JP2005166531A

JP2005166531A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2005166531A
Application number: JP2003405756A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Aoyama; 智青山; Naoki Ito; 直樹伊藤; Masahiko Iijima; 昌彦飯島; Atsushi Ogino; 温荻野; Satoru Iguchi; 哲井口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2005-06-23

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To lower membrane resistance by thinning an electrolyte membrane in a fuel cell constituted by interposing the electrolyte membrane between a fuel electrode and an oxygen electrode. <P>SOLUTION: In a solid oxide fuel cell, the electrolyte membrane 20 is constituted by forming an electrolyte layer 24 on the surface of a hydrogen permeable metallic layer 22 made of an amorphous alloy. The electrolyte layer can sufficiently be made thin, and operation temperature can be lowered. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電解質膜を燃料極と酸素極で挟んだ構成の燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode.

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として、固体酸化物型などの高温型の燃料電池が存在する。 In recent years, fuel cells that generate electricity by electrochemical reaction between hydrogen and air have attracted attention as energy sources. Among the fuel cells, high-temperature fuel cells such as a solid oxide type exist as those using a solid electrolyte membrane.

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。 A solid oxide fuel cell uses a zirconia or other inorganic thin film as an electrolyte membrane sandwiched between electrodes. Since the membrane resistance of such an electrolyte membrane tends to increase as the temperature decreases, an operation at a relatively high temperature is required to keep the membrane resistance within a practical range.

一方、水素に対して関わりを持つ膜として特許文献１に記載された複合金属膜が提案されている。この金属膜によれば、水素を他のガスと分離可能である。 On the other hand, a composite metal film described in Patent Document 1 has been proposed as a film related to hydrogen. According to this metal film, hydrogen can be separated from other gases.

特開平７−１８５２７７号公報JP-A-7-185277

固体酸化物型の燃料電池では、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。 In solid oxide fuel cells, it is possible to reduce the membrane resistance by reducing the thickness of the electrolyte membrane, but it is very difficult to form a dense thin film on the electrode formed of a porous body. However, the film thickness is not sufficiently reduced. Currently, solid oxide fuel cells are generally operated at temperatures of about 700 ° C. or higher.

電解質膜の薄膜化による膜抵抗の低減は、固体酸化物型のみならず、種々の形式の燃料電池に共通の課題であった。本発明では、こうした課題に鑑み、電解質膜の薄膜化を実現する技術を提供することを目的とする。 Reduction of membrane resistance by reducing the thickness of the electrolyte membrane is a common problem not only for solid oxide types but also for various types of fuel cells. In view of these problems, the present invention has an object of providing a technique for realizing a thin electrolyte membrane.

上記目的を達成するために、本発明の第１の燃料電池は、
水素透過性材料により形成された水素透過性材料層を備え、該水素透過性材料層の少なくとも一方の面側に電解質層を設けた電解質膜と、
該電解質膜の一方の面に配置され、水素を含有する燃料ガスの供給を受ける燃料極と、
該電解質膜の他方の面に配置され、酸素を含有する酸化ガスの供給を受ける酸素極と
を備え、
前記水素透過性材料層は、
前記水素透過性材料として、水素透過能を有するアモルファス材料が用いられた構成であることを要旨とする。 In order to achieve the above object, the first fuel cell of the present invention comprises:
An electrolyte membrane comprising a hydrogen permeable material layer formed of a hydrogen permeable material, and an electrolyte layer provided on at least one surface side of the hydrogen permeable material layer;
A fuel electrode disposed on one surface of the electrolyte membrane and receiving a supply of a fuel gas containing hydrogen;
An oxygen electrode disposed on the other surface of the electrolyte membrane and supplied with an oxidizing gas containing oxygen,
The hydrogen permeable material layer is
The gist is that an amorphous material having hydrogen permeability is used as the hydrogen permeable material.

従来より、金属からなる水素透過膜としてパラジウム（Ｐｄ）またはＰｄ合金や、５族金属（例えば、バナジウム、ニオブ、タンタル等）または５族金属の合金（例えば、ＶＮｉ合金）が知られている。これに対して、近年、アモルファス材料を用いた水素透過膜の開発が盛んである。本発明は、プロトン伝導性を有する電解質膜に、上記アモルファス材料を用いた水素透過膜を設けたものである。かかる構成により、電解質膜中をプロトンが伝導し、燃料電池としての発電が可能となる。 Conventionally, palladium (Pd) or a Pd alloy, a Group 5 metal (for example, vanadium, niobium, tantalum, etc.) or an alloy of a Group 5 metal (for example, a VNi alloy) is known as a hydrogen permeable membrane made of metal. On the other hand, in recent years, development of hydrogen permeable membranes using amorphous materials has been active. In the present invention, a hydrogen permeable membrane using the above amorphous material is provided on an electrolyte membrane having proton conductivity. With this configuration, protons are conducted in the electrolyte membrane, and power generation as a fuel cell becomes possible.

また、前記構成の第１の燃料電池によれば、電解質層を、アモルファス材料により形成された水素透過性材料層とともに設けることにより、十分に薄膜化することができる。アモルファス材料は、高強度で緻密な材料であることから、電解質層の薄膜化が可能である。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。これに伴い、電解質層の膜抵抗の低減を図ることができることから、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。 Further, according to the first fuel cell having the above-described configuration, the electrolyte layer can be sufficiently thinned by providing the electrolyte layer together with the hydrogen permeable material layer formed of an amorphous material. Since the amorphous material is a high-strength and dense material, the electrolyte layer can be made thin. For example, the thickness of the electrolyte layer, which has conventionally been 10 μm or more, can be reduced to about 0.1 to 1 μm. Accordingly, the membrane resistance of the electrolyte layer can be reduced, so that the operating temperature of the high-temperature fuel cell can be lowered.

前記構成の第１の燃料電池において、前記水素透過性材料層は、多孔質材を備え、該多孔質材の表面に前記アモルファス材料を被覆した構成としてもよい。 In the first fuel cell having the above configuration, the hydrogen permeable material layer may include a porous material, and the surface of the porous material may be covered with the amorphous material.

水素透過性材料層は、アモルファス材料単体でなく、アモルファス材料を多孔質材の表面に被覆して構成されていることから、強度がより高いものとなる。 Since the hydrogen permeable material layer is formed by coating the surface of the porous material with the amorphous material, not the amorphous material alone, the hydrogen permeable material layer has higher strength.

本発明の第２の燃料電池は、
水素透過性材料層を備え、該水素透過性材料層の少なくとも一方の面側に電解質層を設けた電解質膜と、
該電解質膜の一方の面に配置され、水素を含有する燃料ガスの供給を受ける燃料極と、
該電解質膜の他方の面に配置され、酸素を含有する酸化ガスの供給を受ける酸素極と
を備え、
前記水素透過性材料層は、
バナジウム、ニオブ、タンタル、パラジウムおよびこれらの少なくとも一つを含む合金のいずれかで形成された基材と、
該基材の少なくとも一方の面に配設され、水素透過能を有するアモルファス材料により形成されたアモルファス材料層と
を備えることを要旨としている。 The second fuel cell of the present invention comprises:
An electrolyte membrane comprising a hydrogen permeable material layer, and an electrolyte layer provided on at least one side of the hydrogen permeable material layer;
A fuel electrode disposed on one surface of the electrolyte membrane and receiving a supply of a fuel gas containing hydrogen;
An oxygen electrode disposed on the other surface of the electrolyte membrane and supplied with an oxidizing gas containing oxygen,
The hydrogen permeable material layer is
A substrate formed of any of vanadium, niobium, tantalum, palladium and an alloy containing at least one of these,
And an amorphous material layer which is disposed on at least one surface of the base material and is formed of an amorphous material having hydrogen permeability.

