(57)【要約】【課題】  短絡が生じることを抑制できる水素分離膜−電解質膜接合体および燃料電池ならびにそれらの製造方法を提供する。【解決手段】  本発明に係る水素分離膜−電解質膜接合体（５０）の製造方法は、プロトン伝導性を有する電解質材料（２０）と水素透過性を有する水素分離膜（１０）とを接合する接合工程を含むことを特徴とするものである。本発明に係る製造方法においては、電解質膜を気相成膜法により成膜する必要がない。この場合、電解質膜（２５）における間隙の発生を抑制することができる。したがって、電解質膜（２５）上に電極を成膜した場合に、水素分離膜（１０）と電極との短絡を抑制することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性を有する電解質材料と水素透過性を有する水素分離膜とを接合する接合工程を含むことを特徴とする水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法。
【請求項２】
前記接合工程後に前記電解質材料を層状に研磨する研磨工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法。
【請求項３】
前記電解質材料は、焼結体であることを特徴とする請求項１または２記載の水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法。
【請求項４】
前記接合工程は、熱圧着またはマイクロ波による誘電加熱によって、前記電解質材料に前記水素分離膜を接合する工程であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法。
【請求項５】
前記接合工程は、前記電解質材料に前記水素分離膜を気相成膜法により成膜する工程であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法。
【請求項６】
前記接合工程は、前記電解質材料に前記水素分離膜をゾルゲル法により成膜する工程であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法。
【請求項７】
前記接合工程後に前記水素分離膜に熱処理を施す熱処理工程をさらに含むことを特徴とする請求項６記載の水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法で製造された水素分離膜−電解質膜接合体の前記電解質膜上にカソードを形成する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項９】
水素透過性を有する水素分離膜と、
前記水素分離膜上に設けられ、焼結体からなり、プロトン伝導性を有する電解質膜と、を備えることを特徴とする水素分離膜−電解質膜接合体。
【請求項１０】
水素透過性を有する水素分離膜と、
前記水素分離膜上に設けられ、焼結体からなり、プロトン伝導性を有する電解質膜と、
前記電解質膜上に設けられたカソードと、を備えることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素分離膜−電解質膜接合体および燃料電池ならびにそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池のうち固体の電解質を用いたものには、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、水素分離膜電池等がある。ここで、水素分離膜電池とは、緻密な水素分離膜を備えた燃料電池である。緻密な水素分離膜は水素透過性を有する金属によって形成される層であり、アノードとしても機能する。水素分離膜電池は、この水素分離膜上にプロトン伝導性を有する電解質膜が成膜された構造をとっている。水素分離膜に供給された水素はプロトンに変換され、プロトン伝導性の電解質膜中を移動し、カソードにおいて酸素と結合して発電が行われる。
【０００４】
水素分離膜電池において、水素分離膜上に電解質膜を成膜する方法としては、例えば物理蒸着（ＰＶＤ）等の気相成膜法が用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３０２４２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、気相成膜法により成膜された電解質膜は柱状結晶構造をとりやすい。電解質膜が柱状結晶構造からなる場合、柱状結晶間に間隙が生じることが考えられる。柱状結晶間に間隙が生じると、電解質膜上にカソードを形成した場合に、カソードが間隙に浸入する場合がある。この場合、水素分離膜とカソードとが短絡するおそれがある。
【０００７】
本発明は、短絡が生じることを抑制できる水素分離膜−電解質膜接合体および燃料電池ならびにそれら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】
【０００８】
