JP2008027866A

JP2008027866A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2008027866A
Application number: JP2006202431A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Iijima; 昌彦飯島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-07-25
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2008-02-07

Abstract

【課題】プロトン化を効率よく行うことができ、電解質膜と水素分離膜との剥離を抑制することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池（１００）は、水素分離膜（１０）と、水素分離膜上に設けられプロトン伝導性を有する電解質膜（２０）とを備え、電解質膜は、水素分離膜と電解質膜との界面において第１電解質（２１）と第２電解質（２２）とを含み、第１電解質のプロトン生成能は第２電解質のプロトン生成能よりも高く、第２電解質の水素分離膜との密着性は第１電解質の水素分離膜との密着性よりも高い。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロトン伝導性電解質を備える燃料電池に関する。

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。

燃料電池のうち固体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（例えば、特許文献１参照）。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伝導性を有する電解質膜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水素分離膜を透過し、電解質膜においてプロトンに変換され、電解質膜中を移動し、カソードにおいて酸素と結合する。

特開２００４−１４６３３７号公報

しかしながら、特許文献１の技術に係る水素分離膜電池では、電解質膜と水素分離膜との界面において水素分離膜を構成する金属が電解質膜の酸素によってターミネーションされやすい。それにより、電解質膜におけるプロトン化能が十分得られない。そこで、プロトン化能が高い電解質膜を配置することが考えられる。しかしながら、その場合には電解質膜と水素分離膜との密着性が低くなってしまう。その結果、電解質膜と水素分離膜とが剥離するおそれがある。

本発明は、プロトン化を効率よく行うことができ、電解質膜と水素分離膜との剥離を抑制することができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、水素分離膜と、水素分離膜上に設けられプロトン伝導性を有する電解質膜と、を備え、電解質膜は、水素分離膜と電解質膜との界面において第１電解質と第２電解質とを含み、第１電解質のプロトン生成能は、第２電解質のプロトン生成能よりも高く、第２電解質の水素分離膜との密着性は、第１電解質の水素分離膜との密着性よりも高いことを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池においては、水素分離膜と電解質膜との界面に第１電解質が配置されていることから、水素のプロトン化を促進することができる。したがって、本発明に係る燃料電池の発電性能が向上する。また、水素分離膜と電解質膜との界面に第２電解質が配置されていることから、水素分離膜と電解質膜との密着性が向上する。それにより、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。以上のことから、本発明に係る燃料電池は、プロトン化を効率よく行うことができるとともに、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。

第１電解質および第２電解質は、セラミックスであってもよい。また、第１電解質は、ＡＢ_{（１−ｘ）}Ｍ_ｘＯ_３型ペロブスカイトであり、第２電解質は、ＡＢ_{（１−ｙ）}Ｎ_ｙＯ_３型ペロブスカイトであり、Ｍの電気陰性度は、Ｎの電気陰性度よりも高くてもよい。この場合、第１電解質のプロトン生成能が向上する。また、Ｍは、Ｉｎであってもよい。さらに、第１電解質および第２電解質は、水素分離膜上に島状に配置されていてもよい。

本発明によれば、プロトン化を効率よく行うことができるとともに、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。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池１００は、水素分離膜１０上に、電解質膜２０およびカソード３０が順に積層された構造を有する。水素分離膜１０は、緻密な水素透過性金属層からなる。水素分離膜１０は、燃料ガスが供給されるアノードとして機能するとともに、電解質膜２０を支持および補強する支持体として機能する。本実施例においては、水素分離膜１０は、パラジウム、パラジウム合金、または、表面にパラジウムが形成されたバナジウム等の水素透過性金属からなる。水素分離膜１０の膜厚は、例えば、８０μｍ程度である。カソード３０は、酸化剤ガスが供給される電極であり、例えば、ランタンコバルトタイト、ランタンマンガネート、銀、白金、白金担持カーボン等の導電性材料から構成される。カソード３０の膜厚は、例えば、３０μｍ程度である。

電解質膜２０は、プロトン伝導性を有する第１電解質２１および第２電解質２２を含む。第１電解質２１は、水素分離膜１０上に所定の間隔を空けて島状に配置されている。第２電解質２２は、水素分離膜１０の電解質膜２０側の露出部分および第１電解質２１を覆うように配置されている。すなわち、第１電解質２１および第２電解質２２のいずれも水素分離膜１０と接している。第１電解質２１は、例えば、５ｎｍ程度の間隔を空けて配置されている。また、第１電解質２１の積層方向の厚さは、例えば、５ｎｍ程度である。また、電解質膜２０の膜厚は、例えば、２μｍ程度である。

