(57)【要約】【課題】  電極を十分に多孔質化することが可能な電解質−電極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】  電解質−電極接合体（１００）の製造方法は、電気化学セルを構成する電解質−電極接合体（１００）の製造方法であって、電解質上に電極材料をアモルファスの状態で成膜することによって電極材料からなる電極（３０）を形成する電極形成工程を含む。燃料電池（２００）の製造方法は、水素分離膜（１０）上に形成されプロトン伝導性を有する電解質（２０）上に、カソード活性を有する電極材料をアモルファスの状態で成膜することによって電極材料からなるカソード（３０）を形成する工程を含む。【選択図】        図１
2009016145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学セルを構成する電解質−電極接合体の製造方法であって、
電解質上に電極材料をアモルファスの状態で成膜することによって前記電極材料からなる電極を形成する電極形成工程を含むことを特徴とする電解質−電極接合体の製造方法。
【請求項２】
前記電極形成工程は、所定の温度以下の成膜温度で前記電極を成膜する工程であることを特徴とする請求項１記載の電解質−電極接合体の製造方法。
【請求項３】
前記電極は、ペロブスカイト構造を有することを特徴とする請求項１または２記載の電解質−電極接合体の製造方法。
【請求項４】
前記電極材料は、ＬａＳｒＣｏＯ３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電解質−電極接合体の製造方法。
【請求項５】
前記所定の温度は、４００℃であることを特徴とする請求項３または４記載の電解質−電極接合体の製造方法。
【請求項６】
前記電極にエネルギを付与することによって前記電極を結晶化させる結晶化工程をさらに含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電解質−電極接合体の製造方法。
【請求項７】
前記結晶化工程は、前記電極に熱処理を行うことによって前記電極を結晶化させる工程であることを特徴とする請求項６記載の電解質−電極接合体の製造方法。
【請求項８】
前記結晶化工程において、前記電気化学セルにおける電気化学反応時に発生する熱を前記電極に付与することによって前記電極にエネルギを付与することを特徴とする請求項６記載の電解質−電極接合体の製造方法。
【請求項９】
前記電気化学セルは、燃料電池であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電解質−電極接合体の製造方法。
【請求項１０】
水素分離膜上に形成されプロトン伝導性を有する電解質上に、電極材料をアモルファスの状態で成膜することによって前記電極材料からなる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１１】
前記カソードにエネルギを付与することによって前記電極を結晶化させる結晶化工程をさらに含むことを特徴とする請求項１０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、電解質−電極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】
燃料電池において電気化学反応（発電反応）を促進するためには、電解質と電極（触媒）と反応ガスとで構成される三相界面が十分に確保されることが必要である。そこで、電解質上に形成した電極にレーザを照射することによって、この電極を多孔質化する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、反応ガスが供給される空間が形成されるため、上記三相界面を形成することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−７９８８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、電極の十分な多孔質化が困難である。
【０００６】
