(57)【要約】【課題】  固体電解質を破損を防止することができ、かつ、固体電解質と電極との接触抵抗を低減させることができる燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】  燃料電池の製造方法は、セラミックスからなる固体電解質（２）の表面を電極材料粒（３）によって削って凹部（４）を形成するとともに凹部（４）に電極材料粒（３）を残存させる第１の工程と、第１の工程の後に、固体電解質（２）表面に電極材料粒（３）と同じ材料からなる電極（５）を形成する第２の工程とを含むことを特徴とする。この場合、電極材料粒（３）と固体電解質（２）との密着性が高くなる。それにより、電極（５）と固体電解質（２）との密着性も向上する。また、固体電解質（２）の表面が研磨されつつ凹部（４）に電極材料粒（３）が押し込まれることから、固体電解質（２）の破損が抑制される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスからなる固体電解質の表面を電極材料粒によって削って凹部を形成するとともに前記凹部に前記電極材料粒を残存させる第１の工程と、
前記第１の工程の後に、前記固体電解質表面に前記電極材料粒と同じ材料からなる電極を形成する第２の工程とを含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項２】
前記第１の工程は、前記電極材料粒で前記固体電解質表面を擦る工程であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３】
前記第１の工程と前記第２の工程との間に、前記固体電解質の少なくとも表面近傍に対して熱処理を施す工程をさらに含むことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の製造方法。
【請求項４】
前記熱処理は、パルスレーザを用いた熱処理であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池の製造方法。
【請求項５】
前記第２の工程は、前記固体電解質表面に前記電極材料粒と同じ材料からなる電極をゾルゲル法により形成する工程であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池は、例えば、アノードとカソードとにより電解質が挟持された発電部がセパレータを介して積層される構造を有する。この燃料電池においては、アノードおよびカソードと電解質との接触抵抗を低減させることが課題となっている。そこで、焼成前の固体電解質（グリーンシート）の表面に電極材料粒を圧着により埋め込んだ後に電極成形体を積層し、固体電解質を焼成する燃料電池の製造方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、電極と固体電解質との接触界面が粗面化することによって、実行電極面積が向上する。したがって、燃料電池の発電特性が向上する。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１２２４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、セラミックスからなる固体電解質に対して圧着により電極材料粒を埋め込むと、圧着時の荷重により固体電解質が破損するおそれがある。
【０００６】
本発明は、固体電解質の破損を防止することができ、かつ、固体電解質と電極との接触抵抗を低減させることができる燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池の製造方法は、セラミックスからなる固体電解質の表面を電極材料粒によって削って凹部を形成するとともに凹部に電極材料粒を残存させる第１の工程と、第１の工程の後に、固体電解質表面に電極材料粒と同じ材料からなる電極を形成する第２の工程とを含むことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池の製造方法においては、セラミックスからなる固体電解質の表面が電極材料粒によって削られることによって固体電解質表面に凹部が形成されるとともに、凹部に電極材料粒が残存する。さらに、凹部に残存する電極材料粒と同じ材料からなる電極が固体電解質表面に形成される。それにより、電極と固体電解質との密着性が向上する。したがって、固体電解質と電極との接触面における接触抵抗が低減される。また、固体電解質の表面が削られつつ凹部に電極材料粒が残存することから、電極材料粒から固体電解質に対してかかる圧力が抑制される。それにより、固体電解質の破損が抑制される。以上のことから、固体電解質の破損を防止しつつ、固体電解質と電極との密着性を向上させることができる。
【０００９】
第１の工程は、電極材料粒で固体電解質表面を擦る工程であってもよい。この場合、固体電解質表面に対する電極材料粒による垂直方向の圧力が過大となることが防止される。したがって、固体電解質の破損が抑制される。
【００１０】
第１の工程と第２の工程との間に、固体電解質の少なくとも表面近傍に対して熱処理を施す工程をさらに含んでいてもよい。この場合、固体電解質と電極材料粒との密着性が向上する。したがって、固体電解質と電極との密着性も向上する。
【００１１】
熱処理は、パルスレーザを用いた熱処理であってもよい。この場合、固体電解質の表面近傍だけが熱処理される。したがって、固体電解質以外の部材が熱劣化することが防止される。
