JP5332391B2 - 燃料電池及び燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の課題は、電解質膜が薄く形成された燃料電池及びその製造方法を提供することである。
Niを主成分として含む板状の基体の少なくとも一部に、イオンを通す電解質を含む電解質膜を形成する工程と、
次に、前記電解質膜上の少なくとも一部に、空気極を形成する工程と、
次に、前記基体における前記電解質膜によって覆われていない領域のうち少なくとも一部をアルコールと塩化リチウムとを含む電解液を用いて電解エッチングする工程とを含み、
前記基体は、前記電解質膜に含まれる酸化物を含まないことを特徴としている。
好ましくは、前記電解質膜を形成する工程は、
前記基体の表面のうち前記電解質膜及び空気極を形成する部分にYSZ膜を形成する工程を含み、
前記空気極を形成する工程は、
前記YSZ膜における前記基体とは反対側の面にLSM膜又はLSC膜を形成する工程を含む。
好ましくは、前記空気極を形成する工程の後であって、前記電解エッチングする工程の前に、前記基体における前記電解質膜によって覆われていない領域のうち少なくとも一部にNiCr膜を形成する工程を含み、
前記電解エッチングする工程は、前記基体のNiCr膜が形成された部分の少なくとも一部をエッチングする。
好ましくは、前記電解質膜及び前記空気極を形成する工程の後であって、前記電解エッチングする工程の前に、前記基体における前記電解質膜によって覆われていない領域のうち少なくとも一部にAl 2 O 3 膜を形成する工程を含み、
前記電解エッチングする工程は、前記基体のAl 2 O 3 膜が形成された部分の少なくとも一部をエッチングする。
好ましくは、前記電解エッチングする工程は、少なくとも前記空気極を覆うようにマスクを形成する工程を含む。
好ましくは、前記電解エッチングする工程は、前記基体における前記電解質膜及び前記空気極が形成された領域を除く部分のうち少なくとも一部を前記電解液に浸漬する工程を含む。
イオンを通す電解質膜と、当該電解質膜の一方の面に形成された燃料極と、前記電解質膜の他方の面に形成された空気極とを備え、
前記燃料極は、多孔質なNiを主成分として含み、なおかつ前記電解質膜に含まれる酸化物を含まず、且つ、該燃料極の表面にAl 2 O 3 の薄膜が存在していることを特徴としている。
好ましくは、前記電解質膜は、YSZである。
好ましくは、前記空気極は、LSM又はLSCである。
図1は燃料電池装置1を搭載した携帯用の電子機器100を示すブロック図である。この電子機器100は、例えばノート型パーソナルコンピュータ、PDA、電子手帳、デジタルカメラ、携帯電話機、腕時計、レジスタ及びプロジェクタ等といった携帯型の電子機器である。
電子機器本体901はDC/DCコンバータ902または二次電池903により供給される電力により駆動する。DC/DCコンバータ902は燃料電池装置1により生成された電力を適切な電圧に変換したのちに電子機器本体901に供給する。また、DC/DCコンバータ902は燃料電池装置1により生成された電力を二次電池903に充電し、燃料電池装置1が動作していない時に、二次電池903に蓄電された電力を電子機器本体901に供給する。
この燃料電池装置1は、燃料容器2、ポンプ3、反応装置10等を備える。燃料電池装置1の燃料容器2は、例えば電子機器100に対して着脱可能に設けられており、ポンプ3、反応装置10は、例えば電子機器100の本体に内蔵されている。
ポンプ3は、燃料容器2内の混合液を吸引して、反応装置10内の気化器4に送液するものである。
気化器4、改質器6、触媒燃焼器9にはそれぞれ電気ヒータ兼温度センサ4a,6a,9aが設けられている。電気ヒータ兼温度センサ4a,6a,9aの電気抵抗値と温度は、その測定温度範囲において一対一対応するので、この電気ヒータ兼温度センサ4a,6a,9aが気化器4、改質器6、触媒燃焼器9の温度を測定する温度センサとしても機能する。
図3は発電セル8の模式図である。図3に示すように、発電セル8は、本発明に係る電解質膜である固体酸化物型電解質81と、固体酸化物型電解質81の両面に形成された燃料極82(アノード)及び空気極83(カソード)と、燃料極82に接合してその接合面に流路86を形成したアノード集電極84と、空気極83に接合してその接合面に流路87を形成したカソード集電極85とを備える。また、発電セル8は筐体91内に収容される。