本発明は、電極を十分に多孔質化することが可能な電解質−電極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】
本発明に係る電解質−電極接合体の製造方法は、電気化学セルを構成する電解質−電極接合体の製造方法であって、電解質上に電極材料をアモルファスの状態で成膜することによって電極材料からなる電極を形成する電極形成工程を含むことを特徴とするものである。アモルファスの電極を結晶化させることによって、電極において原子配列の変化に伴って微小な亀裂が生じる。それにより、電極が十分に多孔質化する。この場合、電解質と電極との界面に、電解質と電極と反応ガスが供給される空間とで構成される三相界面が十分に形成される。
【０００８】
電極形成工程は、所定の温度以下の成膜温度で電極を成膜する工程であってもよい。電極は、ペロブスカイト構造を有していてもよい。電極材料は、ＬａＳｒＣｏＯ３であってもよい。所定の温度は、４００℃であってもよい。
【０００９】
上記製造方法は、電極にエネルギを付与することによって電極を結晶化させる結晶化工程をさらに含んでいてもよい。この場合、電極において原子配列の変化に伴って微小な亀裂が生じる。それにより、電極が多孔質化する。また、結晶化工程は、電極に熱処理を行うことによって電極を結晶化させる工程であってもよい。
【００１０】
結晶化工程において、電気化学セルにおける電気化学反応時に発生する熱を電極に付与することによって電極にエネルギを付与してもよい。この場合、電極を結晶化させる前に電解質−電極接合体をユーザに出荷し、ユーザが電解質−電極接合体に電気化学反応をさせることによって電極を結晶化させてもよい。この場合、製造工程を短縮化できるとともに、コストの低減化を図ることができる。なお、電気化学セルは、燃料電池であってもよい。
【００１１】
本発明に係る燃料電池の製造方法は、水素分離膜上に形成されプロトン伝導性を有する電解質上に、電極材料をアモルファスの状態で成膜することによって電極材料からなる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。アモルファスのカソードを結晶化させることによって、カソードにおいて原子配列の変化に伴って微小な亀裂が生じる。それにより、カソードが十分に多孔質化する。この場合、電解質と電極との界面に、電解質と電極と酸化剤ガスが供給される空間とで構成される三相界面が十分に形成される。
【００１２】
上記製造方法は、カソードにエネルギを付与することによって電極を結晶化させる結晶化工程をさらに含んでいてもよい。この場合、カソードにおいて原子配列の変化に伴って微小な亀裂が生じる。それにより、カソードが多孔質化する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電極を十分に多孔質化することができる。それにより、電極と電解質との界面に、電解質と電極と反応ガスが供給される空間とで構成される三相界面が十分に形成される。
【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（ａ）〜図１（ｄ）は、本発明の第１実施例に係る電解質−電極接合体１００およびそれを備えた燃料電池２００の製造方法を示す製造フロー図である。図１（ｅ）は、燃料電池２００の動作を示す図である。まず、図１（ａ）〜図１（ｄ）を参照しつつ、電解質−電極接合体１００および燃料電池２００の製造方法について説明する。
【００１６】
まず、図１（ａ）に示すように、水素分離膜１０を準備する。水素分離膜１０は、緻密な水素透過性金属膜からなる。本実施例に係る水素分離膜１０は、水素が水素原子またはプロトンの状態で透過する程度に、密な構造を有している。水素分離膜１０を構成する材料は、緻密で水素透過性および導電性を有していれば特に限定されるものではない。
【００１７】
水素分離膜１０としては、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膜の両面に、水素解離能を有するパラジウム、パラジウム合金等の膜が形成されたものを水素分離膜１０として用いてもよい。水素分離膜１０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た薄膜であってもよい。
【００１８】
