(57)【要約】【課題】固体高分子膜型燃料電池の動作温度の上昇、および固体酸化物型の燃料電池の動作温度の低減を図り、中温域で動作可能な燃料電池を提供する。【解決手段】固体高分子膜型燃料電池において、高分子の電解質層２０の両面に水素透過性金属の緻密層２１、２２、２４を設ける。こうすることにより、電解質層２０の水分の離脱を抑制し、動作温度を上昇させることができる。一方、固体酸化物型燃料電池においては、水素透過性金属の緻密膜を基材として、その上に電解質層を成膜する。こうすることにより、電解質層を十分に薄膜化することができ、動作温度の低減を図ることができる。【選択図】図１
2008016457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の電解質膜であって、
水分を含んだ含水電解質層と、
該電解質層の両面に形成される水素透過性材料の緻密膜とを有する電解質膜。
【請求項２】
請求項１記載の電解質膜であって、
前記含水電解質層は、固体高分子膜である電解質膜。
【請求項３】
請求項１記載の電解質膜であって、
前記燃料電池の酸素極側に配置される緻密膜は、バナジウム、ニオブ、タンタルおよびこれらの少なくとも一部を含む合金のいずれかで形成される電解質膜。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか記載の電解質膜であって、
前記燃料電池の水素極側に配置される緻密膜は、パラジウムまたはパラジウム合金で形成される電解質膜。
【請求項５】
請求項１記載の電解質膜であって、
前記水素透過性材料の緻密膜は、異種金属からなる少なくとも２層の水素分離膜層から構成され、
該異種金属の接触界面の少なくとも一部に該異種金属同士の拡散を抑制する金属拡散抑制層を備えた
電解質膜。
【請求項６】
請求項５記載の電解質膜であって、
前記金属拡散抑制層は、プロトン伝導体，混合導電体，絶縁体，セラミックス，プロトン非伝導性の金属のうち少なくとも１つを含む電解質膜。
【請求項７】
燃料電池であって、
請求項１〜６いずれか記載の電解質膜と、
該電解質膜の一方の面に配置された酸素極、および該酸素極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
該電解質膜の他方の面に配置された水素極と、および該水素極に水素リッチな燃料ガスを供給する燃料ガス供給部とを備える燃料電池。
【請求項８】
燃料電池用の電解質膜であって、
緻密な水素透過性材料で形成された基材と、
該基材上の少なくとも一方の面に成膜された無機質の電解質層とを備える電解質膜。
【請求項９】
請求項８記載の電解質膜であって、
前記電解質層の面のうち前記基材と接触していない側の面を被覆する水素透過性材料の被膜を備える電解質膜。
【請求項１０】
請求項９記載の電解質膜であって、
前記基材と前記被膜とは異種の金属材料で形成される電解質膜。
【請求項１１】
請求項８記載の電解質膜であって、
前記水素透過性材料の基材は、異種金属からなる少なくとも２層の水素分離膜層から構成され、
該異種金属の接触界面の少なくとも一部に該異種金属同士の拡散を抑制する金属拡散抑制層を備えた
電解質膜。
【請求項１２】
請求項１１記載の電解質膜であって、
前記金属拡散抑制層は、プロトン伝導体，混合導電体，絶縁体，セラミックス，プロトン非伝導性の金属のうち少なくとも１つを含む電解質膜。
【請求項１３】
請求項８〜１２いずれか記載の電解質膜であって、
前記基材は、バナジウム、ニオブ、タンタルおよびこれらの少なくとも一部を含む合金のいずれかで形成される電解質膜。
【請求項１４】
請求項１３記載の電解質膜であって、
前記電解質層は固体酸化物で形成されており、
前記基材と前記電解質層との界面の少なくとも一部に、前記電解質層中の酸素原子と前記基材との反応を抑制する反応抑制層を備えた
電解質膜。
【請求項１５】
請求項１４記載の電解質膜であって、
前記反応抑制層は、プロトン伝導体，混合導電体，絶縁体のうち少なくとも１つを含む電解質膜。
【請求項１６】
請求項８記載の電解質膜であって、
前記電解質層の電解質は、アルカリ金属元素を主成分とする第１サイトを、その他の元素を主成分とする第２サイトに対して一定の比で含むと共に、酸素を所定量含む複合酸化物であって、
前記複合酸化物は、第２サイトの成分に対する第１サイトの成分のモル比が、前記一定の比より小さい混合比で合成された複合酸化物である
電解質膜。
【請求項１７】
請求項８記載の電解質膜であって、
前記電解質層の電解質は、アルカリ金属元素を主成分とする第１サイトを、その他の元素を主成分とする第２サイトに対して一定の比で含むと共に、酸素を所定量含む複合酸化物であって、
前記複合酸化物は、前記アルカリ金属元素とともに酸化物を形成する第３の元素の酸化物を所定量含んだ状態で合成された複合酸化物である
電解質膜。
【請求項１８】
燃料電池であって、
請求項８〜１７いずれか記載の電解質膜と、
該電解質膜の一方の面に配置された酸素極、および該酸素極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
該電解質膜の他方の面に配置された水素極と、および該水素極に水素リッチな燃料ガスを供給する燃料ガス供給部とを備える燃料電池。
【請求項１９】
請求項１８記載の燃料電池であって、
前記基材は、バナジウム、ニオブ、タンタルおよびこれらの少なくとも一部を含む合金のいずれかであるとともに、該基材よりも水素極側に、前記電解質層が存在するよう配置されている燃料電池。
【請求項２０】
請求項１８または１９記載の燃料電池であって、
