normal direction of the surface. In that case, as shown in FIG. 6, a proton
以下に実施例を挙げて、本発明を更に詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. In addition, this invention is not limited to a following example.
本実施例では、上述した図1に示すような構造を有する単セルを作製した。まず、実施例1について説明する。 In this example, a single cell having the structure shown in FIG. 1 was manufactured. First, Example 1 will be described.
(実施例1)
白金担持カーボンと、SrCeO3粉末(粒径範囲:0.01〜10μm、平均粒径:1μm)と、セルロース系バインダー樹脂とを、質量比(白金担持カーボン:SrCeO3:セルロース系バインダー樹脂)が60:30:10となるように、2−プロパノールに加えてペーストを調製した。そして、このペーストをブレードコータにて、シリコン処理を施したポリエステルフィルム(厚み:25μm)に塗布した後、これらを100℃で乾燥させて、上記ポリエステルフィルム上に多孔質電極層となる燃料極(厚み:25μm)を形成した。
Example 1
Platinum supported carbon, SrCeO 3 powder (particle size range: 0.01 to 10 μm, average particle size: 1 μm), and cellulose-based binder resin have a mass ratio (platinum-supported carbon: SrCeO 3 : cellulose-based binder resin). A paste was prepared in addition to 2-propanol so as to be 60:30:10. And after apply | coating this paste to the polyester film (thickness: 25 micrometers) which performed the silicon process with the blade coater, these were dried at 100 degreeC and the fuel electrode used as a porous electrode layer on the said polyester film ( (Thickness: 25 μm) was formed.
続いて、塩化セリウム(III)(関東化学社製)、硝酸ストロンチウム(和光純薬社製)及び塩化イットリウム(純正化学社製)を、それぞれの濃度が0.1モル/リットル、0.03モル/リットル及び0.01モル/リットルとなるように純水に溶解させて金属酸化物膜形成用溶液を調製した。そして、450℃に加熱した上記燃料極上へ上記金属酸化物膜形成用溶液(150ミリリットル)をハンドスプレー(アズワン社製)で噴霧して、上記燃料極上にSrCe0.95Y0.05O3からなる電解質層(上記燃料極上の厚み:1μm)を形成した。この際の噴射量は0.005リットル/minであった。 Subsequently, cerium (III) chloride (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), strontium nitrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and yttrium chloride (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) were added at concentrations of 0.1 mol / liter and 0.03 mol, respectively. A solution for forming a metal oxide film was prepared by dissolving in pure water so as to be / mol and 0.01 mol / liter. Then, the metal oxide film-forming solution (150 ml) is sprayed onto the fuel electrode heated to 450 ° C. by hand spray (manufactured by ASONE), and the electrolyte layer made of SrCe 0.95 Y 0.05 O 3 is applied to the fuel electrode. (Thickness on the fuel electrode: 1 μm) was formed. The injection amount at this time was 0.005 liter / min.
続いて、白金とSr0.95La0.05TiO3とカーボンとからなる白金担持複合酸化物−カーボンと、セルロース系バインダー樹脂とを、質量比(白金担持複合酸化物−カーボン:セルロース系バインダー樹脂)が90:10となるように、2−プロパノールに加えてペーストを調製した。そして、このペーストをブレードコータにて、上記電解質層上に塗布した後、これらを100℃で乾燥させて空気極(厚み:20μm)を形成し、プロトン伝導形燃料電池(単セル)を得た。 Subsequently, a platinum-supporting composite oxide-carbon composed of platinum, Sr 0.95 La 0.05 TiO 3 and carbon and a cellulose-based binder resin have a mass ratio of 90 (platinum-supporting composite oxide-carbon: cellulose-based binder resin). : In addition to 2-propanol, a paste was prepared so as to be 10. The paste was applied onto the electrolyte layer with a blade coater, and then dried at 100 ° C. to form an air electrode (thickness: 20 μm) to obtain a proton conduction fuel cell (single cell). .
(実施例2)
実施例2は上述した実施例1に対し、電解質層の形成方法のみが異なるので、電解質層の形成方法のみ説明する。
(Example 2)
Since Example 2 differs from Example 1 described above only in the formation method of the electrolyte layer, only the formation method of the electrolyte layer will be described.
セリウム(III)アセチルアセトナート(関東化学社製)、酢酸ストロンチウム(キシダ化学社製)及び塩化イットリウム(純正化学社製)を、それぞれの濃度が0.1モル/リットル、0.03モル/リットル及び0.01モル/リットルとなるように、トルエン、イソプロパノール、エタノール及びメチルエチルケトンからなる混合溶媒に溶解させて金属酸化物膜形成用溶液を調製した。使用した混合溶媒は、容量比(トルエン:イソプロパノール:エタノール:メチルエチルケトン)が50:20:20:10であった。そして、350℃に加熱した上記燃料極上へ上記金属酸化物膜形成用溶液(150ミリリットル)をハンドスプレー(アズワン社製)で噴霧して、上記燃料極上にSrCe0.95Y0.05O3からなる電解質層(上記燃料極上の厚み:3μm)を形成した。この際の噴射量は0.005リットル/minであった。 Cerium (III) acetylacetonate (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), strontium acetate (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.), and yttrium chloride (manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.), with respective concentrations of 0.1 mol / liter and 0.03 mol / liter And it was made to melt | dissolve in the mixed solvent which consists of toluene, isopropanol, ethanol, and methyl ethyl ketone so that it might become 0.01 mol / liter, and the solution for metal oxide film formation was prepared. The mixed solvent used had a volume ratio (toluene: isopropanol: ethanol: methyl ethyl ketone) of 50: 20: 20: 10. Then, the metal oxide film-forming solution (150 ml) is sprayed onto the fuel electrode heated to 350 ° C. by hand spray (manufactured by ASONE), and the electrolyte layer made of SrCe 0.95 Y 0.05 O 3 is applied to the fuel electrode. (Thickness on the fuel electrode: 3 μm) was formed. The injection amount at this time was 0.005 liter / min.
