(57)【要約】【課題】  発電時における水素分離膜と電解質膜との界面剥離を抑制す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】  本発明に係る燃料電池の製造方法は、水素をプロトンおよび／または水素原子の状態で透過する水素分離膜（１２）上にプロトン伝導性を有する電解質膜（１４）が設けられた水素分離膜−電解質膜接合体（１０）に対し、水素分離膜−電解質膜接合体の発電前に、水素処理を施す水素処理工程を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の製造方法によれば、発電前に水素分離膜と電解質膜との間の応力が緩和されていることから、発電時または発電後における水素分離膜と電解質膜との剥離が抑制される。それにより、燃料電池の発電性能低下が抑制される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素をプロトンおよび／または水素原子の状態で透過する水素分離膜上にプロトン伝導性を有する電解質膜が設けられた水素分離膜−電解質膜接合体に対し、前記水素分離膜−電解質膜接合体の発電前に、水素処理を施す水素処理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２】
前記水素処理とは、水素含有雰囲気において前記水素分離膜−電解質膜接合体に熱処理を行う処理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】
前記水素処理工程前に、前記電解質膜の前記水素分離膜と反対側にカソードを形成する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】
前記水素分離膜は、パラジウムからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項５】
前記電解質膜は、ＳｒＺｎ（１−Ｘ）ＩｎＸＯ３からな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、水素をプロトンおよび／または水素原子の状態で透過する水素透過性金属によって形成される膜である。緻密な水素分離膜は、電解質膜の支持基板としての機能を有するとともに、発電時にはアノードとしての機能も有する。
【０００４】
特許文献１には、水素透過時における水素分離金属層の膨張に伴う水素分離金属層と電解質層との層間剥離を抑制するための技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２００４−０８４３３３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、特許文献１の技術では、燃料電池を発電雰囲気にさらした場合に、水素分離金属層と電解質層との間に剥離が発生するおそれがある。
【０００７】
本発明は、発電時における水素分離膜と電解質膜との界面剥離を抑制す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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池の製造方法は、水素をプロトンおよび／または水素原子の状態で透過する水素分離膜上にプロトン伝導性を有する電解質膜が設けられた水素分離膜−電解質膜接合体に対し、水素分離膜−電解質膜接合体の発電前に、水素処理を施す水素処理工程を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の製造方法によれば、発電前に水素分離膜と電解質膜との間の応力が緩和されていることから、発電時または発電後における水素分離膜と電解質膜との剥離が抑制される。それにより、燃料電池の発電性能低下が抑制される。
【０００９】
上記製造方法において、水素処理とは、水素含有雰囲気において水素分離膜−電解質膜接合体に熱処理を行う処理であってもよい。上記製造方法において、水素処理工程前に、電解質膜の水素分離膜と反対側にカソードを形成する工程をさらに含んでいてもよい。この製造方法によれば、カソードの形成時に水素分離膜−電解質膜接合体に応力がかかっていたとしても、水素処理によってその応力が緩和される。したがって、カソードの形成後に水素処理を行うことによって、水素分離膜と電解質膜との間の応力がより緩和される。
【００１０】
上記製造方法において、水素分離膜は、パラジウムからなってもよい。上記製造方法において、電解質膜は、ＳｒＺｎ（１−Ｘ）ＩｎＸＯ３からなってもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発電時における水素分離膜と電解質膜との界面剥離を抑制することができる燃料電池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】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１３】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の製造方法について説明する。図１（ａ）〜図１（ｃ）は、第１の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を示すフロー図である。まず、図１（ａ）に示すように、水素分離膜−電解質膜接合体１０を準備する。水素分離膜−電解質膜接合体１０は、水素をプロトンおよび／または水素原子の状態で透過する水素透過性金属からなる水素分離膜１２上にプロトン伝導性を有する電解質膜１４が設けられたものである。
