JP6192063B2 - Composite membrane structure and fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、固体電解質膜−水素透過性金属膜からなる複合膜構造体及び燃料電池、並びにそれらの製造方法に関する。かかる複合膜構造体は、特に中温域において作動する燃料電池に好適なものである。   The present invention relates to a composite membrane structure comprising a solid electrolyte membrane-hydrogen permeable metal membrane, a fuel cell, and a method for producing them. Such a composite membrane structure is particularly suitable for a fuel cell that operates in an intermediate temperature range.

燃料電池として、PAFC(リン酸型燃料電池)、MCFC(溶融炭酸塩型燃料電池)、SOFC(固体電解質型燃料電池)、PEFC(固体高分子型燃料電池)等が提案されている。それぞれの燃料電池の作動温度は、例えば、PEFC(固体高分子型燃料電池)であれば、80℃程度、SOFC(固体電解質型燃料電池)であれば1000℃程度と様々である。   As fuel cells, PAFC (phosphoric acid fuel cell), MCFC (molten carbonate fuel cell), SOFC (solid electrolyte fuel cell), PEFC (solid polymer fuel cell), and the like have been proposed. The operating temperature of each fuel cell varies, for example, about 80 ° C. for PEFC (solid polymer fuel cell) and about 1000 ° C. for SOFC (solid electrolyte fuel cell).

本件出願人は、AECeO(AE:2価のアルカリ土類金属)のプロトン導電性は維持しつつも、当該AECeOのCOに対する脆弱性を克服してCOを含む混合ガス雰囲気環境下でも使用できるプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜を先に提案している(特許文献1参照)。そして、特許文献1では、かかるプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜を適用して、250〜500℃程度の中温域で作動する燃料電池を開発できれば、既存の燃料電池よりも性能面、材料面で優位な燃料電池になる可能性があることを示している。 Applicant is, AECeO 3 (AE: 2-valent alkaline earth metal) proton conductivity while also maintaining, under a mixed gas atmosphere environment to overcome the vulnerability to CO 2 of the AECeO 3 containing CO 2 of However, a proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane that can be used has been previously proposed (see Patent Document 1). In Patent Document 1, if such a proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane is applied to develop a fuel cell that operates in an intermediate temperature range of about 250 to 500 ° C., performance and materials are improved as compared with existing fuel cells. This indicates that there is a possibility that the fuel cell will be superior in terms of aspect.

特許文献1で開示したプロトン導電性酸化物膜−水素透過膜を中温域で作動する燃料電池に適用するには、プロトン導電性固体電解質を薄膜化させて、固体電解質の内部抵抗を低くすることが求められる。しかしながら、融点の比較的低い材料、例えば、パラジウムからなる水素透過膜の性能を維持しつつ、プロトン導電性固体電解質を薄膜化してその特性を維持するのは困難であった。   In order to apply the proton conductive oxide membrane-hydrogen permeable membrane disclosed in Patent Document 1 to a fuel cell that operates in an intermediate temperature range, the proton conductive solid electrolyte is thinned to reduce the internal resistance of the solid electrolyte. Is required. However, while maintaining the performance of a material having a relatively low melting point, for example, a hydrogen permeable membrane made of palladium, it has been difficult to reduce the thickness of the proton conductive solid electrolyte and maintain its characteristics.

また、水素透過性能を有する金属基材、及びその上に形成された厚みが20μm以下のプロトン導電性酸化物膜からなる水素透過構造体及びこの水素透過構造体を用いた燃料電池が提案されている(特許文献2参照)。特許文献2においては、プロトン導電性酸化物膜の層を形成する方法として、スパッタ法、電子ビーム蒸着法、レーザーアブレーション法や、ゾル−ゲル法などウェットプロセスによる方法が挙げられている。しかしながら、製造にコストがかかるという問題や、水素透過膜の性能を維持しつつ、単相からなる緻密なプロトン導電性酸化物膜を形成するのが難しいという問題があった。   Also proposed are a metal substrate having hydrogen permeation performance, a hydrogen permeable structure formed thereon and a proton conductive oxide film having a thickness of 20 μm or less, and a fuel cell using this hydrogen permeable structure. (See Patent Document 2). In Patent Document 2, as a method for forming a layer of a proton conductive oxide film, a method using a wet process such as a sputtering method, an electron beam evaporation method, a laser ablation method, or a sol-gel method is cited. However, there is a problem that the production costs are high and it is difficult to form a dense proton conductive oxide film composed of a single phase while maintaining the performance of the hydrogen permeable film.

なお、プロトン導電性酸化物膜が単相でなかったり、緻密な膜となっていない場合は、水素を選択的に透過する性能が低下したり、所望の内部抵抗を得ることができなくなってしまったり、それらにより発電特性が低下してしまうということが問題となる。   If the proton conductive oxide film is not a single phase or a dense film, the performance of selectively permeating hydrogen may be reduced, or a desired internal resistance may not be obtained. There is a problem that power generation characteristics are deteriorated due to such problems.

このような問題は、燃料電池に用いられる固体電解質−水素透過性金属膜からなる複合膜構造体だけではなく、他の電気化学デバイス、例えば、水素センサー、水素ポンプ、水蒸気センサー、排ガス浄化デバイスに用いられる複合膜構造体においても同様に存在する。   Such problems are not limited to composite membrane structures made of solid electrolyte-hydrogen permeable metal membranes used in fuel cells, but also to other electrochemical devices such as hydrogen sensors, hydrogen pumps, water vapor sensors, and exhaust gas purification devices. The same exists in the composite membrane structure used.

そこで、本出願人は、水素透過性金属膜と、薄膜の固体電解質膜とからなる複合膜構造体を提案している(特許文献3参照)。   Therefore, the present applicant has proposed a composite membrane structure composed of a hydrogen permeable metal membrane and a thin solid electrolyte membrane (see Patent Document 3).

特開2006−054170号公報JP 2006-054170 A 特開2007−026946号公報JP 2007-026946 A 特開2011−029149号公報JP 2011-029149 A

特許文献3の複合膜構造体は、低コストで製造することができ、内部抵抗が低く、発電特性等の電気化学特性及び水素透過性に優れたものであったが、さらに発電特性等の電気化学特性に優れた複合膜構造体が求められている。   The composite membrane structure of Patent Document 3 can be manufactured at low cost, has low internal resistance, and is excellent in electrochemical characteristics such as power generation characteristics and hydrogen permeability. There is a need for composite membrane structures with excellent chemical properties.

本発明はこのような事情に鑑み、電気化学特性に優れた複合膜構造体及び燃料電池、並びにそれらの製造方法を提供することを課題とする。   In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide a composite membrane structure and a fuel cell excellent in electrochemical characteristics, and a method for producing them.

本発明の第1の態様は、水素透過性金属膜と固体電解質膜とからなる複合膜構造体であって、前記固体電解質膜は、前記水素透過性金属膜の熱酸化処理した表面上に塗布法により形成されたものであり、2価のアルカリ土類金属をAサイトに配し、4価のセリウム及び4価のジルコニウムのうち少なくとも一方をBサイトに配するペロブスカイト型酸化物を基本構造とし且つ4価のBサイト元素の一部を3価の希土類元素で置換した結晶構造を有する化合物からなり、前記固体電解質膜は、アルカリ土類金属と、セリウム及びジルコニウムのうち少なくとも一方と、希土類元素と、を含む有機金属酸塩溶液を塗布して第1固体電解質前駆体膜を形成し、前記第1固体電解質前駆体膜を急速昇温熱処理により結晶化させることにより形成した第1固体電解質膜を備えることを特徴とする複合膜構造体にある。   A first aspect of the present invention is a composite membrane structure comprising a hydrogen permeable metal membrane and a solid electrolyte membrane, wherein the solid electrolyte membrane is applied on the surface of the hydrogen permeable metal membrane that has been subjected to thermal oxidation treatment. The basic structure is a perovskite-type oxide that is formed by the method and has a divalent alkaline earth metal arranged at the A site and at least one of tetravalent cerium and tetravalent zirconium arranged at the B site. And a compound having a crystal structure in which a part of the tetravalent B-site element is substituted with a trivalent rare earth element, the solid electrolyte film comprising an alkaline earth metal, at least one of cerium and zirconium, and a rare earth element And forming a first solid electrolyte precursor film by crystallizing the first solid electrolyte precursor film by a rapid heating process. In composite membrane structure comprising: a solid electrolyte membrane.

かかる態様によれば、第1固体電解質前駆体膜を急速昇温熱処理により結晶化させることにより、水素透過性金属膜と固体電解質膜の間に金属酸化物膜の形成されていないものとすることができると共に、水素透過性金属膜と固体電解質膜の密着性が優れたものとすることができる。これにより、電気化学特性に優れた複合膜構造体とすることができる。   According to this aspect, the metal oxide film is not formed between the hydrogen permeable metal film and the solid electrolyte film by crystallizing the first solid electrolyte precursor film by the rapid heating process. In addition, the adhesion between the hydrogen permeable metal membrane and the solid electrolyte membrane can be improved. Thereby, it can be set as the composite film structure excellent in the electrochemical characteristic.

ここで、前記固体電解質膜は、前記水素透過性金属膜又は前記第1固体電解質膜上に前記有機金属酸塩溶液を塗布した後にエネルギー線を照射して第2固体電解質前駆体膜を形成し、前記第2固体電解質前駆体膜を急速昇温熱処理により結晶化させることにより形成した第2固体電解質膜をさらに備えるのが好ましい。   Here, the solid electrolyte membrane forms a second solid electrolyte precursor membrane by irradiating energy rays after applying the organometallic acid salt solution on the hydrogen permeable metal membrane or the first solid electrolyte membrane. It is preferable to further include a second solid electrolyte membrane formed by crystallizing the second solid electrolyte precursor membrane by rapid heating treatment.

これによれば、エネルギー線を照射して得た第2固体電解質前駆体膜を、急速昇温熱処理により結晶化させることにより、緻密な第2固体電解質膜とすることができる。第1固体電解質膜と第2固体電解質膜とを備えることにより、より電気化学特性に優れた複合膜構造体とすることができる。   According to this, the 2nd solid electrolyte precursor film | membrane obtained by irradiating an energy ray can be made into a precise | minute 2nd solid electrolyte film by crystallizing by rapid temperature rising heat processing. By providing the first solid electrolyte membrane and the second solid electrolyte membrane, a composite membrane structure having more excellent electrochemical characteristics can be obtained.

本発明の好適な実施態様としては、前記固体電解質膜は、1以上の前記第1固体電解質膜と、1以上の前記第2固体電解質膜とからなるものが挙げられる。   As a preferred embodiment of the present invention, the solid electrolyte membrane includes one or more first solid electrolyte membranes and one or more second solid electrolyte membranes.

本発明の好適な実施態様としては、前記固体電解質膜は、前記第2固体電解質膜と、前記第2固体電解質膜の両面に設けられる前記第1固体電解質膜とから構成されるものが挙げられる。   As a preferred embodiment of the present invention, the solid electrolyte membrane may be composed of the second solid electrolyte membrane and the first solid electrolyte membrane provided on both surfaces of the second solid electrolyte membrane. .

本発明の他の態様は、水素透過性金属膜と固体電解質膜とからなる複合膜構造体であって、前記固体電解質膜は、前記水素透過性金属膜の熱酸化処理した表面上に塗布法により形成されたものであり、2価のアルカリ土類金属をAサイトに配し、4価のセリウム及び4価のジルコニウムのうち少なくとも一方をBサイトに配するペロブスカイト型酸化物を基本構造とし且つ4価のBサイト元素の一部を3価の希土類元素で置換した結晶構造を有する化合物からなり、前記固体電解質膜は、アルカリ土類金属と、セリウム及びジルコニウムのうち少なくとも一方と、希土類元素と、を含む有機金属酸塩溶液を塗布して固体電解質前駆体膜を形成し、前記固体電解質前駆体膜にエネルギー線を照射した後、前記固体電解質前駆体膜を急速昇温熱処理により結晶化させることにより形成したものであることを特徴とする複合膜構造体にある。   Another aspect of the present invention is a composite membrane structure comprising a hydrogen permeable metal membrane and a solid electrolyte membrane, wherein the solid electrolyte membrane is coated on the surface of the hydrogen permeable metal membrane that has been subjected to thermal oxidation treatment. A perovskite oxide having a basic structure in which a divalent alkaline earth metal is arranged at the A site and at least one of tetravalent cerium and tetravalent zirconium is arranged at the B site; A compound having a crystal structure in which a part of a tetravalent B site element is substituted with a trivalent rare earth element, and the solid electrolyte film includes an alkaline earth metal, at least one of cerium and zirconium, a rare earth element, The solid electrolyte precursor film is formed by applying an organometallic acid salt solution containing, and after irradiating the solid electrolyte precursor film with energy rays, the solid electrolyte precursor film is subjected to rapid heating treatment. In composite membrane structure, characterized in that formed by crystallization by.

かかる態様によれば、エネルギー線を照射して得た固体電解質前駆体膜を、急速昇温熱処理により結晶化させることにより、水素透過性金属膜と固体電解質膜の間に金属酸化物膜の形成されていないものとすることができると共に、緻密な固体電解質膜とすることができる。これにより、電気化学特性に優れた複合膜構造体とすることができる。   According to this aspect, the solid electrolyte precursor film obtained by irradiating the energy beam is crystallized by a rapid temperature increase heat treatment, thereby forming a metal oxide film between the hydrogen permeable metal film and the solid electrolyte film. In addition to the above, it can be a dense solid electrolyte membrane. Thereby, it can be set as the composite film structure excellent in the electrochemical characteristic.

ここで、前記アルカリ土類金属は、バリウム(Ba)及びストロンチウム(Sr)の少なくとも一方であるのが好ましい。これによれば、より発電特性に優れた複合膜構造体とすることができる。   Here, the alkaline earth metal is preferably at least one of barium (Ba) and strontium (Sr). According to this, it can be set as the composite film structure excellent in the electric power generation characteristic.

また、前記3価の希土類元素が、イッテルビウム(Yb)、エルビウム(Er)、イットリウム(Y)、ディスプロシウム(Dy)、ガドリニウム(Gd)、サマリウム(Sm)、及びネオジム(Nd)からなる群より選択される少なくとも1つであるのが好ましい。これによれば、より発電特性に優れた複合膜構造体とすることができる。   The trivalent rare earth element is a group consisting of ytterbium (Yb), erbium (Er), yttrium (Y), dysprosium (Dy), gadolinium (Gd), samarium (Sm), and neodymium (Nd). It is preferable that it is at least one more selected. According to this, it can be set as the composite film structure excellent in the electric power generation characteristic.

本発明の好適な実施態様としては、前記水素透過性金属膜が、パラジウム系金属膜であるものが挙げられる。   As a preferred embodiment of the present invention, the hydrogen permeable metal film may be a palladium metal film.

本発明の他の態様は、上記の複合膜構造体を具備し、前記固体電解質膜の前記水素透過性金属膜とは反対側の面にカソードを備え、前記水素透過性金属膜がアノードとなっていることを特徴とする燃料電池にある。   Another aspect of the present invention includes the composite membrane structure described above, and includes a cathode on the surface of the solid electrolyte membrane opposite to the hydrogen permeable metal membrane, and the hydrogen permeable metal membrane serves as an anode. It is in the fuel cell characterized by having.

かかる態様によれば、電気化学特性に優れた燃料電池とすることができる。   According to this aspect, a fuel cell having excellent electrochemical characteristics can be obtained.

本発明の他の態様は、水素透過性金属膜と固体電解質膜とからなる複合膜構造体の製造方法であって、水素透過性金属膜の少なくとも一方の表面を熱酸化処理する工程と、前記水素透過性金属膜の熱酸化処理した表面上に、2価のアルカリ土類金属をAサイトに配し、4価のセリウム及び4価のジルコニウムのうち少なくとも一方をBサイトに配するペロブスカイト型酸化物を基本構造とし且つ4価のBサイト元素の一部を3価の希土類元素で置換した結晶構造を有する化合物からなる固体電解質膜を形成する工程と、を具備し、前記固体電解質膜を形成する工程は、アルカリ土類金属と、セリウム及びジルコニウムのうち少なくとも一方と、希土類元素と、を含む有機金属酸塩溶液を塗布して固体電解質前駆体膜を形成する塗布工程、及び前記固体電解質前駆体膜を急速昇温熱処理により900℃以下の低温で焼成して結晶化させる焼成工程により第1固体電解質膜を形成する工程を備えることを特徴とする複合膜構造体の製造方法にある。   Another aspect of the present invention is a method for producing a composite membrane structure comprising a hydrogen permeable metal membrane and a solid electrolyte membrane, the step of thermally oxidizing at least one surface of the hydrogen permeable metal membrane, A perovskite type oxidation in which a divalent alkaline earth metal is arranged at the A site and at least one of tetravalent cerium and tetravalent zirconium is arranged at the B site on the surface of the hydrogen permeable metal film that has been thermally oxidized. Forming a solid electrolyte film comprising a compound having a basic structure and a crystal structure in which a part of a tetravalent B-site element is substituted with a trivalent rare earth element, and forming the solid electrolyte film Applying the organic metal salt solution containing an alkaline earth metal, at least one of cerium and zirconium, and a rare earth element to form a solid electrolyte precursor film; and A method for producing a composite membrane structure comprising a step of forming a first solid electrolyte membrane by a firing step in which the solid electrolyte precursor membrane is fired at a low temperature of 900 ° C. or less by rapid thermal annealing and crystallized. It is in.

