(57)【要約】      （修正有）【課題】製造が容易、高運転効率、長実用寿命の燃料電池の提供。【解決手段】第１の化合物Ｍ１を第１のイオンＭ（ｍ＋）に酸化することができる陽極１０；これら第１のイオンＭ（ｍ＋）を伝導することができ、かつ、前記陽極１０と接触している第１の電解質２０；第２の化合物Ｎ２を第２のイオンＮ（ｎ−）に還元することができる陰極５０；これら第２のイオンＮ（ｎ−）を伝導することができ、かつ、前記陰極５０と接触している第２の電解質４０；多孔性中央膜３０（ただし、その面の１つが前記第１の電解質２０と接触しており、かつ、その反対側の面が前記第２の電解質４０と接触している）を含む燃料電池であって、第１の電解質２０、第２の電解質４０および中央膜３０は、Ｍ（ｍ＋）イオンおよびＮ（ｎ−）イオンの両方を伝導することができる同じ材料からなる。【選択図】図１
2012142274.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
・第１の化合物Ｍ１を第１のイオンＭ（ｍ＋）（ただし、ｍは、ゼロでない整数である）に酸化することができる陽極（１０）、
・これら第１のイオンＭ（ｍ＋）を伝導することができ、かつ、前記陽極（１０）と接触している第１の電解質（２０）、
・第２の化合物Ｎ２を第２のＮ（ｎ−）イオン（ただし、ｎは、ゼロでない整数である）に還元することができる陰極（５０）、
・これら第２のイオンＮ（ｎ−）を伝導することができ、かつ、前記陰極（５０）と接触している第２の電解質（４０）、
・多孔性中央膜（３０）（ただし、その面の１つが前記第１の電解質（２０）と接触しており、かつ、その反対側の面が前記第２の電解質（４０）と接触している）
を含む燃料電池（１）であって、
前記第１の電解質（２０）、前記第２の電解質（４０）および前記中央膜（３０）が、Ｍ（ｍ＋）イオンおよびＮ（ｎ−）イオンの両方を伝導することができる同じ材料からなることにおいて特徴づけられる燃料電池（１）。
【請求項２】
前記第１の化合物Ｍ１が、Ｈ＋イオンに酸化される水素Ｈ２であり、かつ、前記第２の化合物Ｎ２が、Ｏ２−イオンに還元される酸素Ｏ２であることにおいて特徴づけられる、請求項１に記載の燃料電池（１）。
【請求項３】
前記中央膜（３０）を構成する前記材料がセラミックであることにおいて特徴づけられる、請求項１または２に記載の燃料電池（１）。
【請求項４】
前記セラミックが式ＢａＣｅ０．８５Ｙ０．１５Ｏ３−δのセリウム酸バリウム（ただし、δは正であり、１と比較して小さい）であることにおいて特徴づけられる、請求項２および３に記載の燃料電池（１）。
【請求項５】
その運転が、５００℃と８００℃との間から構成される温度で行われることにおいて特徴づけられる、請求項２〜４のいずれかに記載の燃料電池（１）。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載される燃料電池を製造するための方法であって、下記の工程：
・前記第１の電解質（２０）、前記第２の電解質（４０）および前記中央膜（３０）を、これらの層を構成する材料の熱間圧縮成形および焼結によって形成し、組み立てる工程、
・堆積法によって、陽極（１０）を前記第１の電解質（２０）に取り付け、かつ、陰極（５０）を前記第２の電解質（４０）に取り付ける工程、
・前記第１の電解質（２０）および前記第２の電解質（４０）を焼結期間中に高密度化する工程、
・前記中央膜（３０）の多孔性を調節する工程
を含むことにおいて特徴づけられる方法。
【請求項７】
前記中央膜（３０）の多孔性の調節が、細孔の形成を焼結期間中に促進する添加物の添加によって、および／または、より低い焼結温度によって達成されることにおいて特徴づけられる、請求項６に記載の燃料電池（１）製造方法。
【請求項８】
前記陽極（１０）を前記第１の電解質（２０）の１つの面に取り付け、かつ、前記陰極（５０）を前記第２の電解質（４０）の１つの面に取り付ける前に、前記陽極（１０）および前記陰極（５０）への付着のために使用される多孔性材料の層がこれらの面に堆積させられることにおいて特徴づけられる、請求項６または７に記載の燃料電池（１）製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の化合物Ｍ１を第１のイオンＭ（ｍ＋）（ただし、ｍは、ゼロでない整数である）に酸化することができる陽極；これら第１のイオンＭ（ｍ＋）を伝導することができ、かつ、この陽極と接触している第１の電解質；第２の化合物Ｎ２を第２のイオンＮ（ｎ−）（ただし、ｎは、ゼロでない整数である）に還元することができる陰極；これら第２のイオンＮ（ｎ−）を伝導することができ、かつ、この陰極と接触している第２の電解質；多孔性中央膜（ただし、その面の１つが第１の電解質と接触しており、かつ、その反対側の面が第２の電解質と接触している）を含む燃料電池に関連する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（ＦＣ）は、据え置き型用途のためのエネルギー生成源、しかし、同様に、より長期的には搭載型用途（例えば、自動車）のためのエネルギー生成源、すなわち、化石資源から直接に生じるエネルギー生成源の代替となることが意図される。