本発明に係る水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法は、プロトン伝導性を有する電解質材料と水素透過性を有する水素分離膜とを接合する接合工程を含むことを特徴とするものである。本発明に係る製造方法においては、電解質膜を気相成膜法により成膜する必要がない。この場合、電解質膜における間隙の発生を抑制することができる。したがって、電解質膜上に電極を成膜した場合に、水素分離膜と電極との短絡を抑制することができる。
【０００９】
上記製造方法において、接合工程後に、電解質材料を層状に研磨する研磨工程をさらに含むものであってもよい。また、上記製造方法において、電解質材料は、焼結体であってもよい。この場合、電解質材料における間隙の発生を抑制することができる。
【００１０】
上記製造方法において、接合工程は、熱圧着またはマイクロ波による誘電加熱によって、電解質材料に水素分離膜を接合する工程であってもよい。上記製造方法において、接合工程は、電解質材料に水素分離膜を気相成膜法により成膜する工程であってもよい。
【００１１】
上記製造方法において、接合工程は、電解質材料に水素分離膜をゾルゲル法により成膜する工程であってもよい。上記製造方法において、接合工程後に水素分離膜に熱処理を施す熱処理工程をさらに含むものであってもよい。この製造方法によれば、ゾルゲル法により成膜された水素分離膜をより緻密な構造にすることができる。
【００１２】
本発明に係る燃料電池の製造方法は、請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法で製造された水素分離膜−電解質膜接合体の電解質膜上にカソードを形成する工程を含むことを特徴とするものである。本発明に係る製造方法においては、電解質膜を気相成膜法により成膜する必要がない。したがって、電解質膜における間隙の発生を抑制することができる。したがって、水素分離膜とカソードとの短絡を抑制することができる。
【００１３】
本発明に係る水素分離膜−電解質膜接合体は、水素透過性を有する水素分離膜と、水素分離膜上に設けられ、焼結体からなり、プロトン伝導性を有する電解質膜と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る水素分離膜−電解質膜接合体においては、電解質膜は焼結体からなる。この場合、気相成膜法により成膜された電解質膜に比較して間隙の発生を抑制することができる。したがって、電解質膜上に電極を成膜した場合に、水素分離膜と電極との短絡を抑制することができる。
【００１４】
本発明に係る燃料電池は、水素透過性を有する水素分離膜と、水素分離膜上に設けられ、焼結体からなり、プロトン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜上に設けられたカソードと、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池においては、電解質膜は焼結体からなる。この場合、気相成膜法により成膜された電解質膜に比較して間隙の発生を抑制することができる。したがって、水素分離膜とカソードとの短絡を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、短絡が生じることを抑制できる水素分離膜−電解質膜接合体および燃料電池ならびにそれらの製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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】
【００１７】
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、本発明の第１実施例に係る水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法を示す模式図である。まず、図１（ａ）に示すように、水素分離膜１０および電解質材料２０を準備する。水素分離膜１０は、水素を選択的に透過する水素透過性金属からなる。水素分離膜１０としては、例えばパラジウム（Ｐｄ）を用いることができる。水素分離膜１０の膜厚は、特に限定されないが、例えば数十μｍ程度である。
【００１８】
電解質材料２０は、プロトン伝導性を有するバルク状の電解質からなる。バルク状の電解質材料２０は、焼結によって作製することができる。例えば、電解質材料２０としてＳｒＺｒＩｎＯ３を用いる場合、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）および酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）を焼結させることによって、電解質材料２０を作製することができる。電解質材料２０の厚さは、特に限定されないが、例えば１ｍｍ程度である。
【００１９】
次に、図１（ｂ）に示すように、電解質材料２０に水素分離膜１０を接合する。本実施例においては、接合方法として、熱圧着によって電解質材料２０に水素分離膜１０を接合する方法を用いることができる。具体的には、電解質材料２０および水素分離膜１０に、熱を加えながらプレス加工を施す。それにより、電解質材料２０に水素分離膜１０を接合することができる。
