JP4453455B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
この発明は、水素分離膜式の燃料電池に関する。 The present invention relates to a hydrogen separation membrane fuel cell.
近年、水素と酸素を反応させて発電を行う燃料電池が発電手段として注目されている。そのような燃料電池として、プロトン伝導型の電解質層を備えた燃料電池がある。たとえば、特許文献1には、プロトン伝導型の電解質層(電解質膜)に対して水素を選択的に供給することができる水素分離膜を備えた水素分離膜式燃料電池が開示されている。このような燃料電池においては、プロトン伝導型の電解質層は、水素分離膜として機能する水素透過性金属層の上に密着して形成される。 In recent years, fuel cells that generate electricity by reacting hydrogen and oxygen have attracted attention as power generation means. As such a fuel cell, there is a fuel cell provided with a proton conductive electrolyte layer. For example, Patent Document 1 discloses a hydrogen separation membrane fuel cell including a hydrogen separation membrane that can selectively supply hydrogen to a proton conduction type electrolyte layer (electrolyte membrane). In such a fuel cell, the proton-conducting electrolyte layer is formed in close contact with a hydrogen-permeable metal layer that functions as a hydrogen separation membrane.
水素透過性金属は、水素を透過する際に膨張する。また、熱による膨張比は、電解質層と水素透過性金属とで異なっている。このため、水素分離膜式燃料電池においては、このような膨張比の違いのために電解質層と水素透過性金属とが反り、電解質層にひびが入って、電解質層の一部が水素分離膜上から剥落する可能性があった。 A hydrogen permeable metal expands as it permeates hydrogen. The expansion ratio due to heat differs between the electrolyte layer and the hydrogen permeable metal. Therefore, in the hydrogen separation membrane fuel cell, the electrolyte layer and the hydrogen permeable metal warp due to such a difference in expansion ratio, the electrolyte layer cracks, and a part of the electrolyte layer is a hydrogen separation membrane. There was a possibility of peeling off from above.
電解質層の上に形成された電極層とともに電解質層が剥落すると、水素分離膜が酸素極側の酸素流路に対して露出する。その結果、水素分離膜を通過した水素が直接、酸素流路を通る酸素と反応してしまい、発電が起こらなくなってしまう。また、導電物質のゴミが付着して、水素極側の水素分離膜と酸素極とが短絡してしまう可能性もある。 When the electrolyte layer is peeled off together with the electrode layer formed on the electrolyte layer, the hydrogen separation membrane is exposed to the oxygen channel on the oxygen electrode side. As a result, hydrogen that has passed through the hydrogen separation membrane directly reacts with oxygen that passes through the oxygen channel, and power generation does not occur. Moreover, there is a possibility that conductive material dust adheres and the hydrogen separation membrane on the hydrogen electrode side and the oxygen electrode are short-circuited.
本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、燃料電池において、環境変化が生じても電解質層が他の構成部材から剥落しにくくなる技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve at least a part of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a technology that makes it difficult for an electrolyte layer to be peeled off from other components even when environmental changes occur in a fuel cell. And
上記目的を達成するために、本発明では、一態様として燃料電池を以下のような構成とする。この燃料電池は、水素を含む燃料ガスを通す燃料ガス流路から燃料ガスを供給され、水素を選択的に透過する水素極と、酸素を含む酸化ガスを通す酸化ガス流路から酸化ガスを供給される酸素極と、水素極と酸素極との間に位置し、水素極および酸素極と直接または間接に接合され、水素イオンを透過する電解質層と、電解質層の外力による変形量を低減する剛性向上部材と、を備える。 In order to achieve the above object, according to the present invention, the fuel cell has the following configuration as one aspect. This fuel cell is supplied with fuel gas from a fuel gas flow path through which a fuel gas containing hydrogen passes, and supplies an oxidizing gas from a hydrogen electrode that selectively permeates hydrogen and an oxidizing gas flow path through which an oxidizing gas containing oxygen passes. Is located between the oxygen electrode, the hydrogen electrode and the oxygen electrode, directly or indirectly joined to the hydrogen electrode and the oxygen electrode, and reduces the amount of deformation due to the external force of the electrolyte layer through which hydrogen ions are transmitted. A rigidity improving member.
このような態様においては、剛性向上部材によって電解質層の変形が低減されるため、電解質層に力がはたらいても電解質層が破壊されにくい。よって、電解質層が他の構成部材から剥落しにくくなる。 In such an aspect, since the deformation of the electrolyte layer is reduced by the rigidity improving member, the electrolyte layer is not easily broken even if force is applied to the electrolyte layer. Therefore, the electrolyte layer is difficult to peel off from other constituent members.