前記電解質膜は、前記電解質層と酸素極との間に、前記基材および被覆の少なくとも一方が介在するよう配置される燃料電池。
【請求項２１】
燃料電池用の電解質膜の製造方法であって、
水分を含んだ含水電解質層を形成する工程と、
該電解質層の両面に水素透過性材料の緻密膜を形成する工程とを備える製造方法。
【請求項２２】
燃料電池用の電解質膜の製造方法であって、
ａ）緻密な水素透過性材料で形成された基材を準備する工程と、
ｂ）該基材の少なくとも一方の面に、無機質の電解質層を成膜する工程とを備える製造方法。
【請求項２３】
請求項２２記載の製造方法であって、
前記電解質層の電解質は、アルカリ金属元素を主成分とする第１サイトを、その他の元素を主成分とする第２サイトに対して一定の比で含むと共に、酸素を所定量含む複合酸化物であって、
前記工程ｂ）は、前記複合酸化物を、第２サイトの成分に対する第１サイトの成分のモル比を、前記一定の比より小さい混合比で合成する工程を備える製造方法。
【請求項２４】
請求項２２記載の製造方法であって、
前記電解質層の電解質は、アルカリ金属元素を主成分とする第１サイトを、その他の元素を主成分とする第２サイトに対して一定の比で含むと共に、酸素を所定量含む複合酸化物であって、
前記工程ｂ）は、前記複合酸化物を、前記アルカリ金属元素と酸化物を形成する第３の元素の酸化物を所定量含んだ状態で合成する工程を備える製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中温域で作動可能な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と空気の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池のうち、固体の電解質膜を用いたものには、固体高分子膜型などの低温型の燃料電池、固体酸化物型などの高温型の燃料電池が存在する。
【０００３】
固体高分子膜型の燃料電池は、電極間に挟まれる電解質膜にナフィオン（登録商標）などの高分子膜を用いるものである。かかる電解質膜では、含水率が低くなると、イオン伝導率が低下し、膜抵抗が大きくなる。従って、膜抵抗を実用的な範囲に抑えるために、水分の極端な蒸発を回避できる低温での運転が必要とされる。現状では、固体高分子膜型の燃料電池は、一般に約１５０℃以下の範囲で運転される。
【０００４】
固体酸化物型の燃料電池は、電極間に挟まれる電解質膜にジルコニアその他の無機質の薄膜を用いるものである。かかる電解質膜の膜抵抗は、低温になるほど増加する傾向にあるため、膜抵抗を実用的な範囲に抑えるために、比較的高温での運転が必要とされる。電解質膜の膜厚を薄くすることにより膜抵抗を低減することも可能ではあるが、多孔質体で形成される電極上に緻密な薄膜を形成することは非常に困難であり、十分な薄膜化は図られていない。現状では、固体酸化物型の燃料電池は、一般に約７００℃以上の温度で運転される。
【０００５】
なお、膜を複数層で構成した例として、ＶＢ族元素（バナジウムＶ,ニオブＮｂ,タンタルＴａ）のベース金属両面に水素透過性中間層を介してパラジウムＰｄを被覆した５層構造の水素分離膜が特許文献１で提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１８５２７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来、固体の電解質膜を用いた燃料電池には、約１５０〜７００℃の中温域で動作するものが存在しなかった。一般に、電解質の膜抵抗は、温度が高いほど低くなる傾向にあるから、固体高分子膜型の燃料電池については、動作温度の高温化が望まれていた。一方、燃料電池の動作温度が極端に高い場合、燃料電池を用いるシステムにおいて、耐熱性を考慮した構成部材や構造とする必要があり、設計上の制約が大きかった。
【０００８】
本発明は、これらの課題に鑑み、低温型の燃料電池の動作温度の高温化、高温型の燃料電池の動作温度の低温化を図り、中温域で動作可能な燃料電池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】
【０００９】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明における燃料電池用の第１の電解質膜を以下の構成とした。第１の電解質膜は、水分を含んだ含水電解質層と、その両面に形成される水素透過性材料の緻密膜とを有する３層構造とする。緻密膜で含水電解質層の両面を被覆することにより、高温下で運転しても含水電解質層の水分の蒸発を抑制することができ、膜抵抗の増大を抑制することができる。従って、かかる電解質膜を用いることにより、低温型の燃料電池の動作温度を向上させることができる。含水電解質層は、例えば、ナフィオン（登録商標）などの固体高分子膜、ヘテロポリ酸系や含水βアルミナ系などセラミック、ガラス、アルミナ系に水分を含ませた膜を用いることができる。
【００１０】
第１の電解質膜において、燃料電池に使用する際に酸素極側に配置される緻密膜は、例えば、バナジウム、ニオブ、タンタルおよびこれらの少なくとも一部を含む合金のいずれかとすることができる。例えば、バナジウム単体としてもよいし、バナジウム−ニッケル合金などとしてもよい。一般にこれらの材料は、水素の透過性が高く、比較的安価であるため、かかる用途に適している。これらの材料を、水素極側の緻密膜に適用することも可能ではあるが、水素脆化を回避するためには酸素極側に用いる方が好ましい。
【００１１】
第１の電解質膜において、燃料電池に使用する際に水素極側に配置される緻密膜は、例えば、パラジウムまたはパラジウム合金とすることができる。パラジウムは、比較的高い水素透過性を有するとともに、水素脆化し難い材料だからである。