【０００３】
ＦＣは、下記の全体的な化学反応に従って、電気、化合物Ｐおよび熱が同時に生成することを伴う、第１の化合物Ｍ１および第２の化合物Ｎ２の電気化学的かつ制御された酸化還元の原理に基づいて作動する：
｛ｎＭ１＋ｍＮ２→ｐＰ｝
式中、ｎ、ｍおよびｐは、ゼロでない整数である。
【０００４】
Ｍ１は、酸化されたとき、第１のイオンＭ（ｍ＋）（またはｍ個の第１のイオンＭ＋）およびｍ個の電子を与える、同一または別個の原子からなる化合物を示す。
【０００５】
Ｎ２は、ｎ個の電子の存在下での還元により、第２のイオンＮ（ｎ−）（またはｎ個の第２のイオンＮ−）を与える、同一または別個の原子からなる化合物を示す。
【０００６】
その場合、デバイスの動力源になり得るのが、この生じた電気である。
【０００７】
例えば、ＦＣは、第１の化合物Ｍ１が水素（Ｈ２）であり、第２の化合物Ｎ２が酸素（Ｏ２）であり、その全体の化学反応が下記であるようなものである：
｛Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ｝
【０００８】
この反応から生じる化合物が水Ｈ２Ｏである。
【０００９】
そのようなＦＣの例が下記において検討される。
【００１０】
本発明者らは既に、図２に例示され、その作用が本明細書中下記に記載される、アニオンおよびプロトンの混合伝導を有するＦＣを開発している（国際特許出願公開ＷＯ２００６／０９７６６３）。
【００１１】
このＦＣ１は下記の５つの主要な層を含んでおり、この場合、これらの層は対になって接触しており、それらの積み重なりが下記の順である：
・陽極１０
・第１の電解質２０
・中央膜３０
・第２の電解質４０
・陰極５０。
【００１２】
陽極１０は下記の水素の酸化反応の場所である：
｛Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−｝。
【００１３】
それによって生じたプロトンＨ＋が第１の電解質２０を通って中央膜３０に向かって移動する。したがって、この第１の電解質２０は、プロトンＨ＋を伝導することができる材料である。
【００１４】
生じた電子ｅ−が、陰極５０に戻り、かつ、陰極５０に電子を供給するために、陰極１０から導体９０を介してＦＣの外側を通って循環する（下記参照）。
【００１５】
陰極Ｃは下記の酸素の還元反応の場所である：
｛１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−｝。
【００１６】
それによって生じたイオンＯ２−が第２の電解質４０を通って中央膜３０に向かって移動する。したがって、この第２の電解質４０は、Ｏ２−イオンを伝導することができる材料である。
【００１７】
したがって、中央膜３０の第１の面が第１の電解質２０と接触しており、中央膜３０の第２の面、すなわち、この第１の面の反対側が第２の電解質４０と接触している。
【００１８】
中央膜３０は、プロトンＨ＋およびイオンＯ２−の両方を伝導することができるように、第１の電解質２０および第２の電解質４０の複合材である。
【００１９】
この中央膜３０の内側において、これらのプロトンＨ＋と、これらのイオンＯ２−とが、水を生じさせるために、下記の反応に従って反応する：
｛２Ｈ＋＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ｝。
【００２０】
この中央膜３０はさらに、それによって生じた水のより良好な排出を可能にするために、空隙３５により多孔性である。
【００２１】
そのようなＦＣは、単純な伝導を有するＦＣと比較した場合、水を、電極（陽極および陰極）においてではなく、中央膜３０において排出するという利点を有する：実際、水が陽極または陰極において排出されるとき、この水により、これらの電極における活性部位（水素の酸化または酸素の還元のための部位）が無効化される。
【００２２】
しかしながら、このＦＣ、ならびに、一般には、第１の化合物Ｍ１および第２の化合物Ｎ２の酸化還元によって作動するＦＣは欠点をいくつか有する。
【００２３】