なお、剛性向上部材は、酸素極と電解質層との間に位置し、直接または間接に電解質層の一部を被覆するように設けられることが好ましい。このような態様とすれば、水素極から酸素極に向かう水素イオンの透過を遮断することなく、剛性向上部材によって電解質層の剥落を防止することができる。 In addition, it is preferable that a rigidity improvement member is located between an oxygen electrode and an electrolyte layer, and is provided so that a part of electrolyte layer may be coat | covered directly or indirectly. If it is set as such an aspect, peeling of an electrolyte layer can be prevented by a rigidity improvement member, without interrupting | blocking permeation | transmission of the hydrogen ion which goes to a oxygen electrode from a hydrogen electrode.
また、剛性向上部材が、酸素極と電解質層との間において格子状に設けられている態様とすることもできる。このような態様とすれば、体積の小さい剛性向上部材で、効率的に電解質層の変形量を低減することができる。 Moreover, it can also be set as the aspect by which the rigidity improvement member was provided in the grid | lattice shape between the oxygen electrode and the electrolyte layer. If it is set as such an aspect, the deformation amount of an electrolyte layer can be reduced efficiently with a rigidity improvement member with a small volume.
なお、剛性向上部材が、酸化ガス流路と酸素極との間に位置し、間接的に電解質層の一部を被覆し、酸素極の少なくとも一部を酸化ガス流路に露出する構成で設けられる態様とすることもできる。このような態様とすれば、酸化ガスの酸素極との接触を遮断することなく、剛性向上部材によって電解質層の剥落を防止することができる。 The rigidity improving member is located between the oxidant gas flow path and the oxygen electrode, and is provided so as to indirectly cover a part of the electrolyte layer and to expose at least a part of the oxygen electrode to the oxidant gas flow path. It can also be set as an embodiment. If it is set as such an aspect, peeling of an electrolyte layer can be prevented by a rigidity improvement member, without interrupting contact with the oxygen electrode of oxidizing gas.
また、剛性向上部材が、酸化ガス流路と酸素極との間に位置し、互いに連通する空隙を有する層である態様とすることもできる。このような態様としても、酸化ガスの酸素極との接触を遮断することなく、剛性向上部材によって電解質層の剥落を防止することができる。 In addition, the rigidity improving member may be a layer that is located between the oxidizing gas flow path and the oxygen electrode and has a void that communicates with each other. Even in such an embodiment, it is possible to prevent the electrolyte layer from peeling off by the rigidity improving member without blocking the contact of the oxidizing gas with the oxygen electrode.
なお、剛性向上部材は、電解質層内に存在するガラス繊維とすることもできる。このような態様としても、電解質層の変形量を低減して、電解質層の剥落を防止することができる。 The rigidity improving member can also be a glass fiber present in the electrolyte layer. Even in such an embodiment, the amount of deformation of the electrolyte layer can be reduced to prevent the electrolyte layer from peeling off.
また、電解質層が、酸素極から水素極に向かう方向に対して垂直な平面内で並び、それぞれ水素イオンを透過する複数の水素イオン透過部材を含む態様とすることができる。そのような態様において、剛性向上部材の少なくとも一部が、水素極と酸素極との間であって、かつ、複数の水素イオン透過部材の間に、一体で設けられていることが好ましい。このような態様においては、複数の水素イオン透過部材によってイオン透過性を確保しつつ、電解質層にかかる力が電解質層の一カ所に集中して電解質層が破壊されてしまう事態を抑制することができる。 In addition, the electrolyte layer may include a plurality of hydrogen ion permeable members that are arranged in a plane perpendicular to the direction from the oxygen electrode to the hydrogen electrode and each transmit hydrogen ions. In such an aspect, it is preferable that at least a part of the rigidity improving member is integrally provided between the hydrogen electrode and the oxygen electrode and between the plurality of hydrogen ion permeable members. In such an aspect, while the ion permeability is ensured by the plurality of hydrogen ion permeable members, it is possible to suppress the situation where the force applied to the electrolyte layer is concentrated on one place of the electrolyte layer and the electrolyte layer is destroyed. it can.
なお、剛性向上部材の他の一部が、電解質層に対して酸素極側において、水素イオン透過部材の一部を被覆するような態様とすることもできる。そのような態様においては、電解質層は、剛性向上部材によって一部を被覆されて保持される。このため、電解質層にひびが入っても、電解質層が剥落しにくい。 It is also possible to adopt a mode in which another part of the rigidity improving member covers a part of the hydrogen ion permeable member on the oxygen electrode side with respect to the electrolyte layer. In such an embodiment, the electrolyte layer is partially covered and held by the rigidity improving member. For this reason, even if the electrolyte layer is cracked, the electrolyte layer is difficult to peel off.
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池の製造方法、燃料電池用の電解質層や積層構造体の形成方法等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell, a method for manufacturing a fuel cell, a method for forming an electrolyte layer for a fuel cell or a laminated structure, and the like. it can.