かかる態様によれば、第1固体電解質前駆体膜を急速昇温熱処理により結晶化させることにより、水素透過性金属膜と固体電解質膜の間に金属酸化物膜の形成されていないものとすることができると共に、水素透過性金属膜と固体電解質膜の密着性が優れたものとすることができる。これにより、電気化学特性に優れた複合膜構造体を製造することができる。   According to this aspect, the metal oxide film is not formed between the hydrogen permeable metal film and the solid electrolyte film by crystallizing the first solid electrolyte precursor film by the rapid heating process. In addition, the adhesion between the hydrogen permeable metal membrane and the solid electrolyte membrane can be improved. Thereby, the composite film structure excellent in electrochemical characteristics can be manufactured.

ここで、前記固体電解質膜形成工程は、さらに、前記有機金属酸塩溶液を塗布した後にエネルギー線を照射して第2固体電解質前駆体膜を形成する塗布・照射工程、及び前記第2固体電解質前駆体膜を急速昇温熱処理により900℃以下の低温で焼成して結晶化させる焼成工程により第2固体電解質膜を形成する工程を備えるのが好ましい。   Here, the solid electrolyte membrane forming step further includes a coating / irradiating step of forming a second solid electrolyte precursor membrane by irradiating energy rays after applying the organometallic acid salt solution, and the second solid electrolyte. It is preferable to include a step of forming the second solid electrolyte membrane by a baking step of baking and crystallizing the precursor film at a low temperature of 900 ° C. or lower by rapid temperature rising heat treatment.

これによれば、エネルギー線を照射して得た第2固体電解質前駆体膜を、急速昇温熱処理により結晶化させることにより、緻密な第2固体電解質膜とすることができる。第1固体電解質膜と第2固体電解質膜とを備えることにより、より電気化学特性に優れた複合膜構造体とすることができる。   According to this, the 2nd solid electrolyte precursor film | membrane obtained by irradiating an energy ray can be made into a precise | minute 2nd solid electrolyte film by crystallizing by rapid temperature rising heat processing. By providing the first solid electrolyte membrane and the second solid electrolyte membrane, a composite membrane structure having more excellent electrochemical characteristics can be obtained.

また、前記急速昇温熱処理は、50〜200℃/分の昇温速度で急速昇温するのが好ましい。これによれば、より確実に、電気化学特性に優れた複合膜構造体を製造することができる。   Moreover, it is preferable that the rapid temperature increase heat treatment is performed at a rapid temperature increase rate of 50 to 200 ° C./min. According to this, the composite film structure excellent in electrochemical characteristics can be manufactured more reliably.

前記急速昇温熱処理は、800℃以上900℃以下に加熱するのが好ましい。これによれば、より確実に、電気化学特性に優れた複合膜構造体を製造することができる。   The rapid temperature raising heat treatment is preferably heated to 800 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. According to this, the composite film structure excellent in electrochemical characteristics can be manufactured more reliably.

本発明の他の態様は、固体電解質膜と、前記固体電解質膜の一方面側に形成される水素透過性金属膜からなるアノードと、前記固体電解質膜の他方面側に形成されるカソードとを具備する燃料電池の製造方法であって、水素透過性金属膜の少なくとも一方の表面を熱酸化処理する工程と、前記水素透過性金属膜の熱酸化処理した表面上に、2価のアルカリ土類金属をAサイトに配し、4価のセリウム及び4価のジルコニウムのうち少なくとも一方をBサイトに配するペロブスカイト型酸化物を基本構造とし且つ4価のBサイト元素の一部を3価の希土類元素で置換した結晶構造を有する化合物からなる固体電解質膜を形成する工程と、を具備し、前記固体電解質膜を形成する工程は、アルカリ土類金属と、セリウム及びジルコニウムのうち少なくとも一方と、希土類元素と、を含む有機金属酸塩溶液を塗布して固体電解質前駆体膜を形成する塗布工程、及び前記固体電解質前駆体膜を急速昇温熱処理により900℃以下の低温で焼成して結晶化させる焼成工程により第1固体電解質膜を形成する工程を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法にある。   According to another aspect of the present invention, there is provided a solid electrolyte membrane, an anode made of a hydrogen permeable metal film formed on one side of the solid electrolyte membrane, and a cathode formed on the other side of the solid electrolyte membrane. A method of manufacturing a fuel cell comprising: a step of thermally oxidizing at least one surface of a hydrogen permeable metal membrane; and a divalent alkaline earth on the surface of the hydrogen permeable metal membrane subjected to a thermal oxidation treatment The basic structure is a perovskite oxide in which metal is arranged at the A site and at least one of tetravalent cerium and tetravalent zirconium is arranged at the B site, and a part of the tetravalent B site element is a trivalent rare earth. Forming a solid electrolyte membrane made of a compound having a crystal structure substituted with an element, and the step of forming the solid electrolyte membrane includes a small amount of alkaline earth metal, cerium and zirconium. A coating step in which an organometallic acid salt solution containing at least one element and a rare earth element is applied to form a solid electrolyte precursor film; and the solid electrolyte precursor film is heated at a low temperature of 900 ° C. or lower by rapid thermal annealing. The fuel cell manufacturing method includes a step of forming a first solid electrolyte membrane by a baking step of baking and crystallizing.

かかる態様によれば、電気化学特性に優れた燃料電池を製造することができる。   According to this aspect, a fuel cell excellent in electrochemical characteristics can be manufactured.

ここで、前記有機金属酸塩溶液を塗布した後にエネルギー線を照射して第2固体電解質前駆体膜を形成する塗布・照射工程、及び前記第2固体電解質前駆体膜を急速昇温熱処理により900℃以下の低温で焼成して結晶化させる焼成工程により第2固体電解質膜を形成する工程を備えるのが好ましい。これによれば、より電気化学特性に優れた燃料電池とすることができる。   Here, a coating / irradiation step of forming a second solid electrolyte precursor film by irradiating energy rays after applying the organometallic acid salt solution, and the second solid electrolyte precursor film by rapid heating treatment 900 It is preferable to include a step of forming the second solid electrolyte membrane by a baking step of baking and crystallizing at a low temperature of not higher than ° C. According to this, a fuel cell with more excellent electrochemical characteristics can be obtained.

実施形態1に係る複合膜構造体の構造を簡単に示した図である。It is the figure which showed simply the structure of the composite film structure which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る燃料電池の構造を示す平面図及び断面図である。2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view illustrating the structure of the fuel cell according to Embodiment 1. 実施形態1に係る燃料電池の構造を示す説明図である。1 is an explanatory diagram showing a structure of a fuel cell according to Embodiment 1. FIG. 実施形態2に係る複合膜構造体の構造を簡単に示した図である。It is the figure which showed the structure of the composite film structure concerning Embodiment 2 simply. 実施形態2に係る燃料電池の構造を示す平面図及び断面図である。FIG. 5 is a plan view and a cross-sectional view showing a structure of a fuel cell according to Embodiment 2. 実施形態3に係る複合膜構造体の構造を簡単に示した図である。It is the figure which showed simply the structure of the composite film structure which concerns on Embodiment 3. FIG. 実施形態3に係る燃料電池の構造を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing a structure of a fuel cell according to Embodiment 3. 実施例1〜2及び比較例1〜2の断面反射電子像である。It is a cross-section backscattered electron image of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2. 実施例2及び比較例1〜2のXRD測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the XRD measurement result of Example 2 and Comparative Examples 1-2. 実施例2及び比較例1〜2の導電率を示すグラフである。It is a graph which shows the electrical conductivity of Example 2 and Comparative Examples 1-2. 実施例4の発電性能試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the electric power generation performance test result of Example 4. 実施例4の発電性能試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the electric power generation performance test result of Example 4. 実施例2,5,6の断面反射電子像である。It is a cross-section backscattered electron image of Examples 2, 5, and 6. 実施例2,5,6のXRD測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the XRD measurement result of Example 2, 5, 6.

(実施形態1)
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.

図1は、本実施形態の複合膜構造体の構造を簡単に示した図である。   FIG. 1 is a diagram simply showing the structure of the composite membrane structure of the present embodiment.

本発明にかかる複合膜構造体は、図1に示すように、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2とからなり、界面が連続接合した状態となっている。この水素透過性金属膜1及び固体電解質膜2は、水素を分離可能な水素透過性の膜である。   As shown in FIG. 1, the composite membrane structure according to the present invention comprises a hydrogen permeable metal membrane 1 and a solid electrolyte membrane 2, and the interface is in a continuously joined state. The hydrogen permeable metal membrane 1 and the solid electrolyte membrane 2 are hydrogen permeable membranes capable of separating hydrogen.

水素透過性金属膜1は、例えば、H(水素)やCO(二酸化炭素)などの混成ガスから水素のみを分離可能なものであり、具体的には、水素分子をプロトン(H)と電子(e)になった状態で透過させることができる。 The hydrogen permeable metal membrane 1 is capable of separating only hydrogen from a mixed gas such as H 2 (hydrogen) or CO 2 (carbon dioxide), and specifically, hydrogen molecules are converted into protons (H + ). And electrons (e ).

水素透過性金属膜1は、プロトン(H)が通過可能でありCOを含むガス中から水素のみを分離可能な材料からなるものであればよい。かかる材料としては、例えば、パラジウム、ニオブ、タンタル、ランタン、チタン、ジルコニウム、銅、ニッケル、あるいはそれらと銀との合金を挙げることができ、パラジウム系金属が好ましい。パラジウム系金属からなる水素透過性金属膜は、詳しくは後述するが、表面を熱酸化する際に、元々の水素透過能を損なわない程度の極表面のみを容易に熱酸化することができる。パラジウム系金属としては、具体的には、パラジウム、パラジウムと銀の合金、パラジウムと白金の合金、パラジウムと銅の合金が挙げられ、特に、パラジウムと、水素脆化を抑える効果のある銀との合金が好ましい。なお、水素透過性金属膜1は、単層からなるものであっても、同種又は異種材料を積層したものであってもよい。本実施形態では、水素透過性金属膜1は、パラジウムと銀の合金からなるものとした。 The hydrogen permeable metal membrane 1 may be made of a material that can pass protons (H + ) and can separate only hydrogen from a gas containing CO 2 . Examples of such materials include palladium, niobium, tantalum, lanthanum, titanium, zirconium, copper, nickel, and alloys thereof with silver, and palladium-based metals are preferable. As will be described in detail later, the hydrogen-permeable metal film made of a palladium-based metal can easily thermally oxidize only the extreme surface that does not impair the original hydrogen permeability when the surface is thermally oxidized. Specific examples of the palladium-based metal include palladium, an alloy of palladium and silver, an alloy of palladium and platinum, and an alloy of palladium and copper, and in particular, palladium and silver having an effect of suppressing hydrogen embrittlement. Alloys are preferred. The hydrogen permeable metal film 1 may be a single layer or a laminate of the same or different materials. In the present embodiment, the hydrogen permeable metal film 1 is made of an alloy of palladium and silver.

固体電解質膜2は、2価のアルカリ土類金属をAサイトに配し、4価のセリウム及び4価のジルコニウムのうち少なくとも一方をBサイトに配するペロブスカイト型酸化物(ABO)を基本構造とし且つBサイトの一部を3価の希土類元素で置換した結晶構造を有する化合物からなる。この固体電解質膜2は、H(水素)やCO(二酸化炭素)などの混成ガスから水素のみを分離可能なプロトン導電性の電解質膜である。 The solid electrolyte membrane 2 has a basic structure of a perovskite oxide (ABO 3 ) in which a divalent alkaline earth metal is arranged at the A site and at least one of tetravalent cerium and tetravalent zirconium is arranged at the B site. And a compound having a crystal structure in which part of the B site is substituted with a trivalent rare earth element. The solid electrolyte membrane 2 is a proton conductive electrolyte membrane capable of separating only hydrogen from a hybrid gas such as H 2 (hydrogen) or CO 2 (carbon dioxide).

本実施形態にかかる固体電解質膜2は、2価のアルカリ土類金属をAサイトに配し、4価のセリウム及び4価のジルコニウムのうち少なくとも一方をBサイトに配するペロブスカイト型酸化物(ABO)を基本構造とし、4価のBサイト元素の一部を3価の希土類元素で置換した結晶構造を有する化合物からなる。なお、ここでいう4価のBサイト元素とは、Bサイトに配される4価のセリウム又は/及び4価のジルコニウムである。このペロブスカイト型酸化物(ABO)は、酸化物イオン空格子点を発生させてプロトン導電性を発現させたものであり、4価のBサイト元素の一部が、3価の希土類元素で置換されている。なお、3価の希土類元素で置換することにより、例えば、Ce4+→Yb3+とすると、結晶格子中の電気的中性が崩れ、これを補うため格子中の酸素1/2個が抜ける。そうすると格子中の電気的中性が保たれる。このように意図的に酸化物イオン空孔を生成させること(ドーピング)ができ、よりプロトンの生成が促進されることになる。 The solid electrolyte membrane 2 according to this embodiment includes a perovskite oxide (ABO) in which a divalent alkaline earth metal is arranged at the A site and at least one of tetravalent cerium and tetravalent zirconium is arranged at the B site. 3 ) and a compound having a crystal structure in which a part of the tetravalent B site element is substituted with a trivalent rare earth element. The tetravalent B site element referred to here is tetravalent cerium or / and tetravalent zirconium arranged at the B site. This perovskite-type oxide (ABO 3 ) is one in which proton ion vacancies are generated to express proton conductivity, and a part of the tetravalent B site element is substituted with a trivalent rare earth element. Has been. If, for example, Ce 4+ → Yb 3+ is substituted by a trivalent rare earth element, the electrical neutrality in the crystal lattice is lost, and in order to compensate for this, ½ oxygen in the lattice is lost. Then, the electrical neutrality in the lattice is maintained. In this manner, oxide ion vacancies can be intentionally generated (doping), and proton generation is further promoted.

Bサイトに配する2価のアルカリ土類金属としては、バリウム(Ba)、ストロンチウム(Sr)等が挙げられ、バリウム、ストロンチウム、又はバリウム及びストロンチウムのいずれかをBサイトに配するのが好ましい。   Examples of the divalent alkaline earth metal to be distributed at the B site include barium (Ba) and strontium (Sr). It is preferable to distribute barium, strontium, or any one of barium and strontium to the B site.

3価の希土類元素としては、イッテルビウム(Yb)、エルビウム(Er)、イットリウム(Y)、ディスプロシウム(Dy)、ガドリニウム(Gd)、サマリウム(Sm)、ネオジム(Nd)が挙げられるが、複合膜構造体を中温形燃料電池に適用する場合は、中温度域、水素気流中で良好なプロトン導電性が発現するイットリウム(Y)、ガドリニウム(Gd)、サマリウム(Sm)が好ましい。   Examples of trivalent rare earth elements include ytterbium (Yb), erbium (Er), yttrium (Y), dysprosium (Dy), gadolinium (Gd), samarium (Sm), and neodymium (Nd). When the membrane structure is applied to an intermediate temperature fuel cell, yttrium (Y), gadolinium (Gd), and samarium (Sm) that exhibit good proton conductivity in an intermediate temperature range and a hydrogen stream are preferable.