この第２の燃料電池によれば、電解質層を、基材とアモルファス材料層を備える水素透過性材料層とともに設けることにより、十分に薄膜化することができる。バナジウム、ニオブ、タンタル、パラジウムおよびこれらの少なくとも一つを含む合金のいずれかで形成された基材は緻密であり、アモルファス材料も緻密であることから、電解質層の薄膜化が可能である。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。これに伴い、電解質層の膜抵抗の低減を図ることができることから、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。 According to the second fuel cell, the electrolyte layer can be sufficiently thinned by providing the electrolyte layer together with the hydrogen permeable material layer including the base material and the amorphous material layer. Since the substrate formed of any one of vanadium, niobium, tantalum, palladium, and an alloy containing at least one of these is dense and the amorphous material is also dense, the electrolyte layer can be thinned. For example, the thickness of the electrolyte layer, which has conventionally been 10 μm or more, can be reduced to about 0.1 to 1 μm. Accordingly, the membrane resistance of the electrolyte layer can be reduced, so that the operating temperature of the high-temperature fuel cell can be lowered.

前記構成の第２の燃料電池において、前記アモルファス材料層は、多孔質材を備え、該多孔質材の表面に前記アモルファス材料を被覆した構成としてもよい。 In the second fuel cell having the above configuration, the amorphous material layer may include a porous material, and a surface of the porous material may be covered with the amorphous material.

アモルファス材料層は、アモルファス材料単体でなく、アモルファス材料を多孔質材の表面に被覆して構成されていることから、強度がより高いものとなる。 Since the amorphous material layer is formed by coating the surface of the porous material with the amorphous material instead of the amorphous material alone, the amorphous material layer has higher strength.

前記第１または第２の燃料電池において、前記電解質層は、固体酸化物で形成される構成とすることができる。固体酸化物型の燃料電池は、高温型の燃料電池であるが、前記第１または第２の燃料電池によれば、動作温度を十分に低温化することができる。 In the first or second fuel cell, the electrolyte layer may be formed of a solid oxide. The solid oxide fuel cell is a high-temperature fuel cell, but according to the first or second fuel cell, the operating temperature can be sufficiently lowered.

本発明の第３の燃料電池は、
電解質膜と、
該電解質膜の一方の面に配置され、水素を含有する燃料ガスの供給を受ける燃料極と、
該電解質膜の他方の面に配置され、酸素を含有する酸化ガスの供給を受ける酸素極と
を備える燃料電池において、
前記電解質膜は、
水分を含んだ含水電解質層と、
該含水電解質層の両面に設けられ、水素透過能を有するアモルファス材料により形成されたアモルファス材料層と
を備えることを要旨としている。 The third fuel cell of the present invention is
An electrolyte membrane;
A fuel electrode disposed on one surface of the electrolyte membrane and receiving a supply of a fuel gas containing hydrogen;
A fuel cell comprising: an oxygen electrode disposed on the other surface of the electrolyte membrane and receiving a supply of an oxidizing gas containing oxygen;
The electrolyte membrane is
A water-containing electrolyte layer containing moisture;
And an amorphous material layer that is provided on both surfaces of the hydrous electrolyte layer and formed of an amorphous material having hydrogen permeability.

前記構成の第３の燃料電池によれば、電解質膜は、水分を含んだ含水電解質層と、その両面に設けられる水素透過能を有するアモルファス材料のアモルファス材料層とを有する３層構造となっている。アモルファス材料層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。したがって、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。なお、上記のように、含水電解質層をアモルファス材料層とともに設けることにより、含水電解質層の薄膜化が可能である。含水電解質層は、固体高分子膜とすることができる。 According to the third fuel cell having the above configuration, the electrolyte membrane has a three-layer structure including a water-containing electrolyte layer containing moisture and an amorphous material layer of an amorphous material having hydrogen permeability provided on both surfaces thereof. Yes. By covering both surfaces of the water-containing electrolyte layer with the amorphous material layer, evaporation of water in the water-containing electrolyte layer can be suppressed even when operated at a high temperature, and an increase in membrane resistance can be suppressed. Therefore, the operating temperature of the low-temperature fuel cell can be improved by using such an electrolyte membrane. As described above, the water-containing electrolyte layer can be made thin by providing the water-containing electrolyte layer together with the amorphous material layer. The hydrous electrolyte layer can be a solid polymer membrane.

前記第１ないし第３の各燃料電池において、前記アモルファス材料は、ＺｒＮｉ、ＺｒＮｉＨｆ、ＴｉＮｉ、ＴｉＣｕ、ＺｒＡｌＮｉ、ＴｉＺｒＮｉＣｕ、ＭｇＮｉ、ＺｒＮｉＭｎ、ＰｄＳｉ、ＰｄＳｉＡｕ、ＬａＮｉ、ＷＯ_３、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂの内の少なくとも一つを含有する材料とすることができる。これらのアモルファス材料は、水素透過能が高く、燃料電池の用途に適している。 In the first to third individual fuel cell, the amorphous material, ZrNi, ZrNiHf, TiNi, TiCu , ZrAlNi, TiZrNiCu, MgNi, ZrNiMn, PdSi, PdSiAu, LaNi, WO 3, Ni-P, of the Ni-B A material containing at least one of them can be used. These amorphous materials have high hydrogen permeability and are suitable for fuel cell applications.

本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
Ｂ．製造方法：
Ｃ．その他の実施例：
Ｄ．変形例： The best mode for carrying out the present invention will be described in the following order based on the embodiments.
A. Fuel cell configuration:
B. Production method:
C. Other examples:
D. Variation:

Ａ．燃料電池の構成：
図１は、第１実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。この図では、燃料電池を構成する単位燃料電池（以下、セルと呼ぶ）１０の断面を示した。このセル１０は、電解質膜２０と、電解質膜２０上に形成されるカソード電極３０と、電解質膜２０とカソード電極３０との構造体を両側から挟み込むガスセパレータ３２，３４とを備えている。 A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a configuration of a fuel cell as a first embodiment. In this figure, a cross section of a unit fuel cell (hereinafter referred to as a cell) 10 constituting the fuel cell is shown. The cell 10 includes an electrolyte membrane 20, a cathode electrode 30 formed on the electrolyte membrane 20, and gas separators 32 and 34 that sandwich a structure of the electrolyte membrane 20 and the cathode electrode 30 from both sides.

ガスセパレータ３２，３４は、カーボンや金属などの導電性材料で形成されたガス不透過な部材である。ガスセパレータ３２の表面には、所定の凹凸形状が形成されており、電解質膜２０との間で、水素を含有する燃料ガスが通過する燃料ガス流路３６が形成されている。他方側のガスセパレータ３４の表面にも、所定の凹凸形状が形成されており、カソード電極３０との間で、酸素を含有する酸化ガスが通過する酸化ガス流路３８が形成されている。 The gas separators 32 and 34 are gas-impermeable members formed of a conductive material such as carbon or metal. A predetermined uneven shape is formed on the surface of the gas separator 32, and a fuel gas passage 36 through which a fuel gas containing hydrogen passes is formed between the gas separator 32 and the electrolyte membrane 20. A predetermined uneven shape is also formed on the surface of the gas separator 34 on the other side, and an oxidizing gas flow path 38 is formed between the cathode electrode 30 and an oxidizing gas containing oxygen.