次に、図１（ｂ）に示すように、水素分離膜１０上に、電解質膜２０を形成する。本実施例においては水素分離膜１０が緻密な構造を有していることから、電解質膜２０を十分に薄膜化することができる。それにより、電解質膜２０における膜抵抗を小さくすることができる。
【００１９】
電解質膜２０としては、プロトン伝導性電解質であれば特に限定されないが、例えば、ペロブスカイト型電解質（ＳｒＺｒＩｎＯ３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））等を用いることができる。
【００２０】
電解質膜２０の成膜法は特に限定されるものではない。電解質膜２０は、例えば、気相成膜法、ゾルゲル法等により成膜することができる。気相成膜法としては、例えばＰＶＤ法、ＣＶＤ法等を用いることができる。ＰＶＤ法としては、イオンプレーティング法、パルスレーザ成膜法、スパッタリング法等を用いることができる。
【００２１】
次いで、図１（ｃ）に示すように、電解質膜２０上に、アモルファス状のカソード３０を形成する。カソード３０は、本発明に係る電極に相当する。例えば、ＰＶＤ法（ＰＬＤ法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、真空蒸着法等）、メッキ法等を用いてカソード３０を形成することができる。カソード３０の膜厚は、少なくとも数十ｎｍ程度である。なお、電解質膜２０とカソード３０とを総称して、電解質−電極接合体１００と称する。また、水素分離膜１０と電解質膜２０とカソード３０とを総称して、燃料電池２００と称する。
【００２２】
カソード３０は、触媒活性および電子伝導性を有する電極材料からなる。ここでは、触媒活性は、酸素と電子とプロトンとの反応を促進する性質のことをいう。カソード３０を構成する電極材料は、例えば、酸素イオン伝導性セラミックス（例えば、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４ＣｏＯ３、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＦｅＯ３等のペロブスカイト）、触媒活性金属（例えば、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）等）等を用いることができる。電極材料がセラミックスからなる場合は、カソード３０の成膜雰囲気は酸素雰囲気である。一方、電極材料が触媒活性金属からなる場合は、カソード３０の成膜雰囲気は真空または不活性雰囲気である。
【００２３】
図１（ｃ）においては、カソード３０がアモルファスの状態で成膜されるように成膜温度を設定する。成膜温度は、カソード３０を構成する電極材料の種類に応じて設定される。カソード３０がアモルファスになる成膜温度は、実験によって得ることができる。例えば、酸素イオン伝導性セラミックスを用いる場合には、成膜温度は室温〜４００℃程度である。なお、カソード３０がアモルファスになるか否かは成膜温度以外の要因によっても変化するが、その変化量は微小である。したがって、成膜温度だけを制御することによって、カソード３０をアモルファス化させることが可能である。
【００２４】
なお、電極材料が触媒活性金属である場合にカソード３０のアモルファス化を容易にするために、触媒活性金属に他の金属を添加してもよい。例えば、触媒活性金属としてパラジウムを用いる場合、電極材料としてＰｄＳｉ（Ｓｉ：シリコン）、ＰｄＺｒ（Ｚｒ：ジルコニウム）等を用いることができる。この場合、成膜温度を極低温等に制御しなくてもカソード３０をアモルファス化することができる。
【００２５】
次に、図１（ｄ）に示すように、カソード３０が結晶化するように、カソード３０にエネルギを付与する。エネルギ付与の方法としては、例えば、カソード３０への熱処理が挙げられる。熱処理温度は、カソード３０を構成する電極材料の種類に応じて設定される。カソード３０が結晶化する温度は、実験によって得ることができる。例えば、酸素イオン伝導性セラミックスを用いる場合には、熱処理温度は、図１（ｃ）の成膜温度を上回る温度（例えば、４００℃を上回る温度）である。熱処理の方法としては、燃料電池２００全体を加熱する方法、カソード３０にレーザを照射する方法等がある。レーザ照射法を用いれば、カソード３０以外の構成部材への影響を抑制することができるとともに、カソード３０の結晶化が容易である。