また、固体電解質膜2は、詳しくは後述する方法により形成された第1固体電解質膜21からなるものである。かかる第1固体電解質膜21は、単相からなる。ここでいう単相とは、X線回折(XRD)パターンにおいて、Aサイトのアルカリ土類金属から生成しやすい炭酸塩(例えば、BaCOなど)のメインピークとペロブスカイト(ABO)のメインピークとの強度比が0.05未満、好ましくは0.02未満となるものを指す。本発明の固体電解質膜2は、単相からなることにより、プロトン導電性に優れたものである。 The solid electrolyte membrane 2 is composed of a first solid electrolyte membrane 21 formed by a method described in detail later. The first solid electrolyte membrane 21 is composed of a single phase. The single phase here refers to a main peak of carbonate (for example, BaCO 3 ) and a main peak of perovskite (ABO 3 ) that are easily generated from an alkaline earth metal at the A site in an X-ray diffraction (XRD) pattern. The strength ratio is less than 0.05, preferably less than 0.02. The solid electrolyte membrane 2 of the present invention is excellent in proton conductivity by being composed of a single phase.

また、固体電解質膜2は、厚さが30μm以下であり、好ましくは10μm以下、より好ましくは3μm以下である。固体電解質膜2を薄膜とすることにより、固体電解質膜2の内部抵抗を著しく低いものとすることができる。   The solid electrolyte membrane 2 has a thickness of 30 μm or less, preferably 10 μm or less, more preferably 3 μm or less. By making the solid electrolyte membrane 2 a thin film, the internal resistance of the solid electrolyte membrane 2 can be made extremely low.

本実施形態では、水素透過性金属膜1は、厚さ200μmのパラジウムと銀の合金とし、固体電解質膜2は、三酸化バリウムセリウム(BaCeO)のセリウムの一部をイットリウム(Y)で置換したBaCe0.90.13−α構造(以下、BCYOとする)からなる厚さ1μmの膜とした。 In the present embodiment, the hydrogen permeable metal film 1 is an alloy of palladium and silver having a thickness of 200 μm, and the solid electrolyte film 2 is a part of cerium trioxide (BaCeO 3 ) cerium substituted with yttrium (Y). A 1 μm-thick film made of the BaCe 0.9 Y 0.1 O 3-α structure (hereinafter referred to as BCYO) was used.

上述した固体電解質膜2は、水素透過性金属膜1の熱酸化処理した表面上に塗布法により形成されたものである。ここでいう塗布法とは、前駆体溶液を塗布して焼成する方法のことであり、例えば、MOD法が挙げられる。本実施形態にかかる固体電解質膜2は、具体的には、アルカリ土類金属と、セリウム及びジルコニウムのうち少なくとも一方と、希土類元素と、を含む有機金属酸塩溶液を水素透過性金属膜1の熱酸化処理した表面上に塗布して第1固体電解質前駆体膜を形成し、この第1固体電解質前駆体膜を急速昇温熱処理により結晶化させることにより形成した第1固体電解質膜21からなる。   The above-described solid electrolyte membrane 2 is formed by a coating method on the surface of the hydrogen permeable metal membrane 1 subjected to the thermal oxidation treatment. The coating method referred to here is a method of applying a precursor solution and baking it, and examples thereof include a MOD method. Specifically, the solid electrolyte membrane 2 according to the present embodiment includes an organometallic acid salt solution containing an alkaline earth metal, at least one of cerium and zirconium, and a rare earth element. A first solid electrolyte precursor film is formed by coating on a thermally oxidized surface to form a first solid electrolyte precursor film, and the first solid electrolyte precursor film is crystallized by rapid heating treatment. .

上述したように、まず、水素透過性金属膜1の一方面を熱酸化処理する。このとき、水素透過性金属膜1は、元々の水素透過能を損なわない程度に一方面の極表面が熱酸化処理されていればよく、内部及び他方面側は酸化されていないのが好ましい。一方面のみが熱酸化処理されることにより、本来の特性を好適に維持することができるためである。なお、熱酸化処理とは、酸素を含有する雰囲気、例えば、大気中で、水素透過性金属膜1の一方面を加熱処理することをいう。   As described above, first, one surface of the hydrogen permeable metal film 1 is subjected to thermal oxidation treatment. At this time, the hydrogen permeable metal film 1 only needs to be subjected to thermal oxidation treatment on the one surface so that the original hydrogen permeability is not impaired, and the inside and the other surface are preferably not oxidized. This is because the original characteristics can be suitably maintained by subjecting only one surface to the thermal oxidation treatment. Note that the thermal oxidation treatment refers to heat treatment of one surface of the hydrogen permeable metal film 1 in an oxygen-containing atmosphere, for example, air.

そして、水素透過性金属膜1の熱酸化された極表面に、アルカリ土類金属と、セリウム及びジルコニウムのうち少なくとも一方と、希土類元素と、を含む有機金属酸塩溶液を塗布して第1固体電解質前駆体膜を形成する。その後、第1固体電解質前駆体膜を急速昇温熱処理により結晶化させることにより、第1固体電解質膜21を形成する。   Then, an organometallic acid salt solution containing an alkaline earth metal, at least one of cerium and zirconium, and a rare earth element is applied to the thermally oxidized pole surface of the hydrogen permeable metal film 1 to form a first solid. An electrolyte precursor film is formed. Thereafter, the first solid electrolyte precursor film 21 is formed by crystallizing the first solid electrolyte precursor film by a rapid heating process.

上述したように、第1固体電解質前駆体膜を急速昇温熱処理により結晶化させることにより、塗布法により得られる膜の性質を維持しつつ、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2の間に金属酸化物膜が形成されるのを抑制することができる。言い換えれば、水素透過性金属膜1の表面をほとんど酸化させることなく、著しい緻密化が抑制された固体電解質膜2(第1固体電解質膜21)を形成することができる。例えば、通常の熱処理により結晶化させた場合は、ポアが多く相対密度が80%前後の固体電解質膜2が形成されると共に、水素透過性金属膜1をわずかに酸化させてしまう。これに対し、本実施形態では、水素透過性金属膜1をほとんど酸化させることなく、ある程度ポアが存在した状態、例えば、相対密度80〜90%程度の固体電解質膜2を形成することができる。   As described above, the first solid electrolyte precursor film is crystallized by rapid heating treatment to maintain the properties of the film obtained by the coating method, and between the hydrogen permeable metal film 1 and the solid electrolyte film 2. The formation of a metal oxide film can be suppressed. In other words, the solid electrolyte membrane 2 (first solid electrolyte membrane 21) in which remarkably densification is suppressed can be formed without almost oxidizing the surface of the hydrogen permeable metal membrane 1. For example, when crystallized by ordinary heat treatment, the solid electrolyte membrane 2 having many pores and a relative density of about 80% is formed, and the hydrogen permeable metal membrane 1 is slightly oxidized. On the other hand, in this embodiment, the hydrogen permeable metal film 1 is hardly oxidized and the solid electrolyte film 2 having a certain degree of pores, for example, a relative density of about 80 to 90% can be formed.

なお、「相対密度」とは、実験的に求めた実測密度ρと理論密度ρを用いて、下記式により算出された値のことをいう。
[相対密度(%)]=(ρ/ρ)×100 (5)
The “relative density” means a value calculated by the following equation using an experimentally obtained actual density ρ and a theoretical density ρ 0 .
[Relative density (%)] = (ρ / ρ 0 ) × 100 (5)

上述したように、固体電解質膜2(第1固体電解質膜21)は、完全には緻密化されていないことから、水素透過性金属膜1の熱膨張等の熱挙動に柔軟に追従することができる。このため、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2との熱膨張係数の差を緩和して、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2とが剥離等するのを抑制して密着性に優れたものとすることができる。また、第1固体電解質前駆体膜を急速昇温熱処理により結晶化させることにより、第1固体電解質前駆体膜を結晶化させる際に水素透過性金属膜1が酸化するのを抑制することができ、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2の間に金属酸化物膜の形成されていないものとすることができる。これにより、酸化物膜に起因する導電率の低下が抑制されて、導電率が高い複合膜構造体とすることができる。   As described above, since the solid electrolyte membrane 2 (first solid electrolyte membrane 21) is not completely densified, it can flexibly follow the thermal behavior such as thermal expansion of the hydrogen permeable metal membrane 1. it can. For this reason, the difference in thermal expansion coefficient between the hydrogen permeable metal film 1 and the solid electrolyte film 2 is alleviated, and the hydrogen permeable metal film 1 and the solid electrolyte film 2 are prevented from being peeled off to achieve adhesion. It can be excellent. In addition, by crystallization of the first solid electrolyte precursor film by rapid heating treatment, it is possible to suppress the hydrogen permeable metal film 1 from being oxidized when the first solid electrolyte precursor film is crystallized. The metal oxide film may not be formed between the hydrogen permeable metal film 1 and the solid electrolyte film 2. Thereby, the fall of the electrical conductivity resulting from an oxide film is suppressed, and it can be set as a composite film structure with high electrical conductivity.

また、水素透過性金属膜1の極表面を熱酸化処理した後に固体電解質膜2を形成することにより、固体電解質膜2は、低温焼成で形成したにもかかわらず、単相となる。ちなみに、極表面を熱酸化処理しない状態で低温焼成すると、固体電解質膜2は単相とならず、炭酸バリウム(BaCO)等のアルカリ土類金属炭酸塩や酸化セリウム(CeO)の結晶が混在してしまう。 In addition, by forming the solid electrolyte membrane 2 after thermally oxidizing the extreme surface of the hydrogen permeable metal membrane 1, the solid electrolyte membrane 2 becomes a single phase despite being formed by low-temperature firing. Incidentally, when the electrode surface is fired at a low temperature without thermal oxidation treatment, the solid electrolyte membrane 2 does not become a single phase, and crystals of an alkaline earth metal carbonate such as barium carbonate (BaCO 3 ) or cerium oxide (CeO 2 ) are formed. It will be mixed.

上述したように、複合膜構造体は、性能を維持した水素透過性金属膜1と、単相からなる薄膜の固体電解質膜2とからなるものである。かかる複合膜構造体は、水素透過性に優れ、導電特性等の電気化学特性に優れたものとなる。   As described above, the composite membrane structure is composed of the hydrogen-permeable metal membrane 1 that maintains its performance and the solid electrolyte membrane 2 that is a single-phase thin film. Such a composite membrane structure has excellent hydrogen permeability and excellent electrochemical characteristics such as conductive characteristics.

なお、上述した複合膜構造体は、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2とが多孔質支持体によって支持されていてもよい。かかる多孔質支持体は、ガス中から水素を分離するという水素透過性金属膜1や固体電解質膜2の機能に影響を及ぼさないものであればよく、水素がプロトン(H)として水素透過性金属膜1から固体電解質膜2に入る際にこの反応を阻害しない程度にガスの拡散性に優れていればよい。多孔質支持体を設ける場合は、多孔質支持体により複合膜構造体の強度を確保することができるため、水素透過性金属膜1や固体電解質膜2の強度は低くてもよい。すなわち、水素透過性金属膜1や固体電解質膜2で所定の強度を確保する必要がなくなることから、水素透過性金属膜1や固体電解質膜2を薄膜化することができる。 In the composite membrane structure described above, the hydrogen permeable metal membrane 1 and the solid electrolyte membrane 2 may be supported by a porous support. Such a porous support may be any material that does not affect the functions of the hydrogen permeable metal membrane 1 and the solid electrolyte membrane 2 for separating hydrogen from the gas, and hydrogen is permeable to hydrogen as protons (H + ). What is necessary is just to be excellent in gas diffusibility to such an extent that this reaction is not inhibited when entering the solid electrolyte membrane 2 from the metal membrane 1. When the porous support is provided, the strength of the composite membrane structure can be ensured by the porous support, and therefore the strength of the hydrogen permeable metal membrane 1 and the solid electrolyte membrane 2 may be low. That is, it is not necessary to ensure a predetermined strength with the hydrogen permeable metal film 1 or the solid electrolyte film 2, and therefore the hydrogen permeable metal film 1 or the solid electrolyte film 2 can be thinned.

上述した複合膜構造体は、例えば、燃料電池に適用することができるものであり、中温域で作動する燃料電池において好適に用いることができるものである。   The composite membrane structure described above can be applied to, for example, a fuel cell, and can be suitably used in a fuel cell that operates in an intermediate temperature range.

ここで、複合膜構造体を用いた燃料電池について説明する。図2は、本実施形態の複合膜構造体を用いた燃料電池の構造を示す平面図及び断面図であり、図3は、本実施形態の複合膜構造体を用いた燃料電池の構造を示す説明図である。   Here, a fuel cell using the composite membrane structure will be described. 2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view showing the structure of the fuel cell using the composite membrane structure of the present embodiment, and FIG. 3 shows the structure of the fuel cell using the composite membrane structure of the present embodiment. It is explanatory drawing.

本発明にかかる燃料電池10は、図2及び図3に示すように、固体電解質膜2と、固体電解質膜2の一方面側に形成されるアノードとしての水素透過性金属膜1と、固体電解質膜2の他方面側に形成されるカソード4とからなる。ここで、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2は、本発明にかかる複合膜構造体3である。   As shown in FIGS. 2 and 3, the fuel cell 10 according to the present invention includes a solid electrolyte membrane 2, a hydrogen permeable metal membrane 1 as an anode formed on one side of the solid electrolyte membrane 2, and a solid electrolyte. The cathode 4 is formed on the other side of the membrane 2. Here, the hydrogen permeable metal membrane 1 and the solid electrolyte membrane 2 are the composite membrane structure 3 according to the present invention.

燃料電池10は、複合膜構造体3が、水素透過性金属膜1と、プロトン導電性酸化物膜からなる固体電解質膜2とが互いの短所を補完し合う構造であることにより、プロトン導電性は維持しつつも、固体電解質膜2のCOに対する脆弱性を克服してCOを含むガス雰囲気環境下でも使用することができる。本実施形態では、燃料電池10は、BCYOからなる固体電解質膜2とガスとの間に別の膜(具体的には、水素透過性金属膜1)が介在している状態、言い換えれば、BCYOからなる固体電解質膜2の表面上に水素透過性の保護膜的要素が形成された状態にあり、COによるBCYOの分解を防ぐことができる。 The fuel cell 10 has a structure in which the composite membrane structure 3 has a structure in which the hydrogen permeable metal membrane 1 and the solid electrolyte membrane 2 made of a proton conductive oxide film complement each other's disadvantages so that proton conductivity can be obtained. Can be used in a gas atmosphere environment containing CO 2 by overcoming the vulnerability of the solid electrolyte membrane 2 to CO 2 . In the present embodiment, the fuel cell 10 is in a state where another membrane (specifically, the hydrogen permeable metal membrane 1) is interposed between the solid electrolyte membrane 2 made of BCYO and the gas, in other words, BCYO. In this state, a hydrogen-permeable protective membrane element is formed on the surface of the solid electrolyte membrane 2 made of the material, and decomposition of BCYO by CO 2 can be prevented.

燃料電池10では、水素が固相(水素透過性金属膜1)から固相(固体電解質膜2)へと相間を移動する際に、水素元素又は水素分子として移動するのではなく、図3に示すように、プロトンとして連続して移動すると考えられる。この場合、水素透過性金属膜1は、水素(H)のみ選択的に透過させ、他の分子(N、CO、COなど)は透過させないという性質を持つことから、この水素透過性金属膜1をプロトン−電子混合導電体とみなすことができる。したがって、この水素透過性金属膜1が電極と電解質の役目を果たすことになる。 In the fuel cell 10, when hydrogen moves between phases from the solid phase (hydrogen permeable metal membrane 1) to the solid phase (solid electrolyte membrane 2), it does not move as a hydrogen element or a hydrogen molecule, but in FIG. As shown, it is thought to move continuously as protons. In this case, the hydrogen permeable metal film 1 has a property of selectively transmitting only hydrogen (H 2 ) and not transmitting other molecules (N 2 , CO, CO 2, etc.). The metal film 1 can be regarded as a proton-electron mixed conductor. Therefore, the hydrogen permeable metal film 1 serves as an electrode and an electrolyte.

カソード4は、多孔質体からなるのが好ましく、カソードとして中温電極反応活性が高いものが好ましい。カソード4は、具体的には、銀、ペロブスカイト構造を有する電子−酸化物イオン混合導電性酸化物単体、ペロブスカイト構造を有する電子−酸化物イオン混合導電性酸化物と銀のサーメット等を用いるのが好ましく、中温電極反応活性が高いLa(Co,Fe)O系、Ba(Co,Fe)O系、Sr(Co,Fe)O系のペロブスカイト構造を有する電子−酸化物イオン混合導電性酸化物は特に好適である。なお、本実施形態では、(Ba,Sr)(Co,Fe)Oのペロブスカイト構造体を用いた。 The cathode 4 is preferably made of a porous material, and preferably has a high intermediate temperature electrode reaction activity as the cathode. Specifically, the cathode 4 uses silver, an electron-oxide ion mixed conductive oxide having a perovskite structure, an electron-oxide ion mixed conductive oxide having a perovskite structure, and silver cermet. Electro-oxide ion mixed conductivity having a perovskite structure of La (Co, Fe) O 3 system, Ba (Co, Fe) O 3 system, and Sr (Co, Fe) O 3 system preferably having high intermediate temperature electrode reaction activity Oxides are particularly preferred. In this embodiment, a perovskite structure of (Ba, Sr) (Co, Fe) O 3 is used.