【００１２】
前記水素透過性材料の緻密膜は、異種金属からなる少なくとも２層の水素分離膜層から構成され、該異種金属の接触界面の少なくとも一部に該異種金属同士の拡散を抑制する金属拡散抑制層を備えるものとしても良い。
【００１３】
水素透過性材料は、例えば、パラジウム／バナジウム／パラジウムなどのサンドウィッチ構造膜を用いる場合もある。バナジウムはパラジウムよりプロトンまたは水素原子の透過速度が速く、安いという利点があるが、水素分子をプロトン等に分離する能力が低いという欠点もある。水素分子をプロトンに分離する能力が高いパラジウムの薄膜をバナジウムの片面または両面に形成することで、透過性能を向上させることができる。金属は、バナジウム以外にも、ニオブ,タンタルなどＶＢ族の金属が用いられる場合がある。
【００１４】
しかし、このように形成した水素透過性材料では、異種金属の相互拡散により水素透過性能が経時的にもしくは製造時の熱処理で低下してしまう。そのような電解質膜を燃料電池に用いると、電池の起電力も低下してしまう。そこで、本発明のように金属拡散抑制層を備えれば、異種金属同士の金属相互拡散を抑制し、水素透過性材料の水素透過性能の低下を抑制することができる。金属拡散抑制層は、連続に異種金属の接触界面すべてにつけても良いし、非連続につけても良い。非連続的につける場合は、島状であっても良い。
【００１５】
前記金属拡散抑制層は、プロトン伝導体，混合導電体，絶縁体，セラミックス，プロトン非伝導性の金属のうち少なくとも１つを含むものとしても良い。
【００１６】
プロトン伝導体は、プロトンを透過し、電子を透過しない伝導体である。混合伝導体は、プロトンも電子も透過する。一方、絶縁体はプロトンも電子も透過しない。セラミックスはプロトン伝導体の一種であり、プロトン非伝導性の金属は、電子は透過するがプロトンは透過しない。絶縁体を金属拡散抑制層として用いる場合は、非連続につけることが望ましい。金属拡散抑制層は、プロトン伝導体などを含む複合材料や傾斜材料であっても良い。
【００１７】
本発明は、第１の電解質膜を用いた燃料電池として構成してもよい。かかる燃料電池は、第１の電解質膜の一方の面に酸素極、および酸素極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部を配置し、他方の面に水素極、および水素極に水素リッチな燃料ガスを供給する燃料ガス供給部を備えることにより構成される。
【００１８】
本発明における第２の電解質膜は、緻密な水素透過性材料で形成された基材と、その少なくとも一方の面に成膜された無機質の電解質層とを備える。こうすれば、緻密な基材上に成膜することにより、電解質層を十分に薄膜化することができる。例えば、従来、１０μｍ以上であった電解質層の厚さを、０．１〜１μｍ程度にまで薄くすることが可能である。従って、第２の電解質膜を用いることにより、高温型の燃料電池の動作温度を低温化することができる。無機質の電解質層は、例えば、ＢａＣｅＯ3、ＳｒＣｅＯ3系のセラミックスプロトン伝導体を用いることができる。電解質層は、基材の片面のみに成膜してもよいし、両面に成膜してもよい。後者は、電解質層で基材を挟んだ構成と捉えることもできる。
【００１９】
第２の電解質膜において、基材と接触していない側の面を被覆する水素透過性材料の被膜を備えてもよい。水素透過性材料としては、例えば、バナジウム、ニオブ、タンタルおよびこれらの少なくとも一部を含む合金、パラジウム、パラジウム合金などを用いることができる。かかる被膜を用いることにより、電解質層を保護することができる。
【００２０】
第２の電解質膜において、基材と被膜とは異種の金属材料で形成してもよい。異種の金属材料の接触面では、拡散による合金化が生じることがあるが、この構成では、異種金属間に電解質膜を介在させることにより、両金属の特性を活かしつつ、合金化を回避できる利点もある。異種金属としては、例えば、バナジウム、ニオブ、タンタルおよびこれらの少なくとも一部を含む合金のいずれかと、パラジウムまたはパラジウム合金という組み合わせとすることができる。
【００２１】
前記水素透過性材料の基材は、異種金属からなる少なくとも２層の水素分離膜層から構成され、該異種金属の接触界面の少なくとも一部に該異種金属同士の拡散を抑制する金属拡散抑制層を備えるものとしても良いし、前記金属拡散抑制層は、プロトン伝導体，混合導電体，絶縁体，セラミックス，プロトン非伝導性の金属のうち少なくとも１つを含んでいても良い。その作用・効果は第１の電解質膜の場合と同様である。
【００２２】
第２の電解質膜において、例えば、基材はバナジウム、ニオブ、タンタルおよびこれらの少なくとも一部を含む合金のいずれかで形成することが好ましい。これらの材料は、水素透過性が高く、比較的安価であるため、低コストで十分な厚みの基材を形成することができる。
【００２３】
前記電解質層は固体酸化物で形成されており、前記基材と前記電解質層との界面の少なくとも一部に、前記電解質層中の酸素原子と前記基材との反応を抑制する反応抑制層を備えるものとしても良い。
【００２４】
電解質層が固体酸化物である場合、電解質層と基材が接触していると、電解質中の酸素と基材が反応して、基材が酸化物となる。このような電解質膜を燃料電池に用いると、水素透過性が低下するので、燃料電池の起電力は通常より低下する。そこで、反応抑制層を備えることで、酸素と基材の反応を抑制し、起電力の低下を抑制することができる。反応抑制層は、連続に電解質層と基材との接触界面すべてにつけても良いし、非連続につけても良い。非連続的につける場合は、例えば島状であっても良い。
【００２５】