電解質膜２０は、水素透過性金属層（特許請求の範囲の水素透過性材料層に相当する）２２と電解質層２４との２層構造となっている。水素透過性金属層２２は、水素を選択的に透過する水素透過性金属により形成される。水素透過性金属としては、水素透過能を有するアモルファス合金が用いられている。水素透過能を有するアモルファス合金は、この実施例では、ＺｒＮｉを主成分とする合金（以下、ＺｒＮｉ合金と呼ぶ）が用いられている。ＺｒＮｉ合金は、液体急冷法によって作製されている。なお、本実施例では、水素透過性金属層２２は、アノード電極としての機能も果たす。 The electrolyte membrane 20 has a two-layer structure of a hydrogen permeable metal layer (corresponding to a hydrogen permeable material layer in claims) 22 and an electrolyte layer 24. The hydrogen permeable metal layer 22 is formed of a hydrogen permeable metal that selectively permeates hydrogen. As the hydrogen permeable metal, an amorphous alloy having hydrogen permeability is used. In this embodiment, the amorphous alloy having hydrogen permeability is an alloy containing ZrNi as a main component (hereinafter referred to as ZrNi alloy). The ZrNi alloy is produced by a liquid quenching method. In the present embodiment, the hydrogen permeable metal layer 22 also functions as an anode electrode.

水素透過性金属層２２に用いられるアモルファス合金は、水素透過能を有するものであれば、ＺｒＮｉ合金に換えて、ＺｒＮｉＨｆ、ＴｉＮｉ、ＴｉＣｕ、ＺｒＡｌＮｉ、ＴｉＺｒＮｉＣｕ、ＭｇＮｉ、ＺｒＮｉＭｎ、ＰｄＳｉ、ＰｄＳｉＡｕ、ＬａＮｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂの内のいずれかを含む合金としてもよい。また、前述してきたＺｒＮｉ、ＺｒＮｉＨｆ、ＴｉＮｉ、ＴｉＣｕ、ＺｒＡｌＮｉ、ＴｉＺｒＮｉＣｕ、ＭｇＮｉ、ＺｒＮｉＭｎ、ＰｄＳｉ、ＰｄＳｉＡｕ、ＬａＮｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂの内の２つ以上を含む合金としてもよい。あるいは、ＺｒＮｉ、ＺｒＮｉＨｆ、ＴｉＮｉ、ＴｉＣｕ、ＺｒＡｌＮｉ、ＴｉＺｒＮｉＣｕ、ＭｇＮｉ、ＺｒＮｉＭｎ、ＰｄＳｉ、ＰｄＳｉＡｕ、ＬａＮｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂの内のいずれか単体からなる金属とすることもできる。 As long as the amorphous alloy used for the hydrogen permeable metal layer 22 has hydrogen permeability, the ZrNi alloy can be replaced with ZrNiHf, TiNi, TiCu, ZrAlNi, TiZrNiCu, MgNi, ZrNiMn, PdSi, PdSiAu, LaNi, Ni. It is good also as an alloy containing either -P and Ni-B. Moreover, it is good also as an alloy containing 2 or more of ZrNi, ZrNiHf, TiNi, TiCu, ZrAlNi, TiZrNiCu, MgNi, ZrNiMn, PdSi, PdSiAu, LaNi, Ni-P, and Ni-B described above. Alternatively, it may be a metal composed of any one of ZrNi, ZrNiHf, TiNi, TiCu, ZrAlNi, TiZrNiCu, MgNi, ZrNiMn, PdSi, PdSiAu, LaNi, Ni-P, and Ni-B.

さらには、水素透過性金属層２２を、金属以外のアモルファス材料により形成されるアモルファス材料層としてもよい。金属以外のアモルファス材料としては、金属酸化物やガラス等のアモルファス材料が該当し、例えば、ＷＯ_３をあげることができる。 Furthermore, the hydrogen permeable metal layer 22 may be an amorphous material layer formed of an amorphous material other than metal. The amorphous material other than metal, metal oxide or amorphous material such as glass is hit, for example, may be cited WO _3.

上記ＺｒＮｉ合金は、液体急冷法に換えて、物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、メッキ、ゾルゲル等の各手法によって作製される構成としてもよい。 The ZrNi alloy may be formed by each method such as physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), plating, sol-gel, etc., instead of the liquid quenching method.

電解質層２４は、プロトン導電性を有する固体酸化物から成る層である。電解質層２４を構成する固体酸化物としては、例えば、ＢａＣｅＯ₃、ＳｒＣｅＯ₃系のセラミックスプロトン伝導体等の金属酸化物を用いることができる。電解質層２４は、水素透過性金属層２２上に成膜されるため、充分な薄膜化が可能となる。したがって、固体酸化物の膜抵抗を低減することができ、従来の固体酸化物型燃料電池の運転温度よりも低い温度である約２００〜６００℃程度で燃料電池を運転することができる。 The electrolyte layer 24 is a layer made of a solid oxide having proton conductivity. As the solid oxide constituting the electrolyte layer 24, for example, a metal oxide such as BaCeO ₃ or SrCeO ₃ ceramic proton conductor can be used. Since the electrolyte layer 24 is formed on the hydrogen permeable metal layer 22, it can be sufficiently thinned. Therefore, the membrane resistance of the solid oxide can be reduced, and the fuel cell can be operated at about 200 to 600 ° C., which is lower than the operating temperature of the conventional solid oxide fuel cell.

カソード電極３０は、電解質層２４上に成膜された金属層であり、電気化学反応を促進する触媒活性を有する貴金属により形成されている。本実施例では、カソード電極３０はパラジウム（Ｐｄ）により形成されている。 The cathode electrode 30 is a metal layer formed on the electrolyte layer 24, and is formed of a noble metal having catalytic activity that promotes an electrochemical reaction. In this embodiment, the cathode electrode 30 is made of palladium (Pd).

燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。また、燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。 As the fuel gas supplied to the fuel cell, a hydrogen-rich gas obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel may be used, or a high-purity hydrogen gas may be used. For example, air can be used as the oxidizing gas supplied to the fuel cell.

前記のように構成されたセル１０では、発電過程において、ガスセパレータ３２の燃料ガス流路３６に供給された燃料ガス中の水素は、水素透過性金属層２２でプロトンと電子に乖離して、プロトンは水素透過性金属層２２、電解質層２４を移動し、カソード電極３０で酸素と結合して水を生成する。このように水素と酸素が結びついて電気と水が発生する。 In the cell 10 configured as described above, in the power generation process, the hydrogen in the fuel gas supplied to the fuel gas flow path 36 of the gas separator 32 is separated into protons and electrons in the hydrogen permeable metal layer 22. Protons move through the hydrogen permeable metal layer 22 and the electrolyte layer 24 and combine with oxygen at the cathode electrode 30 to generate water. In this way, hydrogen and oxygen are combined to generate electricity and water.