なお、燃料電池10は、多孔質支持体を具備していてもよく、例えば、アノードのガス側の表面に多孔質支持体を備えたものが挙げられる。これにより、強度を確保することができ、水素透過性金属膜1や固体電解質膜2を薄膜化することができ、電気抵抗を低下させることができる。多孔質支持体はガスの拡散を妨げることがないものであり、0.002〜3μm、好ましくは0.004〜0.5μmの細孔を有するものを適宜選択して使用する。具体的には、例えば、0.1〜0.5μmの細孔を有するNi−YSZサーメット多孔体、Ni−Alサーメット多孔体等を例示することができる。 The fuel cell 10 may include a porous support, and examples thereof include a battery having a porous support on the gas side surface of the anode. Thereby, intensity | strength can be ensured, the hydrogen-permeable metal membrane 1 and the solid electrolyte membrane 2 can be thinned, and an electrical resistance can be reduced. The porous support is one that does not hinder gas diffusion, and a porous support having pores of 0.002 to 3 μm, preferably 0.004 to 0.5 μm, is appropriately selected and used. Specifically, for example, a Ni—YSZ cermet porous body having a pore of 0.1 to 0.5 μm, a Ni—Al 2 O 3 cermet porous body, and the like can be exemplified.

燃料電池10において、プロトン導電性のBCYOからなる固体電解質膜2は、図中の改質ガスAのような水素や二酸化炭素などが混成したガスの流路に設けられて水素透過膜として機能する。このとき、固体電解質膜2の両面にそれぞれ水素透過性金属膜1からなるアノード及びカソード4が設けられ、保護膜が形成された状態となっている。したがって、水素透過性金属膜1からなるアノード側を流れる改質ガスA中にCOが含まれていても、固体電解質膜2のCOに対する脆弱性を克服してCOを含むガス雰囲気環境下でも使用することができる。 In the fuel cell 10, the solid electrolyte membrane 2 made of proton conductive BCYO is provided in a gas flow path in which hydrogen, carbon dioxide, or the like such as the reformed gas A is mixed, and functions as a hydrogen permeable membrane. . At this time, the anode and the cathode 4 made of the hydrogen permeable metal film 1 are provided on both surfaces of the solid electrolyte membrane 2, respectively, and a protective film is formed. Therefore, even if CO 2 is contained in the reformed gas A flowing on the anode side made of the hydrogen permeable metal membrane 1, the gas atmosphere environment containing CO 2 is overcome by overcoming the vulnerability of the solid electrolyte membrane 2 to CO 2 . Can also be used below.

ここで、本実施形態の固体電解質膜、アノード、及びカソードの耐熱温度について説明する。本実施形態の固体電解質膜、アノード、及びカソードの耐熱温度は表1に示す通りである。   Here, the heat resistant temperatures of the solid electrolyte membrane, the anode, and the cathode of this embodiment will be described. The heat-resistant temperatures of the solid electrolyte membrane, the anode, and the cathode of this embodiment are as shown in Table 1.

BaCeOのBCYOバルク体の焼結温度(緻密化温度)は1650℃であり、アノードやカソードの耐熱温度よりも高い。ここで耐熱温度とは、金属の溶融や酸化物の分解温度ではなく、基材自体の構造が焼結等で熱的に変化してしまい実用的に部材として使用することができなくなると考えられる温度である。 The sintering temperature (densification temperature) of the BaCeO 3 BCYO bulk body is 1650 ° C., which is higher than the heat resistance temperature of the anode and the cathode. Here, the heat-resistant temperature is not the melting temperature of the metal or the decomposition temperature of the oxide, but the structure of the base material itself is thermally changed by sintering or the like, so that it cannot be practically used as a member. Temperature.

通常、薄膜の固体電解質膜を形成する際には、アノードまたはカソードを支持基板として、これに固体電解質膜を緻密に形成する。したがって、支持基板のアノードまたはカソードの耐熱温度は、固体電解質膜の緻密化にとって必要な焼結温度よりも高いことが望まれる。   Usually, when forming a thin solid electrolyte membrane, an anode or a cathode is used as a supporting substrate, and the solid electrolyte membrane is densely formed thereon. Therefore, it is desirable that the heat resistance temperature of the anode or cathode of the support substrate is higher than the sintering temperature necessary for densification of the solid electrolyte membrane.

本実施形態では、アノードは、パラジウムと銀との合金であり、融点はPd−Ag合金相図上では1360℃であるが、実際の基板としての耐熱温度は還元雰囲気中で、それよりも低い1200℃近傍であると推測される。また、ペロブスカイト構造のカソードでは成分元素にCoが含まれているため900〜1000℃程度の耐熱温度となっている。したがって、支持基板はより耐熱温度が高い金属からなるアノードにする必要がある。しかしながら、アノードの耐熱温度も通常のBCYOの焼結温度1650℃よりかなり低温であることが問題となる。   In this embodiment, the anode is an alloy of palladium and silver, and the melting point is 1360 ° C. on the Pd—Ag alloy phase diagram, but the actual heat resistance temperature as a substrate is lower than that in a reducing atmosphere. Presumed to be around 1200 ° C. Further, the cathode having a perovskite structure has a heat resistance temperature of about 900 to 1000 ° C. because Co is contained in the component element. Therefore, the support substrate needs to be an anode made of a metal having a higher heat resistance temperature. However, there is a problem that the heat-resistant temperature of the anode is considerably lower than the sintering temperature of normal BCYO of 1650 ° C.

本発明の複合膜構造体の製造方法では、水素透過性金属膜上に、低温で単相からなる薄膜の固体電解質を形成することができるため、水素透過性金属膜(アノード)を劣化させる虞がない。   In the method for producing a composite membrane structure of the present invention, a thin-film solid electrolyte composed of a single phase can be formed on a hydrogen-permeable metal film at a low temperature, which may deteriorate the hydrogen-permeable metal film (anode). There is no.

以下、複合膜構造体の製造方法について詳細に説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the composite membrane structure will be described in detail.

まず、水素透過性金属膜の一方面を熱酸化処理する。このとき、水素透過性金属膜の元々の水素透過能を損なわない程度に一方面の極表面が熱酸化されていればよく、内部及び他方面側は酸化しないようにする。熱酸化処理の加熱条件は特に限定されないが、例えば、800〜900℃で5〜10分加熱すればよい。本実施形態では、900℃で10分間加熱することにより、パラジウムと銀の合金からなる金属膜の一方面の極表面を熱酸化処理した。   First, one surface of the hydrogen permeable metal film is subjected to thermal oxidation treatment. At this time, it is sufficient that the extreme surface of one surface is thermally oxidized to such an extent that the original hydrogen permeability of the hydrogen permeable metal film is not impaired, and the inside and the other surface side are not oxidized. Although the heating conditions for the thermal oxidation treatment are not particularly limited, for example, heating may be performed at 800 to 900 ° C. for 5 to 10 minutes. In the present embodiment, the extreme surface of one surface of the metal film made of an alloy of palladium and silver was thermally oxidized by heating at 900 ° C. for 10 minutes.

そして、水素透過性金属膜1の熱酸化処理した表面上に、アルカリ土類金属と、セリウム及びジルコニウムのうち少なくとも一方と、希土類元素と、を含む有機金属酸塩溶液を塗布して第1固体電解質前駆体膜を形成する。具体的には、スピンコート法等により、水素透過性金属膜1上に、アルカリ土類金属と、セリウム及びジルコニウムの少なくとも一方と、希土類元素と、を含む有機金属酸塩溶液を塗布する(塗布工程)。ここで、有機金属酸塩溶液は、アルカリ土類金属、セリウム及びジルコニウムのうち少なくとも一方、及び希土類元素を含むものであり、例えば、焼成により、2価のアルカリ土類金属をAサイトに配し、4価のセリウム及び4価のジルコニウムのうち少なくとも一方をBサイトに配するペロブスカイト型酸化物を基本構造とし且つ4価のBサイト元素の一部を3価の希土類元素で置換した結晶構造を形成し得るものである。本実施形態では、バリウム(Ba)、セリウム(Ce)、及びイットリウム(Y)の各金属を所望のモル比で含むBaCeY有機金属酸塩を溶液に溶解させた有機金属酸塩溶液とし、塗布した。そして、これを100〜300℃で乾燥する(乾燥工程)。本実施形態では、BaCeY有機金属酸塩溶液を塗布し、150℃で3分間加熱した後、250℃で10分加熱することにより乾燥させた。   Then, an organometallic acid salt solution containing an alkaline earth metal, at least one of cerium and zirconium, and a rare earth element is applied onto the surface of the hydrogen permeable metal film 1 that has been subjected to the thermal oxidation treatment to apply the first solid. An electrolyte precursor film is formed. Specifically, an organometallic acid salt solution containing an alkaline earth metal, at least one of cerium and zirconium, and a rare earth element is applied on the hydrogen permeable metal film 1 by spin coating or the like (application). Process). Here, the organometallic acid salt solution contains at least one of an alkaline earth metal, cerium and zirconium, and a rare earth element. For example, the divalent alkaline earth metal is arranged at the A site by firing. A crystal structure in which a perovskite oxide in which at least one of tetravalent cerium and tetravalent zirconium is arranged at the B site is a basic structure, and a part of the tetravalent B site element is substituted with a trivalent rare earth element. It can be formed. In the present embodiment, an organometallic acid salt solution in which a BaCeY organometallic acid salt containing barium (Ba), cerium (Ce), and yttrium (Y) metals in a desired molar ratio is dissolved in a solution is applied. . And this is dried at 100-300 degreeC (drying process). In this embodiment, the BaCeY organometallic acid salt solution was applied, heated at 150 ° C. for 3 minutes, and then dried by heating at 250 ° C. for 10 minutes.

次に、1層目の第1固体電解質前駆体膜上に、塗布工程、乾燥工程を順次繰り返し行うことにより、複数層からなる所定厚さの固体電解質前駆体膜を形成する。なお、本実施形態では、8層からなる第1固体電解質前駆体膜とした。   Next, on the first solid electrolyte precursor film of the first layer, a coating process and a drying process are sequentially repeated to form a solid electrolyte precursor film having a predetermined thickness composed of a plurality of layers. In the present embodiment, the first solid electrolyte precursor film having eight layers is used.

次に、第1固体電解質前駆体膜を急速昇温熱処理により900℃以下の低温で焼成して結晶化させることにより、2価のアルカリ土類金属をAサイトに配し、4価のセリウム及び4価のジルコニウムのうち少なくとも一方をBサイトに配するペロブスカイト型酸化物(ABO)を基本構造とし、4価のBサイト元素の一部を3価の希土類元素で置換した結晶構造からなる第1固体電解質膜21を形成する。本実施形態では、三酸化バリウムセリウム(BaCeO)のセリウム(Ce)一部をイットリウム(Y)で置換した結晶構造からなる固体電解質膜を形成した。 Next, the first solid electrolyte precursor film is baked and crystallized at a low temperature of 900 ° C. or less by rapid temperature increasing heat treatment, thereby arranging a divalent alkaline earth metal at the A site, tetravalent cerium and A perovskite-type oxide (ABO 3 ) in which at least one of tetravalent zirconium is arranged at the B site is a basic structure, and a crystal structure in which a part of the tetravalent B site element is substituted with a trivalent rare earth element. 1 Solid electrolyte membrane 21 is formed. In the present embodiment, a solid electrolyte membrane having a crystal structure in which a portion of cerium (Ce) of barium cerium trioxide (BaCeO 3 ) is substituted with yttrium (Y) is formed.

急速昇温熱処理は、赤外線ランプの照射により加熱するRTA(Rapid Thermal Annealing)装置、特殊炭化ケイ素ヒーターにより加熱するRTA装置等により行えばよい。また、急速昇温熱処理は、50〜200℃/分の昇温速度で急速昇温するのが好ましく、さらに好ましくは50〜100℃/分である。   The rapid temperature increase heat treatment may be performed by an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus heated by irradiation with an infrared lamp, an RTA apparatus heated by a special silicon carbide heater, or the like. The rapid temperature increase heat treatment is preferably performed at a rapid temperature increase rate of 50 to 200 ° C./min, more preferably 50 to 100 ° C./min.

固体電解質前駆体膜の焼成温度は900℃以下であり、好ましくは800〜900℃である。本実施形態では、RTA装置により850℃で30分間焼成することにより、厚さ1μmのBCYO単相からなる第1固体電解質膜21(固体電解質膜)を形成した。   The firing temperature of the solid electrolyte precursor film is 900 ° C. or less, preferably 800 to 900 ° C. In the present embodiment, the first solid electrolyte membrane 21 (solid electrolyte membrane) composed of a 1 μm-thick BCYO single phase was formed by firing at 850 ° C. for 30 minutes using an RTA apparatus.

従来の複合膜構造体の製造方法の場合、例えば、バッチ式炉により100〜200℃/時の昇温速度で急速昇温して第1固体電解質前駆体膜を焼成する際に、水素透過性金属膜がわずかに酸化してしまい、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2との間に、薄い金属酸化物膜(水素透過性金属膜を構成する材料の金属酸化物膜)が形成されてしまうという問題があった。金属酸化物膜が形成されると、固体電解質膜2の導電率が低下して発電特性が低下してしまう。これに対し、本発明の複合膜構造体の製造方法は、急速昇温熱処理により焼成することにより、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2の間に金属酸化物膜の形成されていない複合膜構造体とすることができる。   In the case of a conventional method for producing a composite membrane structure, for example, when the first solid electrolyte precursor film is fired by rapid heating at a temperature rising rate of 100 to 200 ° C./hour in a batch furnace, hydrogen permeability The metal film is slightly oxidized, and a thin metal oxide film (metal oxide film of a material constituting the hydrogen permeable metal film) is formed between the hydrogen permeable metal film 1 and the solid electrolyte film 2. There was a problem that. When the metal oxide film is formed, the electric conductivity of the solid electrolyte film 2 is lowered and the power generation characteristics are lowered. On the other hand, in the method for producing a composite membrane structure of the present invention, a composite in which a metal oxide film is not formed between the hydrogen permeable metal film 1 and the solid electrolyte film 2 is obtained by firing by rapid temperature increase heat treatment. It can be a membrane structure.

上述したように、急速昇温熱処理により焼成することにより、塗布法により形成される固体電解質膜の特性を維持しつつ、水素透過性金属膜と固体電解質膜の間に金属酸化物膜の形成されていないものとすることができる。すなわち、相対密度80〜90%程度と著しい緻密化はしていないことにより、熱挙動に柔軟に追従する第1固体電解質膜21とすることができ、また、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2の間に金属酸化物膜の形成されていないものとすることができる。このように、水素透過性金属膜と固体電解質膜との間に金属酸化物膜が形成されないことにより、導電率が高く電気化学特性に優れた複合膜構造体とすることができる。   As described above, the metal oxide film is formed between the hydrogen permeable metal film and the solid electrolyte film, while maintaining the characteristics of the solid electrolyte film formed by the coating method, by baking by the rapid temperature rising heat treatment. Can not be. That is, since the relative density is not significantly densified to about 80 to 90%, the first solid electrolyte membrane 21 can flexibly follow the thermal behavior, and the hydrogen permeable metal membrane 1 and the solid electrolyte can be obtained. It can be assumed that no metal oxide film is formed between the films 2. Thus, since the metal oxide film is not formed between the hydrogen permeable metal film and the solid electrolyte film, a composite membrane structure having high conductivity and excellent electrochemical characteristics can be obtained.