前記反応抑制層は、プロトン伝導体，混合導電体，絶縁体のうち少なくとも１つを含むものとしても良い。絶縁体を反応抑制層として用いる場合は、非連続につけることが望ましい。
【００２６】
前記電解質層の電解質は、アルカリ金属元素を主成分とする第１サイトを、その他の元素を主成分とする第２サイトに対して一定の比で含むと共に、酸素を所定量含む複合酸化物を用いることができる。このとき、前記複合酸化物は、第２サイトの成分に対する第１サイトの成分のモル比が、前記一定の比より小さい混合比で合成された複合酸化物であっても良い。
【００２７】
アルカリ金属が、燃料電池におけるカソード・アノードガス中に含まれるＣＯ2と反応すると、アルカリ金属炭酸塩を生成する。このアルカリ金属炭酸塩は、燃料電池の導電率の低下、電解質層の崩壊といった深刻な問題を引き起こす。
【００２８】
アルカリ金属は、複合酸化物として存在する場合に比べて、アルカリ金属酸化物として存在するほうが、はるかにＣＯ2と反応しやすい。
【００２９】
本発明では、前記複合酸化物を、第２サイトの成分に対する第１サイトの成分のモル比が、前記一定の比より小さい混合比で合成することで生成することにより、アルカリ金属酸化物を残存させないようにすることができる。従って、アルカリ金属酸化物の生成を抑制することができる。アルカリ金属元素やその他の元素は、それぞれ複合酸化物の第１サイトや第２サイトの主成分であればよく、不純物が混ざっていても良い。複合酸化物としては、例えばペロブスカイトやパイロクロア,スピネルなどがある。第２サイトには、希土類元素（セリウムＣｅ,ジルコニウムＺｒ,イットリウムＹ,イッテリビウムＹｂ）が用いることができる。
【００３０】
前記電解質層の電解質は、アルカリ金属元素を主成分とする第１サイトを、その他の元素を主成分とする第２サイトに対して一定の比で含むと共に、酸素を所定量含む複合酸化物であって、前記複合酸化物は、前記アルカリ金属元素とともに酸化物を形成する第３の元素の酸化物を所定量含んだ状態で合成された複合酸化物であっても良い。
【００３１】
第３の元素により、アルカリ金属元素は、アルカリ金属酸化物としてではなく、アルカリ金属と第３の元素を含む酸化物として存在するようになるので、アルカリ金属炭酸塩の発生を抑制することができる。第３の元素としては、チタンＴｉ,マンガンＭｎ,鉄Ｆｅなどがある。第３の元素の酸化物は、ＴｉＯ2,ＭｎＯ2,Ｆｅ2Ｏ3などである。
【００３２】
本発明は、第２の電解質膜を用いた燃料電池として構成してもよい。かかる燃料電池は、第２の電解質膜の一方の面に酸素極、および酸素極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部を配置し、他方の面に水素極、および水素極に水素リッチな燃料ガスを供給する燃料ガス供給部を備えることにより構成される。
【００３３】
かかる燃料電池において、基材がバナジウム、ニオブ、タンタルおよびこれらの少なくとも一部を含む合金のいずれかである場合には、基材よりも水素極側に電解質層が存在するよう配置することが好ましい。こうすることでこれらの材料の水素脆化を抑制することができる。基材の水素極側、酸素極側の双方に電解質が存在しても構わない。
【００３４】
燃料電池においては、電解質層と酸素極との間に、基材および被覆の少なくとも一方が介在する配置とすることが好ましい。つまり、電解質層が酸素極と直接、接触しない配置とすることが好ましい。こうすることによって、無機質の電解質膜が酸素極と直接接触することにより生じる可能性がある短絡を抑制することができる。
【００３５】
本発明は、電解質膜、燃料電池としての構成の他、電解質膜の製造方法、燃料電池の製造方法として構成してもよい。第１の電解質膜の製造方法は、水分を含んだ含水電解質層を形成する工程と、電解質層の両面に水素透過性材料の緻密膜を形成する工程とを備える製造方法とすることができる。第２の電解質膜の製造方法は、緻密な水素透過性材料で形成された基材を準備する工程と、基材の少なくとも一方の面に、無機質の電解質層を成膜する工程とを備える製造方法とすることができる。
【００３６】
燃料電池は、更に、これらの電解質膜に酸素極、水素極、酸化ガス供給部、燃料ガス供給部を設ける工程を備えることにより製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
Ａ．固体高分子膜型：
Ａ１．固体高分子膜型：
図１は実施例としての固体高分子膜型燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。燃料電池を構成するセルの断面を示した。このセルは、酸素極１０、水素極３０で電解質膜２０を挟んだ構造となっている。酸素極１０には、酸化ガスとしての空気を供給するための流路が設けられている。水素極３０には、水素リッチな燃料ガスを供給するための流路が設けられている。酸素極１０、水素極３０は、カーボンなど種々の材料で形成可能である。
【００３８】
電解質膜２０は、固体高分子膜で形成された電解質層２３の両面を、水素透過性の緻密な金属層が挟んだ多層構造となっている。電解質層２３は、例えば、ナフィオン（登録商標）膜などを用いることができる。電解質層２３の水素極側の面には、パラジウム（Ｐｄ）の緻密層２４が設けられている。酸素極側には、バナジウム−ニッケル合金（Ｖ−Ｎｉ）の緻密層２２が設けられている。緻密層２２の、酸素極側には、更に、Ｐｄの緻密層２１が設けられている。本実施例では、Ｐｄの緻密層２１、２４の厚さは０．１μｍ、Ｖ−Ｎｉの緻密層２２の厚さは１０μｍ、電解質層２３の厚さは３０μｍとした。各層の厚さは任意に設定可能である。
【００３９】
