(57)【要約】【課題】  水素分離膜と電解質膜との剥離を抑制することができる水素分離膜電解質接合体の製造方法および燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】  水素分離膜電解質接合体の製造方法は、水素分離膜（１０）を準備する準備工程と、水素分離膜上に酸素と反応して固体酸化物を形成する酸化性物質（２０）を配置する工程と、所定の温度において酸化性物質に対して熱処理を施す熱処理工程と、水素分離膜上に電解質膜（３０）を形成する電解質膜形成工程とを含むことを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素分離膜を準備する準備工程と、
前記水素分離膜上に、酸素と反応して固体酸化物を形成する酸化性物質を配置する工程と、
所定の温度において前記酸化性物質に対して熱処理を施す熱処理工程と、
前記水素分離膜上に電解質膜を形成する電解質膜形成工程とを含むことを特徴とする水素分離膜電解質接合体の製造方法。
【請求項２】
前記電解質膜は、固体酸化物からなることを特徴とする請求項１記載の水素分離膜電解質接合体の製造方法。
【請求項３】
前記酸化性物質は、前記所定の温度において前記水素分離膜よりも酸化されやすい物質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接合体の製造方法。
【請求項４】
前記酸化性物質は、水素透過性を有してい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接合体の製造方法。
【請求項５】
前記水素分離膜は、溶解圧延または液体急冷法によって作製した膜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水素分離膜電解質接合体の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の水素分離膜電解質接合体の製造方法を含む燃料電池の製造方法であって、
前記電解質膜上にカソードを形成するカソード形成工程を含むことを特徴とする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、水素分離膜電解質接合体の製造方法および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を実現することができることから、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導電性を有する電解質が積層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、プロトン導電性の電解質中を移動し、カソードにおいて酸素と結合して発電が行われる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４６３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記水素分離膜電池の水素分離膜を薄膜化する際に、水素分離膜中の気泡の露出によって水素分離膜表面に凹凸が発生するおそれがある。その結果、水素分離膜と電解質膜とが剥離するおそれがある。
【０００６】
本発明は、水素分離膜と電解質膜との剥離を抑制することができる水素分離膜電解質接合体の製造方法および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】
本発明に係る水素分離膜電解質接合体の製造方法は、水素分離膜を準備する準備工程と、水素分離膜上に酸素と反応して固体酸化物を形成する酸化性物質を配置する工程と、所定の温度において酸化性物質に対して熱処理を施す熱処理工程と、水素分離膜上に電解質膜を形成する電解質膜形成工程とを含むことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る水素分離膜電解質接合体の製造方法においては、水素分離膜が準備され、水素分離膜上に酸素と反応して固体酸化物を形成する酸化性物質が配置される。この場合、水素分離膜の凹部の表面エネルギが平坦部の表面エネルギに比較して大きいことから、水素分離膜の凹部の表面エネルギを低下させるように酸化性物質が堆積される。したがって、層状に酸化性物質を水素分離膜上に形成しようとしても、水素分離膜の凹部に優先的に酸化性物質が堆積される。その結果、水素分離膜上の凹部が閉塞される。また、所定の温度において酸化性物質に対して熱処理が施される。この場合、水素分離膜の凹部において酸化性物質が酸化膨張する。それにより、水素分離膜と酸化性物質との密着性が向上する。また、水素分離膜上に電解質膜が形成される。この場合、酸化性物質によって水素分離膜の凹部が閉塞されていることから、電解質膜を層状に形成することができる。したがって、電解質膜に欠陥が発生することを抑制することができる。以上のことから、電解質膜と水素分離膜と剥離を抑制することができる。