A.第1実施例:
図1は、第1実施例の燃料電池に使用される積層構造体100a(単位セル)を示す断面図である。積層構造体100aは、酸素ガス流路22を有する酸素流路部材20と、燃料ガス流路32を有する水素流路部材30と、を有している。酸素流路部材20と水素流路部材30の間には、水素流路部材30側から酸素流路部材20に向かって順に水素分離膜120、電解質層110、酸素極130、梁部140が形成されている。なお、これら水素分離膜120、電解質層110、酸素極130、梁部140をまとめて積層構造体100aと呼ぶ。水素流路部材30側から酸素流路部材20に向かう方向に対して垂直な面におけるこの積層構造体100aの断面形状は、長方形である。なお、この積層構造体100aは、セパレータを兼ねる酸素流路部材20と水素流路部材30とによって挟まれて、全体で燃料電池の一つのセルを構成する。
A. First embodiment:
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a laminated
酸素流路部材20は、ステンレス鋼(SUS)で形成されている。この酸素流路部材20は、溝部21を有しており、その溝部21により酸素ガス流路22を構成している。梁部140は酸素極130上に格子状に形成されている。そして、酸素極130の表面であって梁部140が形成されていない部分131は、酸素ガス流路22に対して露出している。このため、酸素ガス流路22内を流通する酸素含有ガスは、電解質層110の表面と接触する。第1実施例では、酸素含有ガスは空気である。
The
水素流路部材30も、ステンレス鋼(SUS)で形成されている。この水素流路部材30は溝部31を有しており、その溝部31により燃料ガス流路32を構成している。この燃料ガス流路32内を流通する水素含有ガスは、積層構造体100aの水素分離膜120と接触する。本明細書においては、この水素含有ガスを「燃料ガス」とも言う。燃料ガス中の水素は、水素分離膜120側から酸素極130側に向かって積層構造体100aを透過し、酸素極130側において酸素含有ガス中の酸素と反応する。なお、酸素流路部材20と水素流路部材30とは、ステンレス鋼以外の素材で形成してもよく、酸素流路部材20と水素流路部材30に機密性を持たせることができる任意の素材で形成することができる。
The hydrogen
水素分離膜120は、厚さ約40μmでパラジウム(Pd)で形成されている。この水素分離膜120は、水素含有ガス中の水素を選択的に透過する。この水素分離膜120は、水素極としても機能する。燃料電池の運転中は、電子は、図示しない電気回路を通って水素極(水素分離膜120)から酸素極130に移動する。なお、水素分離膜120は、パラジウムのほか、パラジウム合金などの貴金属や、VA族元素、たとえばバナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)等で形成することもできる。
The
なお、ある素材が「水素を透過する」または「水素透過可能である」か否かは、その素材を1.0μmの厚みで形成した場合に、700℃下で水素透過係数が1.0×10-10(mol/m・s・Pa1/2)よりも大きいか否かによって判定することができる。なお、酸化防止部122の素材は、1.0μmの厚みで形成した場合に、700℃下で水素透過係数が1.0×10-9(mol/m・s・Pa1/2)よりも大きくなる素材とすることがより好ましい。以下で燃料電池の各部に用いられる、「水素を透過する」または「水素透過可能である」素材についても同様である。 Whether or not a certain material “permeates hydrogen” or “permeates hydrogen” depends on whether the material has a thickness of 1.0 μm and a hydrogen permeability coefficient of 1.0 × at 700 ° C. It can be determined by whether or not it is larger than 10 −10 (mol / m · s · Pa 1/2 ). In addition, when the material of the antioxidant part 122 is formed with a thickness of 1.0 μm, the hydrogen permeation coefficient is less than 1.0 × 10 −9 (mol / m · s · Pa 1/2 ) at 700 ° C. It is more preferable to make the material larger. The same applies to materials that “permeate hydrogen” or “permeate hydrogen”, which are used in the following sections of the fuel cell.