燃料極82にはアノード集電極84の流路86を介して改質器6から排出された改質ガスが送られる。燃料極82では固体酸化物型電解質81を透過した酸素イオンと改質ガスとの次式(4)、(5)のような反応が起こる。
CO+O2 −→CO2+2e− …(5)
次に、改質器6における触媒の製造方法について説明する。この触媒の製造方法については、Ni基体に対して直接電解エッチングを施す方法(第1の触媒製造方法)、Ni基体にNiCr膜を形成した後に電解エッチングを施す方法(第2の触媒製造方法)及びNi基体にAl2O3膜を形成した後に電解エッチングを施す方法(第3の触媒製造方法)があり、以下順番に説明する。
図4は、第1の触媒製造方法で用いられるエッチング装置の概略構成を示す概念図である。図4に示すように、エッチング装置200には、容器201と、DC電源202とが備えられている。DC電源202のアノード側にはエッチングされる部材としてのNi基体203aが、カソード側には例えば金系材料等からなる貴金属板204が接続されている。容器201内にはNi基体203aと貴金属板204とが対向するように収容されていて、これらが浸かるように電解液205が収容されている。
Ni基体203aは、仕切板65〜71となるものであり、電解液205に浸される前には、多孔質部90となる部分以外の領域は電解液205に接触しないようにマスクされている。なお、Ni基体203aは、触媒として作用するNiを主成分として含む基体であればよい。この場合、固体酸化物型電解質81に含まれる酸化物を含んでいなくともよい。
そして、電解液205内でNi基体203aと貴金属板204とが対向配置されてから、DC電源202により、Ni基体203aと貴金属板204間に直流電圧を印加する。これにより、Ni基体203aの表面、具体的には多孔質部90となる部分の表面は電解エッチングされて、多孔質化することになる。上述の方法によれば、Niを主成分として含み、固体酸化物型電解質81に含まれる酸化物を含まない触媒を製造することができる。
図5(a)〜(c)は、第2の触媒製造方法を実行した際のNi基体203bの状態変動を示す模式断面図である。図5(a)及び(b)に示すように、第2の触媒製造方法では、まず加工前のNi基体203bの両面に対して、周知のスパッタリング法により、NiCr膜206を形成する。スパッタリング後においてはNiCr膜206のうちCrの分布は不均一であり、NiCr膜206の表面にCrがより多い部分と、より少ない部分とが形成されることになる。
図6(a)〜(d)は、第3の触媒製造方法を実行した際のNi基体203cの状態変動を示す模式断面図である。図6(a)及び(b)に示すように、第3の触媒製造方法では、まず加工前のNi基体203cの両面に対して、周知のスパッタリング法により、Al膜208を形成する。
次に、本発明に係る燃料電池としての発電セル8の製造方法について説明する。この発電セル8の製造方法には、NiCrを用いる方法(第1の電池製造方法)と、Alを用いる方法(第2の電池製造方法)とがあり、以下順番に説明する。
図7(a)〜(e)は、第1の電池製造方法を実行した際のNi基体203dの状態変動を示す模式断面図である。ここで、各膜の厚みは他の比率であってもよく、図示例に限られるものではない。図7(a)及び(b)に示すように、第1の電池製造方法では、燃料極82となるNi基体203dの一方の面220に、周知のスパッタリング法によりYSZ膜221を形成する。このYSZ膜221が上述の固体酸化物型電解質81となる。
そして、燃料極82となるNi基体203dに対してアノード集電極84を接合するとともに、空気極83となるLSM膜223に対してカソード集電極85を接合することで、図3に示すような発電セル8が製造されることになる。
図8(a)〜(f)は、第2の電池製造方法を実行した際のNi基体203eの状態変動を示す模式断面図である。ここで、角膜の厚みは他の比率であってもよく、図示例に限るものではない。図8(a)及び(b)に示すように、第2の電池製造方法では、燃料極82となるNi基体203eの一方の面230に、周知のスパッタリング法によりYSZ膜231を形成する。このYSZ膜231が固体酸化物型電解質81となる。