【００１４】
水素分離膜１２を構成する水素透過性金属として、例えば、Ｐｄ（パラジウム）、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等を用いることができる。また、これらの水素透過性金属層の２面のうち電解質膜１４が設けられる側の面上に、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水素分離膜１２として用いてもよい。水素分離膜１２の膜厚は、特に限定されないが、例えば５μｍ〜１００μｍ程度である。水素分離膜１２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。
【００１５】
電解質膜１４として、プロトン伝導性電解質が用いられる。例えば、ペロブスカイト型電解質（ＳｒＺｎ（１−Ｘ）ＩｎＸＯ３等）、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））等を電解質膜１４に用いることができる。電解質膜１４の膜厚は、特に限定されないが、例えば１μｍ程度である。
【００１６】
次いで、図１（ｂ）に示すように、図１（ａ）で準備された水素分離膜−電解質膜接合体１０に水素処理を施す。水素処理とは、水素含有雰囲気において水素分離膜−電解質膜接合体１０に熱処理を行う処理のことをいう。この場合の水素含有雰囲気は、特に限定されるものではないが、例えば５０ｋＰａ〜１２０ｋＰａ程度の水素分圧を有する。熱処理時の水素分離膜−電解質膜接合体１０の温度は、特に限定されるものではないが、燃料電池として発電する場合の温度（例えば４００℃程度）を含む所定温度範囲内であってもよい。一例として、水素分離膜−電解質膜接合体１０の温度を３５０℃〜５００℃程度に維持してもよい。なお、水素処理時間は、特に限定されるものではないが、０．２ｈｒ〜２．０ｈｒ程度であってもよい。
【００１７】
水素処理が実行されると、水素雰囲気が作用して電解質膜１４に応力がかかる。一方、水素雰囲気中においては、時間経過とともに、水素分離膜１２の水素透過性金属が動きやすくなる。それにより、水素分離膜１２と電解質膜１４との間の応力が緩和される。
【００１８】
続いて、図１（ｃ）に示すように、水素分離膜−電解質膜接合体１０の電解質膜１４上にカソード２０を形成する。カソード２０として、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２０は、例えば、ＰＶＤ等により形成することができる。
【００１９】
以上の方法で、燃料電池３０は製造される。なお、燃料電池３０において、水素分離膜１２は、電解質膜１４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。また、複数の燃料電池３０を積層して、燃料電池スタックを構成してもよい。
【００２０】
燃料電池３０は、以下の作用によって発電を行う。まず、水素を含む燃料ガスが水素分離膜１２に供給される。燃料ガス中の水素はプロトンおよび／または水素原子の状態で水素分離膜１２を透過して電解質膜１４に到達する。電解質膜１４に到達した水素原子は、プロトンおよび電子に解離する。プロトンは、電解質膜１４を伝導してカソード２０に到達する。電子は、水素分離膜１２を伝導して、水素分離膜１２とモータ、補機等の負荷（図示せず）とカソード２０とを電気的に接続する外部回路（図示せず）を通って、カソード２０側へ供給される。
【００２１】
一方、酸素を含む酸化剤ガスは、カソード２０に供給される。カソード２０においては、酸化剤ガス中の酸素と電解質膜１４を伝導してきたプロトンと外部回路を通って供給された電子とから、水が発生する。以上の作用により、燃料電池３０による発電が行われる。なお、発電時において燃料電池３０は、反応熱によって発熱する。その結果、燃料電池３０は、４００℃程度の温度になる。
【００２２】
本実施の形態に係る燃料電池の製造方法によれば、発電前に水素分離膜１２と電解質膜１４との間の応力が緩和されていることから、発電時または発電後における水素分離膜１２と電解質膜１４との剥離が抑制される。それにより、燃料電池３０の発電性能低下が抑制される。
【００２３】
なお、発電時にも水素分離膜−電解質膜接合体１０に水素雰囲気が作用する。したがって、あらかじめ水素処理を行わなくても、発電時に水素分離膜１２と電解質膜１４との間の応力を緩和させることも考えられる。しかしながら、発電時には、水素に加えて酸素が供給されることから、電解質膜１４に応力がかかった場合に水素分離膜１２と電解質膜１４との間に酸素が入り込むおそれがある。この場合、水素と酸素との燃焼により、水素分離膜１２と電解質膜１４との剥離を誘発するおそれがある。