電解質層２３は、水分を含有している。電解質層２３の両面は、上述の通り、緻密層２２、２４で挟まれているため、電解質層２３内の水分が、これらの緻密層２２、２４を通り抜けて電極、ひいてはセル外に離脱していく可能性は低い。また、電解質層２３の周囲（例えば、図中の領域Ａ）をシールすることにより、周囲からの水分の離脱も抑制することができる。本実施例における緻密層２２、２４および周囲のシールは、電解質層２３の水分を保持する保持機構として機能する。
【００４０】
発電過程において、水素極３０に供給された燃料ガス中の水素は、プロトンとなり、電解質層２３を移動し、酸素極１０で酸素と結合して水を生成する。電解質層２３に含有される水分が、プロトンの移動に寄与する。水素極および酸素極での反応を促進するために、セル中には白金（Ｐｔ）等の触媒層を設けるのが通常である。図示を省略したが、触媒層は、例えば、緻密層２１、２４と酸素極１０、水素極３０との間に設けることができる。緻密層２１、２２の間、緻密層２２と電解質層２３との間、電解質層２３と緻密層２４との間などに設けるものとしてもよい。
【００４１】
図２は実施例の燃料電池の製造工程を示す工程図である。この製造工程では、まず、電解質層２３を生成する（ステップＳ１０）。次に、この電解質層２３の両面に緻密層２１、２２，２４を形成する（ステップＳ１２）。そして、緻密層２１、２４の両側にそれぞれ電極１０、３０を取り付ける（ステップＳ１４）。触媒層は、その位置に応じて、いずれかの工程で適宜、形成すればよい。
【００４２】
以上で説明した燃料電池によれば、電解質層２３の水分を保持することが可能となるため、比較的高温での運転が可能となる。例えば、ナフィオン膜を電解質層２３に用いた場合には、約２００℃程度での運転が可能である。
【００４３】
図３は変形例としての固体高分子膜型燃料電池の層構成一覧を示す説明図である。ケースＡは、実施例の構造（図１）に相当する。つまり、電解質層と酸素極との間に、Ｖ−ＮｉＶ−ＮｉおよびＰｄからなる酸素極側緻密層を設け、電解質層と水素極との間に、Ｐｄの水素極側の緻密層を設けた構造である。
【００４４】
本実施例の燃料電池は、電解質層の両面に緻密層が設けられていればよく、例えば、ケースＢのようにＶ−Ｎｉからなる酸素極側緻密層、およびＰｄからなる水素極側緻密層を設ける構造としてもよい。また、ケースＣのように、酸素極側緻密層および水素極側緻密層ともにＰｄで構成してもよい。ケースＡ，Ｂにおいて、Ｖ−Ｎｉに代えて、バナジウム（Ｖ）を用いてもよい。バナジウム等を酸素極側緻密層に用いたのは、これらの金属が水素脆化しやすいからである。これらの材料を水素極側緻密層に用いることができないことを意味するものではない。図３の変形例も一例に過ぎず、本発明の固体高分子膜型燃料電池には、種々の材料からなる緻密層を適用可能である。
【００４５】
実施例の燃料電池において、電解質層２３として、固体高分子に限らず、ヘテロポリ酸系の膜、含水βアルミナ系の膜を用いてもよい。これらの材料を用いた場合には、約３００℃程度での運転が可能である。
【００４６】
Ａ２：金属拡散抑制層を備えた固体高分子膜型：
図４は、金属拡散抑制層を備えた固体高分子膜型燃料電池の第１の構成を模式的に示す説明図である。燃料電池を構成するセルの断面を示した。基本的な構成は図１に示した燃料電池と同様であるが、金属拡散抑制層２５が、パラジウム（Ｐｄ）の緻密層２１とバナジウム−ニッケル合金（Ｖ−Ｎｉ）の緻密層２２の境界面に設けられている点で図１とは異なっている。
【００４７】
本実施例では、金属拡散抑制層２５は、緻密体であり、その厚さは１μｍとしたが、厚さは任意に設定可能である。更に、金属拡散抑制層２５には、タングステンの酸化物（ＷＯ3）を用いるものとしたが、これに限らず、プロトン伝導体,混合伝導体,セラミックス,およびこれらの複合材料や傾斜材料を用いても良い。例えば、プロトン伝導体としてはペロブスカイト,パイロクロア,スピネルなどの複合酸化物、混合伝導体としてはＭｎＯ3などがある。
【００４８】
図５は、金属拡散抑制層を備えた固体高分子膜型燃料電池の第２の構成を模式的に示す説明図である。燃料電池を構成するセルの断面を示した。基本的な構成は図１に示した燃料電池と同様であるが、金属拡散抑制層２５が、パラジウム（Ｐｄ）の緻密層２１とバナジウム−ニッケル合金（Ｖ−Ｎｉ）の緻密層２２の境界面に非連続的に島状に設けられている点で図１とは異なっている。
【００４９】
本実施例では、金属拡散抑制層２５の厚さは１μｍとしたが、厚さは任意に設定可能である。更に、金属拡散抑制層２５には、プロトン非導電性の金属であるニッケル（Ｎｉ）を用いるものとしたが、これに限らず、プロトン伝導体,混合伝導体,絶縁体, プロトン非導電性の金属,セラミックス,およびこれらの複合材料や傾斜材料を用いても良い。例えば、プロトン伝導体としてはペロブスカイト,パイロクロア,スピネルなどの複合酸化物、混合伝導体としてはＭｎＯ3、絶縁体としてはＡｌ2Ｏ3,ＳｉＯ2,ＭｇＯ、プロトン非伝導性の金属としてはＣｏなどがある。特に絶縁体の場合は、プロトン伝達性がないため、非連続的に島状に設けるほうが有効である。
【００５０】
図４や図５に示した、異種金属の境界面に金属拡散抑制層を備えた固体高分子膜型燃料電池を用いれば、異種金属同士（ここではパラジウム（Ｐｄ）とバナジウムーニッケル合金（Ｖ−Ｎｉ））の金属相互拡散を抑制し、水素透過性材料の水素透過性能の低下を抑制することができる。
【００５１】
Ｂ．固体酸化物型：
Ｂ１．固体酸化物型：