(実施例3)
実施例3は上述した実施例1に対し、電解質層の形成方法のみが異なるので、電解質層の形成方法のみ説明する。
(Example 3)
Since Example 3 differs from Example 1 described above only in the formation method of the electrolyte layer, only the formation method of the electrolyte layer will be described.
塩化酸化ジルコニウム八水和物(関東化学社製)、硝酸バリウム(キシダ化学社製)及び硝酸イットリウム(関東化学社製)を、それぞれの濃度が0.1モル/リットル、0.01モル/リットル及び0.01モル/リットルとなるように、水、イソプロパノール及びエタノールからなる混合溶媒に溶解させて金属酸化物膜形成用溶液を調製した。使用した混合溶媒は、容量比(水:イソプロパノール:エタノール)が30:50:20であった。そして、450℃に加熱した上記燃料極上へ上記金属酸化物膜形成用溶液(100ミリリットル)をハンドスプレー(アズワン社製)で噴霧して、上記燃料極上にBaZr0.9Y0.1O3からなる電解質層(上記燃料極上の厚み:3μm)を形成した。この際の噴射量は、0.001リットル/minであった。 Zirconium chloride oxide octahydrate (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), barium nitrate (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) and yttrium nitrate (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.), with respective concentrations of 0.1 mol / liter and 0.01 mol / liter And it was made to melt | dissolve in the mixed solvent which consists of water, isopropanol, and ethanol so that it might become 0.01 mol / l, and the solution for metal oxide film formation was prepared. The mixed solvent used had a volume ratio (water: isopropanol: ethanol) of 30:50:20. Then, the metal oxide film forming solution (100 ml) is sprayed on the fuel electrode heated to 450 ° C. by hand spray (manufactured by ASONE), and the electrolyte layer made of BaZr 0.9 Y 0.1 O 3 is applied on the fuel electrode. (Thickness on the fuel electrode: 3 μm) was formed. The injection amount at this time was 0.001 liter / min.
(実施例4)
実施例4は上述した実施例1に対し、電解質層の形成方法のみが異なるので、電解質層の形成方法のみ説明する。
Example 4
Since Example 4 differs from Example 1 described above only in the formation method of the electrolyte layer, only the formation method of the electrolyte layer will be described.
塩化酸化ジルコニウム八水和物(関東化学社製)、酢酸カルシウム(キシダ化学社製)及び硝酸イットリウム(関東化学社製)を、それぞれの濃度が0.1モル/リットル、0.01モル/リットル及び0.01モル/リットルとなるように、水、イソプロパノール及びエタノールからなる混合溶媒に溶解させて金属酸化物膜形成用溶液を調製した。使用した混合溶媒は、容量比(水:イソプロパノール:エタノール)が50:30:20であった。そして、400℃に加熱した上記燃料極上へ上記金属酸化物膜形成用溶液(80ミリリットル)をハンドスプレー(アズワン社製)で噴霧して、上記燃料極上にCaZr0.9Y0.1O3からなる電解質層(上記燃料極上の厚み:3μm)を形成した。この際の噴射量は、0.001リットル/minであった。 Zirconium chloride oxide octahydrate (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.), calcium acetate (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) and yttrium nitrate (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.), with respective concentrations of 0.1 mol / liter and 0.01 mol / liter And it was made to melt | dissolve in the mixed solvent which consists of water, isopropanol, and ethanol so that it might become 0.01 mol / l, and the solution for metal oxide film formation was prepared. The mixed solvent used had a volume ratio (water: isopropanol: ethanol) of 50:30:20. Then, the metal oxide film forming solution (80 ml) is sprayed onto the fuel electrode heated to 400 ° C. by hand spray (manufactured by ASONE), and the electrolyte layer made of CaZr 0.9 Y 0.1 O 3 is applied onto the fuel electrode. (Thickness on the fuel electrode: 3 μm) was formed. The injection amount at this time was 0.001 liter / min.
1,1a,1b 金属酸化物膜形成用溶液
10,20 プロトン伝導形燃料電池
11,21 電解質層
11a,21a 結晶
12 燃料極層
12a 表面
12b 壁面
13 空気極層
21b 被膜
30 プロトン透過膜
1,1a, 1b Metal oxide
Claims (11)
前記プロトン伝導性の金属酸化物膜は、第1金属酸化物膜と第2金属酸化物膜からなり、
金属源を含む第1金属酸化物膜形成用溶液に多孔質電極層を浸漬することにより、前記多孔質電極層に接触する前記第1金属酸化物膜を形成し、
加熱された前記第1金属酸化物膜上に、金属源を含む第2金属酸化物膜形成用溶液を噴霧することによって前記第2金属酸化物膜を形成するプロトン伝導形燃料電池の製造方法。 A method for producing a proton conductive fuel cell, comprising: a porous electrode layer; and an electrolyte layer made of a proton conductive metal oxide film formed on the porous electrode layer,
The proton conductive metal oxide film includes a first metal oxide film and a second metal oxide film,
By immersing the porous electrode layer in a first metal oxide film forming solution containing a metal source, the first metal oxide film in contact with the porous electrode layer is formed,
A method for producing a proton conduction fuel cell, wherein the second metal oxide film is formed by spraying a solution for forming a second metal oxide film containing a metal source on the heated first metal oxide film .
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