また、予め水素透過性金属膜の極表面を熱酸化処理して、この表面上に固体電解質膜を形成することにより、低い焼成温度で単相の固体電解質膜を得ることができる。また、900℃以下という低温で焼成して、固体電解質膜を形成することにより、水素透過性金属膜が内部まで酸化するのを抑制することができ、水素透過性金属膜を劣化させることがない。すなわち、水素透過性金属膜の性能を維持しつつ、三酸化バリウムセリウム(BaCeO)単相からなる固体電解質膜を形成することができる。なお、900℃より高い温度で焼成すると、水素透過性金属膜の酸化が促進され、水素透過性金属膜全体が酸化されて電気特性が低下してしまう虞がある。しかしながら、表面を酸化していない水素透過性金属膜上に固体電解質膜を形成すると、900℃以下の焼成温度では、三酸化バリウムセリウム(BaCeO)単相からなる固体電解質膜とすることができず、炭酸バリウム(BaCO)や酸化セリウム(CeO)が混在した状態となってしまう。 Further, by subjecting the extreme surface of the hydrogen permeable metal film to thermal oxidation in advance and forming a solid electrolyte film on the surface, a single-phase solid electrolyte film can be obtained at a low firing temperature. Moreover, by baking at a low temperature of 900 ° C. or less to form a solid electrolyte membrane, it is possible to suppress the hydrogen permeable metal film from being oxidized to the inside, and the hydrogen permeable metal film is not deteriorated. . That is, it is possible to form a solid electrolyte membrane composed of a single phase of barium cerium trioxide (BaCeO 3 ) while maintaining the performance of the hydrogen permeable metal membrane. When firing at a temperature higher than 900 ° C., the oxidation of the hydrogen permeable metal film is promoted, and the entire hydrogen permeable metal film may be oxidized to deteriorate the electrical characteristics. However, when a solid electrolyte membrane is formed on a hydrogen permeable metal membrane whose surface is not oxidized, a solid electrolyte membrane comprising a barium cerium trioxide (BaCeO 3 ) single phase can be obtained at a firing temperature of 900 ° C. or lower. In other words, barium carbonate (BaCO 3 ) and cerium oxide (CeO 2 ) are mixed.

以上のように、本発明の複合膜構造体の製造方法によれば、水素透過性金属膜と固体電解質膜の間に金属酸化物膜の形成されていないものとすることができる導電特性等の電気化学特性に優れた複合膜構造体とすることができると共に、水素透過性金属膜と固体電解質膜とが密着性に優れた複合膜構造体とすることができる。また、水素透過性金属膜の性能を維持しつつ、単相からなる薄膜の固体電解質膜を実現することができる。これにより、機械的特性に優れ、内部抵抗が低く、導電特性等の電気化学特性及び水素透過性に優れた複合膜構造体を製造することができる。   As described above, according to the method for manufacturing a composite membrane structure of the present invention, the metal oxide film is not formed between the hydrogen permeable metal film and the solid electrolyte film. A composite membrane structure excellent in electrochemical characteristics can be obtained, and a composite membrane structure excellent in adhesion between the hydrogen-permeable metal membrane and the solid electrolyte membrane can be obtained. In addition, a thin solid electrolyte membrane composed of a single phase can be realized while maintaining the performance of the hydrogen permeable metal membrane. Thereby, it is possible to produce a composite membrane structure having excellent mechanical characteristics, low internal resistance, excellent electrochemical characteristics such as conductive characteristics, and excellent hydrogen permeability.

上述したように、塗布法により固体電解質膜を形成することにより、大面積や複雑な形状へ容易に対応することができる。また、本実施形態のように、MOD(Metal-Organic Decomposition)法により固体電解質膜を形成することにより、組成の制御が容易となるだけではなく、分子レベルで均一な固体電解質膜を形成することができる。また、MOD法は、ゾル−ゲル法のように溶液の時間変化がなく安定しているため、所望の固体電解質膜を容易に形成することができる。さらに、真空プロセスを必要としないため低コストで製造することができる。   As described above, by forming the solid electrolyte membrane by the coating method, it is possible to easily cope with a large area or a complicated shape. Further, as in this embodiment, by forming a solid electrolyte membrane by a MOD (Metal-Organic Decomposition) method, not only the control of the composition becomes easy, but also a solid electrolyte membrane that is uniform at the molecular level is formed. Can do. In addition, since the MOD method is stable and does not change with time like the sol-gel method, a desired solid electrolyte membrane can be easily formed. Furthermore, since a vacuum process is not required, it can be manufactured at low cost.

(実施形態2)
以下、本発明を実施形態2に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態1と同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on Embodiment 2. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same member as Embodiment 1, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

図4は、本実施形態の複合膜構造体の構造を簡単に示した図である。   FIG. 4 is a diagram simply showing the structure of the composite membrane structure of the present embodiment.

本発明にかかる複合膜構造体は、図4に示すように、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2Aとからなり、界面が連続接合した状態となっている。この水素透過性金属膜1及び固体電解質膜2Aは、水素を分離可能な水素透過性の膜である。   As shown in FIG. 4, the composite membrane structure according to the present invention comprises a hydrogen permeable metal membrane 1 and a solid electrolyte membrane 2A, and the interface is continuously joined. The hydrogen permeable metal membrane 1 and the solid electrolyte membrane 2A are hydrogen permeable membranes capable of separating hydrogen.

固体電解質膜2Aは、2価のアルカリ土類金属をAサイトに配し、4価のセリウム及び4価のジルコニウムのうち少なくとも一方をBサイトに配するペロブスカイト型酸化物(ABO)を基本構造とし且つBサイトの一部を3価の希土類元素で置換した結晶構造を有する化合物からなる。 The solid electrolyte membrane 2A has a basic structure of a perovskite oxide (ABO 3 ) in which a divalent alkaline earth metal is arranged at the A site and at least one of tetravalent cerium and tetravalent zirconium is arranged at the B site. And a compound having a crystal structure in which part of the B site is substituted with a trivalent rare earth element.

また、固体電解質膜2Aは、詳しくは後述する方法により形成された第2固体電解質膜22からなるものである。かかる第2固体電解質膜22は、単相からなる。ここでいう単相とは、X線回折(XRD)パターンにおいて、Aサイトのアルカリ土類金属から生成しやすい炭酸塩(例えば、BaCOなど)のメインピークとペロブスカイト(ABO)のメインピークとの強度比が0.05未満、好ましくは0.02未満となるものを指す。本実施形態の固体電解質膜2Aは、単相からなることにより、プロトン導電性に優れたものである。 Further, the solid electrolyte membrane 2A is composed of a second solid electrolyte membrane 22 formed by a method described in detail later. The second solid electrolyte membrane 22 is composed of a single phase. The single phase here refers to a main peak of carbonate (for example, BaCO 3 ) and a main peak of perovskite (ABO 3 ) that are easily generated from an alkaline earth metal at the A site in an X-ray diffraction (XRD) pattern. The strength ratio is less than 0.05, preferably less than 0.02. The solid electrolyte membrane 2A of the present embodiment is excellent in proton conductivity by being composed of a single phase.

また、固体電解質膜2Aは、厚さが30μm以下であり、好ましくは10μm以下、より好ましくは3μm以下である。固体電解質膜2Aを薄膜とすることにより、固体電解質膜2Aの内部抵抗を著しく低いものとすることができる。   Further, the solid electrolyte membrane 2A has a thickness of 30 μm or less, preferably 10 μm or less, more preferably 3 μm or less. By making the solid electrolyte membrane 2A a thin film, the internal resistance of the solid electrolyte membrane 2A can be made extremely low.

本実施形態では、水素透過性金属膜1は、厚さ200μmのパラジウムと銀の合金とし、固体電解質膜2Aは、三酸化バリウムセリウム(BaCeO)のセリウムの一部をイットリウム(Y)で置換したBaCe0.90.13−α構造(以下、BCYOとする)からなる厚さ1μmの膜とした。 In the present embodiment, the hydrogen permeable metal film 1 is an alloy of palladium and silver having a thickness of 200 μm, and the solid electrolyte film 2A is a part of cerium trioxide (BaCeO 3 ) cerium substituted with yttrium (Y). A 1 μm-thick film made of the BaCe 0.9 Y 0.1 O 3-α structure (hereinafter referred to as BCYO) was used.

上述した固体電解質膜2Aは、水素透過性金属膜1の熱酸化処理した表面上に塗布法により形成されたものである。本実施形態にかかる固体電解質膜2Aは、具体的には、アルカリ土類金属と、セリウム及びジルコニウムのうち少なくとも一方と、希土類元素と、を含む有機金属酸塩溶液を水素透過性金属膜1の熱酸化処理した表面上に塗布した後にエネルギー線を照射して第2固体電解質前駆体膜を形成し、この第2固体電解質前駆体膜を急速昇温熱処理により結晶化させることにより形成した第2固体電解質膜22からなる。   The above-described solid electrolyte membrane 2A is formed by a coating method on the surface of the hydrogen permeable metal membrane 1 subjected to the thermal oxidation treatment. Specifically, the solid electrolyte membrane 2 </ b> A according to the present embodiment is obtained by using an organometallic acid salt solution containing an alkaline earth metal, at least one of cerium and zirconium, and a rare earth element as a hydrogen permeable metal membrane 1. A second solid electrolyte precursor film is formed by irradiating energy rays after coating on the surface subjected to thermal oxidation treatment to form a second solid electrolyte precursor film, and crystallizing the second solid electrolyte precursor film by a rapid heating process. It consists of a solid electrolyte membrane 22.

上述したように、エネルギー線を照射して第2固体電解質前駆体膜を形成した後に、急速昇温熱処理により結晶化させることにより、緻密な固体電解質膜2A(第2固体電解質膜22)とすることができると共に、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2Aの間に金属酸化物膜の形成されていないものとすることができる。具体的には、第2固体電解質前駆体膜にエネルギー線を照射することにより、固体電解質膜2A(第2固体電解質膜22)を緻密膜とすることができる。これにより、固体電解質膜2Aの導電率を向上させることができる。また、第2固体電解質前駆体膜を急速昇温熱処理により結晶化させることにより、第2固体電解質前駆体膜を結晶化させる際の水素透過性金属膜1と固体電解質膜2Aとの間に金属膜、具体的には、水素透過性金属膜1を構成する材料の酸化物膜の形成を抑制することができ、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2Aの間に金属酸化物膜の形成されていないものとすることができる。これにより、酸化物膜に起因する導電率の低下が抑制されて、導電率の高いものとすることができる。   As described above, after forming the second solid electrolyte precursor film by irradiating with energy rays, the dense solid electrolyte film 2A (second solid electrolyte film 22) is obtained by crystallization by rapid heating treatment. In addition, a metal oxide film may not be formed between the hydrogen permeable metal film 1 and the solid electrolyte film 2A. Specifically, the solid electrolyte membrane 2A (second solid electrolyte membrane 22) can be made into a dense membrane by irradiating the second solid electrolyte precursor membrane with energy rays. Thereby, the electrical conductivity of the solid electrolyte membrane 2A can be improved. In addition, by crystallization of the second solid electrolyte precursor film by rapid heating treatment, a metal is interposed between the hydrogen permeable metal film 1 and the solid electrolyte film 2A when the second solid electrolyte precursor film is crystallized. The formation of a film, specifically, an oxide film of a material constituting the hydrogen permeable metal film 1, can be suppressed, and a metal oxide film is formed between the hydrogen permeable metal film 1 and the solid electrolyte film 2A. Can be not. Thereby, the fall of the electrical conductivity resulting from an oxide film is suppressed, and it can be set as a high electrical conductivity.

通常の熱処理により結晶化させた場合は、ポアが多く相対密度が80%前後の固体電解質膜2が形成されると共に、水素透過性金属膜1をわずかに酸化させてしまう。これに対し、本実施形態では、水素透過性金属膜1をほとんど酸化させることなく、著しく緻密化させた状態、例えば、相対密度95%以上の固体電解質膜2Aを形成することができる。   When crystallized by ordinary heat treatment, the solid electrolyte membrane 2 with many pores and a relative density of about 80% is formed, and the hydrogen permeable metal membrane 1 is slightly oxidized. On the other hand, in the present embodiment, the hydrogen permeable metal film 1 can be formed in a significantly densified state, for example, a solid electrolyte film 2A having a relative density of 95% or more without being almost oxidized.

また、水素透過性金属膜1の極表面を熱酸化処理した後に固体電解質膜2Aを形成することにより、固体電解質膜2Aは、低温焼成で形成したにもかかわらず、単相となる。ちなみに、熱酸化処理しない状態で低温焼成すると、固体電解質膜2Aは単相とならず、炭酸バリウム(BaCO)等のアルカリ土類金属炭酸塩や酸化セリウム(CeO)の結晶が混在してしまう。上述したように、複合膜構造体は、性能を維持した水素透過性金属膜1と、単相からなる薄膜の固体電解質膜2Aとからなるものである。かかる複合膜構造体は、水素透過性に優れ、導電特性等の電気化学特性に優れたものとなる。 Further, by forming the solid electrolyte membrane 2A after thermally oxidizing the extreme surface of the hydrogen permeable metal membrane 1, the solid electrolyte membrane 2A becomes a single phase despite being formed by low-temperature firing. Incidentally, when the low temperature firing is performed without thermal oxidation treatment, the solid electrolyte membrane 2A does not become a single phase, and a mixture of alkaline earth metal carbonates such as barium carbonate (BaCO 3 ) and cerium oxide (CeO 2 ) is mixed. End up. As described above, the composite membrane structure is composed of the hydrogen permeable metal membrane 1 maintaining performance and the thin solid electrolyte membrane 2A composed of a single phase. Such a composite membrane structure has excellent hydrogen permeability and excellent electrochemical characteristics such as conductive characteristics.

また、上述した複合膜構造体は、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2Aとが多孔質支持体によって支持されていてもよい。かかる多孔質支持体については、実施形態1と同様であるので説明を省略する。   In the composite membrane structure described above, the hydrogen permeable metal membrane 1 and the solid electrolyte membrane 2A may be supported by a porous support. Since this porous support is the same as that of Embodiment 1, the description thereof is omitted.

上述した複合膜構造体は、例えば、燃料電池に適用することができるものであり、中温域で作動する燃料電池において好適に用いることができるものである。   The composite membrane structure described above can be applied to, for example, a fuel cell, and can be suitably used in a fuel cell that operates in an intermediate temperature range.

ここで、複合膜構造体を用いた燃料電池について説明する。図5は、本実施形態の複合膜構造体を用いた燃料電池の構造を示す平面図及び断面図である。   Here, a fuel cell using the composite membrane structure will be described. FIG. 5 is a plan view and a cross-sectional view showing the structure of a fuel cell using the composite membrane structure of the present embodiment.

本実施形態にかかる燃料電池10Aは、図5に示すように、固体電解質膜2Aと、固体電解質膜2Aの一方面側に形成されるアノードとしての水素透過性金属膜1と、固体電解質膜2Aの他方面側に形成されるカソード4とからなる。ここで、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2Aは、本発明にかかる複合膜構造体3Aである。   As shown in FIG. 5, the fuel cell 10A according to the present embodiment includes a solid electrolyte membrane 2A, a hydrogen permeable metal membrane 1 as an anode formed on one surface side of the solid electrolyte membrane 2A, and a solid electrolyte membrane 2A. The cathode 4 is formed on the other side of the cathode. Here, the hydrogen permeable metal membrane 1 and the solid electrolyte membrane 2A are the composite membrane structure 3A according to the present invention.

以下、複合膜構造体の製造方法について詳細に説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the composite membrane structure will be described in detail.

まず、水素透過性金属膜1の一方面を熱酸化処理する。   First, one surface of the hydrogen permeable metal film 1 is subjected to thermal oxidation treatment.

そして、水素透過性金属膜1の熱酸化処理した表面上に、アルカリ土類金属と、セリウム及びジルコニウムのうち少なくとも一方と、希土類元素と、を含む有機金属酸塩溶液を塗布する。具体的には、スピンコート法等により、水素透過性金属膜1上に、アルカリ土類金属と、セリウム及びジルコニウムの少なくとも一方と、希土類元素と、を含む有機金属酸塩溶液を塗布する(塗布工程)。この有機金属酸塩溶液は、実施形態1と同様のものを用いることができる。本実施形態では、バリウム(Ba)、セリウム(Ce)、及びイットリウム(Y)の各金属を所望のモル比で含むBaCeY有機金属酸塩を溶液に溶解させた有機金属酸塩溶液とした。かかるBaCeY有機金属酸塩溶液を塗布した。   Then, an organometallic acid salt solution containing an alkaline earth metal, at least one of cerium and zirconium, and a rare earth element is applied on the surface of the hydrogen permeable metal film 1 that has been subjected to the thermal oxidation treatment. Specifically, an organometallic acid salt solution containing an alkaline earth metal, at least one of cerium and zirconium, and a rare earth element is applied on the hydrogen permeable metal film 1 by spin coating or the like (application). Process). As this organometallic acid salt solution, the same one as in Embodiment 1 can be used. In this embodiment, an organometallic acid salt solution in which a BaCeY organometallic acid salt containing each metal of barium (Ba), cerium (Ce), and yttrium (Y) in a desired molar ratio is dissolved in the solution is used. Such BaCeY organometallic acid salt solution was applied.