図６は実施例としての固体酸化物型燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。燃料電池を構成するセルの断面を示した。このセルは、酸素極１０、水素極３０で電解質膜４０を挟んだ構造となっている。酸素極１０、水素極３０の構造および材質は、固体高分子膜型と同様である。
【００５２】
電解質膜４０は、バナジウム（Ｖ）で形成された緻密な基材４３を中心とする５層構造となっている。基材４３の両面には、固体酸化物からなる電解質層４２、４４の薄膜が成膜されている。電解質層４２、４４は、ＢａＣｅＯ3、ＳｒＣｅＯ3系のセラミックスプロトン伝導体などを用いることができる。電解質層４２、４４の外面には、パラジウム（Ｐｄ）の被膜４１、４５が設けられている。本実施例では、Ｐｄの被膜４１、４５の厚さは０．１μｍ、電解質層４２、４４の厚さは１μｍ、基材４３の厚さは４０μｍとした。各層の厚さは任意に設定可能である。
【００５３】
発電過程における水素極および酸素極での反応を促進するために、セル中には白金（Ｐｔ）等の触媒層を設けるのが通常である。図示を省略したが、触媒層は、例えば、電解質膜４０と酸素極１０、水素極３０との間に設けることができる。その他、被膜４１、４５と電解質層４２、４４との間、電解質層４２、４４と基材４３との間などに設けてもよい。
【００５４】
図７は実施例の燃料電池の製造工程を示す工程図である。この製造工程では、まず、基材４３を生成する（ステップＳ２０）。次に、この基材４３の両面に電解質層４２、４４を成膜する（ステップＳ２２）。電解質層の成膜は、電解質を生成しつつ行なわれるが、電解質の生成方法に関しては後述する。基材４３は緻密であるため、電解質層４２、４４の十分な薄膜化が可能である。成膜は、例えば、物理蒸着、化学蒸着、スパッタリングなど種々の手法を用いることができる。最後に、電解質層４２、４４の外面にＰｄ膜を成膜し、電極１０、３０を取り付ける（ステップＳ４４）。触媒層は、その位置に応じて、いずれかの工程で適宜、形成すればよい。
【００５５】
以上で説明した燃料電池によれば、緻密な基材４３上に成膜することにより電解質層４２、４４を十分に薄膜化することができる。従って、電解質の膜抵抗を抑制することができ、比較的低温での運転が可能となる。本実施例では、約６００℃程度での運転が可能である。電解質層４２、４４を０．１μｍ程度にまで薄膜化した場合には、約４００℃程度にまで運転温度を低下させることができる。
【００５６】
図８は変形例としての固体酸化物型燃料電池の層構成一覧を示す説明図である。ケースＡは、実施例の構造（図６）に相当する。つまり、緻密なＶの基材の両面に電解質層を設け、更にその両面にＰｄの被膜を設けた構造である。図中では、図示の便宜上、基材と被膜とを区別せず、「基材」と示した。また、説明の便宜上、酸素極側から各層にＬ１〜Ｌ５の層名を付した。
【００５７】
本実施例の燃料電池は、緻密な基材上に電解質層が成膜されていればよい。例えば、ケースＢのようにＬ１層にＶの基材を形成し、その水素極側に位置するＬ２層に電解質を成膜してもよい。Ｌ１層においてＶの酸素極側の面には、Ｐｄの皮膜を形成してもよい。電解質層の水素極側にはＬ３層としてＰｄの被膜が形成される。ケースＣのように、ケースＢにおけるＬ３層を省略してもよい。ケースＢ，Ｃでは、Ｌ１層において、ＰｄとＶという異種の金属が接触しており、高温時に異種金属同士の拡散による合金化が生じることがある。従って、ケースＢ，Ｃは、４００℃程度で動作させることが好ましい。かかる温度下では、電解質層の膜抵抗を抑えるため、十分な薄膜化を図ることが好ましく、例えば、０．１μｍ程度の厚さとすることが好ましい。
【００５８】
ケースＤのように、ケースＢにおけるＬ１層を省略してもよい。ただし、一般に固体酸化物電解質層は酸素極との直接接触を避ける方が好ましく、かかる観点から、Ｌ１層は省略しない構成が好ましい。
【００５９】
Ｂ２．金属拡散抑制層と反応抑制層を備えた固体酸化物型：
図９は、金属拡散抑制層と反応抑制層を備えた固体酸化物型燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。燃料電池を構成するセルの断面を示した。電解質膜５０は、バナジウム（Ｖ）で形成された緻密な基材５３を中心とする５層構造となっている。基材５３の水素極３０側の面には、緻密体の金属拡散抑制層５４が備えられている。更に金属拡散抑制層５４の外面には、パラジウム（Ｐｄ）の被膜５５が設けられている。
【００６０】
一方、基材５３の酸素極１０側の面には、緻密体の反応抑制層５２が備えられており、更に反応抑制層５２の外面には、固体酸化物からなる電解質層５１の薄膜が成膜されている。電解質層５１には、ペロブスカイトの１つである金属酸化物のＳｒＣｅＯ3を用いる。本実施例では、Ｐｄの被膜５５の厚さは０．２μｍ、金属拡散抑制層５４の厚さは１μｍ、反応抑制層５２の厚さは０．２μｍ、電解質層５１の厚さは０．１μｍ、基材５３の厚さは４０μｍとした。各層の厚さは任意に設定可能である。反応抑制層５２には、プロトン伝導体や混合伝導体や絶縁体を用いる。
【００６１】
図１０は、金属拡散抑制層と反応抑制層を備えた固体酸化物型燃料電池の第２の構成を模式的に示す説明図である。燃料電池を構成するセルの断面を示した。図９の固体酸化物燃料電池とは、反応抑制層５２と基材５３の境界面に、非連続的に島状にパラジウム（Ｐｄ）の緻密体５６を配している点で異なっている。緻密体５６は、水素分子をプロトン等に分解するので、起電力を確保するのに有効である。
【００６２】
図１１は、金属拡散抑制層と反応抑制層を備えた固体酸化物型燃料電池の第３の構成を模式的に示す説明図である。燃料電池を構成するセルの断面を示した。
【００６３】