Ｂ．製造方法：
燃料電池の製造方法としてセル１０の製造方法を、以下に説明する。図２は、セル１０の製造工程を表わすフローチャートである。 B. Production method:
A manufacturing method of the cell 10 as a manufacturing method of the fuel cell will be described below. FIG. 2 is a flowchart showing the manufacturing process of the cell 10.

セル１０を作成する際には、まず、水素透過性金属層２２を用意する（ステップＳ５０）。水素透過性金属層２２は、既述したように、ＺｒＮｉ合金により形成された層であり、ステップＳ５０では、ＺｒＮｉ合金膜を用意する。水素透過性金属層２２としてのＺｒＮｉ合金膜の厚みは、例えば、４０μｍとすることができる。 When creating the cell 10, first, the hydrogen permeable metal layer 22 is prepared (step S50). As described above, the hydrogen permeable metal layer 22 is a layer formed of a ZrNi alloy. In step S50, a ZrNi alloy film is prepared. The thickness of the ZrNi alloy film as the hydrogen permeable metal layer 22 can be set to 40 μm, for example.

次に、ステップＳ５０で用意した水素透過性金属層２２上に、電解質層２４を形成する（ステップＳ６０）。この電解質層２４は、水素透過性金属層２２上に、既述した固体酸化物を生成させつつ成膜させることによって形成される。成膜の方法としては、例えば、物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）など種々の手法を用いることができる。電解質層２４の厚みは、例えば、０．１μｍとすることができる。 Next, the electrolyte layer 24 is formed on the hydrogen permeable metal layer 22 prepared in Step S50 (Step S60). The electrolyte layer 24 is formed by forming a film on the hydrogen permeable metal layer 22 while generating the solid oxide described above. As a film forming method, for example, various methods such as physical vapor deposition (PVD) and chemical vapor deposition (CVD) can be used. The thickness of the electrolyte layer 24 can be set to 0.1 μm, for example.

その後、電解質層２４上にカソード電極３０を形成する（ステップＳ７０）。カソード電極３０は、ＰＶＤにより形成する。カソード電極３０の厚みは、例えば、０．１μｍとすることができる。 Thereafter, the cathode electrode 30 is formed on the electrolyte layer 24 (step S70). The cathode electrode 30 is formed by PVD. The thickness of the cathode electrode 30 can be set to 0.1 μm, for example.

ステップＳ７０の実行後、ステップＳ７０までで作製した構造体を挟持するようにガスセパレータ３２およびガスセパレータ３４を配設してセル１０を形成する。燃料電池を組み立てる際には、さらにこのセル１０を所定数積層する。 After execution of step S70, the gas separator 32 and the gas separator 34 are disposed so as to sandwich the structure manufactured up to step S70, and the cell 10 is formed. When the fuel cell is assembled, a predetermined number of the cells 10 are further stacked.

以上のように構成された燃料電池によれば、電解質層２４を、アモルファス合金からなる基材（水素透過性金属層２２）とともに設けることにより十分に薄膜化することができる。アモルファス合金は、高強度で緻密な材料であることから、電解質層の薄膜化が可能である。したがって、電解質層２４の膜抵抗の低減を図ることができることから、固体酸化物型燃料電池の動作温度を、約２００〜６００℃と低温化することができる。 According to the fuel cell configured as described above, the electrolyte layer 24 can be sufficiently thinned by being provided together with the base material (hydrogen permeable metal layer 22) made of an amorphous alloy. Since the amorphous alloy is a high-strength and dense material, the electrolyte layer can be made thin. Therefore, since the membrane resistance of the electrolyte layer 24 can be reduced, the operating temperature of the solid oxide fuel cell can be lowered to about 200 to 600 ° C.

また、この第１実施例の燃料電池では、アモルファス材料であるＺｒＮｉ合金が、水素乖離能を有することから、水素透過性金属層２２の両面にパラジウム（Ｐｄ）を塗布する必要がない。このために、燃料電池の構造が簡単であるという効果も奏する。 In the fuel cell according to the first embodiment, since the ZrNi alloy, which is an amorphous material, has hydrogen dissociation ability, it is not necessary to apply palladium (Pd) to both surfaces of the hydrogen permeable metal layer 22. For this reason, there is an effect that the structure of the fuel cell is simple.

図３は、前記第１実施例の燃料電池の第１の変形例の構成を模式的に示す説明図である。この第１の変形例の燃料電池を構成するセル１１０は、前記第１実施例のセル１０の構成を備え、さらに、水素透過性金属層２２の両面にパラジウム層１２６，１２８を備えた構成である。図中、第１実施例と同じパーツには、同じ番号を付けた。この第１の変形例の燃料電池の製造方法は、水素透過性金属層２２を構成するＺｒＮｉ合金膜の両面にパラジウム（Ｐｄ）を塗布して、その後、その片面に電解質層２４を形成することで、電解質膜１２０を作製する。その後、第１実施例と同様にしてセル１１０を組み立てる。 FIG. 3 is an explanatory view schematically showing a configuration of a first modification of the fuel cell of the first embodiment. A cell 110 constituting the fuel cell of the first modification has the configuration of the cell 10 of the first embodiment, and further includes palladium layers 126 and 128 on both sides of the hydrogen permeable metal layer 22. is there. In the figure, the same parts as those in the first embodiment are given the same numbers. In the method of manufacturing the fuel cell according to the first modification, palladium (Pd) is applied to both sides of the ZrNi alloy film constituting the hydrogen permeable metal layer 22, and then the electrolyte layer 24 is formed on one side thereof. Thus, the electrolyte membrane 120 is produced. Thereafter, the cell 110 is assembled in the same manner as in the first embodiment.

この第１の変形例によれば、アモルファス合金の有する水素乖離能に加えて、Ｐｄによる水素乖離の働きによって、より一層、水素乖離の能力が高くなる。したがって、燃料電池の発電効率をより高めることができる。 According to the first modification, in addition to the hydrogen dissociation ability of the amorphous alloy, the ability of hydrogen dissociation is further enhanced by the action of hydrogen dissociation by Pd. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell can be further increased.

なお、パラジウム層１２６，１２８は、水素透過性金属層２２の両面に設けられていたが、これに換えて、いずれか一方の面だけに備える構成とすることもできる。 In addition, although the palladium layers 126 and 128 were provided on both surfaces of the hydrogen permeable metal layer 22, it can replace with this and can also be set as the structure provided only in any one surface.

また、前記第１実施例の第２の変形例として、前記第１実施例のセル１０の構成において、電解質膜２０を、水素透過性金属層２２と電解質層２４との２層構造に換えて、水素透過性金属層２２の両面に電解質層を設けた３層構造とすることもできる。 Further, as a second modification of the first embodiment, in the configuration of the cell 10 of the first embodiment, the electrolyte membrane 20 is replaced with a two-layer structure of a hydrogen permeable metal layer 22 and an electrolyte layer 24. A three-layer structure in which electrolyte layers are provided on both surfaces of the hydrogen permeable metal layer 22 can also be used.

Ｃ．その他の実施例：
Ｃ−１．第２実施例：
図４は、第２実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。この第２実施例の燃料電池を構成するセル２１０は、第１実施例のセル１０と比較して、電解質膜２２０の構成が相違するだけであり、その他の構成は同一である。図中、第１実施例と同じパーツには、同じ番号を付けた。 C. Other examples:
C-1. Second embodiment:
FIG. 4 is an explanatory view schematically showing the configuration of the fuel cell as the second embodiment. The cell 210 constituting the fuel cell of the second embodiment is different from the cell 10 of the first embodiment only in the configuration of the electrolyte membrane 220, and the other configurations are the same. In the figure, the same parts as those in the first embodiment are given the same numbers.