【０００９】
電解質膜は、固体酸化物からなるものであってもよい。この場合、電解質膜と酸化性物質の酸化物との密着性が向上する。酸化物同士の密着性は、比較的高くなるからである。また、酸化性物質は、所定の温度において水素分離膜よりも酸化されやすい物質であってもよい。この場合、水素分離膜の酸化を抑制することができる。
【００１０】
酸化性物質は、水素透過性を有していてもよい。この場合、本発明に係る水素分離膜電解質接合体の水素透過性の低下を防止することができる。また、水素分離膜は、溶解圧延または液体急冷法によって作製した膜であってもよい。この場合、水素分離膜に気泡が内在する。それにより、水素分離膜を研磨しても、水素分離膜表面に気泡が露出して凹部が発生してしまう。したがって、このような水素分離膜に対して本発明の効果が特に発揮される。
【００１１】
本発明に係る燃料電池の製造方法は、請求項１〜５のいずれかに記載の水素分離膜電解質接合体の製造方法を含む燃料電池の製造方法であって、電解質膜上にカソードを形成するカソード形成工程を含むことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係る燃料電池の製造方法においては、水素分離膜が準備され、水素分離膜上に酸素と反応して固体酸化物を形成する酸化性物質が配置される。この場合、水素分離膜の凹部の表面エネルギが平坦部の表面エネルギに比較して大きいことから、水素分離膜の凹部の表面エネルギを低下させるように酸化性物質が堆積される。したがって、層状に酸化性物質を水素分離膜上に形成しようとしても、水素分離膜の凹部に優先的に酸化性物質が堆積される。その結果、水素分離膜上の凹部が閉塞される。また、所定の温度において酸化性物質に対して熱処理が施される。この場合、水素分離膜の凹部において酸化性物質が酸化膨張する。それにより、水素分離膜と酸化性物質との密着性が向上する。また、水素分離膜上に電解質膜が形成される。この場合、酸化性物質によって水素分離膜の凹部が閉塞されていることから、電解質膜を層状に形成することができる。したがって、電解質膜に欠陥が発生することを抑制することができる。以上のことから、電解質膜と水素分離膜と剥離を抑制することができる。さらに、電解質膜上にカソードが形成される。この場合、電解質膜に欠陥がないことから、水素分離膜とカソードとの短絡を防止することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、水素分離膜と電解質膜との剥離を抑制することができる。
【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、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の製造方法について説明するための製造フロー図である。図１（ａ）に示すように、まず、水素分離膜１０を準備する。水素分離膜１０は、水素透過性金属から構成される。本実施例においては、水素分離膜１０は、Ｐｄ（パラジウム）からなる。水素分離膜１０の膜厚は、例えば、２０μｍ程度である。水素分離膜１０は、溶解圧延によって作製されたものであってもよく、液体急冷法により作製されたものであってもよい。溶解圧延とは、インゴット溶解等の溶解工程および圧延工程を含む製造方法のことを意味する。
【００１６】
ここで、水素分離膜１０の表面に深さ１μｍ程度の複数の凹部が形成されることがある。溶解圧延製品には、インゴット溶解時に取り除くことができない気泡が混入してしまうからである。また、液体急冷法においても、金属を溶解する際に取り除くことができない気泡が混入してしまうからである。したがって、水素分離膜１０を研磨しても、内在する気泡が露出することによって表面に凹部が形成されることがある。
【００１７】
次に、図１（ｂ）に示すように、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、めっき法等の方法により、水素分離膜１０上に酸化性物質２０を例えば５ｎｍ程度形成する。凹部の表面エネルギは平坦部の表面エネルギに比較して大きいことから、凹部の表面エネルギを低下させるように酸化性物質２０が堆積される。したがって、層状に酸化性物質２０を水素分離膜１０上に形成しようとしても、水素分離膜１０の凹部に優先的に酸化性物質２０が堆積される。その結果、水素分離膜１０上の凹部が閉塞される。酸化性物質２０は、酸化することによって固体酸化物になる酸化性物質からなる。本実施例においては、酸化性物質２０は、Ｃｒ（クロム）からなる。なお、酸化性物質２０は水素分離膜１０全体を覆う必要はなく、水素分離膜１０の凹部を閉塞していればよい。