一方で、中央膜３０を一般には焼結によって製造することは、第１の電解質２０の材料と、第２の電解質４０の材料との間における物理化学的および熱機械的な不適合性（異なる熱膨張係数）のために、また、焼結温度がこれらの材料の両者の間では異なることのために複雑である。
【００２４】
他方で、これらの不適合性は、中央膜３０の変形および／または亀裂形成を伴う中央膜３０の早すぎる経年劣化、ならびに／あるいは、その多孔性網目組織の閉塞を引き起こす。このことの結果がＦＣの性能における著しい低下である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２５】
【特許文献１】国際特許出願公開ＷＯ２００６／０９７６６３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
本発明者らは、これらの欠点に対する改善法を見出すことを目的とする。
【００２７】
本発明は、その製造が容易であり、かつ、その運転効率が改善され、かつ、その実用寿命が増大している燃料電池を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
この目標が、第１の電解質、第２の電解質および中央膜が、Ｍ（ｍ＋）イオンおよびＮ（ｎ−）イオンの両方を伝導することができる同じ材料からなるという事実によって達成される。
【００２９】
これらの構成によって、第１の電解質、中央膜および第２の電解質からなるアセンブリーが、ただ１回だけの操作で、例えば、焼結によって製造され得るので、本発明の燃料電池の製造が非常に簡略化される。このアセンブリーの機械的強度および寿命もまた改善される。
【００３０】
さらに、中央膜内の可能な反応部位の表面積が強力に増大する。実際、先行技術によるＦＣでは、第１のイオン（例えば、プロトンＨ＋）と、第２のイオン（例えば、イオンＯ２−）との間の中央膜内の反応部位が、第１の電解質の材料と、第２の電解質の材料と、空隙との間での共通する境界に限定される。すなわち、これらの反応部位は一次元的である（空間における複数の曲線）。他方で、本発明によるＦＣでは、可能な反応部位が中央膜の材料の自由表面（すなわち、この材料と、空隙との間における境界）によって形成される。したがって、反応部位が二次元的（空間における複数の表面）であり、すなわち、はるかにより多数である。同時に、中央膜の内部抵抗が低下する。これは、後者はどの点においても同じイオン伝導率を有し、すなわち、中央膜を構成する材料のイオン伝導率を有するからである（これに対して、先行技術では、イオン伝導率が、第１の電解質のイオン伝導率と、第２の電解質のイオン伝導率との間で空間において変化し、このことはイオン循環経路をより曲がりくねったものにし、したがって、中央膜の内部抵抗を増大させる）。
【００３１】
本発明が、限定されない例として例示される実施形態の下記の詳述された記載を読んだとき、よりよく理解され、その利点がよりよく明らかになる。記載は、添付された図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による燃料電池の概略的例示である。
【図２】先行技術による燃料電池の概略的例示である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
図１は、本発明による燃料電池（ＦＣ）を例示する。
【００３４】
このＦＣ１は下記の５つの主要な層を含んでおり、この場合、これらの層が対になって接触しており、それらの積み重なりが下記の順である：
・陽極１０
・第１の電解質２０
・中央膜３０
・第２の電解質４０
・陰極５０。
【００３５】
下記の記載において、第１の化合物Ｍ１が水素（Ｈ２）であり、かつ、第２の化合物Ｎ２が酸素（Ｏ２）であるＦＣが検討される。しかしながら、本発明はまた、第１の化合物が水素でなく、かつ／または、第２の化合物が酸素でない反応に対しても当てはまる。
【００３６】
陽極１０は下記の水素の酸化反応の場所である：
｛Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−｝。
【００３７】
陰極５０は下記の酸素の還元反応の場所である：
｛１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−｝。
【００３８】
第１の電解質２０、第２の電解質４０および中央膜３０はそれぞれが、プロトンＨ＋を伝導することができ、かつ、イオンＯ２−を伝導することができる材料からなる。
【００３９】
生じた電子ｅ−が、陰極５０に戻り、かつ、陰極５０に電子を供給するために、陰極１０から導体９０を介してＦＣの外側を通って循環する。
【００４０】