【００２０】
あるいは、電解質材料２０に水素分離膜１０を接合する方法としては、例えば、マイクロ波による誘電加熱による方法を用いることができる。具体的には、電解質材料２０と水素分離膜１０とを重ね合わせた後に、電解質材料２０および水素分離膜１０にマイクロ波を印加する。それにより、電解質材料２０および水素分離膜１０が誘電加熱される。その結果、電解質材料２０に水素分離膜１０を接合することができる。
【００２１】
次に、図１（ｃ）に示すように、電解質材料２０を層状に研磨する。研磨方法としては、例えば、物理研磨、アルゴンイオンミリング等による方法を用いることができる。電解質材料２０を層状になるまで研磨することにより、電解質膜２５が形成される。電解質膜２５の膜厚は、特に限定されないが、例えば１μｍ程度である。以上の工程により、本実施例に係る水素分離膜−電解質膜接合体５０が完成する。
【００２２】
本実施例に係る製造方法においては、電解質膜を気相成膜法により成膜する必要がない。したがって、電解質膜２５における間隙の発生を抑制することができる。特に、電解質膜２５は焼結体からなる。この場合、気相成膜法により成膜された電解質膜に比較して間隙の発生を抑制することができる。したがって、電解質膜２５上に電極を成膜した場合に、水素分離膜１０と電極との短絡を抑制することができる。
【実施例２】
【００２３】
続いて、本発明の第２実施例に係る水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法について説明する。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、本発明の第２実施例に係る水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法を示す模式図である。まず、図２（ａ）に示すように、電解質材料２０を準備する。電解質材料２０については、図１（ａ）で説明した電解質材料２０と同じ構成であるため、説明を省略する。
【００２４】
次に、図２（ｂ）に示すように、電解質材料２０に水素分離膜１０を接合する。本実施例においては、電解質材料２０に水素分離膜１０を気相成膜法により成膜する。それにより、電解質材料２０に水素分離膜１０を接合することができる。気相成膜法として、例えば、パルスレーザ成膜法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等のＰＶＤ法を用いることができる。あるいは化学蒸着法（ＣＶＤ）を用いることができる。水素分離膜１０の膜厚は、特に限定されないが、例えば２０μｍ程度である。
【００２５】
次に、図２（ｃ）に示すように、電解質材料２０を層状に研磨する。それにより、電解質膜２５が形成される。なお、図２（ｃ）の研磨工程は、図１（ｃ）の研磨工程と同じ方法を用いることができるため、説明を省略する。以上の工程により、本実施例に係る水素分離膜−電解質膜接合体５０ａが完成する。
【００２６】
本実施例に係る製造方法においては、電解質膜を気相成膜法により成膜する必要がない。したがって、電解質膜２５における間隙の発生を抑制することができる。特に、電解質膜２５は焼結体からなる。この場合、気相成膜法により成膜された電解質膜に比較して間隙の発生を抑制することができる。したがって、電解質膜２５上に電極を成膜した場合に、水素分離膜１０と電極との短絡を抑制することができる。
【実施例３】
【００２７】
続いて、本発明の第３実施例に係る水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法について説明する。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、本発明の第３実施例に係る水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法を示す模式図である。まず、図３（ａ）に示すように、電解質材料２０を準備する。電解質材料２０については、図１（ａ）で説明した電解質材料２０と同じ構成であるため、説明を省略する。
【００２８】
次に、図３（ｂ）に示すように、電解質材料２０に水素分離膜１０を接合する。本実施例においては、電解質材料２０に水素分離膜１０をゾルゲル法により成膜する。それにより、電解質材料２０に水素分離膜１０を接合することができる。水素分離膜１０の膜厚は、特に限定されないが、例えば２０μｍ程度である。
【００２９】
次に、図３（ｃ）に示すように、水素分離膜１０に熱処理を施す。熱処理方法は、特に限定されないが、例えば、水素分離膜１０および電解質材料２０を電気炉で加熱する方法等を用いることができる。それにより、水素分離膜１０をより緻密な構造にすることができる。
【００３０】
次に、図３（ｄ）に示すように、電解質材料２０を層状に研磨する。それにより、電解質膜２５が形成される。なお、図３（ｄ）の研磨工程は、図１（ｃ）の研磨工程と同じ方法を用いることができるため、説明を省略する。以上の工程により、本実施例に係る水素分離膜−電解質膜接合体５０ｂが完成する。
【００３１】