【００１２】
第２の工程は、固体電解質表面に電極材料粒と同じ材料からなる電極をゾルゲル法により形成する工程であってもよい。この場合、固体電解質表面に残存する電極材料粒が核となることから、電極の形成が容易になる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、固体電解質の破損を防止しつつ、固体電解質と電極との密着性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、第１実施例に係る燃料電池の製造方法について説明するためのフロー図である。まず、図１（ａ）に示すように、水素透過性金属基板１上に固体電解質膜２を成膜する。固体電解質膜２は、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ゾルゲル、めっき、溶射、エアロゾルデポジション等の薄膜コート法により成膜することができる。水素透過性金属基板１は、水素透過性の緻密な金属からなる。水素透過性金属基板１に用いる金属としては、例えば、パラジウム、バナジウム、チタン、タンタル等の水素透過性金属を用いることができる。また、固体電解質膜２は、ＢａＣｅＯ３，ＳｒＣｅＯ３，ＢａＺｒＯ３，ＳｒＺｒＯ３等のプロトン伝導性材料から構成される。固体電解質膜２の膜厚は、例えば、２μｍ程度である。
【００１６】
次に、図１（ｂ）に示すように、複数の電極材料粒３を固体電解質膜２上に吹付ける。電極材料粒３は、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４ＭｎＯ３，Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３，Ｌａ０．６Ｓｒ０．４ＣｏＯ３等の導電性材料から構成される。電極材料粒３の平均粒径は、例えば、０．０５μｍ〜０．５μｍ程度である。固体電解質膜２の上面に対する電極材料粒３の吹付け角度は特に限定されないが、固体電解質膜２に対して平行に吹付けることが好ましい。この場合、電極材料粒３から固体電解質膜２にかかる圧力が抑制されることから、固体電解質膜２の破損が防止される。
【００１７】
固体電解質膜２上に電極材料粒３を吹付けると、図１（ｃ）に示すように、固体電解質膜２の上面が電極材料粒３により削られる。それにより、固体電解質膜２の上面が粗面化され、固体電解質膜２の上面に複数の凹部４が形成される。その結果、図１（ｄ）に示すように、凹部４に電極材料粒３が残存する。この場合、圧着により電極材料粒３を固体電解質膜２に埋め込む場合に比較して、電極材料粒３から固体電解質膜２に対してかかる圧力を抑制することができる。それにより、固体電解質２の破損が防止される。
【００１８】
なお、電極材料粒３は、凹部４に押し込まれていることが好ましい。電極材料粒３と固体電解質膜２との密着性が向上するからである。また、凹部４に押し込まれた電極材料粒３が凹部４に保持されていることがより好ましい。電極材料粒３と固体電解質膜２との密着性がさらに向上するからである。
【００１９】
この状態で、固体電解質膜２に対して熱処理を施す。それにより、固体電解質膜２と電極材料粒３とが反応し、固体電解質膜２と電極材料粒３との反応層が形成される。したがって、固体電解質膜２と電極材料粒３との密着性が向上する。また、凹部４に押し込まれた電極材料粒３と固体電解質膜２との密着性はさらに向上する。
【００２０】
なお、パルスレーザ処理等のレーザ処理により固体電解質膜２の表面近傍に対して熱処理を行えば、水素透過性金属基板１に酸化等の熱劣化が発生することを防止することができる。したがって、固体電解質膜２に対する熱処理は、パルスレーザ処理等のレーザ処理により固体電解質膜２の表面近傍に対して行うことが好ましい。
【００２１】
次いで、図１（ｅ）に示すように、固体電解質膜２の上面上にカソード５を形成する。カソード５は、電極材料粒３と同じ材料から構成される。カソード５は、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等により形成することができる。この場合、電極材料粒３と固体電解質膜２との密着性が高いことから、カソード５と固体電解質膜２との密着性も向上する。それにより、固体電解質膜２とカソード５との接触面における接触抵抗が低減される。
【００２２】
なお、ゾルゲル法によりカソード５を形成する場合、電極材料粒３が核となることから、カソード５の成長が容易になる。したがって、カソード５は、ゾルゲル法により形成することが好ましい。
【００２３】
次に、図１（ｆ）に示すように、水素透過性金属基板１の下面にアノード６を形成する。アノード６は、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等により形成することができる。以上の工程により、燃料電池１００が完成する。
【００２４】
以上のことから、本実施例に係る燃料電池の製造方法においては、固体電解質膜２の破損を防止しつつ、固体電解質膜２とカソード５との密着性を向上させることができる。
【００２５】