第１電解質２１のプロトン生成能は第２電解質２２のプロトン生成能よりも高くかつ第２電解質２２の水素分離膜１０との密着性は第１電解質２１の水素分離膜１０との密着性よりも高くなるように、第１電解質２１および第２電解質２２の材料が選択されている。第１電解質２１および第２電解質２２は、例えば、セラミックスからなる。

本実施例においては、第１電解質２１はＡＢ_{（１−ｘ）}Ｍ_ｘＯ_３型ペロブスカイトであり、第２電解質２２はＡＢ_{（１−ｙ）}Ｎ_ｙＯ_３型ペロブスカイトである。ここで、ｘは０＜ｘ＜１を満たす値であり、ｙは０＜ｙ＜１を満たす値である。金属Ｍおよび金属Ｎは＋４価よりも小さい価数を有するドープ金属である。また、金属Ｍは、金属Ｎの電気陰性度よりも大きい電気陰性度を有する。それにより、第１電解質のプロトン生成能は、第２電解質２２のプロトン生成能よりも大きくなる。電気陰性度の高い金属は、水素原子から電子を引き抜きやすいからである。なお、電気陰性度の高い金属がドープされた電解質の水素分離膜との密着性は、電気陰性度の低い金属がドープされた電解質の水素分離膜との密着性に比較して低くなる。

金属Ｍとしては、Ｉｎ等を用いることができる。また。金属Ｎとしては、Ｙｂ，Ｙ等を用いることができる。Ａサイトとしては、Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ等を用いることができる。Ｂサイトとしては、Ｚｒ，Ｃｅ等を用いることができる。第１電解質２１の具体例としては、ＳｒＺｒ_１−ｘＩｎ_ｘＯ_３、ＢａＺｒ_１−ｘＩｎ_ｘＯ_３、ＣａＺｒ_１−ｘＩｎ_ｘＯ_３、ＢａＣｅ_１−ｘＩｎ_ｘＯ_３、ＳｒＣｅ_１−ｘＩｎ_ｘＯ_３等を用いることができる。第２電解質２２の具体例としては、ＳｒＺｒ_１−ｙＹｂ_ｙＯ_３、ＢａＺｒ_１−ｙＹ_ｙＯ_３等を用いることができる。

このように、水素分離膜１０と電解質膜２０との界面に第１電解質２１を配置することによって、水素のプロトン化を促進することができる。したがって、燃料電池１００の発電性能が向上する。また、水素分離膜１０と電解質膜２０との界面に第２電解質２２を配置することによって、水素分離膜１０と電解質膜２０との密着性が向上する。それにより、水素分離膜１０と電解質膜２０との剥離を抑制することができる。以上のことから、燃料電池１００は、プロトン化を効率よく行うことができるとともに、水素分離膜１０と電解質膜２０との剥離を抑制することができる。

なお、水素分離膜１０と電解質膜２０との界面における第１電解質２１および第２電解質２２の占有面積は、５０％程度ずつであることが好ましい。また、本実施例においては水素分離膜１０はパラジウム等から構成されてるが、水素分離膜１０として用いることができる金属は水素透過性を有していれば特に限定されるものではない。水素分離膜１０を構成する金属の例としては、例えば、パラジウム、バナジウム、チタン、タンタル、それらの合金等が挙げられる。

また、プロトン伝導率の高低によって第１電解質２１および第２電解質２２の配置を逆にしてもよい。例えば、第１電解質２１のプロトン伝導率が第２電解質２２のプロトン伝導率よりも高い場合には、図１のように第１電解質２１を覆うように第２電解質２２を配置してもよい。逆に、第２電解質２２のプロトン伝導率が第１電解質２１のプロトン伝導率よりも大きい場合には、第２電解質２２を水素分離膜１０上に島状に配置させて第２電解質２２および水素分離膜１０上を覆うように第１電解質２１を配置してもよい。電解質膜２０全体のプロトン伝導率を向上させるためである。

表１に、第２電解質２２のプロトン伝導率が第１電解質２１のプロトン伝導率よりも大きい場合における、第１電解質２１と第２電解質２２との組み合わせを示す。例えば、第１電解質２１としてＳｒＺｒ_１−ｘＩｎ_ｘＯ_３を用いて第２電解質２２としてＳｒＺｒ_１−ｙＹｂ_ｙＯ_３を用いれば、第２電解質２２のプロトン伝導率が第１電解質２１のプロトン伝導率よりも大きくなる。