電解質層110は、酸素極130と水素分離膜120との間に形成されており、酸素極130および水素分離膜120と接合されている。電解質層110の厚みは、0.1〜1.0μmとすることができる。この電解質層110は、ペロブスカイト型プロトン伝導体化合物であるBaCeO3系のセラミックで形成されている。ペロブスカイト型プロトン伝導体化合物は、格子間酸素の欠損への酸素原子導入が起きた状態でプロトン伝導性を有する。
The
なお、電解質層110は、SrCeO3系、SrZrO3系、CaZrO3系のセラミックや、パイロクロア型プロトン伝導体化合物、例えば、Gd2Ti2O7系、La2Zr2O7系のセラミックなどで形成することもできる。すなわち、電解質層110は、プロトン伝導性を有する固体酸化物で形成することができる。
The
酸素極130は、電解質層110上に白金(Pt)で形成されている層である。酸素極130の厚みは、約0.1μmである。なお、酸素極130の材質および膜厚は、任意に選択、設定可能である。
The
図2は、積層構造体100aの一部を示す斜視図である。図2においては、上側が酸素流路部材20が取り付けられる側であり、下側が水素流路部材30が取り付けられる側である(図1参照)。なお、図示された各構造の厚みは、実際の厚みを反映するものではない。
FIG. 2 is a perspective view showing a part of the
図2および図1に示すように、梁部140は、酸素極130上に格子状に形成されている。第1実施例においては、梁部140は、チタン(Ti)で形成されており、厚みは約0.1μmである。また、格子を構成する各梁の幅は約1μmである。そして、図示されていないが、縦横に並行する各梁の中心同士の間隔は、縦横とも約5μmである。この梁部140は、チタンのほか、チタン合金、ステンレス鋼(SUS)で形成することができる。そして、梁部140の寸法および厚さは、水素分離膜120、電解質層110の材質および厚さ、ならびに水素分離膜120、電解質層110および梁部140の材質に応じて定めることができる。
As shown in FIGS. 2 and 1, the
なお、図1に示すように、梁部140は、酸素極130上面の最外周部132には設けられない。一方、酸素流路部材20の最外周の壁部23は、溝部21と溝部21を分ける壁部24に比べて高く設けられている。その結果、最外周の壁部23が酸素極130の表面の外周部132と密着し、酸素ガス流路22の外部に対する気密性が保たれる。よって、酸素流路部材20から酸素含有ガスが漏れだすことはない。なお、複数の酸素ガス流路22同士については、酸素含有ガスが互いに流通しても問題はない。
As shown in FIG. 1, the
このような構成を有する積層構造体100aは、以下のようにして製造することができる。まず、厚さ約40μmの水素分離膜120を準備する。この水素分離膜120は、あらかじめ気相成長法で形成してもよいし、他の手法で生成してもよい。
The
その後、水素分離膜120の上から、電解質層110を形成する。電解質層110を形成する際の膜材料は、セラミック(BaCeO3系のペロブスカイト型プロトン伝導体化合物)である。そして、レーザーアブレーションにより製膜を行う。「レーザーアブレーション」とは、紫外域のレーザ光により蒸着原料を蒸気化し、この蒸気を部材上に堆積させて薄膜を形成する方法である。なお、電解質層110の形成は、他の化学的気相成長法、または物理的気相成長法により行ってもよい。
Thereafter, the
そして、電解質層110の上から、スパッタリングにより酸素極130を生成する。その後、梁部140が格子状になるようにマスキングを行って、イオンプレーティングにより酸素極130上に梁部140を形成する。なお、梁部140の形成は、スパッタリングなど他の物理的気相成長法、または化学的気相成長法により行ってもよい。また、酸素極130の形成も、他の物理的気相成長法、または化学的気相成長法により行ってもよい。
Then, an
このような積層構造体100aを有する燃料電池は、たとえば、700℃以上の高温で運転される。熱膨張比が異なる電解質層110と水素分離膜120が温度変化に伴って異なる比率で膨張または収縮しようとすると、電解質層110と水素分離膜120の接合面において積層構造体100aを反り返らせようとする力がはたらく。積層構造体100aが大きく反ると、反りによる圧縮または引っ張りを伴う曲げによって電解質層110にひびが入り、電解質層110およびその上に形成された酸素極130が剥落してしまうおそれがある。電解質層110と水素分離膜120に水素を透過させた場合についても同様である。しかし、積層構造体100aは梁部140を有するため、その反りの変形量は梁部140によって抑制される。その結果、電解質層110にひびが入って、電解質層110および酸素極130が剥落してしまう可能性を低減することができる。
The fuel cell having such a
B.第2実施例:
図3は、第2実施例の積層構造体100bの斜視図である。図3においては、梁部140の形状を明らかに示すために、酸素極130を破線で示している。第2実施例の積層構造体100bは、電解質層110と酸素極130の間に梁部140を有している。酸素極130は、電解質層110と梁部140とを覆うように形成されており、図示するように、内部に梁部140を含んでいる。酸素極130の厚さは約0.5μmである。第2実施例の積層構造体100bの他の点は、第1実施例の積層構造体100aと同じである。なお、酸素極130の厚さは、梁部140の厚さより厚い任意の寸法とすることができる。
B. Second embodiment:
FIG. 3 is a perspective view of the
このような構成を有する積層構造体100bは、以下のようにして製造することができる。まず、第1実施例の積層構造体100aを製造する場合と同様にして、水素分離膜120および電解質層110を形成する。
The
そして、梁部140が格子状になるようにマスキングを行って、イオンプレーティングにより電解質層110上に梁部140を形成する。なお、梁部140の形成は、スパッタリングなど他の物理的気相成長法、または化学的気相成長法により行ってもよい。その後、スパッタリングにより、電解質層110および梁部140の上から梁部140を覆うようにして酸素極130を生成する。
Then, masking is performed so that the