電解質膜２２０は、第１実施例と同様に、水素透過性金属層２２２と電解質層２４との２層構造となっている。水素透過性金属層２２２の構成が第１実施例と相違する。水素透過性金属層２２２は、バナジウム（Ｖ）を基材２３０として、基材２３０の両面にアモルファス合金膜２４０、２４２を形成した多層膜である。 The electrolyte membrane 220 has a two-layer structure of a hydrogen permeable metal layer 222 and an electrolyte layer 24 as in the first embodiment. The structure of the hydrogen permeable metal layer 222 is different from that of the first embodiment. The hydrogen-permeable metal layer 222 is a multilayer film in which vanadium (V) is used as a base material 230 and amorphous alloy films 240 and 242 are formed on both surfaces of the base material 230.

なお、基材２３０は、バナジウムに換えて、水素透過能を有する５族金属（Ｖの他、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）等）または５族金属の合金により形成することができる。あるいは、基材２３０は、パラジウム（Ｐｄ）またはＰｄ合金により形成することができる。さらには、基材２３０は、これら合金の少なくとも一つを含む他の合金とすることもできる。 Note that the base material 230 can be formed of a group 5 metal having hydrogen permeability (in addition to V, niobium (Nb), tantalum (Ta), or the like) or an alloy of a group 5 metal instead of vanadium. Alternatively, the substrate 230 can be formed of palladium (Pd) or a Pd alloy. Furthermore, the base material 230 can be another alloy including at least one of these alloys.

アモルファス合金膜２４０、２４２は、第１実施例と同様に、ＺｒＮｉ合金が用いられている。なお、ＺｒＮｉ合金に換えて、第１実施例で例示した他のアモルファス材料とすることもできる。第１実施例で例示した各アモルファス材料は、水素乖離能を備えていることから、アモルファス合金膜２４０、２４２として用いることで、水素透過性金属層２２２の外側にＰｄを設ける必要がなくなる。なお、水素乖離能を高めることを目的として、水素透過性金属層２２２の外側にＰｄを設けることも可能である。 As in the first embodiment, ZrNi alloys are used for the amorphous alloy films 240 and 242. In addition, it can replace with a ZrNi alloy and can also use the other amorphous material illustrated in 1st Example. Since each amorphous material illustrated in the first embodiment has a hydrogen dissociation ability, it is not necessary to provide Pd outside the hydrogen permeable metal layer 222 by using it as the amorphous alloy films 240 and 242. Note that Pd may be provided outside the hydrogen permeable metal layer 222 for the purpose of enhancing the hydrogen dissociation ability.

上記構成のセル２１０は、バナジウムの基材２３０と、ＺｒＮｉ合金のアモルファス合金膜２４０、２４２とを用意して、基材２３０の両面側にアモルファス合金膜２４０、２４２を配設する。次いで、片側のアモルファス合金膜２４２の他方側の面に、第１実施例と同様にして電解質層２４を形成することで、電解質膜２２０を作製する。その後、第１実施例と同様にしてセル２１０を組み立てる。 In the cell 210 having the above-described configuration, a vanadium base material 230 and ZrNi alloy amorphous alloy films 240 and 242 are prepared, and the amorphous alloy films 240 and 242 are disposed on both sides of the base material 230. Next, an electrolyte layer 220 is formed by forming the electrolyte layer 24 on the other side of the amorphous alloy film 242 on one side in the same manner as in the first embodiment. Thereafter, the cell 210 is assembled in the same manner as in the first embodiment.

以上のように構成された第２実施例によれば、電解質層２４を、第１実施例と同様にアモルファス合金に成膜することにより、十分に薄膜化することができる。したがって、電解質層２４の膜抵抗の低減を図ることができることから、固体酸化物型燃料電池の動作温度を、約２００〜６００℃と低温化することができる。また、バナジウムから構成される基材２３０によって水素透過能が向上することから、第１実施例と比較して水素透過性金属層２２２を薄くすることができ、したがって、セルの小型化を図ることもできる。 According to the second embodiment configured as described above, the electrolyte layer 24 can be sufficiently thinned by forming a film on the amorphous alloy as in the first embodiment. Therefore, since the membrane resistance of the electrolyte layer 24 can be reduced, the operating temperature of the solid oxide fuel cell can be lowered to about 200 to 600 ° C. Further, since the hydrogen permeability is improved by the base material 230 made of vanadium, the hydrogen permeable metal layer 222 can be made thinner compared to the first embodiment, and therefore the cell can be miniaturized. You can also.

なお、この第２実施例の変形例として、基材２３０の両面にアモルファス合金膜２４０、２４２を形成する構成に換えて、基材２３０の片面だけにアモルファス合金膜を形成した構成とすることもできる。 As a modification of the second embodiment, instead of the configuration in which the amorphous alloy films 240 and 242 are formed on both surfaces of the base material 230, an amorphous alloy film may be formed on only one surface of the base material 230. it can.

Ｃ−２．第３実施例：
図５は、第３実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。この第３実施例の燃料電池を構成するセル３１０は、第１実施例のセル１０と比較して、電解質膜３２０の構成が相違するだけであり、その他の構成は同一である。図中、第１実施例と同じパーツには、同じ番号を付けた。 C-2. Third embodiment:
FIG. 5 is an explanatory view schematically showing a configuration of a fuel cell as a third embodiment. The cell 310 constituting the fuel cell of the third embodiment is different from the cell 10 of the first embodiment only in the configuration of the electrolyte membrane 320, and the other configurations are the same. In the figure, the same parts as those in the first embodiment are given the same numbers.

電解質膜３２０は、第１実施例と同様に、水素透過性金属層３２２と電解質層２４との２層構造となっている。この水素透過性金属層３２２の構成が第１実施例と相違する。水素透過性金属層３２２は、多孔質材を基材３４０として、基材３４０の片面にアモルファス合金３４２を被覆した構成である。多孔質材は、セラミックス、金属などが用いられている。 The electrolyte membrane 320 has a two-layer structure of a hydrogen permeable metal layer 322 and an electrolyte layer 24 as in the first embodiment. The configuration of the hydrogen permeable metal layer 322 is different from that of the first embodiment. The hydrogen permeable metal layer 322 has a configuration in which a porous material is a base material 340 and one surface of the base material 340 is covered with an amorphous alloy 342. As the porous material, ceramics, metal, or the like is used.

アモルファス合金３４２は、第１実施例と同様に、ＺｒＮｉ合金が用いられている。なお、ＺｒＮｉ合金に換えて、第１実施例で例示した他のアモルファス材料とすることもできる。 As in the first embodiment, a ZrNi alloy is used for the amorphous alloy 342. In addition, it can replace with a ZrNi alloy and can also use the other amorphous material illustrated in 1st Example.