【００２４】
これに比較して、本実施の形態に係る製造方法においては、カソード２０にエアが供給されない状態で水素処理が行われる。したがって、水素と酸素との燃焼の影響を受けずに済む。その結果、水素分離膜１２と電解質膜１４との剥離を抑制することができる。
【００２５】
なお、電解質膜１４を成膜する前の水素分離膜１２に、水素透過処理をあらかじめ実施しておいてもよい。この場合、水素分離膜１２をあらかじめ変形させた後に電解質膜１４を成膜することができる。この場合、燃料電池３０の発電時または発電後における水素分離膜１２と電解質膜１４との剥離がより抑制される。
【００２６】
ここで、水素分離膜−電解質膜接合体１０に水素処理を行わなくても、電解質膜１４の成膜前の水素分離膜１２に水素透過処理を行うだけで水素分離膜１２と電解質膜１４との剥離が十分に抑制されるとも考えられる。しかしながら、電解質膜１４の成膜時には雰囲気、温度等の影響により水素分離膜１２中の水素が除去されてしまうことから、水素分離膜−電解質膜接合体１０を水素雰囲気にさらすと、再び水素分離膜１２が変形するおそれがある。この場合、水素分離膜１２と電解質膜１４とが剥離するおそれがある。したがって、本実施の形態のように、水素分離膜−電解質膜接合体１０に水素処理を実施することによって、水素分離膜１２と電解質膜１４との剥離をより抑制することができる。
【００２７】
（第２の実施の形態）
続いて、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の製造方法について説明する。図２（ａ）および図２（ｂ）は、第２の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を示すフロー図である。まず、図２（ａ）に示すように、燃料電池３０ａを準備する。燃料電池３０ａは、水素分離膜−電解質膜接合体１０の電解質膜１４上にカソード２０が形成された水素分離膜電池である。
【００２８】
次いで、図２（ｂ）に示すように、燃料電池３０ａに水素処理が実行される。水素処理は、図１（ｂ）で説明した水素処理と同様の方法で実行される。
【００２９】
本実施の形態に係る燃料電池の製造方法においても、水素分離膜１２と電解質膜１４との間の応力が緩和される。それにより、燃料電池３０ａの発電時または発電後における水素分離膜１２と電解質膜１４との剥離が抑制される。また、本実施の形態においては、カソード２０の成膜時に水素分離膜−電解質膜接合体１０に応力がかかっていたとしても、水素処理によってその応力が緩和される。したがって、カソード２０の成膜後に水素処理を行うことによって、水素分離膜１２と電解質膜１４との間の応力がより緩和される。
【実施例】
【００３０】
以下、上記実施の形態に係る製造方法で製造された燃料電池の特性を調べた。
【００３１】
（実施例１）
実施例１においては、第２の実施の形態に係る製造方法に従って、燃料電池３０ａを作製した。水素分離膜１２として、パラジウムを用いた。電解質膜１４として、ＳｒＺｎ（１−Ｘ）ＩｎＸＯ３を用いた。カソード２０として、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４ＣｏＯ３を用いた。まず、燃料電池３０ａをエア雰囲気で４００℃まで昇温させ、５０ｋＰａ〜１２０ｋＰａの水素雰囲気で０．５時間水素処理した。その後、水素分離膜１２を水素雰囲気にさらし、カソード２０をエアにさらした。
【００３２】
（比較例１）
比較例１においては、燃料電池３０ａに対して水素処理を実施しなかった。その他は、実施例１と同様である。
【００３３】
（分析）
図３（ａ）は実施例１に係る燃料電池を水素分離膜側からみた写真である。図３（ｂ）は、比較例１に係る燃料電池を水素分離膜側からみた写真である。図３（ｂ）に示すように、比較例１に係る燃料電池においては、剥離が多数発生した。これに対して、実施例１に係る燃料電池においては、剥離が少なかった。したがって、燃料電池を発電雰囲気にさらす前に水素処理を施すことによって、剥離が抑制されることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１（ａ）〜図１（ｃ）は、第１の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を示すフロー図である。
【図２】図２（ａ）および図２（ｂ）は、第２の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を示すフロー図である。
【図３】図３（ａ）は実施例１に係る燃料電池を水素分離膜側からみた写真である。図３（ｂ）は、比較例１に係る燃料電池を水素分離膜側からみた写真である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  水素分離膜−電解質膜接合体
１２  水素分離膜
１４  電解質膜
２０  カソード
３０  燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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