次に、エネルギー線を照射する(照射工程)。このようにエネルギー線を照射することにより、より緻密な固体電解質膜とすることができる。ここで、エネルギー線は、分子の結合エネルギーを切断可能なものであればよく、例えば紫外線、電子線、レーザー光などが挙げられる。紫外線源としては、特に限定されないが、例えば、低圧水銀ランプやXeエキシマランプが挙げられ、電子線源としては、電子線加速装置が挙げられ、レーザー光源としては、エキシマレーザー装置が挙げられる。   Next, an energy ray is irradiated (irradiation process). By irradiating energy rays in this way, a denser solid electrolyte membrane can be obtained. Here, the energy beam is not limited as long as it can cut the binding energy of molecules, and examples thereof include ultraviolet rays, electron beams, and laser beams. Although it does not specifically limit as an ultraviolet source, For example, a low pressure mercury lamp and a Xe excimer lamp are mentioned, An electron beam accelerator is mentioned as an electron beam source, An excimer laser apparatus is mentioned as a laser light source.

ここで、主な分子の化学結合エネルギーと、エネルギー換算波長を表2に示す。また、低圧水銀ランプとキセノンエキシマランプの発光波長及びエネルギーを表3に示す。   Here, Table 2 shows chemical bond energies of main molecules and energy conversion wavelengths. Table 3 shows the emission wavelength and energy of the low-pressure mercury lamp and the xenon excimer lamp.

表3に示すように、低圧水銀ランプは、185nmの波長と、254nmの波長とを有するUVを照射することができ、エネルギーは、それぞれ647kJ/mol、472kJ/molである。したがって、UVを照射する際には、例えば、低圧水銀ランプやXeエキシマランプを使用することができるが、ハンドリングの面から低圧水銀ランプが好ましい。172nmのUVは、酸素への吸収係数が185nmのUVよりも大きく、大気中を数mm透過しただけでも大きく減衰するのに対し、185nmのUVはさほど減衰しないためである。   As shown in Table 3, the low-pressure mercury lamp can irradiate UV having a wavelength of 185 nm and a wavelength of 254 nm, and the energy is 647 kJ / mol and 472 kJ / mol, respectively. Therefore, when irradiating UV, for example, a low-pressure mercury lamp or a Xe excimer lamp can be used, but a low-pressure mercury lamp is preferable in terms of handling. This is because 172 nm UV has a larger absorption coefficient to oxygen than 185 nm UV, and attenuates greatly even if it passes through the atmosphere several mm, whereas 185 nm UV does not attenuate so much.

次に、100〜300℃で乾燥して、第2固体電解質前駆体膜を形成する(乾燥工程)。本実施形態では、エネルギー線を照射していることにより、乾燥時間を短くすることができる。本実施形態では、例えば、150℃で3分間加熱した後、250℃で6分間加熱した。   Next, it is dried at 100 to 300 ° C. to form a second solid electrolyte precursor film (drying step). In this embodiment, the drying time can be shortened by irradiating energy rays. In this embodiment, for example, after heating at 150 ° C. for 3 minutes, heating was performed at 250 ° C. for 6 minutes.

次に、1層目の第2固体電解質前駆体膜上に、塗布工程、照射工程、乾燥工程を順次繰り返し行うことにより、複数層からなる所定厚さの第2固体電解質前駆体膜を形成する。なお、本実施形態では、8層からなる第2固体電解質前駆体膜とした。   Next, on the first second solid electrolyte precursor film, a coating process, an irradiation process, and a drying process are sequentially repeated to form a second solid electrolyte precursor film having a predetermined thickness composed of a plurality of layers. . In the present embodiment, the second solid electrolyte precursor film having eight layers is used.

次に、第2固体電解質前駆体膜を急速昇温熱処理により900℃以下の低温で焼成して結晶化させることにより、2価のアルカリ土類金属をAサイトに配し、4価のセリウム及び4価のジルコニウムのうち少なくとも一方をBサイトに配するペロブスカイト型酸化物(ABO)を基本構造とし、4価のBサイト元素の一部を3価の希土類元素で置換した結晶構造からなる第2固体電解質膜2Aを形成する。本実施形態では、三酸化バリウムセリウム(BaCeO)の一部をイットリウム(Y)で置換した結晶構造からなる第2固体電解質膜2Aを形成した。 Next, the second solid electrolyte precursor film is baked and crystallized at a low temperature of 900 ° C. or less by rapid temperature increase heat treatment, thereby arranging a divalent alkaline earth metal at the A site, tetravalent cerium and A perovskite-type oxide (ABO 3 ) in which at least one of tetravalent zirconium is arranged at the B site is a basic structure, and a crystal structure in which a part of the tetravalent B site element is substituted with a trivalent rare earth element. 2 Solid electrolyte membrane 2A is formed. In the present embodiment, the second solid electrolyte membrane 2A having a crystal structure in which part of barium cerium trioxide (BaCeO 3 ) is substituted with yttrium (Y) is formed.

上述したように、エネルギー線を照射することにより、より緻密な固体電解質膜とすることができ、また、急速昇温熱処理により焼成することにより、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2Aの間に金属酸化物膜が形成されるのを抑制することができる。言い換えれば、水素透過性金属膜1の表面を酸化することなく、緻密な固体電解質膜2Aを形成することができる。これにより、酸化膜に起因する導電率の低下が抑制され、また、固体電解質膜が緻密となることにより、導電特性の優れたものとすることができる。   As described above, by irradiating energy rays, a denser solid electrolyte membrane can be obtained, and between the hydrogen permeable metal membrane 1 and the solid electrolyte membrane 2A by firing by rapid heating treatment. The formation of a metal oxide film can be suppressed. In other words, the dense solid electrolyte membrane 2A can be formed without oxidizing the surface of the hydrogen permeable metal membrane 1. Thereby, the electrical conductivity fall resulting from an oxide film is suppressed, and since the solid electrolyte membrane becomes dense, it can be made excellent in conductive characteristics.

本実施形態の複合膜構造体の製造方法は、実施形態1と同様に、急速昇温熱処理により焼成することにより、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2Aの間に金属酸化物膜の形成されていない複合膜構造体とすることができる。   As in the first embodiment, the method for manufacturing the composite membrane structure of the present embodiment forms a metal oxide film between the hydrogen permeable metal film 1 and the solid electrolyte film 2A by firing by a rapid temperature increase heat treatment. It can be set as the composite film structure which is not made.

さらに、固体電解質膜2Aは、エネルギー線を照射して形成することにより、緻密膜となり、導電特性の優れたものとすることができる。   Furthermore, the solid electrolyte membrane 2A is formed by irradiating with energy rays, thereby forming a dense membrane and having excellent conductive properties.

また、予め水素透過性金属膜の極表面を熱酸化処理して、この表面上に固体電解質膜を形成することにより、低い焼成温度で単相の固体電解質膜を得ることができる。また、900℃以下という低温で焼成して、固体電解質膜を形成することにより、水素透過性金属膜が内部まで酸化するのを抑制することができ、水素透過性金属膜を劣化させることがない。   Further, by subjecting the extreme surface of the hydrogen permeable metal film to thermal oxidation in advance and forming a solid electrolyte film on the surface, a single-phase solid electrolyte film can be obtained at a low firing temperature. Moreover, by baking at a low temperature of 900 ° C. or less to form a solid electrolyte membrane, it is possible to suppress the hydrogen permeable metal film from being oxidized to the inside, and the hydrogen permeable metal film is not deteriorated. .

以上のように、本実施形態の複合膜構造体の製造方法によれば、固体電解質膜を導電率の高いものとすることができ、また、水素透過性金属膜と固体電解質膜との間に金属酸化物膜が形成されないため、発電特性等の電気化学特性に優れた複合膜構造体とすることができる。また、水素透過性金属膜の性能を維持しつつ、単相からなる薄膜の固体電解質膜を実現することができる。これにより、内部抵抗が低く、導電特性等の電気化学特性及び水素透過性に優れた複合膜構造体を製造することができる。   As described above, according to the method for manufacturing a composite membrane structure of the present embodiment, the solid electrolyte membrane can be made to have high conductivity, and between the hydrogen permeable metal membrane and the solid electrolyte membrane. Since the metal oxide film is not formed, a composite film structure having excellent electrochemical characteristics such as power generation characteristics can be obtained. In addition, a thin solid electrolyte membrane composed of a single phase can be realized while maintaining the performance of the hydrogen permeable metal membrane. Thereby, it is possible to produce a composite membrane structure having low internal resistance and excellent electrochemical characteristics such as conductive characteristics and hydrogen permeability.

(実施形態3)
以下、本発明を実施形態3に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態1と同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
(Embodiment 3)
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the third embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same member as Embodiment 1, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

図6は、本実施形態の複合膜構造体の構造を簡単に示した図である。   FIG. 6 is a diagram simply showing the structure of the composite membrane structure of the present embodiment.

本発明にかかる複合膜構造体は、図6に示すように、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2Bとからなり、界面が連続接合した状態となっている。この水素透過性金属膜1及び固体電解質膜2Bは、水素を分離可能な水素透過性の膜である。   As shown in FIG. 6, the composite membrane structure according to the present invention comprises a hydrogen permeable metal membrane 1 and a solid electrolyte membrane 2B, and the interface is in a continuously joined state. The hydrogen permeable metal membrane 1 and the solid electrolyte membrane 2B are hydrogen permeable membranes capable of separating hydrogen.

固体電解質膜2Bは、2価のアルカリ土類金属をAサイトに配し、4価のセリウム及び4価のジルコニウムのうち少なくとも一方をBサイトに配するペロブスカイト型酸化物(ABO)を基本構造とし且つBサイトの一部を3価の希土類元素で置換した結晶構造を有する化合物からなり、実施形態1の固体電解質膜2と同様の方法により形成された第1固体電解質膜21(21A及び21B)と、実施形態2の固体電解質膜2Aと同様の方法により形成された第2固体電解質膜22とを備えるものである。具体的には、図6に示すように、固体電解質膜2Bは、第2固体電解質膜22と、第2固体電解質膜22の両面に設けられる第1固体電解質膜21A及び21Bとから構成されるものである。 The solid electrolyte membrane 2B has a basic structure of a perovskite oxide (ABO 3 ) in which a divalent alkaline earth metal is arranged at the A site and at least one of tetravalent cerium and tetravalent zirconium is arranged at the B site. And a first solid electrolyte membrane 21 (21A and 21B) formed of a compound having a crystal structure in which a part of the B site is substituted with a trivalent rare earth element and formed by the same method as the solid electrolyte membrane 2 of the first embodiment. And the second solid electrolyte membrane 22 formed by the same method as the solid electrolyte membrane 2A of the second embodiment. Specifically, as shown in FIG. 6, the solid electrolyte membrane 2 </ b> B includes a second solid electrolyte membrane 22 and first solid electrolyte membranes 21 </ b> A and 21 </ b> B provided on both surfaces of the second solid electrolyte membrane 22. Is.

第1固体電解質膜21Aと、第2固体電解質膜22と、第1固体電解質膜21Bとは、それぞれ、2価のアルカリ土類金属をAサイトに配し、4価のセリウム及び4価のジルコニウムのうち少なくとも一方をBサイトに配するペロブスカイト型酸化物(ABO)を基本構造とし且つBサイトの一部を3価の希土類元素で置換した結晶構造を有する化合物からなるものである。第1固体電解質膜21A、第2固体電解質膜22、及び第1固体電解質膜21Bは、それぞれが異なる化合物からなるものであってもよいが、同一組成からなるものであるのが好ましい。 The first solid electrolyte membrane 21A, the second solid electrolyte membrane 22, and the first solid electrolyte membrane 21B are respectively arranged with a divalent alkaline earth metal at the A site, and tetravalent cerium and tetravalent zirconium. Of these, a perovskite oxide (ABO 3 ) having at least one of them arranged at the B site as a basic structure and a compound having a crystal structure in which a part of the B site is substituted with a trivalent rare earth element. The first solid electrolyte membrane 21A, the second solid electrolyte membrane 22, and the first solid electrolyte membrane 21B may be made of different compounds, but are preferably made of the same composition.

また、固体電解質膜2Bは、厚さが30μm以下であり、好ましくは10μm以下、より好ましくは3μm以下である。固体電解質膜2Bを薄膜とすることにより、固体電解質膜2Bの内部抵抗を著しく低いものとすることができる。ここで、第2固体電解質膜22の厚さは、例えば、0.5〜2.4μmであり、また、第1固体電解質膜21A及び21Bの厚さは、いずれも第2固体電解質膜22よりも薄いのが好ましく、例えば、0.1〜0.3μmである。   The solid electrolyte membrane 2B has a thickness of 30 μm or less, preferably 10 μm or less, more preferably 3 μm or less. By making the solid electrolyte membrane 2B a thin film, the internal resistance of the solid electrolyte membrane 2B can be made extremely low. Here, the thickness of the second solid electrolyte membrane 22 is, for example, 0.5 to 2.4 μm, and the thickness of each of the first solid electrolyte membranes 21A and 21B is greater than that of the second solid electrolyte membrane 22. Is preferably thin, for example, 0.1 to 0.3 μm.

本実施形態では、水素透過性金属膜1は、厚さ200μmのパラジウムと銀の合金とし、固体電解質膜2Bは、三酸化バリウムセリウム(BaCeO)のセリウムの一部をイットリウム(Y)で置換したBaCe0.90.13−α構造(以下、BCYOとする)からなるものとし、第1固体電解質膜21A及び21Bの厚さはそれぞれ0.25μm、第2固体電解質膜22の厚さは0.88μmとした。 In this embodiment, the hydrogen permeable metal film 1 is an alloy of palladium and silver having a thickness of 200 μm, and the solid electrolyte film 2B is a part of cerium trioxide (BaCeO 3 ) with yttrium (Y). The first solid electrolyte membranes 21A and 21B each have a thickness of 0.25 μm, and the second solid electrolyte membrane 22 has a thickness of BaCe 0.9 Y 0.1 O 3-α structure (hereinafter referred to as BCYO). The thickness was 0.88 μm.

上述した固体電解質膜2Bは、水素透過性金属膜1の熱酸化処理した表面上に塗布法により形成されたものである。ここでいう塗布法とは、前駆体溶液を塗布して焼成する方法のことであり、例えば、MOD法が挙げられる。本実施形態にかかる固体電解質膜2Bは、実施形態1と同様の方法により水素透過性金属膜1の表面に第1固体電解質膜21Aを形成し、この第1固体電解質膜21Aの水素透過性金属膜1とは反対側の面に実施形態2と同様の方法により第2固体電解質膜22を形成し、第2固体電解質膜22の第1固体電解質膜21Aとは反対側の面に実施形態1と同様の方法により第1固体電解質膜21Bを形成することにより、形成したものである。   The above-described solid electrolyte membrane 2B is formed by a coating method on the surface of the hydrogen permeable metal membrane 1 which has been subjected to thermal oxidation treatment. The coating method referred to here is a method of applying a precursor solution and baking it, and examples thereof include a MOD method. In the solid electrolyte membrane 2B according to the present embodiment, the first solid electrolyte membrane 21A is formed on the surface of the hydrogen permeable metal membrane 1 by the same method as in the first embodiment, and the hydrogen permeable metal of the first solid electrolyte membrane 21A is formed. The second solid electrolyte membrane 22 is formed on the surface opposite to the membrane 1 by the same method as in the second embodiment, and the first solid electrolyte membrane 21A on the opposite surface of the second solid electrolyte membrane 22 from the first embodiment. The first solid electrolyte membrane 21B is formed by the same method as described above.

本実施形態にかかる複合膜構造体は、水素透過性金属膜1側には完全には緻密化しておらず、柔軟に追従することができる第1固体電解質膜21Aを備えることにより水素透過性金属膜1との密着性に優れ、また、緻密膜である第2固体電解質膜22を備えることにより高い導電率とすることができるまた、第2固体電解質膜22の第1固体電解質膜21Aとは反対側の面側には、第1固体電解質膜21Bを備えることにより、他方面側に設けられる部材との密着性に優れたものとすることができる。すなわち、本実施形態にかかる複合膜構造体は、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2Bとの優れた密着性と、固体電解質膜2Bの高い導電率とを両立させたものである。これにより、実施形態1及び実施形態2よりもさらに、発電特性に優れたものとすることができる。   The composite membrane structure according to the present embodiment is not completely densified on the hydrogen permeable metal membrane 1 side, and includes a first solid electrolyte membrane 21A that can flexibly follow, thereby providing a hydrogen permeable metal. The first solid electrolyte membrane 21A of the second solid electrolyte membrane 22 is excellent in adhesiveness with the membrane 1 and can have high conductivity by including the second solid electrolyte membrane 22 which is a dense membrane. By providing the first solid electrolyte membrane 21 </ b> B on the opposite surface side, it is possible to achieve excellent adhesion with a member provided on the other surface side. That is, the composite membrane structure according to the present embodiment is a combination of excellent adhesion between the hydrogen permeable metal membrane 1 and the solid electrolyte membrane 2B and high conductivity of the solid electrolyte membrane 2B. Thereby, it can be set as what was further excellent in the electric power generation characteristic rather than Embodiment 1 and Embodiment 2.