第2実施例のような構成としても、積層構造体100bの反りの変形量は梁部140によって抑制される。その結果、反りによる圧縮または引っ張りを伴う曲げによって電解質層110にひびが入り、電解質層110および酸素極130が剥落してしまう可能性を低減することができる。
Even in the configuration of the second embodiment, the amount of warpage deformation of the
C.第3実施例:
図4は、第3実施例の積層構造体100cの斜視図である。第3実施例の積層構造体100bは、酸素極130の上面(酸素流路部材20が設けられる側)に、互いに連通している空隙を含みニッケル(Ni)で構成される強化層150を有する。この強化層の厚さは、約1μmである。また、第3実施例の積層構造体100cは、梁部140(図2および図3参照)を有していない。第3実施例の積層構造体100cの他の点は、第1実施例の積層構造体100aと同じである。なお、強化層150の厚さは、強化層150の素材および構成に応じて任意の寸法とすることができる。
C. Third embodiment:
FIG. 4 is a perspective view of the
このような構成を有する積層構造体100cは、以下のようにして製造することができる。まず、第1実施例の積層構造体100aを製造する場合と同様にして、水素分離膜120、電解質層110および酸素極130を形成する。
The
その後、所定の粒径を有するニッケルの粒をスパッタリングにより酸素極130上に積層させ、強化層150を形成する。なお、強化層150は、泡が互いに連通している発泡金属のシートまたは板を、酸素極130上に貼付することにより形成してもよい。強化層150は、焼結体や発泡金属などの、互いに連通している所定の空隙を有する素材で構成することができる。
Thereafter, nickel particles having a predetermined particle size are stacked on the
第3実施例のような構成としても、積層構造体100cの反りの変形量は強化層150によって抑制される。その結果、反りによる圧縮または引っ張りを伴う曲げによって電解質層110にひびが入り、電解質層110および酸素極130が剥落してしまう可能性を低減することができる。
Even in the configuration of the third embodiment, the warping deformation amount of the
また、強化層150は、互いに連通している空隙を有している。このため、酸素ガス流路22(図1参照)を通る酸素は、強化層150の空隙を通過して、酸素極130と接触することができる。すなわち、燃料電池を運転する際に、酸素極130における反応が妨げられない。
The reinforcing
D.第4実施例:
図5は、第4実施例の積層構造体100dの斜視図である。引き出し線で示した部分は、電解質層110の一部を各層に平行な面で切断して拡大した拡大図である。第4実施例の積層構造体100dは、電解質層110内にガラス繊維111を含んでいる。また、第4実施例の積層構造体100dは、梁部140(図2および図3参照)を有していない。第4実施例の積層構造体100dの他の点は、第1実施例の積層構造体100aと同じである。
D. Fourth embodiment:
FIG. 5 is a perspective view of the
このような構成を有する積層構造体100dは、以下のようにして製造することができる。まず、第1実施例の積層構造体100aを製造する場合と同様にして、水素分離膜120を準備する。
The
そして、数回に分けてスパッタリングにより電解質層110を形成する。各スパッタリングの間に、形成途中の電解質層110の表面にガラス繊維111を散布する。そして、散布されたガラス繊維111の上からさらにスパッタリングにより電解質層110を形成する。この手順を数回繰り返す。その後、完成した電解質層110の上からプラチナをスパッタリングして、酸素極130を生成する。
Then, the
第4実施例のような構成とすると、積層構造体100dの反りの変形量は、電解質層110内のガラス繊維111によって抑制される。その結果、反りによる圧縮または引っ張りを伴う曲げによって電解質層110にひびが入り、電解質層110および酸素極130が剥落してしまう可能性を低減することができる。
If it is set as a structure like 4th Example, the deformation amount of the curvature of the
また、従来の燃料電池においては、電解質層にひびが入り、そのひびによって電解質層の一部が囲まれると、ひびに囲まれた部分が積層構造体から剥落していた。しかし、第4実施例の電解質層110においては、ひびCrに囲まれた部分110cができても、図5に示すように、その部分110cは周囲とガラス繊維111でつなぎ止められる。このため、電解質層110が剥落しにくい。
Further, in the conventional fuel cell, when the crack is formed in the electrolyte layer and a part of the electrolyte layer is surrounded by the crack, the part surrounded by the crack is peeled off from the laminated structure. However, in the
E.第5実施例:
図6は、第5実施例の積層構造体100eの斜視図である。図6においては、梁部170および電解質ブロック112の形状を明らかに示すために、酸素極130を破線で示している。第5実施例の積層構造体100eは、水素分離膜120と電解質層110の間に絶縁層160を有している。そして、電解質層110は複数の電解質ブロック112で構成されており、各電解質ブロック112の間には、梁部170が形成されている。電解質ブロック112および梁部170の上には、酸素極130が設けられている。第5実施例の積層構造体100eの他の点は、第1実施例の積層構造体100aと同じである。
E. Example 5:
FIG. 6 is a perspective view of the
絶縁層160は、厚さが約0.1μmであり、酸化タングステン(WO3)で構成されている。この絶縁層160は、他の金属の酸化物など、絶縁性を有する任意の素材で構成することができる。そして、絶縁層160は任意の厚みで設けることができる。