【００２６】
カソード３０が結晶化すると、カソード３０において原子配列の変化に伴って微小な亀裂が生じる。それにより、カソード３０が多孔質化する。この場合、電解質膜２０とカソード３０との界面に、電解質と電極（触媒）と反応ガスが供給される空間とで構成される三相界面が十分に形成される。なお、本実施例においては原子配列の変化を伴うことから、結晶化したカソード３０にレーザ照射等の処理を施してカソード３０を多孔質化する方法に比較して、三相界面を十分に形成することができる。
【００２７】
続いて、図１（ｅ）を参照しつつ、燃料電池２００の動作について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスが、図示しないガス流路を介して水素分離膜１０に供給される。燃料ガス中の水素は、プロトンまたは水素原子の状態で水素分離膜１０を透過する。それにより、水素原子および／またはプロトンは、電解質膜２０に到達する。電解質膜２０に到達した水素原子は、プロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜２０を伝導し、カソード３０に到達する。
【００２８】
一方、酸素を含有する酸化剤ガスは、図示しないガス流路を介してカソード３０に供給される。カソード３０が多孔質化していることから、酸化剤ガスは、カソード３０を十分に透過する。カソード３０と電解質膜２０との界面においては、酸化剤ガス中の酸素とカソード３０に到達したプロトンと電子とが反応し、水が発生する。それに伴い、電力が発生する。以上の動作により、燃料電池２００において発電（電気化学反応）が行われる。
【００２９】
本実施例に係る電解質−電極接合体１００においては、カソード３０と電解質膜２０との界面に三相界面が十分に形成されていることから、酸素とプロトンと電子とによる反応が促進される。それにより、燃料電池２００における電気化学反応が促進される。その結果、燃料電池２００の発電効率が向上する。
【００３０】
なお、本実施例においては図１（ｄ）の工程においてカソード３０を結晶化させているが、図１（ｄ）の工程は必ずしも必要な工程ではない。例えば燃料電池２００の運転温度が高い場合、図１（ａ）から図１（ｃ）までの工程を経た燃料電池２００を購入したユーザが、燃料電池２００の運転時にカソード３０を結晶化させてもよい。この場合、製造工程を短縮化できるとともに、コストの低減化を図ることができる。なお、燃料電池２００は電気化学反応を起こす際に発熱することから、この電気化学反応に伴って発生する熱をカソード３０に付与してもよい。
【００３１】
また、図１（ａ）および図１（ｂ）の工程は、必ずしも必要な工程ではない。例えば、水素分離膜１０上に電解質膜２０が形成された水素分離膜−電解質膜接合体を購入して、図１（ｃ）の工程を行ってもよい。
【実施例２】
【００３２】
続いて、本発明の第２実施例に係る電解質−電極接合体１００ａおよびそれを備えた燃料電池２００ａの製造方法について説明する。図２（ａ）〜図２（ｄ）は、電解質−電極接合体１００ａおよび燃料電池２００ａの製造方法を示す製造フロー図である。図２（ｅ）は、燃料電池２００ａの動作を示す図である。まず、図２（ａ）〜図２（ｄ）を参照しつつ、電解質−電極接合体１００ａおよび燃料電池２００ａの製造方法について説明する。
【００３３】
まず、図２（ａ）に示すように、電解質膜２０ａを準備する。電解質膜２０ａは、プロトン伝導性を有する電解質からなり、実施例１に係る電解質膜２０と同様の材料から構成される。本実施例においては、電解質膜２０ａは、自立膜である。
【００３４】
次に、図２（ｂ）に示すように、電解質膜２０ａの第１面に、アモルファス状のアノード１０ａを形成する。アノード１０ａは、本発明に係る電極に相当する。例えば、ＰＶＤ法等を用いてアノード１０ａを形成することができる。アノード１０ａの膜厚は、少なくとも数十ｎｍ程度である。アノード１０ａは、アノード活性および電子伝導性を有する電極材料からなる。ここで、アノード活性とは、水素のプロトン化を促進する性質のことをいう。例えば、アノード１０ａとして、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｒｕ等を用いることができる。