上記構成の燃料電池は、基材３４０を構成する多孔質材の表面に上記アモルファス合金３４２を、メッキ、各種蒸着法、ゾルゲルの各手法等によって塗布する。次いで、アモルファス合金３４２の他方側の面に、第１実施例と同様にして電解質層２４を形成することで、電解質膜３２０を作製する。その後、第１実施例と同様にしてセル３１０を組み立てる。 In the fuel cell having the above structure, the amorphous alloy 342 is applied to the surface of the porous material constituting the base material 340 by plating, various evaporation methods, sol-gel methods, or the like. Next, the electrolyte membrane 320 is produced by forming the electrolyte layer 24 on the other surface of the amorphous alloy 342 in the same manner as in the first embodiment. Thereafter, the cell 310 is assembled in the same manner as in the first embodiment.

以上のように構成された第３実施例によれば、電解質層２４を、第１実施例と同様にアモルファス合金に成膜することにより、十分に薄膜化することができる。したがって、電解質層２４の膜抵抗の低減を図ることができることから、固体酸化物型燃料電池の動作温度を、約２００〜６００℃と低温化することができる。また、水素透過性金属層３２２を、アモルファス合金単体でなく、アモルファス合金３４２を多孔質材からなる基材３４０の表面に被覆して構成していることから、水素透過性金属層３２２の強度を高めることができる。 According to the third embodiment configured as described above, the electrolyte layer 24 can be sufficiently thinned by depositing the electrolyte layer 24 on the amorphous alloy as in the first embodiment. Therefore, since the membrane resistance of the electrolyte layer 24 can be reduced, the operating temperature of the solid oxide fuel cell can be lowered to about 200 to 600 ° C. Further, since the hydrogen permeable metal layer 322 is constituted by covering the surface of the base material 340 made of a porous material instead of the amorphous alloy alone, the strength of the hydrogen permeable metal layer 322 is increased. Can be increased.

Ｃ−３．第４実施例：
前記第３実施例のセル３１０の構成は、第１実施例のセル１０の構成において、アモルファス合金の部分を、多孔質材の表面にアモルファス合金３４２を被覆した膜体に換えたものであるが、第２実施例のセル２１０に対しても同様な変形が可能である。この変形例を第４実施例として、以下に説明する。 C-3. Fourth embodiment:
The configuration of the cell 310 of the third embodiment is the same as the configuration of the cell 10 of the first embodiment except that the amorphous alloy portion is replaced with a film body in which the amorphous alloy 342 is coated on the surface of the porous material. A similar modification can be made to the cell 210 of the second embodiment. This modification will be described below as a fourth embodiment.

図６は、第４実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。この第４実施例の燃料電池を構成するセル４１０は、第２実施例のセル２１０と比較して、アモルファス合金膜４４０、４４２の構成が相違するだけであり、その他の構成は同一である。図中、第２実施例と同じパーツには、同じ番号を付けた。 FIG. 6 is an explanatory view schematically showing the configuration of a fuel cell as a fourth embodiment. The cell 410 constituting the fuel cell of the fourth embodiment is different from the cell 210 of the second embodiment only in the configuration of the amorphous alloy films 440 and 442, and the other configurations are the same. In the figure, the same parts as those in the second embodiment are given the same numbers.

アモルファス合金膜４４０（４４２）は、多孔質材４５０（４５２）を備え、多孔質材４５０（４５２）の片面にアモルファス合金層４５１（４５３）を被覆した構成である。多孔質材４５０（４５２）は、セラミックス、金属などが用いられている。 The amorphous alloy film 440 (442) includes a porous material 450 (452), and one surface of the porous material 450 (452) is covered with an amorphous alloy layer 451 (453). The porous material 450 (452) is made of ceramic, metal, or the like.

アモルファス合金層４５１（４５３）は、第１実施例と同様に、ＺｒＮｉ合金が用いられている。なお、ＺｒＮｉ合金に換えて、第１実施例で例示した他のアモルファス材料とすることもできる。アモルファス合金層４５１（４５３）は、多孔質材４５０（４５２）の表面に、メッキ、各種蒸着法、ゾルゲルの各手法等によって塗布される。 The amorphous alloy layer 451 (453) is made of a ZrNi alloy as in the first embodiment. In addition, it can replace with a ZrNi alloy and can also use the other amorphous material illustrated in 1st Example. The amorphous alloy layer 451 (453) is applied to the surface of the porous material 450 (452) by plating, various vapor deposition methods, sol-gel methods, or the like.

上記構成のセル４１０は、次のようにして作製される。多孔質材４５０、４５２を用意して、各多孔質材４５０、４５２の表面にアモルファス合金層４５１、４５３をそれぞれ被覆することにより、アモルファス合金膜４４０（４４２）を形成する。そうして、バナジウムの基材２３０の両面側にアモルファス合金膜４４０、４４２を、アモルファス合金層４５１、４５３側が一方側（図中、左側）を向くように配設する。次いで、アモルファス合金膜４４２の外側の面に、第１実施例と同様にして電解質層２４を形成することで、電解質膜４２０を作製する。その後、第２実施例と同様にしてセル４１０を組み立てる。 The cell 410 having the above configuration is manufactured as follows. The porous materials 450 and 452 are prepared, and the amorphous alloy films 440 (442) are formed by covering the surfaces of the porous materials 450 and 452 with the amorphous alloy layers 451 and 453, respectively. Then, the amorphous alloy films 440 and 442 are arranged on both surface sides of the vanadium base material 230 so that the amorphous alloy layers 451 and 453 side face one side (left side in the figure). Next, the electrolyte layer 420 is formed by forming the electrolyte layer 24 on the outer surface of the amorphous alloy film 442 in the same manner as in the first embodiment. Thereafter, the cell 410 is assembled in the same manner as in the second embodiment.

以上のように構成された第４実施例によれば、第２実施例と同様の効果を備え、さらに、アモルファス合金膜４４０、４４２を、アモルファス合金単体でなく、アモルファス合金を多孔質材の表面に被覆して構成していることから、アモルファス合金膜４４０、４４２の強度を高めることができる According to the fourth embodiment configured as described above, the same effects as those of the second embodiment are provided. Further, the amorphous alloy films 440 and 442 are not made of an amorphous alloy alone but an amorphous alloy is used as the surface of the porous material. Therefore, the strength of the amorphous alloy films 440 and 442 can be increased.

Ｃ−４．第５実施例：
前記第１ないし第４実施例の燃料電池は、電解質層に固体酸化物を用いた固体酸化物型の燃料電池であったが、これに換えて、電解質層に固体高分子膜を用いた固体高分子型の燃料電池とすることもできる。すなわち、第５実施例の燃料電池は、前記第１ないし第４実施例の燃料電池の構成を備えた上で、第１ないし第４実施例（変形例も含む）の各セル１０，１１０，２１０，３１０，４１０に設けられた電解質層２４を、固体高分子膜、例えばフッ素系樹脂により形成されたイオン交換膜に換えた構成とすることができる。ここではナフィオン（登録商標）膜を使用する。 C-4. Example 5:
The fuel cells of the first to fourth embodiments were solid oxide fuel cells using a solid oxide as an electrolyte layer. Instead, a solid cell using a solid polymer film as an electrolyte layer was used. A polymer fuel cell can also be used. That is, the fuel cell of the fifth embodiment has the configuration of the fuel cell of the first to fourth embodiments, and each of the cells 10, 110, 110 of the first to fourth embodiments (including modifications). The electrolyte layer 24 provided in 210, 310, 410 can be configured to be replaced with a solid polymer membrane, for example, an ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin. Here, a Nafion (registered trademark) membrane is used.