The insulating
図6に示すように、梁部170は、絶縁層160上に格子状に形成されている。第5実施例においては、梁部170は、ステンレス合金(SUS)で設けられており、厚みは約40μmである。また、格子を構成する各梁の幅は約10μmである。そして、図示されていないが、縦横に並行する各梁の中心の間隔は、縦横とも約50μmである。この梁部170は、ステンレスのほか、チタン(Ti)、チタン合金で形成することができる。また、梁部170の形状および寸法は、水素分離膜120、電解質層110の材質および厚さ、ならびに水素分離膜120、電解質層110および梁部140の材質に応じて定めることができる。
As shown in FIG. 6, the
このような構成を有する積層構造体100eは、以下のようにして製造することができる。まず、第1実施例の積層構造体100aを製造する場合と同様にして、水素分離膜120を準備する。そして、スパッタリングにより水素分離膜120上に酸化タングステンを蒸着させ、絶縁層160を形成する。なお、絶縁層160の形成は、他の物理的気相成長法、または化学的気相成長法により行ってもよい。
The
その後、あらかじめ形成しておいた梁部170を絶縁層160上に接合する。そして、梁部170にマスキングを行って、スパッタリングにより、梁部170の各梁で囲まれた部分に、梁部170の各梁と同じ厚みまでBaCeO3系のセラミックを積層させる。なお、梁部170の各梁よりもやや厚くセラミックを積層させ、その後、積層させたセラミックの表面を研削して、梁部170の各梁の高さと同じにしてもよい。このようにして、梁部170の各梁で囲まれた電解質ブロック112を形成する。
Thereafter, the
その後、スパッタリングにより、各電解質ブロック112および梁部170の上に酸素極130を生成する。なお、酸素極130および電解質ブロック112(電解質層110)の形成は、他の物理的気相成長法、または化学的気相成長法により行ってもよい。
Thereafter, the
第5実施例のような構成としても、積層構造体100eの反りの変形量は梁部170によって抑制される。その結果、反りによる圧縮または引っ張りを伴う曲げによって電解質層110にひびが入り、電解質層110および酸素極130が剥落してしまう可能性を低減することができる。
Even in the configuration of the fifth embodiment, the amount of warpage deformation of the
また、第5実施例においては、電解質層110が複数の電解質ブロック112に分割されて構成されている。このため、積層構造体100eに反りが生じた場合にも、電解質層110全体にかかる力が一カ所に集中して、電解質層110に割れを生じさせてしまう可能性を低減することができる。
In the fifth embodiment, the
さらに、第5実施例の積層構造体100eは、金属で形成される水素分離膜120と梁部170との間に絶縁層160を有している。このため、梁部170を金属で構成しても、酸素極130がその上に接して形成される梁部170と、水素極として機能する水素分離膜120との間で、短絡が生じることがない。
Furthermore, the
F.第6実施例:
図7は、第6実施例の積層構造体100fの斜視図である。図7においては、梁部180および電解質ブロック112の形状を明らかに示すために、酸素極130を破線で示している。第6実施例の積層構造体100fにおいては、各電解質ブロック112の間には、ステンレス合金製の梁部170(図6参照)に代えて、セラミック(Al2O3)製の梁部180が形成されている。この梁部180の各梁はT字状の断面を有しており、両側に張り出した部分182で、各梁の両側に位置する電解質ブロック112の表面を一部覆うような形状で形成されている。第6実施例の積層構造体100fの他の点は、第5実施例の積層構造体100eと同じである。
F. Example 6:
FIG. 7 is a perspective view of the
図7に示すように、梁部180は格子状に形成されている。格子を構成する各梁の中心の間隔は、縦横とも約100μmである。格子を構成する各梁は、電解質層110の各電解質ブロック112の間に形成されている第1の部分181と、電解質ブロック112の上側に位置し、隣り合う電解質ブロック112の間隔よりも幅が広い第2の部分182を有している。
As shown in FIG. 7, the
第1の部分181の厚みは約40μmであり、幅は約20μmである。一方、第2の部分182の厚みは約30μmであり、幅は約40μmである。この梁部180は、セラミックのほか、チタン(Ti)や、チタン合金で形成することができる。また、梁部180の寸法および形状は、水素分離膜120、電解質層110の材質および厚さ、ならびに水素分離膜120、電解質層110および梁部140の材質に応じて定めることができる。
The thickness of the
このような構成を有する積層構造体100fは、以下のようにして製造することができる。まず、第5実施例の積層構造体100eを製造する場合と同様にして、水素分離膜120および絶縁層160を形成する。そして、マスキングを行って、スパッタリングにより、電解質層110の各電解質ブロック112を形成する。
The
その後、各電解質ブロック112をマスクした上でセラミックを溶射して、各電解質ブロック112間にの梁部180の第1の部分181を形成する。その後、マスクを交換して、第1の部分181の上に、第1の部分181よりも幅が広い第2の部分182を形成する。その後、さらにマスクを交換して、スパッタリングにより、梁部180の第2の部分182と同じ厚さまで酸素極130を形成する。なお、梁部180の第2の部分182よりもやや厚くプラチナを積層させ、その後、積層させたプラチナの表面を研削して、第2の部分182の高さと同じにしてもよい。
After that, the respective electrolyte blocks 112 are masked and the ceramic is sprayed to form the