【００１８】
次いで、図１（ｃ）に示すように、酸化性物質２０に対して酸化処理を施す。例えば、大気中において４００℃の温度条件下で酸化性物質２０を１０分程度放置することによって、酸化性物質２０を酸化することができる。この場合、水素分離膜１０の凹部において酸化性物質２０が酸化膨張する。それにより、水素分離膜１０と酸化性物質２０との密着性が向上する。なお、酸化性物質２０全体を酸化する必要はなく、酸化性物質２０の最表面が酸化されればよい。
【００１９】
次に、図１（ｄ）に示すように、スパッタリング法等によって、水素分離膜１０および酸化性物質２０上にプロトン伝導性を有する電解質膜３０を１μｍ程度形成する。酸化性物質２０によって水素分離膜１０の凹部が閉塞されていることから、電解質膜３０を層状に形成することができる。したがって、電解質膜３０に欠陥が発生することを抑制することができる。なお、電解質膜３０が固体酸化物からなる場合には、酸化性物質２０と電解質膜３０との密着性が向上する。酸化物同士の密着性は、比較的高いからである。電解質膜３０としては、ＢａＣｅＯ３、ＳｒＣｅＯ３、ＳｉＯ２／Ｐ２Ｏ５、ＢａＺｒＯ３、ＳｒＺｒＯ３、ＣｓＨＳＯ４、ＳｎＰ２Ｏ７、ポリスチレンスルホン酸等を用いることができる。
【００２０】
なお、上記酸化工程において酸化性物質２０が酸化膨張することによって、水素分離膜１０の表面に図１（ａ）における凹部よりも小さい凹凸が形成される。それにより、水素分離膜１０の表面積は、平坦である場合に比較して大きくなっている。したがって、アンカー効果によって電解質膜３０と水素分離膜１０との密着性が向上する。
【００２１】
次いで、図１（ｅ）に示すように、電解質膜３０上にスパッタリング法等によってカソードを形成する。以上の工程により、燃料電池１００が完成する。上記のように、本実施例に係る燃料電池の製造方法によれば、電解質膜３０と水素分離膜１０との剥離を抑制することができる。なお、電解質膜３０に欠陥が存在しないことから、カソード４０と水素分離膜１０との短絡を防止することができる。
【００２２】
なお、本実施例においては酸化性物質２０としてＣｒを用いているが、酸化されやすくかつ固体酸化物を形成するものであればどのようなものでも用いることができる。例えば、酸化性物質２０として、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）等を用いることができる。ただし、酸化性物質２０を構成する材料は、図１（ｃ）の酸化温度において水素分離膜１０を構成する材料よりも酸化されやすいことが好ましい。また、酸化性物質２０は非常に薄い膜であることから水素透過性にあまり影響を及ぼさないが、酸化性物質２０が水素透過性を有していることが好ましい。したがって、酸化性物質２０としてＴａ，Ｚｒ等の水素透過性金属を用いることが好ましい。
【００２３】
また、本実施例においては水素分離膜１０としてＰｄを用いているが、水素透過性を有する金属であればどのようなものでも用いることができる。例えば、水素分離膜１０として、Ｔａ，Ｚｒ，Ｎｂ（ニオブ），Ｖ（バナジウム）等またはこれらを含有する合金を用いることができる。どのような水素透過性金属を水素分離膜１０として用いた場合においても、溶解圧延または液体急冷法により作製されたものであれば表面に凹部が形成されやすい。したがって、溶解圧延または液体急冷法によって作製された水素分離膜１０に対して、本発明の効果が特に発揮される。Ｖ等の比較的酸化されやすい金属を水素分離膜１０として用いる場合には、図１（ｃ）の酸化工程において水素分離膜１０が酸化しないように酸化性物質２０の酸化温度を調整する必要がある。
【００２４】
本実施例においては、図１（ｄ）の水素分離膜１０、酸化性物質２０および電解質膜３０が水素分離膜電解質接合体に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第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製造フロー図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  水素分離膜
２０  酸化性物質
３０  電解質膜
４０  カソード
１００  燃料電池
【図１】
2007328944.tif 000003