上記構成の第５実施例の燃料電池は、第１ないし第４実施例と同様に、電解質層の薄膜化を図る効果を奏する。 The fuel cell of the fifth embodiment having the above-described configuration exhibits the effect of reducing the thickness of the electrolyte layer, as in the first to fourth embodiments.

Ｃ−５．第６実施例：
図７は、第６実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。この図では、燃料電池を構成するセル５１０の断面を示した。このセル５１０は、電解質膜５２０と、電解質膜５２０を両側から挟み込むガスセパレータ５３２，５３４とを備えている。ガスセパレータ５３２，５３４は、第１実施例のガスセパレータ３２，３４と同じもので、燃料ガス流路５３６または酸化ガス流路５３８を備える。ガスセパレータ５３２，５３４は、燃料極、酸素極として機能する。 C-5. Example 6:
FIG. 7 is an explanatory view schematically showing a configuration of a fuel cell as a sixth embodiment. In this figure, the cross section of the cell 510 which comprises a fuel cell was shown. The cell 510 includes an electrolyte membrane 520 and gas separators 532 and 534 that sandwich the electrolyte membrane 520 from both sides. The gas separators 532 and 534 are the same as the gas separators 32 and 34 of the first embodiment, and include a fuel gas channel 536 or an oxidizing gas channel 538. The gas separators 532 and 534 function as a fuel electrode and an oxygen electrode.

電解質膜５２０は、固体高分子膜で形成された電解質層５２２の両面を、アモルファス合金層５２４，５２６が挟んだ多層構造となっている。電解質層５２２は、固体高分子膜、例えば、フッ素系樹脂により形成されたイオン交換膜とすることができる。具体的には、ナフィオン（登録商標）膜などを用いることができる。 The electrolyte membrane 520 has a multilayer structure in which the amorphous alloy layers 524 and 526 are sandwiched between both surfaces of the electrolyte layer 522 formed of a solid polymer membrane. The electrolyte layer 522 can be a solid polymer film, for example, an ion exchange film formed of a fluororesin. Specifically, a Nafion (registered trademark) film or the like can be used.

アモルファス合金層５２４，５２６は、アモルファス合金により形成されている。アモルファス合金としては、第１実施例と同様に、ＺｒＮｉ合金が用いられている。なお、ＺｒＮｉ合金に換えて、第１実施例で例示した他のアモルファス材料とすることもできる。第１実施例で例示した各アモルファス材料は、水素乖離能を備えていることから、アモルファス合金層５２４，５２６として用いることで、電解質膜５２０の外側にＰｄを設ける必要がなくなる。なお、水素乖離能を高めることを目的として、電解質膜５２０の外側にＰｄを設けることも可能である。 The amorphous alloy layers 524 and 526 are formed of an amorphous alloy. As an amorphous alloy, a ZrNi alloy is used as in the first embodiment. In addition, it can replace with a ZrNi alloy and can also use the other amorphous material illustrated in 1st Example. Since each amorphous material illustrated in the first embodiment has a hydrogen dissociation ability, it is not necessary to provide Pd outside the electrolyte membrane 520 by using it as the amorphous alloy layers 524 and 526. Note that Pd can be provided outside the electrolyte membrane 520 for the purpose of enhancing the hydrogen dissociation ability.

電解質層５２２は、水分を含有している。電解質層５２２の両面は、上述の通り、アモルファス合金層５２４，５２６で挟まれているため、電解質層５２２内の水分が、これらのアモルファス合金層５２４，５２６を通り抜けて電極として機能するガスセパレータ５３２，５３４、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５２２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。本実施例におけるアモルファス合金層５２４，５２６および周囲のシールは、電解質層５２２の水分を保持する保持機構として機能する。 The electrolyte layer 522 contains moisture. Since both surfaces of the electrolyte layer 522 are sandwiched between the amorphous alloy layers 524 and 526 as described above, moisture in the electrolyte layer 522 passes through the amorphous alloy layers 524 and 526 and functions as an electrode. , 534, and thus the possibility of leaving the cell is low. In addition, by sealing the periphery of the electrolyte layer 522 (for example, the region A in the drawing), moisture detachment from the periphery can be suppressed. In this embodiment, the amorphous alloy layers 524 and 526 and the surrounding seal function as a holding mechanism for holding moisture in the electrolyte layer 522.

発電過程において、ガスセパレータ５３２の燃料ガス流路５３６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５２２を移動し、ガスセパレータ５３４の酸化ガス流路５３８で酸素と結合して水を生成する。電解質層５２２に含有される水分が、プロトンの移動に寄与する。燃料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５２０とガスセパレータ５３２、ガスセパレータ５３４との間に設けることができる。 In the power generation process, hydrogen in the fuel gas supplied to the fuel gas channel 536 of the gas separator 532 becomes protons, moves through the electrolyte layer 522, and combines with oxygen in the oxidizing gas channel 538 of the gas separator 534 to form water. Is generated. Water contained in the electrolyte layer 522 contributes to proton transfer. In order to promote the reaction at the fuel electrode and the oxygen electrode, a catalyst layer such as platinum (Pt) is usually provided in the cell. Although not shown, the catalyst layer can be provided between the electrolyte membrane 520, the gas separator 532, and the gas separator 534, for example.

上記構成のセル５１０の製造は、次のようにして行なう。まず、電解質層５２２を生成する。次に、電解質層５２２の両面にアモルファス合金層５２４，５２６を形成する。そして、アモルファス合金層５２４，５２６の両側にそれぞれガスセパレータ５３２，５３４を取り付ける。 The cell 510 having the above-described configuration is manufactured as follows. First, the electrolyte layer 522 is generated. Next, amorphous alloy layers 524 and 526 are formed on both surfaces of the electrolyte layer 522. Then, gas separators 532 and 534 are attached to both sides of the amorphous alloy layers 524 and 526, respectively.

以上で説明した燃料電池によれば、電解質層５２２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５２２に用いた場合には、約２００℃程度での運転が可能である。また、電解質層５２２が、アモルファス合金層５２４，５２６とともに設けることにより、含水電解質層の薄膜化が可能である。 According to the fuel cell described above, the moisture of the electrolyte layer 522 can be retained, so that operation at a relatively high temperature is possible. For example, when a Nafion membrane is used for the electrolyte layer 522, operation at about 200 ° C. is possible. Further, when the electrolyte layer 522 is provided together with the amorphous alloy layers 524 and 526, the water-containing electrolyte layer can be thinned.

前記電解質層５２２は、ナフィオンなどの固体高分子膜が用いられていたが、これに換えて、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。 For the electrolyte layer 522, a solid polymer film such as Nafion was used. Instead, a film in which moisture is contained in ceramic, glass, or alumina such as a heteropolyacid type or a hydrous β-alumina type is used. Can do.

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。 As mentioned above, although the various Example of this invention was described, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to these Examples, and can take a various structure in the range which does not deviate from the meaning.

第１実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the structure of the fuel cell as 1st Example. セル１０の製造工程を表わすフローチャートである。3 is a flowchart showing a manufacturing process of cell 10. 第１実施例の燃料電池の第１の変形例の構成を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the structure of the 1st modification of the fuel cell of 1st Example. 第２実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the structure of the fuel cell as 2nd Example. 第３実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the structure of the fuel cell as 3rd Example. 第４実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the structure of the fuel cell as a 4th Example. 第６実施例としての燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the structure of the fuel cell as a 6th Example.