図９の固体酸化物燃料電池とは、電解質層５１と基材５３の境界面に、連続的にではなく非連続的に島状に反応抑制層５２を配し、基材５３と被膜５５の境界面に、連続的にではなく非連続的に島状に金属拡散抑制層５４を配している点で異なる。金属拡散抑制層５４の厚さは１μｍ、反応抑制層５２の厚さは０．２μｍであるが、各層の厚さは任意に設定可能である。金属拡散抑制層５４や反応抑制層５２が絶縁体の場合は、プロトン伝達性がないため、図１１のように非連続的に島状に設けるほうが有効である。
【００６４】
図９〜図１１に示した固体酸化物型燃料電池では、バナジウム（Ｖ）で形成された基材５３と、金属酸化物で形成された電解質層５１との境界面に反応抑制層５２を備えることで、電解質層から酸素が移動してバナジウムと反応し、バナジウムの酸化物層が形成されて燃料電池の起電力が低下することを防ぐことができる。
【００６５】
更に、バナジウム（Ｖ）で形成された基材５３とパラジウムの被膜５５の境界面に金属拡散抑制層５４を備えることで、金属相互拡散を抑制し、水素透過性材料の水素透過性能の低下を抑制することができる。
【００６６】
Ｂ３．電解質の生成方法：
ここから、先述した図７のステップＳ２２における電解質の生成方法について説明する。本実施例では、ペロブスカイト型複合酸化物の電解質の生成方法について説明する。ペロブスカイト型複合酸化物とは、ＡＢＯ3で一般表記される酸化物である。ここでは、Ａサイトがアルカリ金属元素となっているものとする。
【００６７】
図１２は、本実施例における１通り目の電解質の生成を示す説明図である。上図は電解質生成前の分子状態を示しており、下図は電解質生成後の分子状態を示している。反応前は、ＡＯのモル濃度はＢＯ2のモル濃度より小さく、これらが反応すると、ＡＢＯ3が生成されて、ＢＯ2が残存する。例えば、
[ＡＯ]／[ＢＯ2]＝０．９５〜０．９９（[  ]はモル濃度を表わす）
とすることが好ましい。
【００６８】
図１３は、本実施例における２通り目の電解質の生成を示す説明図である。上図は電解質生成前の分子状態を示しており、下図は電解質生成後の分子状態を示している。反応前は、ＡＯとＢＯ2以外に、ＭＯ2というＡサイトのアルカリ金属と酸化物を形成する酸化物が含まれており、これらが反応すると、ＡＢＯ3とＡＭＯ3が生成されて、ＢＯ2が残存する。なお、ＡＯのモル濃度は、ＢＯ2のモル濃度とＭＯ2のモル濃度の和より小さい。例えば、
[ＡＯ]／（[ＢＯ2]＋[ＭＯ2]）＝０．９５〜０．９９（[  ]はモル濃度を表わす）
が好ましい。
【００６９】
ここでいうアルカリ金属と酸化物を形成する酸化物ＭＯ２としては、例えばＴｉＯ2やＭｎＯ2,Ｆｅ2Ｏ3がある。それぞれアルカリ金属Ａと反応してＡＴｉＯ3,ＡＭｎＯ3,ＡＦｅＯ3という酸化物を生成する。
【００７０】
Ｂサイトには、例えば希土類元素が用いることができる。希土類元素は、例えばセリウムＣｅ,ジルコニウムＺｒ,イットリウムＹ,イッテリビウムＹｂである。
【００７１】
アルカリ金属の酸化物（ＡＯ）は、カソード・アノードガス中に含まれる二酸化炭素ＣＯ2と反応して、炭酸塩を生成する。炭酸塩は導電率の低下や電解質層の崩壊を引き起こすので、アルカリ金属の酸化物は電解質生成後単独で存在しないことが望ましいが、図１２や図１３で示した電解質の生成方法によれば、ＡＯつまりアルカリ金属の酸化物は、電解質生成後は単独で存在しなくなる。
【００７２】
本実施例の電解質生成方法は、ペロブスカイト型複合酸化物の電解質に限らず、パイロクロア型複合酸化物（Ａ2Ｂ2Ｏ7）,スピネル型複合酸化物（ＡＢＯ4）の電解質にも適用可能である。不純物が入っていてもよく、（Ａ0.8ａ0.2）ＢＯ3やＡＢＣＯX等にも適用可能である。
【００７３】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】実施例としての固体高分子膜型燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。
【図２】実施例の燃料電池の製造工程を示す工程図である。
【図３】変形例としての固体高分子膜型燃料電池の層構成一覧を示す説明図である。
【図４】金属拡散抑制層を備えた固体高分子膜型燃料電池の第１の構成を模式的に示す説明図である。
【図５】金属拡散抑制層を備えた固体高分子膜型燃料電池の第２の構成を模式的に示す説明図である。
【図６】実施例としての固体酸化物型燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。
【図７】実施例の燃料電池の製造工程を示す工程図である。
【図８】変形例としての固体酸化物型燃料電池の層構成一覧を示す説明図である。
【図９】金属拡散抑制層と反応抑制層を備えた固体酸化物型燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。
【図１０】金属拡散抑制層と反応抑制層を備えた固体酸化物型燃料電池の第２の構成を模式的に示す説明図である。
【図１１】金属拡散抑制層と反応抑制層を備えた固体酸化物型燃料電池の第３の構成を模式的に示す説明図である。
【図１２】本実施例における１通り目の電解質の生成を示す説明図である。
【図１３】本実施例における２通り目の電解質の生成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０...酸素極
２０...電解質膜
２１...緻密層
２２...緻密層
２３...電解質層
２４...緻密層
２５...金属拡散抑制層
３０...水素極
４０...電解質膜
４１...被膜
４２...電解質層
４３...基材
５０...電解質膜
５１...電解質層
５２...反応抑制層
５３...基材
５４...金属拡散抑制層
５５...被膜