【００３５】
図２（ｂ）においては、アノード１０ａがアモルファスの状態で成膜されるように成膜温度を設定する。成膜温度は、アノード１０ａを構成する電極材料の種類に応じて設定される。アノード１０ａがアモルファスになる成膜温度は、実験によって得ることができる。
【００３６】
次いで、図２（ｃ）に示すように、電解質膜２０ａの第２面に、アモルファス状のカソード３０ａを形成する。カソード３０ａは、本発明に係る電極に相当する。例えば、ＰＶＤ法等を用いてカソード３０ａを形成することができる。カソード３０ａの膜厚は、少なくとも数十ｎｍ程度である。カソード３０ａは、カソード活性および電子伝導性を有する電極材料からなる。ここで、カソード活性とは、酸素と電子とプロトンとの反応を促進する性質のことをいう。カソード３０ａを構成する電極材料は、実施例１に係るカソード３０と同様である。
【００３７】
なお、アノード１０ａ、電解質膜２０ａおよびカソード３０ａを総称して、燃料電池２００ａと称する。また、アノード１０ａおよび電解質膜２０ａを総称して電解質−電極接合体と称することができ、カソード３０ａおよび電解質膜２０ａを総称して電解質−電極接合体と称することができる。
【００３８】
次に、図２（ｄ）に示すように、アノード１０ａおよびカソード３０ａが結晶化するように、アノード１０ａおよびカソード３０ａにエネルギを付与する。エネルギ付与の方法としては、例えば、アノード１０ａおよびカソード３０ａへの熱処理が挙げられる。熱処理温度は、アノード１０ａを構成する電極材料およびカソード３０ａを構成する電極材料の種類に応じて設定される。電極材料が結晶化する温度は、実験によって得ることができる。熱処理の方法としては、燃料電池２００ａ全体を加熱する方法、アノード１０ａおよびカソード３０ａにレーザを照射する方法等がある。
【００３９】
アノード１０ａが結晶化すると、アノード１０ａにおいて原子配列の変化に伴って微小な亀裂が生じる。それにより、アノード１０ａが多孔質化する。同様に、カソード３０ａは、結晶化に伴って多孔質化する。この場合、電解質膜２０ａとアノード１０ａとの界面に、電解質と電極（触媒）と燃料ガスが供給される空間とで構成される三相界面が十分に形成される。一方、電解質膜２０ａとカソード３０ａとの界面に、電解質と電極（触媒）と酸化剤ガスが供給される空間とで構成される三相界面が十分に形成される。
【００４０】
続いて、図２（ｅ）を参照しつつ、燃料電池２００ａの動作について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスが、図示しないガス流路を介してアノード１０ａに供給される。アノード１０ａが多孔質化していることから、燃料ガスは、アノード１０ａを十分に透過する。燃料ガス中の水素は、アノード１０ａと電解質膜２０ａとの界面において、プロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜２０ａを伝導し、カソード３０ａに到達する。
【００４１】
一方、酸素を含有する酸化剤ガスは、図示しないガス流路を介してカソード３０ａに供給される。カソード３０ａが多孔質化していることから、酸化剤ガスは、カソード３０ａを十分に透過する。カソード３０ａと電解質膜２０ａとの界面においては、酸化剤ガス中の酸素とカソード３０ａに到達したプロトンと電子とが反応し、水が発生する。それに伴い、電力が発生する。以上の動作により、燃料電池２００ａにおいて発電（電気化学反応）が行われる。
【００４２】
本実施例に係る電解質−電極接合体においては、アノード１０ａと電解質膜２０ａとの界面に三相界面が十分に形成されていることから、水素のプロトン化が促進される。また、カソード３０ａと電解質膜２０ａとの界面に三相界面が十分に形成されていることから、酸素とプロトンと電子との反応が促進される。以上のことから、燃料電池２００ａにおける電気化学反応が促進される。その結果、燃料電池２００ａの発電効率が向上する。
【００４３】