第6実施例のような構成としても、積層構造体100fの反りの変形量は梁部180によって抑制される。特に、第6実施例の梁部180は、幅が異なる第1の部分181と第2の部分182を有しているため、梁の断面全体が第2の部分182と同じ幅を有している態様に比べて、電解質ブロックの大きさを小さくすることなく、積層構造体100fの反りの変形量を制限することができる。その結果、反りによる圧縮または引っ張りを伴う曲げによって電解質層110にひびが入り、電解質層110および酸素極130が剥落してしまう可能性を低減することができる。
Even in the configuration of the sixth embodiment, the amount of warp deformation of the
また、第6実施例においては、梁部180は、隣り合う電解質ブロック112の間隔よりも幅が広い第2の部分182が、電解質ブロック112の上側に位置するように形成されている。このため、電解質ブロック112にひびが入っても、電解質ブロック112の一部が梁部180の第2の部分182の張りだしによって押さえられるため、電解質層110が剥落しにくい。
In the sixth embodiment, the
G.第7実施例:
図8は、第7実施例の剛性向上部材190を示す平面図である。図8においては、剛性向上部材190とその下に位置する酸素極130とを区別しやすくするため、剛性向上部材190にハッチをつけて示している。第7実施例の積層構造体100gは、梁部140(図1参照)に代えて、酸素極130上に剛性向上部材190を有している。第7実施例の積層構造体100gの他の点は、第1実施例の積層構造体100aと同じである。
G. Seventh embodiment:
FIG. 8 is a plan view showing the
図8に示すように、剛性向上部材190は、斑状の穴191を有している。そして、その穴を通じて、酸素極130は酸素ガス流路22に露出されている。このため、酸素ガス流路22内を流通する酸素含有ガスは、電解質層110の表面と接触することができる。
As shown in FIG. 8, the
第7実施例のような構成としても、積層構造体100gの反りの変形量は剛性向上部材190によって抑制される。その結果、反りによる圧縮または引っ張りを伴う曲げによって電解質層110にひびが入り、電解質層110および酸素極130が剥落してしまう可能性を低減することができる。
Even in the configuration of the seventh embodiment, the deformation amount of the warp of the
H.変形例:
(1)電解質層の変形量を低減する剛性向上部材は、第1、2、5および6実施例において、梁部140、170、180として設けられていた。しかし、剛性向上部材は、それらのような格子状の形状以外の任意の形状で形成することができる。たとえば第7実施例(図8参照)においては、剛性向上部材の穴191はほぼ円形であるが、剛性向上部材は、不定形の穴を有する態様で設けることもできる。
H. Variations:
(1) The rigidity improving member that reduces the deformation amount of the electrolyte layer is provided as the
また、第6実施例においては、梁部180のすべての梁が、電解質ブロック112の間に形成されている第1の部分181と、電解質ブロック112の上側に位置し、電解質層110の各ブロックの間隔よりも幅が広い第2の部分182を有していた。しかし、一部の梁が第2の部分を有していない態様とすることもできる。さらに、梁の途中に、電解質ブロック112の間隔よりも幅が広い第2の部分を有している箇所と、第2の部分を有していない箇所と、を有する態様とすることもできる。
Further, in the sixth embodiment, all the beams of the
すなわち、剛性向上部材は、積層構造体中のいずれかの層である電解質層の一部を直接または間接に被覆するように形成される任意の形状とすることができる。なお、剛性向上部材が「間接に電解質層の一部を被覆する」とは、酸素極側から水素極側に向かう方向に沿って見た場合に、電解質層の一部が剛性向上部材によって被覆されているが、剛性向上部材と電解質層の間には他の層または構造が存在することを意味する。これに対し、剛性向上部材が「直接、電解質層の一部を被覆する」とは、酸素極側から水素極側に向かって見た場合に、電解質層の一部が剛性向上部材によって被覆されており、剛性向上部材は電解質層の上に形成されていることを意味する。 That is, the rigidity improving member can have any shape formed so as to directly or indirectly cover a part of the electrolyte layer that is any layer in the laminated structure. Note that the rigidity improving member “indirectly covers a part of the electrolyte layer” means that a part of the electrolyte layer is covered by the rigidity improving member when viewed along the direction from the oxygen electrode side to the hydrogen electrode side. However, it means that there is another layer or structure between the rigidity improving member and the electrolyte layer. On the other hand, the rigidity improving member “directly covers a part of the electrolyte layer” means that a part of the electrolyte layer is covered by the rigidity improving member when viewed from the oxygen electrode side to the hydrogen electrode side. This means that the rigidity improving member is formed on the electrolyte layer.