本実施形態の複合膜構造体は、例えば、燃料電池に適用することができるものであり、中温域で作動する燃料電池において好適に用いることができるものである。   The composite membrane structure of the present embodiment can be applied to, for example, a fuel cell, and can be suitably used in a fuel cell that operates in an intermediate temperature range.

ここで、複合膜構造体を用いた燃料電池について説明する。図7は、本実施形態の複合膜構造体を用いた燃料電池の構造を示す平面図及び断面図である。   Here, a fuel cell using the composite membrane structure will be described. FIG. 7 is a plan view and a cross-sectional view showing the structure of a fuel cell using the composite membrane structure of the present embodiment.

本実施形態にかかる燃料電池10Bは、図7に示すように、固体電解質膜2Bと、固体電解質膜2Bの一方面側に形成されるアノードとしての水素透過性金属膜1と、固体電解質膜2Bの他方面側に形成されるカソード4とからなる。ここで、水素透過性金属膜1と固体電解質膜2Bは、本発明にかかる複合膜構造体3Bである。かかる燃料電池10Bは、固体電解質膜2Bが水素透過性金属膜1側に第1固体電解質膜21Aを備えていることにより水素透過性金属膜1と固体電解質膜2Bとの密着性に優れ、また、カソード4側に第1固体電解質膜21Bを備えていることによりカソード4と固体電解質膜2Bとの密着性に優れたものとなっている。これにより、発電特性等の電気化学特性に優れたものとなる。また、固体電解質膜2Bが第2固体電解質膜22を備えていることにより、高い導電率を実現することができる。   As shown in FIG. 7, the fuel cell 10B according to the present embodiment includes a solid electrolyte membrane 2B, a hydrogen permeable metal membrane 1 as an anode formed on one side of the solid electrolyte membrane 2B, and a solid electrolyte membrane 2B. The cathode 4 is formed on the other side of the cathode. Here, the hydrogen permeable metal membrane 1 and the solid electrolyte membrane 2B are the composite membrane structure 3B according to the present invention. The fuel cell 10B has excellent adhesion between the hydrogen permeable metal membrane 1 and the solid electrolyte membrane 2B because the solid electrolyte membrane 2B includes the first solid electrolyte membrane 21A on the hydrogen permeable metal membrane 1 side. By providing the first solid electrolyte membrane 21B on the cathode 4 side, the adhesion between the cathode 4 and the solid electrolyte membrane 2B is excellent. Thereby, it becomes the thing excellent in electrochemical characteristics, such as a power generation characteristic. Further, since the solid electrolyte membrane 2B includes the second solid electrolyte membrane 22, high conductivity can be realized.

(他の実施形態)
本発明にかかる複合膜構造体の製造方法は上述したものに限定されるものではない。
(Other embodiments)
The manufacturing method of the composite membrane structure concerning this invention is not limited to what was mentioned above.

例えば、上記実施形態では、塗布工程と乾燥工程を繰返し行うことにより、複数層からなる固体電解質前駆体膜を形成した後に焼成して、固体電解質膜を形成したが、これに限定されるものではない。複数層からなる固体電解質前駆体膜を形成して焼成した後に、再度、塗布工程と乾燥工程を繰返し行うことにより複数層からなる固体電解質前駆体膜を形成して焼成することにより、固体電解質膜を形成するようにしてもよい。これにより、さらに緻密な固体電解質膜を形成することができる。   For example, in the above-described embodiment, the solid electrolyte precursor film composed of a plurality of layers is formed by repeating the coating process and the drying process, and then baked to form the solid electrolyte film. However, the present invention is not limited to this. Absent. After forming and firing a solid electrolyte precursor film composed of a plurality of layers, a solid electrolyte membrane is formed by firing again by forming a solid electrolyte precursor film composed of a plurality of layers by repeating the coating step and the drying step again. May be formed. Thereby, a denser solid electrolyte membrane can be formed.

また、本発明にかかる複合膜構造体は、第1固体電解質膜21及び第2固体電解質膜22のいずれか一方を少なくとも備えるものであればよく、例えば、第1固体電解質膜21と第2固体電解質膜22とを順に複数積層させたものとしてもよい。   In addition, the composite membrane structure according to the present invention only needs to include at least one of the first solid electrolyte membrane 21 and the second solid electrolyte membrane 22. For example, the first solid electrolyte membrane 21 and the second solid electrolyte membrane 21 may be used. A plurality of electrolyte membranes 22 may be stacked in order.

また、本発明にかかる固体電解質膜と水素透過性金属膜とからなる複合膜構造体は燃料電池における電解質として好適なものであるが、水素センサー、水素ポンプ、水蒸気センサーといった他の電気化学デバイスや、排ガス浄化用電気化学デバイスにおける電解質としても好適なものである。   Further, the composite membrane structure comprising the solid electrolyte membrane and the hydrogen permeable metal membrane according to the present invention is suitable as an electrolyte in a fuel cell, but other electrochemical devices such as a hydrogen sensor, a hydrogen pump, a water vapor sensor, It is also suitable as an electrolyte in an electrochemical device for exhaust gas purification.

以下、実施例及び比較例により本発明をさらに具体的に説明するが、これらは本発明の範囲を何ら制限するものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further more concretely, these do not restrict | limit the scope of the present invention at all.

(実施例1)
厚さ0.2mmのPd−Ag合金板(Pd75%−Ag25%)を直径18mmに切り抜き加工し、900℃で10分間加熱処理して、パラジウム系金属膜を得た。
Example 1
A Pd—Ag alloy plate (Pd 75% —Ag 25%) having a thickness of 0.2 mm was cut into a diameter of 18 mm and heat-treated at 900 ° C. for 10 minutes to obtain a palladium-based metal film.

得られたパラジウム系金属膜上に、BaCe0.90.13−aとなるようそれぞれの金属酸塩が調合された酢酸エステル溶液をスピンコート法により塗布し(600rpm×6秒、2000rpm×24秒)(塗布工程)、150℃×3分間加熱した後、250℃で10分間加熱することにより、乾燥させた(乾燥工程)。塗布工程及び乾燥工程を8回繰り返して、所定厚さの固体電解質前駆体膜を形成した。この固体電解質前駆体膜をRTA装置を用いて850℃で30分間加熱して結晶化させることにより、膜厚0.49μmの固体電解質膜を形成し、実施例1の複合膜構造体とした。なお、急速昇温熱処理は、100℃/分の昇温速度で行った。 On the obtained palladium-based metal film, an acetate solution in which each metal acid salt was prepared so as to be BaCe 0.9 Y 0.1 O 3-a was applied by spin coating (600 rpm × 6 seconds, (2000 rpm × 24 seconds) (application process) After heating at 150 ° C. × 3 minutes, it was dried by heating at 250 ° C. for 10 minutes (drying step). The coating process and the drying process were repeated 8 times to form a solid electrolyte precursor film having a predetermined thickness. This solid electrolyte precursor film was crystallized by heating at 850 ° C. for 30 minutes using an RTA apparatus to form a 0.49 μm-thick solid electrolyte film, whereby the composite membrane structure of Example 1 was obtained. The rapid temperature increase heat treatment was performed at a temperature increase rate of 100 ° C./min.

(実施例2)
塗布工程の後にUVを照射し、乾燥工程において150℃×3分間加熱した後、250℃で6分間加熱とした以外は、実施例1と同様にして、実施例2の複合膜構造体とした。なお、UV照射は、低圧水銀ランプ(セン特殊光源社製:SSP17−110,照射距離6cm、14mW/cm)を用いて30秒照射することにより行った。
(Example 2)
The composite film structure of Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that UV irradiation was performed after the coating process, heating was performed at 150 ° C. for 3 minutes in the drying process, and heating was performed at 250 ° C. for 6 minutes. . In addition, UV irradiation was performed by irradiating for 30 seconds using a low-pressure mercury lamp (manufactured by Sen Special Light Source: SSP17-110, irradiation distance 6 cm, 14 mW / cm 2 ).

(実施例3)
厚さ0.2mmのPd−Ag合金板(Pd75%−Ag25%)を直径18mmに切り抜き加工し、900℃で10分間加熱処理して、パラジウム系金属膜を得た。
(Example 3)
A Pd—Ag alloy plate (Pd 75% —Ag 25%) having a thickness of 0.2 mm was cut into a diameter of 18 mm and heat-treated at 900 ° C. for 10 minutes to obtain a palladium-based metal film.

得られたパラジウム系金属膜上に、BaCe0.90.13−aとなるようそれぞれの金属酸塩が調合された酢酸エステル溶液をスピンコート法により塗布し(600rpm×6秒、2000rpm×24秒)(塗布工程)、150℃×3分間加熱した後、250℃で10分間加熱することにより、乾燥させた(乾燥工程)。塗布工程及び乾燥工程を4回繰り返して、所定厚さの固体電解質前駆体膜を形成した。この固体電解質前駆体膜をRTA装置により850℃で30分間加熱して結晶化させることにより、膜厚0.25μmの第1固体電解質膜21Aを形成した。 On the obtained palladium-based metal film, an acetate solution in which each metal acid salt was prepared so as to be BaCe 0.9 Y 0.1 O 3-a was applied by spin coating (600 rpm × 6 seconds, (2000 rpm × 24 seconds) (application process) After heating at 150 ° C. × 3 minutes, it was dried by heating at 250 ° C. for 10 minutes (drying step). The coating process and the drying process were repeated four times to form a solid electrolyte precursor film having a predetermined thickness. The solid electrolyte precursor film was crystallized by heating at 850 ° C. for 30 minutes using an RTA apparatus, thereby forming a first solid electrolyte film 21A having a thickness of 0.25 μm.

次に、第1固体電解質膜21Aの表面に、BaCe0.90.13−aとなるようそれぞれの金属酸塩が調合された酢酸エステル溶液をスピンコート法により塗布した(600rpm×6秒、2000rpm×24秒)(塗布工程)。その後UVを照射し(照射工程)、150℃×3分間加熱した後、250℃で6分間加熱することにより、乾燥させた(乾燥工程)。塗布工程及び乾燥工程を12回繰り返して、所定厚さの固体電解質前駆体膜を形成した。この固体電解質前駆体膜をRTA装置により850℃で30分間加熱して結晶化させることにより、膜厚0.88μmの第2固体電解質膜22を形成した。 Next, on the surface of the first solid electrolyte membrane 21A, an acetate solution in which each metal acid salt was prepared so as to be BaCe 0.9 Y 0.1 O 3-a was applied by spin coating (600 rpm × 6 seconds, 2000 rpm × 24 seconds) (application process). Thereafter, UV was irradiated (irradiation step), heated at 150 ° C. for 3 minutes, and then dried at 250 ° C. for 6 minutes (drying step). The coating process and the drying process were repeated 12 times to form a solid electrolyte precursor film having a predetermined thickness. The solid electrolyte precursor film was crystallized by heating at 850 ° C. for 30 minutes using an RTA apparatus, thereby forming a second solid electrolyte film 22 having a thickness of 0.88 μm.

そして、第2固体電解質膜22の表面に、BaCe0.90.13−aとなるようそれぞれの金属酸塩が調合された酢酸エステル溶液をスピンコート法により塗布し(600rpm×6秒、2000rpm×24秒)(塗布工程)、150℃×3分間加熱した後、250℃で10分間加熱することにより、乾燥させた(乾燥工程)。塗布工程及び乾燥工程を4回繰り返して、所定厚さの固体電解質前駆体膜を形成した。この固体電解質前駆体膜をRTA装置により850℃で30分間加熱して結晶化させることにより、膜厚0.25μmの第1固体電解質膜21Bを形成して、実施例3の複合膜構造体を得た。 Then, the surface of the second solid electrolyte membrane 22, BaCe 0.9 Y 0.1 O 3 -a and so as the respective metal salt is acetate solution formulated by spin coating (600 rpm × 6 Second, 2000 rpm × 24 seconds) (application process), heated at 150 ° C. × 3 minutes, and then dried by heating at 250 ° C. for 10 minutes (drying step). The coating process and the drying process were repeated four times to form a solid electrolyte precursor film having a predetermined thickness. The solid electrolyte precursor film is crystallized by heating at 850 ° C. for 30 minutes with an RTA apparatus to form a first solid electrolyte film 21B having a film thickness of 0.25 μm, and the composite film structure of Example 3 is obtained. Obtained.

なお、RTA装置による急速昇温熱処理は、100℃/分の昇温速度で行った。   Note that the rapid temperature increase heat treatment by the RTA apparatus was performed at a temperature increase rate of 100 ° C./min.

(比較例1)
RTA装置の代わりに、バッチ式電気炉により200℃/時の昇温速度で熱処理し、結晶化させた以外は、実施例1と同様にして比較例1の複合膜構造体を得た。
(Comparative Example 1)
A composite membrane structure of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1 except that heat treatment was performed at a heating rate of 200 ° C./hour using a batch electric furnace instead of the RTA apparatus, and crystallization was performed.

(比較例2)
RTA装置の代わりに、バッチ式電気炉により200℃/時の昇温速度で熱処理し、結晶化させた以外は、実施例2と同様にして比較例2の複合膜構造体を得た。
(Comparative Example 2)
A composite membrane structure of Comparative Example 2 was obtained in the same manner as in Example 2 except that heat treatment was performed at a temperature increase rate of 200 ° C./hour using a batch electric furnace instead of the RTA apparatus, and crystallization was performed.

(試験例1)
実施例1〜2及び比較例1〜2の断面SEM観察をした。図8(a)は、比較例1の反射電子(BSE: backscattered electron)像であり、図8(b)は、比較例2の反射電子像であり、図8(c)は、実施例2の反射電子像であり、図8(d)は、実施例1の反射電子像である。いずれも集束イオンビーム(Focused Ion Beams,FIB)装置(SII社製 SMI3050MS2)によって作製された試料断面である。
(Test Example 1)
The cross-sectional SEM observation of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2 was performed. 8A is a backscattered electron (BSE) image of Comparative Example 1, FIG. 8B is a backscattered electron image of Comparative Example 2, and FIG. 8C is Example 2. FIG. 8D is a reflected electron image of Example 1. All are sample cross-sections produced by a focused ion beam (FIB) apparatus (SMI3050MS2 manufactured by SII).

図8(a)及び図8(b)に示すように、UV照射の有無に関わらず、比較例1及び比較例2では、パラジウム系金属膜上にパラジウム系金属酸化物層が形成されているのが確認された。これに対し、図8(c)及び図8(d)に示すように、RTA装置により結晶化、すなわち、急速昇温処理により結晶化した実施例1及び実施例2では、パラジウム系金属酸化物層が形成されていないことが確認された。より具体的には、実施例1では、図8(d)に示すように、パラジウム系金属酸化物層の形成を抑制しつつポアが存在した状態の固体電解質膜を形成することができており、また、実施例2では、図8(c)に示すように、パラジウム系金属酸化物層の形成が抑制しつつ緻密化した固体電解質膜を形成することができていた。   As shown in FIGS. 8A and 8B, in Comparative Examples 1 and 2, a palladium-based metal oxide layer is formed on the palladium-based metal film regardless of the presence or absence of UV irradiation. It was confirmed. On the other hand, as shown in FIGS. 8 (c) and 8 (d), in Examples 1 and 2 crystallized by an RTA apparatus, that is, crystallized by a rapid temperature raising process, palladium-based metal oxides are used. It was confirmed that no layer was formed. More specifically, in Example 1, as shown in FIG. 8D, a solid electrolyte membrane in which pores existed can be formed while suppressing formation of a palladium-based metal oxide layer. Further, in Example 2, as shown in FIG. 8C, a dense solid electrolyte membrane could be formed while the formation of the palladium-based metal oxide layer was suppressed.

(試験例2)
実施例2及び比較例1〜2の固体電解質膜のXRD回折パターンの比較を行った。なお、測定には、リガク社製の「RINT TTRIII」を用い、X線源にCuKα線を使用し、室温で、固体電解質膜のX線回折パターンを求めた。結果を図9に示す。
(Test Example 2)
The XRD diffraction patterns of the solid electrolyte membranes of Example 2 and Comparative Examples 1 and 2 were compared. For measurement, “RINT TTRIII” manufactured by Rigaku Corporation was used, CuKα ray was used as the X-ray source, and the X-ray diffraction pattern of the solid electrolyte membrane was obtained at room temperature. The results are shown in FIG.