なお、本実施例においては図２（ｄ）の工程においてアノード１０ａおよびカソード３０ａを結晶化させているが、図２（ｄ）の工程は必ずしも必要な工程ではない。例えば燃料電池２００ａの運転温度が高い場合、図２（ａ）から図２（ｃ）までの工程を経た燃料電池２００ａを購入したユーザが、燃料電池２００ａの運転時にアノード１０ａおよびカソード３０ａを結晶化させてもよい。この場合、製造工程を短縮化できるとともに、コストの低減化を図ることができる。なお、燃料電池２００ａは電気化学反応を起こす際に発熱することから、この電気化学反応に伴って発生する熱をアノード１０ａおよびカソード３０ａに付与してもよい。
【００４４】
また、本実施例においてはアノード１０ａおよびカソード３０ａをアモルファス化させているが、いずれか一方をアモルファス化させてもよい。この場合においても、アノード側およびカソード側のいずれかにおいて三相界面が十分に形成されるからである。また、図２（ｂ）の工程と図２（ｃ）の工程とを逆にしてもよい。
【実施例３】
【００４５】
続いて、本発明の第３実施例に係る電解質−電極接合体１００ｂおよびそれを備えた燃料電池２００ｂについて説明する。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、電解質−電極接合体１００ｂおよび燃料電池２００ｂの製造方法を示す製造フロー図である。図３（ｅ）は、燃料電池２００ｂの動作を示す図である。まず、図３（ａ）〜図３（ｄ）を参照しつつ、電解質−電極接合体１００ｂおよび燃料電池２００ｂの製造方法について説明する。
【００４６】
まず、図３（ａ）に示すように、電解質膜２０ｂを準備する。電解質膜２０ｂは、酸素イオン伝導性を有する電解質からなる。電解質膜２０ｂとして、例えば、ＺｒＯ２（ジルコニア）にＹ２Ｏ３（イットリア）を混合したイットリア安定化ジルコニア等を用いることができる。本実施例においては、電解質膜２０ｂは、自立膜である。
【００４７】
次に、図３（ｂ）に示すように、電解質膜２０ｂの第１面に、アモルファス状のアノード１０ｂを形成する。例えば、ＰＶＤ法等を用いてアノード１０ｂを形成することができる。アノード１０ｂの膜厚は、少なくとも数十ｎｍ程度である。アノード１０ｂは、アノード活性および電子電導性を有する電極材料からなる。例えば、アノード１０ｂは、アノード１０ａと同様の材料からなる。
【００４８】
図３（ｂ）においては、アノード１０ｂがアモルファスの状態で成膜されるように成膜温度を設定する。成膜温度は、アノード１０ｂを構成する電極材料の種類に応じて設定される。アノード１０ｂがアモルファスになる成膜温度は、実験によって得ることができる。
【００４９】
次いで、図３（ｃ）に示すように、電解質膜２０ｂの第２面に、アモルファス状のカソード３０ｂを形成する。例えば、ＰＶＤ法等を用いてカソード３０ｂを形成することができる。カソード３０ｂの膜厚は、少なくとも数十ｎｍ程度である。カソード３０ｂは、カソード活性および電子電導性を有する電極材料からなる。カソード３０ｂは、カソード３０と同様の材料から構成される。
【００５０】
図３（ｃ）においては、カソード３０ｂがアモルファスの状態で成膜されるように成膜温度を設定する。成膜温度は、カソード３０ｂを構成する電極材料の種類に応じて設定される。カソード３０ｂがアモルファスになる成膜温度は、実験によって得ることができる。
【００５１】
なお、アノード１０ｂ、電解質膜２０ｂおよびカソード３０ｂを総称して、燃料電池２００ｂと称する。また、アノード１０ｂおよび電解質膜２０ｂを総称して電解質−電極接合体と称することができ、カソード３０ｂおよび電解質膜２０ｂを総称して電解質−電極接合体と称することができる。
【００５２】
次に、図３（ｄ）に示すように、アノード１０ｂおよびカソード３０ｂが結晶化するように、アノード１０ｂおよびカソード３０ｂにエネルギを付与する。エネルギ付与の方法としては、例えば、アノード１０ｂおよびカソード３０ｂへの熱処理が挙げられる。熱処理温度は、アノード１０ｂを構成する電極材料およびカソード３０ｂを構成する電極材料の種類に応じて設定される。電極材料が結晶化する温度は、実験によって得ることができる。熱処理の方法としては、燃料電池２００ｂ全体を加熱する方法、アノード１０ｂおよびカソード３０ｂにレーザを照射する方法等がある。
【００５３】