５６...緻密体
【図１】
2008016457.tif 000003
【図２】
2008016457.tif 000004
【図３】
2008016457.tif 000005
【図４】
2008016457.tif 000006
【図５】
2008016457.tif 000007
【図６】
2008016457.tif 000008
【図７】
2008016457.tif 000009
【図８】
2008016457.tif 000010
【図９】
2008016457.tif 000011
【図１０】
2008016457.tif 000012
【図１１】
2008016457.tif 000013
【図１２】
2008016457.tif 000014
【図１３】
2008016457.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成19年10月25日(2007.10.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の電解質膜であって、
緻密な水素透過性材料で形成された基材と、
該基材上の少なくとも一方の面に成膜された無機質の電解質層とを備える電解質膜。
【請求項２】
請求項１記載の電解質膜であって、
前記電解質層の面のうち前記基材と接触していない側の面を被覆する水素透過性材料の被膜を備える電解質膜。
【請求項３】
請求項２記載の電解質膜であって、
前記基材と前記被膜とは異種の金属材料で形成される電解質膜。
【請求項４】
請求項１記載の電解質膜であって、
前記水素透過性材料の基材は、異種金属からなる少なくとも２層の水素分離膜層から構成され、
該異種金属の接触界面の少なくとも一部に該異種金属同士の拡散を抑制する金属拡散抑制層を備えた
電解質膜。
【請求項５】
請求項４記載の電解質膜であって、
前記金属拡散抑制層は、プロトン伝導体，混合導電体，絶縁体，セラミックス，プロトン非伝導性の金属のうち少なくとも１つを含む電解質膜。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか記載の電解質膜であって、
前記基材は、バナジウム、ニオブ、タンタルおよびこれらの少なくとも一部を含む合金のいずれかで形成される電解質膜。
【請求項７】
請求項６記載の電解質膜であって、
前記電解質層は固体酸化物で形成されており、
前記基材と前記電解質層との界面の少なくとも一部に、前記電解質層中の酸素原子と前記基材との反応を抑制する反応抑制層を備えた
電解質膜。
【請求項８】
請求項７記載の電解質膜であって、
前記反応抑制層は、プロトン伝導体，混合導電体，絶縁体のうち少なくとも１つを含む電解質膜。
【請求項９】
請求項１記載の電解質膜であって、
前記電解質層の電解質は、アルカリ金属元素を主成分とする第１サイトを、その他の元素を主成分とする第２サイトに対して一定の比で含むと共に、酸素を所定量含む複合酸化物であって、
前記複合酸化物は、第２サイトの成分に対する第１サイトの成分のモル比が、前記一定の比より小さい混合比で合成された複合酸化物である
電解質膜。
【請求項１０】
請求項１記載の電解質膜であって、
前記電解質層の電解質は、アルカリ金属元素を主成分とする第１サイトを、その他の元素を主成分とする第２サイトに対して一定の比で含むと共に、酸素を所定量含む複合酸化物であって、
前記複合酸化物は、前記アルカリ金属元素とともに酸化物を形成する第３の元素の酸化物を所定量含んだ状態で合成された複合酸化物である
電解質膜。
【請求項１１】
燃料電池であって、
請求項１〜１０いずれか記載の電解質膜と、
該電解質膜の一方の面に配置された酸素極、および該酸素極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
該電解質膜の他方の面に配置された水素極と、および該水素極に水素リッチな燃料ガスを供給する燃料ガス供給部とを備える燃料電池。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料電池であって、
前記基材は、バナジウム、ニオブ、タンタルおよびこれらの少なくとも一部を含む合金のいずれかであるとともに、該基材よりも水素極側に、前記電解質層が存在するよう配置されている燃料電池。
【請求項１３】
請求項１１または１２記載の燃料電池であって、
前記電解質膜は、前記電解質層と酸素極との間に、前記基材および被覆の少なくとも一方が介在するよう配置される燃料電池。
【請求項１４】
燃料電池用の電解質膜の製造方法であって、
ａ）緻密な水素透過性材料で形成された基材を準備する工程と、
ｂ）該基材の少なくとも一方の面に、無機質の電解質層を成膜する工程とを備える製造方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の製造方法であって、
前記電解質層の電解質は、アルカリ金属元素を主成分とする第１サイトを、その他の元素を主成分とする第２サイトに対して一定の比で含むと共に、酸素を所定量含む複合酸化物であって、
前記工程ｂ）は、前記複合酸化物を、第２サイトの成分に対する第１サイトの成分のモル比を、前記一定の比より小さい混合比で合成する工程を備える製造方法。
【請求項１６】
請求項１４記載の製造方法であって、
前記電解質層の電解質は、アルカリ金属元素を主成分とする第１サイトを、その他の元素を主成分とする第２サイトに対して一定の比で含むと共に、酸素を所定量含む複合酸化物であって、
前記工程ｂ）は、前記複合酸化物を、前記アルカリ金属元素と酸化物を形成する第３の元素の酸化物を所定量含んだ状態で合成する工程を備える製造方法。