本実施例に係る製造方法においては、電解質膜を気相成膜法により成膜する必要がない。したがって、電解質膜２５における間隙の発生を抑制することができる。特に、電解質膜２５は焼結体からなる。この場合、気相成膜法により成膜された電解質膜に比較して間隙の発生を抑制することができる。したがって、電解質膜２５上に電極を成膜した場合に、水素分離膜１０と電極との短絡を抑制することができる。
【実施例４】
【００３２】
続いて、本発明の第４実施例に係る燃料電池の製造方法について説明する。図４（ａ）および図４（ｂ）は、本発明の第４実施例に係る燃料電池の製造方法を示す模式図である。まず、図４（ａ）に示すように、水素分離膜−電解質膜接合体５０ｃを準備する。水素分離膜−電解質膜接合体５０ｃは、実施例１〜実施例３のそれぞれの製造方法で製造された水素分離膜−電解質膜接合体５０，５０ａ，５０ｂのいずれかを用いることができる。
【００３３】
次に、図４（ｂ）に示すように、水素分離膜−電解質膜接合体５０ｃの電解質膜２５上にカソード３０を形成する。カソード３０としては、例えば、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４ＣｏＯ３、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＦｅＯ３等のセラミックスを用いることができる。カソード３０は、例えば、気相成膜法により形成することができる。以上の工程により、本実施例に係る燃料電池１００が完成する。なお、燃料電池１００において、水素分離膜１０は、電解質膜２５を支持および補強する支持体として機能するとともに、アノードとしても機能する。
【００３４】
本実施例に係る製造方法においては、電解質膜を気相成膜法により成膜する必要がない。したがって、電解質膜２５における間隙の発生を抑制することができる。特に、電解質膜２５は焼結体からなる。この場合、気相成膜法により成膜された電解質膜に比較して間隙の発生を抑制することができる。したがって、水素分離膜１０とカソード３０との短絡を抑制することができる。
【００３５】
なお、実施例１〜実施例３において、水素分離膜１０として、Ｐｄの他に、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）等の金属、またはこれらの合金を用いることができる。
【００３６】
また、実施例１においては、水素分離膜１０として、Ｐｄ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ等の水素透過性金属層の２面のうち、電解質材料２０が接合される側の面上に、水素解離能を有するＰｄ、Ｐｄ合金等の膜が形成されたものを用いてもよい。また、実施例１においては、水素分離膜１０は、自立膜であってもよく、多孔質状の卑金属板によって支持されていてもよい。
【００３７】
また、実施例１〜実施例３において、電解質材料２０として、ペロブスカイト型電解質（ＳｒＺｒＩｎＯ３等）の他に、パイロクロア型電解質（Ｌｎ２Ｚｒ２Ｏ７（Ｌｎ：Ｌａ（ランタン）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｓｍ（サマリウム）等））、モナザイト型希土類オルトリン酸塩電解質（ＬｎＰＯ４（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ（プラセオジム）、Ｎｄ、Ｓｍ等））、ゼニタイプ型希土類オルトリン酸塩電解質（ＬｎＰＯ４（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等））、希土類メタリン酸塩電解質（ＬｎＰ３Ｏ９（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等））、希土類オキシリン酸塩電解質（Ｌｎ７Ｐ３Ｏ１８（Ｌｎ：Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ等））等を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施例に係る水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法を示す模式図である。
【図２】第２実施例に係る水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法を示す模式図である。
【図３】第３実施例に係る水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法を示す模式図である。
【図４】本発明の第４実施例に係る燃料電池の製造方法を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  水素分離膜
２０  電解質材料
２５  電解質膜
５０  水素分離膜−電解質膜接合体
１００  燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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