符号の説明Explanation of symbols

１０...セル
２０...電解質膜
２２...水素透過性金属層
２４...電解質層
３０...カソード電極
３２，３４...ガスセパレータ
３６...燃料ガス流路
３８...酸化ガス流路
１１０...セル
１２０...電解質膜
１２６，１２８...パラジウム層
２１０...セル
２２０...電解質膜
２２２...水素透過性金属層
２３０...基材
２４０，２４２...アモルファス合金膜
３１０...セル
３２０...電解質膜
３２２...水素透過性金属層
３４０...基材
３４２...アモルファス合金
４１０...セル
４２０...電解質膜
４４０，４４２...アモルファス合金膜
４５０，４５２...多孔質材
４５１，４５３...アモルファス合金層
５１０...セル
５２０...電解質膜
５２２...電解質層
５２４，５２６...アモルファス合金層
５３２，５３４...ガスセパレータ
５３６...燃料ガス流路
５３８...酸化ガス流路
５３２，５３４...ガスセパレータ 10 ... cell 20 ... electrolyte membrane 22 ... hydrogen permeable metal layer 24 ... electrolyte layer 30 ... cathode electrode 32, 34 ... gas separator 36 ... fuel gas flow path 38. ..Oxidizing gas flow path 110 ... cell 120 ... electrolyte membrane 126,128 ... palladium layer 210 ... cell 220 ... electrolyte membrane 222 ... hydrogen permeable metal layer 230 ... base Materials 240, 242 ... Amorphous alloy film 310 ... Cell 320 ... Electrolyte film 322 ... Hydrogen permeable metal layer 340 ... Base material 342 ... Amorphous alloy 410 ... Cell 420 .. Electrolyte membrane 440, 442 ... Amorphous alloy film 450, 452 ... Porous material 451, 453 ... Amorphous alloy layer 510 ... Cell 520 ... Electrolyte membrane 522 ... Electrolyte layer 524, 526 ... Amorphous alloy layer 532,534 ... Gas separator 536 ... Fuel gas flow path 538 ... Oxidized gas The flow path 532, 534 ... gas separator

Claims

水素透過性材料により形成された水素透過性材料層を備え、該水素透過性材料層の少なくとも一方の面側に電解質層を設けた電解質膜と、
該電解質膜の一方の面に配置され、水素を含有する燃料ガスの供給を受ける燃料極と、
該電解質膜の他方の面に配置され、酸素を含有する酸化ガスの供給を受ける酸素極と
を備え、
前記水素透過性材料層は、
前記水素透過性材料として、水素透過能を有するアモルファス材料が用いられた構成である燃料電池。 An electrolyte membrane comprising a hydrogen permeable material layer formed of a hydrogen permeable material, and an electrolyte layer provided on at least one surface side of the hydrogen permeable material layer;
A fuel electrode disposed on one surface of the electrolyte membrane and receiving a supply of a fuel gas containing hydrogen;
An oxygen electrode disposed on the other surface of the electrolyte membrane and supplied with an oxidizing gas containing oxygen,
The hydrogen permeable material layer is
A fuel cell having a configuration in which an amorphous material having hydrogen permeability is used as the hydrogen permeable material.

請求項１に記載の燃料電池であって、
前記水素透過性材料層は、
多孔質材を備え、該多孔質材の表面に前記アモルファス材料を被覆した構成である燃料電池。 The fuel cell according to claim 1,
The hydrogen permeable material layer is
A fuel cell comprising a porous material, wherein the surface of the porous material is coated with the amorphous material.

水素透過性材料層を備え、該水素透過性材料層の少なくとも一方の面側に電解質層を設けた電解質膜と、
該電解質膜の一方の面に配置され、水素を含有する燃料ガスの供給を受ける燃料極と、
該電解質膜の他方の面に配置され、酸素を含有する酸化ガスの供給を受ける酸素極と
を備え、
前記水素透過性材料層は、
バナジウム、ニオブ、タンタル、パラジウムおよびこれらの少なくとも一つを含む合金のいずれかで形成された基材と、
該基材の少なくとも一方の面に配設され、水素透過能を有するアモルファス材料により形成されたアモルファス材料層と
を備える燃料電池。 An electrolyte membrane comprising a hydrogen permeable material layer, and an electrolyte layer provided on at least one side of the hydrogen permeable material layer;
A fuel electrode disposed on one surface of the electrolyte membrane and receiving a supply of a fuel gas containing hydrogen;
An oxygen electrode disposed on the other surface of the electrolyte membrane and supplied with an oxidizing gas containing oxygen,
The hydrogen permeable material layer is
A substrate formed of any of vanadium, niobium, tantalum, palladium and an alloy containing at least one of these,
A fuel cell comprising: an amorphous material layer disposed on at least one surface of the substrate and formed of an amorphous material having hydrogen permeability.

請求項３に記載の燃料電池であって、
前記アモルファス材料層は、
多孔質材を備え、該多孔質材の表面に前記アモルファス材料を被覆した構成である燃料電池。 The fuel cell according to claim 3, wherein
The amorphous material layer is
A fuel cell comprising a porous material, wherein the surface of the porous material is coated with the amorphous material.

請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記電解質層は、固体酸化物で形成される燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
The electrolyte layer is a fuel cell formed of a solid oxide.

電解質膜と、
該電解質膜の一方の面に配置され、水素を含有する燃料ガスの供給を受ける燃料極と、
該電解質膜の他方の面に配置され、酸素を含有する酸化ガスの供給を受ける酸素極と
を備える燃料電池において、
前記電解質膜は、
水分を含んだ含水電解質層と、
該含水電解質層の両面に設けられ、水素透過能を有するアモルファス材料により形成されたアモルファス材料層と
を備える燃料電池。 An electrolyte membrane;
A fuel electrode disposed on one surface of the electrolyte membrane and receiving a supply of a fuel gas containing hydrogen;
A fuel cell comprising: an oxygen electrode disposed on the other surface of the electrolyte membrane and receiving a supply of an oxidizing gas containing oxygen;
The electrolyte membrane is
A water-containing electrolyte layer containing moisture;
A fuel cell comprising: an amorphous material layer provided on both surfaces of the hydrous electrolyte layer and formed of an amorphous material having hydrogen permeability.

請求項６に記載の燃料電池であって、
前記含水電解質層は、固体高分子膜である燃料電池。 The fuel cell according to claim 6, wherein
The water-containing electrolyte layer is a fuel cell that is a solid polymer membrane.

請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記アモルファス材料は、
ＺｒＮｉ、ＺｒＮｉＨｆ、ＴｉＮｉ、ＴｉＣｕ、ＺｒＡｌＮｉ、ＴｉＺｒＮｉＣｕ、ＭｇＮｉ、ＺｒＮｉＭｎ、ＰｄＳｉ、ＰｄＳｉＡｕ、ＬａＮｉ、ＷＯ_３、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂの内の少なくとも一つを含有する材料である燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 7,
The amorphous material is
A fuel cell, which is a material containing at least one of ZrNi, ZrNiHf, TiNi, TiCu, ZrAlNi, TiZrNiCu, MgNi, ZrNiMn, PdSi, PdSiAu, LaNi, WO ₃ , Ni—P, and Ni—B.