続いて、燃料電池１００の製造方法について説明する。図２は、燃料電池１００の製造工程を示すフロー図である。まず、図２（ａ）に示すように、水素分離膜１０を準備する。次に、図２（ｂ）に示すように、水素分離膜１０上に第１電解質２１を物理蒸着法等によって形成する。この場合、第１電解質２１の膜厚が数ｎｍ程度になるようにすることによって、第１電解質２１を島状に形成することができる。

次いで、図２（ｃ）に示すように、水素分離膜１０および第１電解質２１上に、物理蒸着法等によって第２電解質２２を形成する。それにより、電解質膜２０を形成することができる。次に、図２（ｄ）に示すように、電解質膜２０上に物理蒸着法等によってカソード３０を形成する。以上の工程によって、燃料電池１００が完成する。

なお、第１電解質２１は、第１電解質２１を構成する電解質成分が混合されたバインダ（有機物の粘結材）を水素分離膜１０上に塗布し、バインダを燃焼させることによって形成することもできる。

続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００ａについて説明する。図３は、燃料電池１００ａの模式的断面図である。燃料電池１００ａが図１の燃料電池１００と異なる点は、電解質膜２０の代わりに電解質膜２０ａが設けられている点である。電解質膜２０ａにおいては、第１電解質２１および第２電解質２２がランダムに粒子状に分散している。したがって、水素分離膜１０と電解質膜２０ａとの界面において、第１電解質２１および第２電解質２２のいずれも水素分離膜１０と接している。第１電解質２１および第２電解質２２の平均粒径は、例えば、１０μｍ程度である。

水素分離膜１０と電解質膜２０ａとの界面に第１電解質膜２１が介在することから、水素のプロトン化を促進することができる。したがって、燃料電池１００ａの発電性能が向上する。また、水素分離膜１０と電解質膜２０ａとの界面に第２電解質膜２２が介在することから、水素分離膜１０と電解質膜２０ａとの密着性が向上する。それにより、水素分離膜１０と電解質膜２０ａとの剥離を抑制することができる。以上のことから、燃料電池１００ａは、プロトン化を効率よく行うことができるとともに、水素分離膜１０と電解質膜２０ａとの剥離を抑制することができる。

なお、第１電解質２１および第２電解質２２は、少なくとも水素分離膜１０と電解質膜２０ａとの界面に配置されていればよい。したがって、電解質膜２０ａのカソード３０側の領域においては、プロトン伝導率が比較的高い電解質が配置されていてもよい。

続いて、燃料電池１００ａの製造方法について説明する。図４は、燃料電池１００ａの製造工程を示すフロー図である。まず、図４（ａ）に示すように、水素分離膜１０を準備する。次に、図４（ｂ）に示すように、水素分離膜１０上に電解質膜２０ａを物理蒸着法等によって形成する。この場合、第１電解質２１を構成する酸化物および第２電解質２２を構成する酸化物をターゲットとして用い、物理蒸着の際にそれぞれのターゲットに交互にエネルギーを供給することによって電解質膜２０ａを形成することができる。次いで、図４（ｃ）に示すように、電解質膜２０ａ上に物理蒸着法等によってカソード３０を形成する。以上の工程によって、燃料電池１００ａが完成する。

第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。第１実施例に係る燃料電池の製造工程を示すフロー図である。第２実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。第２実施例に係る燃料電池の製造工程を示すフロー図である。

符号の説明

１０水素分離膜
２０，２０ａ電解質膜
２１第１電解質
２２第２電解質
３０カソード
１００，１００ａ燃料電池

Claims

水素分離膜と、
前記水素分離膜上に設けられ、プロトン伝導性を有する電解質膜と、を備え、
前記電解質膜は、前記水素分離膜と前記電解質膜との界面において第１電解質と第２電解質とを含み、
前記第１電解質のプロトン生成能は、前記第２電解質のプロトン生成能よりも高く、
前記第２電解質の前記水素分離膜との密着性は、前記第１電解質の前記水素分離膜との密着性よりも高いことを特徴とする燃料電池。
前記第１電解質および前記第２電解質は、セラミックスであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記第１電解質は、ＡＢ_{（１−ｘ）}Ｍ_ｘＯ_３型ペロブスカイトであり、
前記第２電解質は、ＡＢ_{（１−ｙ）}Ｎ_ｙＯ_３型ペロブスカイトであり、
前記Ｍの電気陰性度は、前記Ｎの電気陰性度よりも高いことを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
前記Ｍは、Ｉｎであることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
前記第１電解質および前記第２電解質は、前記水素分離膜上に島状に配置されてい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。