アノード１０ｂが結晶化すると、アノード１０ｂにおいて原子配列の変化に伴って微小な亀裂が生じる。それにより、アノード１０ｂが多孔質化する。同様に、カソード３０ｂは、結晶化に伴って多孔質化する。この場合、電解質膜２０ｂとアノード１０ｂとの界面に、電解質と電極（触媒）と燃料ガスが供給される空間とで構成される三相界面が十分に形成される。一方、電解質膜２０ｂとカソード３０ｂとの界面に、電解質と電極（触媒）と酸化剤ガスが供給される空間とで構成される三相界面が十分に形成される。
【００５４】
続いて、図３（ｅ）を参照しつつ、燃料電池２００ｂの動作について説明する。まず、酸素を含有する酸化剤ガスが、図示しないガス流路を介してカソード３０ｂに供給される。カソード３０ｂが多孔質化していることから、酸化剤ガスは、カソード３０ｂを十分に透過する。カソード３０ｂと電解質膜２０ｂとの界面においては、酸化剤ガス中の酸素とアノード１０ｂからカソード３０ｂに流れる電子とから酸素イオンが発生する。酸素イオンは、電解質膜２０ｂを伝導し、アノード１０ｂに到達する。
【００５５】
一方、水素を含有する燃料ガスは、図示しないガス流路を介してアノード１０ｂに供給される。アノード１０ｂが多孔質化していることから、燃料ガスは、アノード１０ｂを十分に透過する。アノード１０ｂと電解質膜２０ｂとの界面においては、燃料ガス中の水素とアノード１０ａに到達した酸素イオンとが反応し、水が発生するとともに電子が発生する。それに伴い、電力が発生する。電子は、上述したように、カソード３０ｂに流れる。以上の動作により、燃料電池２００ｂによる発電が行われる。
【００５６】
本実施例に係る電解質−電極接合体においては、カソード３０ｂと電解質膜２０ｂとの界面に三相界面が十分に形成されていることから、酸素の酸素イオン化が促進される。また、アノード１０ｂと電解質膜２０ｂとの界面に三相界面が十分に形成されていることから、水素と酸素イオンとの反応が促進される。以上のことから、燃料電池２００ｂにおける電気化学反応が促進される。その結果、燃料電池２００ｂの発電効率が向上する。
【００５７】
なお、本実施例においては図３（ｄ）の工程においてアノード１０ｂおよびカソード３０ｂを結晶化させているが、図３（ｄ）の工程は必ずしも必要な工程ではない。例えば燃料電池２００ｂの運転温度が高い場合、図３（ａ）から図３（ｃ）までの工程を経た燃料電池２００ｂを購入したユーザが、燃料電池２００ｂの運転時にアノード１０ｂおよびカソード３０ｂを結晶化させてもよい。この場合、製造工程を短縮化できるとともに、コストの低減化を図ることができる。なお、燃料電池２００ｂは電気化学反応を起こす際に発熱することから、この電気化学反応に伴って発生する熱をアノード１０ｂおよびカソード３０ｂに付与してもよい。
【００５８】
また、本実施例においてはアノード１０ｂおよびカソード３０ｂをアモルファス化させているが、いずれか一方をアモルファス化させてもよい。この場合においても、アノード側およびカソード側のいずれかにおいて三相界面が十分に形成されるからである。また、図２（ｂ）の工程と図２（ｃ）の工程とを逆にしてもよい。
【００５９】
なお、上記各実施例においては電気化学セルの１つである燃料電池に本発明が適用されているが、それに限られない。本発明は、電解質上に電極が形成される電気化学セルに適用可能である。例えば、本発明は、酸素ポンプ、水素ポンプ等の他の電気化学セルに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１実施例に係る電解質−電極接合体および燃料電池の製造方法を示す製造フロー図である。
【図２】本発明の第２実施例に係る電解質−電極接合体および燃料電池の製造方法を示す製造フロー図である。
【図３】本発明の第３実施例に係る電解質−電極接合体および燃料電池の製造方法を示す製造フロー図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０  水素分離膜
１０ａ，１０ｂ  アノード
２０，２０ａ，２０ｂ  電解質膜
３０，３０ａ，３０ｂ  カソード
１００  電解質−電極接合体
２００，２００ａ，２００ｂ  燃料電池
【図１】
2009016145.tif 000003
【図２】
2009016145.tif 000004
【図３】
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