なお、本実施例においては、電極材料粒３を固体電解質膜２の上面に吹付けることによって固体電解質膜２の上面を粗面化させているが、それに限られない。例えば、電極材料粒３を含有する有機溶媒をペースト状にし、そのペースト状材料によって固体電解質膜２を研磨することによって固体電解質膜２の上面を粗面化させることもできる。さらに、固体電解質膜２が上面に形成された水素透過性金属基板１を電極材料粒３を含有する溶液に浸し、電極材料粒３をこの溶液中で超音波振動させることによって固体電解質膜２の上面を粗面化させることもできる。その他、電極材料粒３によって固体電解質膜２の上面を研磨することによって固体電解質膜２の上面を粗面化させることができる方法であればどのような方法でも用いることができる。
【００２６】
また、従来技術のようにグリーンシートを用いて固体電解質を作製すると、固体電解質の膜厚が大きくなる。それにより、固体電解質の膜抵抗が大きくなる。一方、本実施例に係る燃料電池１００のように水素透過性金属基板上にセラミックスからなる固体電解質膜を作製すると、固体電解質膜の膜厚を小さくすることができる。それにより、固体電解質膜の膜抵抗が小さくなる。しかしながら、セラミックスからなる固体電解質膜は、グリーンシートよりも硬くなることから、電極材料粒子を圧着させようとすると破損するおそれがある。以上のことから、本発明は、本実施例に係る燃料電池１００のように膜厚および膜抵抗が小さい固体電解質膜を用いた燃料電池を製造する際に特に効果を発揮する。
【実施例２】
【００２７】
図２は、第２実施例に係る燃料電池の製造方法について説明するためのフロー図である。まず、図２（ａ）に示すように、固体電解質基板１１を用意する。固体電解質基板１１は、ＢａＣｅＯ３，ＳｒＣｅＯ３，ＢａＺｒＯ３，ＳｒＺｒＯ３等の固体電解質から構成される。
【００２８】
次に、図２（ｂ）に示すように、実施例１と同様の方法により、複数の電極材料粒１２を用いて固体電解質基板１１の一面を粗面化させる。それにより、固体電解質基板１１の一面に複数の凹部１３が形成される。その結果、凹部１３に電極材料粒１２が残存する。電極材料粒１２は、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４ＭｎＯ３，Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３，Ｌａ０．６Ｓｒ０．４ＣｏＯ３等の導電性材料から構成される。電極材料粒１２の平均粒径は、例えば、０．０５μｍ〜０．５μｍ程度である。この場合、電極材料粒１２の固体電解質基板１１に対する圧力が抑制されることから、固体電解質基板１１の破損が防止される。
【００２９】
次いで、図２（ｃ）に示すように、固体電解質基板１１に対して熱処理を施す。それにより、固体電解質基板１１と電極材料粒１２とが反応することによって固体電解質基板１１と電極材料粒１２との反応層が形成される。したがって、固体電解質基板１１と電極材料粒１２との密着性が向上する。
【００３０】
次に、図２（ｄ）に示すように、固体電解質基板１１の一面上にカソード１４を形成する。カソード１４は、電極材料粒１２と同じ材料から構成される。カソード１４は、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等により形成することができる。この場合、電極材料粒１２と固体電解質基板１１との密着性が高いことから、カソード１４と固体電解質基板１１との密着性も向上する。それにより、固体電解質基板１１とカソード１４との接触面における接触抵抗が低減される。
【００３１】
次いで、図２（ｅ）に示すように、図２（ｂ）と同様の方法により、複数の電極材料粒１２を用いて固体電解質基板１１の他面を粗面化させる。それにより、固体電解質基板１１の他面に複数の凹部１５が形成される。その結果、凹部１５に電極材料粒１２が残存する。この場合、電極材料粒１２の固体電解質基板１１に対する圧力が過大になることが抑制されることから、固体電解質基板１１の破損が防止される。
【００３２】
次に、図２（ｆ）に示すように、固体電解質基板１１に対して熱処理を施す。それにより、固体電解質基板１１と電極材料粒１２とが反応することによって固体電解質基板１１と電極材料粒１２との反応層が形成される。したがって、固体電解質基板１１と電極材料粒１２との密着性が向上する。
【００３３】
次いで、図２（ｇ）に示すように、図２（ｄ）と同様の方法により、アノード１６を形成する。アノード１６は、電極材料粒１２と同じ材料から構成される。この場合、電極材料粒１２と固体電解質基板１１との密着性が高いことから、アノード１６と固体電解質基板１１との密着性も向上する。それにより、固体電解質基板１１とカソード１６との接触面における接触抵抗が低減される。
【００３４】
以上の工程により、燃料電池１００ａが完成する。本実施例に係る燃料電池の製造方法においては、固体電解質基板１１の破損を防止しつつ、固体電解質基板１１とカソード１４およびアノード１６との密着性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１実施例に係る燃料電池の製造方法について説明するためのフロー図である。
【図２】第２実施例に係る燃料電池の製造方法について説明するためのフロー図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  水素透過性金属基板
２  固体電解質膜
３，１２  電極材料粒
４，１３，１５  凹部
５，１４  カソード
１６  アノード
１１  固体電解質基板
１００，１００ａ  燃料電池
【図１】
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【図２】
2006252826.tif 000004