したがって、中央膜３０の第１の面が第１の電解質２０と接触しており、中央膜３０の第２の面、すなわち、この第１の面の反対側が第２の電解質４０と接触している。
【００４１】
この中央膜３０はさらに、下記の反応においてそれによって生じた水のより良好な排出を可能にするために、空隙３５を伴って多孔性である：
｛２Ｈ＋＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ｝。
【００４２】
後者と異なる反応に基づいて作動するＦＣの場合には、空隙３５を通って都合よく排出されるのが、化合物Ｐ、すなわち、この異なる反応の生成物である。
【００４３】
したがって、第１の電解質２０、第２の電解質４０および中央膜３０によって形成されるアセンブリーは同じ材料のブロックであり、この場合、中央膜３０はさらに、空隙３５を有しており、一方、これらの電解質は高密度である。したがって、このアセンブリーはモノリシック（一体型）である。
【００４４】
例えば、この材料はセラミックであり、この場合、セラミックは、その多孔性がＦＣの製造期間中に、例えば、焼結によって制御されるという点で利点を有する。
【００４５】
本発明者らによって行われた試験は予想外にも、中央膜３０内におけるプロトンＨ＋およびイオンＯ２−の同時混合伝導が不安定なものではなく、それどころか、効率的に生じることを示している。
【００４６】
具体的には、本発明者らは、ＦＣ用の材料として使用することができる、混合伝導を有するそのようなセラミックが、例えば、式ＢａＣｅ０．８５Ｙ０．１５Ｏ３−δのセリウム酸バリウム（ただし、δは正であり、１と比較して小さい）であることを示している。
【００４７】
この材料はＢＣＹ１５によって示され、プロトンＨ＋およびイオンＯ２−の両方の良好な伝導を有する。
【００４８】
好都合なことに、ＦＣの運転が、５００℃と、８００℃との間から構成される温度で行われる。
【００４９】
実際、本発明者らは、ＦＣの収率がこの温度範囲においてより大きかったことを示している。
【００５０】
本発明者らは、いくつかの層を含む本発明によるＦＣを下記の方法の組合せによって作製している：
・第１の電解質２０、第２の電解質４０および中央膜３０を、これらの層を構成する材料の冷間圧縮成形および焼結によって形成し、組み立てる方法、
・堆積法によって、例えば、スクリーン印刷またはテープ成形によって、陽極１０を第１の電解質２０に取り付け、かつ、陰極５０を第２の電解質４０に取り付ける方法、
・第１の電解質２０および第２の電解質４０を焼結期間中に高密度化する方法、
・中央膜３０の多孔性を調節する方法。
【００５１】
この製造方法により、本発明によるＦＣの製造を容易にすることが可能である。
【００５２】
第１の電解質２０および第２の電解質４０の高密度化は、高密度化剤（例えば、ＺｎＯまたはＣｕＯなど）を焼結期間中に添加することによって達成することができる。
【００５３】
中央膜３０の多孔性は、焼結期間中における細孔の形成を促進する添加物を添加することによって、および／または、より低い焼結温度によって達成および／または調節することができる。
【００５４】
陽極１０および陰極５０は、例えば、知られている方法に従って製造されるセラミックまたはサーメット（セラミック−金属の複合材）である。
【００５５】
例えば、ＦＣの組成は、｛陽極／第１の電解質／中央膜／第２の電解質／陰極｝の表記法が使用される場合、下記の１つである：
ＢＣＹ１５−Ｎｉ／高密度ＢＣＹ１５／多孔性ＢＣＹ／高密度ＢＣＹ１５／ＢＣＹ１５−ＬＳＣＦ、または
ＢＣＹ１５−Ｎｉ／高密度ＢＣＹ１５／多孔性ＢＣＹ／高密度ＢＣＹ１５／ＢＣＹ１５−Ａｇ
ただし、ＬＳＣＦは、式Ｌａ１−ＸＳｒＸＣｏ１−ＹＦｅＹＯ３−δのセラミック（ただし、ＸおよびＹは、０と１との間に含まれ、δは正であり、１と比較して小さい）を表す。
【００５６】
好都合なことではあるが、陽極１０を電解質２０の１つの面に取り付け、かつ、陰極５０を第２の電解質４０の１つの面に取り付ける前に、陽極１０および陰極５０への付着のために使用される多孔性材料の層がこれらの面に堆積させられる。
【００５７】
ＦＣが、第１の化合物（Ｍ１）および第２の化合物（Ｎ２）の電気化学的かつ制御された酸化還元の原理に従って作動するという一般的な場合には、第１の電解質、第２の電解質および中央膜として使用される同じ材料は、Ｍ（ｍ＋）イオンおよびＮ（ｎ−）イオンの両方を伝導することができるので、上記結論が適用可能である。
【００５８】
この物質は、例えば、セラミックである。
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
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