図9に示すように、比較例1及び比較例2では、パラジウム系金属酸化物のピークが確認されたのに対し、実施例2では、パラジウム系金属酸化物のピークが確認されなかった。これより、XRD測定においても、RTA装置により結晶化、すなわち、急速昇温処理により結晶化した実施例2では、パラジウム系金属酸化物層が形成されていないことが確認された。   As shown in FIG. 9, in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the peak of the palladium-based metal oxide was confirmed, whereas in Example 2, the peak of the palladium-based metal oxide was not confirmed. Thus, also in XRD measurement, it was confirmed that no palladium-based metal oxide layer was formed in Example 2, which was crystallized by an RTA apparatus, that is, crystallized by a rapid heating process.

(試験例3)
実施例2及び比較例1〜2の固体電解質膜の導電率をした。導電率の測定は、交流インピーダンス法を用いて、ポテンショガルバノ(東陽テクニカ Solartron1287)と周波数レスポンスアナライザー(FRA,東陽テクニカ Solartron1255)より行った。結果を図10に示す。また、参考のために、参考文献1(H. Iwahara, H. Uchida, K. Kondo, and K. Ogaki, J. Electrochem.Soc., 135(1988)529.)に記載されている厚さ600μmのバルクの導電率も示す。
(Test Example 3)
The electrical conductivity of the solid electrolyte membrane of Example 2 and Comparative Examples 1-2 was measured. The electrical conductivity was measured using a potentiogalvano (Toyo Technica Solartron 1287) and a frequency response analyzer (FRA, Toyo Technica Solartron 1255) using the AC impedance method. The results are shown in FIG. For reference, a thickness of 600 μm described in Reference 1 (H. Iwahara, H. Uchida, K. Kondo, and K. Ogaki, J. Electrochem. Soc., 135 (1988) 529.) The bulk conductivity is also shown.

図10に示すように、比較例2の固体電解質膜と比較して、急速昇温処理を行った実施例2の固体電解質膜は導電率が1桁程度上昇しており、高い導電率を有するものであることが確認された。すなわち、急速昇温処理により結晶化することにより導電率が向上することが確認された。   As shown in FIG. 10, compared with the solid electrolyte membrane of Comparative Example 2, the solid electrolyte membrane of Example 2 subjected to the rapid temperature increase treatment has a conductivity increased by an order of magnitude and has a high conductivity. It was confirmed to be a thing. That is, it has been confirmed that the conductivity is improved by crystallization by the rapid heating process.

また、上述した結果より、実施例1の固体電解質膜の導電率も比較例1の固体電解質膜と比較すると、導電率が上昇すると予測される。   In addition, from the results described above, it is predicted that the conductivity of the solid electrolyte membrane of Example 1 also increases when compared with the solid electrolyte membrane of Comparative Example 1.

(実施例4)
実施例3の複合膜構造体の固体電解質膜の水素透過性金属膜とは反対側の面にBa0.5Sr0.5Co0.8Fe0.23−αからなる直径7mmのカソードをペースト塗布により形成して、実施例4の燃料電池とした。
Example 4
The composite membrane structure of Example 3 having a diameter of 7 mm made of Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3-α on the surface opposite to the hydrogen permeable metal membrane of the solid electrolyte membrane. A cathode was formed by paste application to obtain a fuel cell of Example 4.

(試験例4)
アノード側には燃料ガスとして室温(23℃)でバブリングした湿潤水素を流量100mlmin−1、カソード側には同様にして湿潤空気(酸素・窒素による模擬ガス)を200mlmin−1(O:N = 40:160)流入し試験を行った。試験では、250mVまで50mVごとに分極させ、定電圧分極測定を行った。実施例4の燃料電池の発電性能試験を行った結果を図11に示す。また、参考のために、上記参考文献1に記載されている厚さ600μmのバルクの結果も示す。
(Test Example 4)
Wet hydrogen bubbled at room temperature (23 ° C.) as a fuel gas is flowed to the anode side at a flow rate of 100 ml min −1 , and wet air (simulated gas by oxygen and nitrogen) is similarly given to the cathode side to 200 ml min −1 (O 2 : N 2 = 40: 160) Inflow test was performed. In the test, polarization was measured every 50 mV up to 250 mV, and constant voltage polarization measurement was performed. The results of the power generation performance test of the fuel cell of Example 4 are shown in FIG. In addition, for reference, the result of a bulk having a thickness of 600 μm described in Reference 1 is also shown.

図11に示すように、実施例4の燃料電池は、高温形SOFCの性能に匹敵する電池出力である240mWcm−2(0.7Vにおける)が得られることが確認された。これより、実施例3の複合膜構造体は、中温域において作動する燃料電池として好適なものであることが確認された。 As shown in FIG. 11, it was confirmed that the fuel cell of Example 4 can obtain 240 mWcm −2 (at 0.7 V), which is a battery output comparable to the performance of the high temperature SOFC. From this, it was confirmed that the composite membrane structure of Example 3 was suitable as a fuel cell operating in an intermediate temperature range.

また、図12に示すように、薄膜のBCYOからなる固体電解質膜は、厚膜のBCYOからなる固体電解質膜と比較して、抵抗値が非常に小さく、性能が大幅に向上していることが確認された。   In addition, as shown in FIG. 12, the solid electrolyte membrane made of thin BCYO has a very small resistance value and greatly improved performance as compared with the solid electrolyte membrane made of thick BCYO. confirmed.

(実施例5)
BaCe0.90.13−aとなるようそれぞれの金属酸塩が調合された酢酸エステル溶液の代わりに、BaZr0.90.13−aとなるようそれぞれの金属酸塩が調合された酢酸エステル溶液を用いた以外は、実施例2と同様にして、実施例5の複合膜構造体を得た。
(Example 5)
BaCe 0.9 Y 0.1 O 3-a and so as to place the respective acetate solution metal salt is formulated, each metal oxide to be a BaZr 0.9 Y 0.1 O 3-a A composite membrane structure of Example 5 was obtained in the same manner as Example 2 except that the acetate solution prepared with the salt was used.

(実施例6)
BaCe0.90.13−aとなるようそれぞれの金属酸塩が調合された酢酸エステル溶液の代わりに、Ba(Ce0.7Zr0.30.90.13−aとなるようそれぞれの金属酸塩が調合された酢酸エステル溶液を用いた以外は、実施例2と同様にして、実施例6の複合膜構造体を得た。
(Example 6)
Instead of the acetate solution in which each metal acid salt is prepared to be BaCe 0.9 Y 0.1 O 3-a , Ba (Ce 0.7 Zr 0.3 ) 0.9 Y 0.1 O A composite membrane structure of Example 6 was obtained in the same manner as in Example 2 except that an acetate solution in which each metal acid salt was prepared so as to be 3-a was used.

(試験例5)
実施例2,5,及び6の断面SEM観察をした。図13(a)は、実施例2の反射電子(BSE:backscattered electron)像であり、図13(b)は、実施例6の反射電子像であり、図13(c)は、実施例5の反射電子像である。いずれも集束イオンビーム(Focused Ion Beams,FIB)装置(SII社製 SMI3050MS2)によって作製された試料断面である。
(Test Example 5)
Cross-sectional SEM observation of Examples 2, 5, and 6 was performed. FIG. 13A is a backscattered electron (BSE) image of Example 2, FIG. 13B is a backscattered electron image of Example 6, and FIG. 13C is Example 5. It is a backscattered electron image. All are sample cross-sections produced by a focused ion beam (FIB) apparatus (SMI3050MS2 manufactured by SII).

BaCe0.90.13−aからなる実施例2(図13(a)参照)、Ba(Ce0.7Zr0.30.90.13−aからなる実施例6(図13(b)参照)、BaZr0.90.13−aからなる実施例5(図13(c)参照)は、いずれもパラジウム系金属酸化物層が形成されていないことが確認された。 Example 2 (see FIG. 13A) composed of BaCe 0.9 Y 0.1 O 3-a , Ba (Ce 0.7 Zr 0.3 ) 0.9 Y 0.1 O 3-a In Example 6 (see FIG. 13 (b)) and Example 5 (see FIG. 13 (c)) made of BaZr 0.9 Y 0.1 O 3-a, a palladium-based metal oxide layer is formed. Not confirmed.

(試験例6)
実施例2,5,及び6の固体電解質膜のXRD回折パターンの比較を行った。なお、測定には、リガク社製の「RINT TTRIII」を用い、X線源にCuKα線を使用し、室温で、固体電解質膜のX線回折パターンを求めた。結果を図14に示す。
(Test Example 6)
The XRD diffraction patterns of the solid electrolyte membranes of Examples 2, 5, and 6 were compared. For measurement, “RINT TTRIII” manufactured by Rigaku Corporation was used, CuKα ray was used as the X-ray source, and the X-ray diffraction pattern of the solid electrolyte membrane was obtained at room temperature. The results are shown in FIG.

図14(a)はBaCe0.90.13−aからなる実施例2のX線回折パターンであり、図14(b)はBa(Ce0.7Zr0.30.90.13−aからなる実施例6のX線回折パターンであり、図14(c)はBaZr0.90.13−aからなる実施例5のX線回折パターンであり、図14(d)は、Pd−Ag合金基板のX線回折パターンである。 14A is an X-ray diffraction pattern of Example 2 made of BaCe 0.9 Y 0.1 O 3-a , and FIG. 14B is Ba (Ce 0.7 Zr 0.3 ) 0. 14 is an X-ray diffraction pattern of Example 6 composed of 9 Y 0.1 O 3-a , and FIG. 14C is an X-ray diffraction pattern of Example 5 composed of BaZr 0.9 Y 0.1 O 3-a. FIG. 14D shows an X-ray diffraction pattern of the Pd—Ag alloy substrate.

図14に示すように、実施例2,5,及び6のいずれにおいてもパラジウム系金属酸化物のピークが確認されなかった。   As shown in FIG. 14, no palladium metal oxide peak was observed in any of Examples 2, 5, and 6.

また、実施例5では、BaZr0.90.13−aからなる固体電解質膜が形成されていることが確認された。実施例6では、Ba(Ce0.7Zr0.30.90.13−aからなる固体電解質膜が形成されていることが確認された。 In Example 5, it was confirmed that the solid electrolyte film made of BaZr 0.9 Y 0.1 O 3-a is formed. In Example 6, it was confirmed that the solid electrolyte film made of Ba (Ce 0.7 Zr 0.3) 0.9 Y 0.1 O 3-a is formed.

試験例5及び6より、RTA装置により結晶化、すなわち、急速昇温処理により結晶化して形成したBa(Ce1ーxZr0.90.13−aからなる(X=0〜1)の複合膜構造体は、パラジウム系金属酸化物層が形成されないことが確認された。すなわち、Bサイトにジルコニウムを配した場合も、Bサイトにセリウムを配する場合と同様に、急速昇温熱処理により900℃以下の低温で焼成することにより、所望の固体電解質膜を形成することができると共に、パラジウム系金属酸化物層が形成されないことが確認された。 From Test Examples 5 and 6, crystallized by RTA apparatus, i.e., by rapid thermal treatment consisting of Ba formed by crystallization (Ce 1 over x Zr x) 0.9 Y 0.1 O 3-a (X = It was confirmed that the composite film structure of 0-1) was not formed with a palladium-based metal oxide layer. That is, even when zirconium is arranged at the B site, a desired solid electrolyte membrane can be formed by firing at a low temperature of 900 ° C. or less by rapid temperature rising heat treatment, as in the case of arranging cerium at the B site. It was confirmed that the palladium-based metal oxide layer was not formed.

1 水素透過性金属膜(Pd−Ag膜)
2,2A,2B 固体電解質膜(BCYO膜)
3,3A,3B 複合膜構造体
4 カソード
10,10A,10B 燃料電池
A 改質ガス
B 酸化剤ガス
1 Hydrogen permeable metal membrane (Pd-Ag membrane)
2,2A, 2B Solid electrolyte membrane (BCYO membrane)
3, 3A, 3B Composite membrane structure 4 Cathode 10, 10A, 10B Fuel cell A Reformed gas B Oxidant gas

Claims (8)

水素透過性金属膜と固体電解質膜とからなる複合膜構造体であって、
前記固体電解質膜は、前記水素透過性金属膜を800〜900℃で5〜10分の条件で熱酸化処理した表面上に設けられた塗布法によるものであり、2価のアルカリ土類金属をAサイトに配し、4価のセリウム及び4価のジルコニウムのうち少なくとも一方をBサイトに配するペロブスカイト型酸化物を基本構造とし且つ4価のBサイト元素の一部を3価の希土類元素で置換した結晶構造を有する化合物からなり、
前記固体電解質膜は、アルカリ土類金属と、セリウム及びジルコニウムのうち少なくとも一方と、希土類元素と、を含む相対密度80〜90%の第1固体電解質膜を前記水素透過性金属膜に接触して備えることを特徴とする複合膜構造体。
A composite membrane structure comprising a hydrogen permeable metal membrane and a solid electrolyte membrane,
The solid electrolyte membrane is formed by a coating method provided on a surface obtained by thermally oxidizing the hydrogen permeable metal membrane at 800 to 900 ° C. for 5 to 10 minutes , and a divalent alkaline earth metal is used. A perovskite oxide, which is arranged at the A site and at least one of tetravalent cerium and tetravalent zirconium is arranged at the B site, has a basic structure, and part of the tetravalent B site elements are trivalent rare earth elements. A compound having a substituted crystal structure,
The solid electrolyte membrane, A alkaline earth metal, and at least one of cerium and zirconium, in contact with a rare earth element, a first solid electrolyte membrane relative density 80-90% including said hydrogen-permeable metal membrane composite membrane structure, characterized in that it comprises Te.
前記固体電解質膜は、前記第1固体電解質膜上に設けられた相対密度95%以上の第2固体電解質膜をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の複合膜構造体。   2. The composite membrane structure according to claim 1, wherein the solid electrolyte membrane further includes a second solid electrolyte membrane having a relative density of 95% or more provided on the first solid electrolyte membrane. 前記固体電解質膜は、1以上の前記第1固体電解質膜と、1以上の前記第2固体電解質膜とからなることを特徴とする請求項2に記載の複合膜構造体。   The composite membrane structure according to claim 2, wherein the solid electrolyte membrane is composed of one or more first solid electrolyte membranes and one or more second solid electrolyte membranes. 前記固体電解質膜は、前記第2固体電解質膜と、前記第2固体電解質膜の両面に設けられる前記第1固体電解質膜とから構成されることを特徴とする請求項2又は3に記載の複合膜構造体。   4. The composite according to claim 2, wherein the solid electrolyte membrane includes the second solid electrolyte membrane and the first solid electrolyte membrane provided on both surfaces of the second solid electrolyte membrane. 5. Membrane structure. 前記アルカリ土類金属は、バリウム(Ba)及びストロンチウム(Sr)の少なくとも一方であることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の複合膜構造体。 The alkaline earth metal is barium (Ba) and composite film structure according to any one of claims 1 to 4, characterized in that at least one of strontium (Sr). 前記3価の希土類元素は、イッテルビウム(Yb)、エルビウム(Er)、イットリウム(Y)、ディスプロシウム(Dy)、ガドリニウム(Gd)、サマリウム(Sm)、及びネオジム(Nd)からなる群より選択される少なくとも1つであることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の複合膜構造体。 The trivalent rare earth element is selected from the group consisting of ytterbium (Yb), erbium (Er), yttrium (Y), dysprosium (Dy), gadolinium (Gd), samarium (Sm), and neodymium (Nd). The composite membrane structure according to any one of claims 1 to 5 , wherein the composite membrane structure is at least one. 前記水素透過性金属膜が、パラジウム系金属膜であることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の複合膜構造体。 The composite membrane structure according to any one of claims 1 to 6 , wherein the hydrogen permeable metal membrane is a palladium-based metal membrane. 請求項1〜のいずれか一項に記載の複合膜構造体を具備し、前記固体電解質膜の前記水素透過性金属膜とは反対側の面にカソードを備え、前記水素透過性金属膜がアノードとなっていることを特徴とする燃料電池。
A composite membrane structure according to any one of claims 1 to 7 , comprising a cathode on a surface of the solid electrolyte membrane opposite to the hydrogen permeable metal membrane, wherein the hydrogen permeable metal membrane is A fuel cell characterized by being an anode.
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