その後、多孔性のAl2O3膜236が形成されたNi基体203eをエッチング装置200にセットして、第1の触媒製造方法と同様の電解液205により電解エッチングを施す。この際、図8(f)に示すように、Al2O3膜236の微細孔237からエッチングが進行し、Ni基体203eにも孔238が形成される。これにより、Ni基体203eが多孔質化することになる。また、電解エッチングの間、LSM膜223の露出している面、つまりYSZ膜231と反対側の面は、電解液205に接触しないようにマスクされ、電解エッチング後、このマスクは除去される。
なお、本発明は上記実施形態に限らず適宜変更可能である。
6 改質器(反応器)
8 発電セル(燃料電池)
61 本体(反応器本体)
65〜71 仕切板(触媒)
81 固体酸化物型電解質(電解質膜)
82 燃料極
83 空気極
95 流路
100 電子機器
200 エッチング装置
203a,203b,203c,203d,203e 基体(Ni基体)
205 電解液
206,225 NiCr膜
209,237 Al2O3膜
221,231 YSZ膜
223,233 LSM膜
Claims (9)
- Niを主成分として含む板状の基体の少なくとも一部に、イオンを通す電解質を含む電解質膜を形成する工程と、
次に、前記電解質膜上の少なくとも一部に、空気極を形成する工程と、
次に、前記基体における前記電解質膜によって覆われていない領域のうち少なくとも一部をアルコールと塩化リチウムとを含む電解液を用いて電解エッチングする工程とを含み、
前記基体は、前記電解質膜に含まれる酸化物を含まないことを特徴とする燃料電池の製造方法。 - 請求項1記載の燃料電池の製造方法において、
前記電解質膜を形成する工程は、
前記基体の表面のうち前記電解質膜及び空気極を形成する部分にYSZ膜を形成する工程を含み、
前記空気極を形成する工程は、
前記YSZ膜における前記基体とは反対側の面にLSM膜又はLSC膜を形成する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。 - 請求項1又は2記載の燃料電池の製造方法において、
前記空気極を形成する工程の後であって、前記電解エッチングする工程の前に、前記基体における前記電解質膜によって覆われていない領域のうち少なくとも一部にNiCr膜を形成する工程を含み、
前記電解エッチングする工程は、前記基体のNiCr膜が形成された部分の少なくとも一部をエッチングすることを特徴とする燃料電池の製造方法。 - 請求項1又は2に記載の燃料電池の製造方法において、
前記電解質膜及び前記空気極を形成する工程の後であって、前記電解エッチングする工程の前に、前記基体における前記電解質膜によって覆われていない領域のうち少なくとも一部にAl2O3膜を形成する工程を含み、
前記電解エッチングする工程は、前記基体のAl2O3膜が形成された部分の少なくとも一部をエッチングすることを特徴とする燃料電池の製造方法。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法において、
前記電解エッチングする工程は、少なくとも前記空気極を覆うようにマスクを形成する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法において、
前記電解エッチングする工程は、前記基体における前記電解質膜及び前記空気極が形成された領域を除く部分のうち少なくとも一部を前記電解液に浸漬する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。 - イオンを通す電解質膜と、当該電解質膜の一方の面に形成された燃料極と、前記電解質膜の他方の面に形成された空気極とを備え、
前記燃料極は、多孔質なNiを主成分として含み、なおかつ前記電解質膜に含まれる酸化物を含まず、且つ、該燃料極の表面にAl 2 O 3 の薄膜が存在していることを特徴とする燃料電池。 - 請求項7記載の燃料電池において、
前記電解質膜は、YSZであることを特徴とする燃料電池。 - 請求項7又は8に記載の燃料電池において、
前記空気極は、LSM又はLSCであることを特徴とする燃料電池。
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