なお、剛性向上部材は複数の部材で設けられていてもよい。ただし、電解質層110が複数の電解質ブロック112で構成される態様においては、剛性向上部材は、3個以上の電解質ブロック112と隣接する一体の構成で形成されることが好ましい。また、各種態様において、剛性向上部材は、積層構造体中において一体で形成されることがさらに好ましい。
Note that the rigidity improving member may be provided by a plurality of members. However, in the aspect in which the
また、積層構造体は、複数種類の態様の剛性向上部材を備えていてもよい。たとえば、積層構造体は、第1実施例に示した梁部140と、第3実施例に示した強化層150と、をともに備える態様とすることもできる。そして、積層構造体は、それらの剛性向上部材に加えて、さらに、剛性向上部材として繊維状の物質(たとえば第4実施例に示したガラス繊維111)を、いずれかの層内に備える態様とすることもできる。
The laminated structure may include a plurality of types of rigidity improving members. For example, the laminated structure may be configured to include both the
(2)第4実施例においては、剛性向上部材は、繊維状の物質(ガラス繊維111)として電解質層110内に形成されていた。しかし、剛性向上部材は、水素分離膜120内に設けるなど、積層構造体内の電解質層110以外の他の層内に配された繊維状物質として設けることもできる。
(2) In the fourth embodiment, the rigidity improving member is formed in the
(3)上記各実施例においては、水素分離膜120が水素極としての機能も果たしていた。しかし、水素分離膜120とは別に水素極を有する態様とすることができる。そのような態様においては、たとえば、水素分離膜120をバナジウムで形成し、水素分離膜120と燃料ガス流路32との間に形成される水素極をパラジウムで形成することが好ましい。すなわち、水素極は、水素を透過し、電解質層よりも酸化しにくい金属で形成することが好ましい。
(3) In each of the above embodiments, the
20…酸素流路部材
21…溝部
22…酸化ガス流路
30…水素流路部材
31…溝部
32…燃料ガス流路
100a〜g…積層構造体
110…電解質層
110c…電解質層のうちひびに囲まれた部分
111…ガラス繊維
112…ブロック
112…電解質ブロック
120…水素分離膜(水素極)
122…酸化防止部
130…酸素極
131…酸素極の表面であって梁部が形成されていない部分
140…梁部
150…強化層
160…絶縁層
170…梁部
180…梁部
181…第1の部分
182…第2の部分
190…剛性向上部材
191…穴
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF SYMBOLS 122 ...
Claims (8)
酸素を含む酸化ガスを通す酸化ガス流路から前記酸化ガスを供給される酸素極と、
前記水素極と前記酸素極との間に位置し、前記水素極および前記酸素極と直接または間接に接合され、水素イオンを透過する電解質層と、
前記電解質層の外力による変形量を低減する剛性向上部材と、
を備える燃料電池。 A hydrogen electrode that is supplied with the fuel gas from a fuel gas flow path through which a fuel gas containing hydrogen passes and selectively permeates hydrogen;
An oxygen electrode supplied with the oxidizing gas from an oxidizing gas flow path for passing an oxidizing gas containing oxygen;
An electrolyte layer located between the hydrogen electrode and the oxygen electrode, directly or indirectly joined to the hydrogen electrode and the oxygen electrode, and permeable to hydrogen ions;
A rigidity improving member for reducing the amount of deformation due to external force of the electrolyte layer;
A fuel cell comprising:
前記剛性向上部材は、
前記酸素極と前記電解質層との間に位置し、
直接または間接に前記電解質層の一部を被覆するように設けられる、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The rigidity improving member is
Located between the oxygen electrode and the electrolyte layer,
A fuel cell provided so as to cover a part of the electrolyte layer directly or indirectly.
前記剛性向上部材は、
前記酸素極と前記電解質層との間において格子状に設けられる、燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein
The rigidity improving member is
A fuel cell provided in a lattice shape between the oxygen electrode and the electrolyte layer.
前記剛性向上部材は、
前記酸化ガス流路と前記酸素極との間に位置し、
間接的に前記電解質層の一部を被覆し、前記酸素極の少なくとも一部を前記酸化ガス流路に露出する構成で設けられる、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The rigidity improving member is
Located between the oxidizing gas flow path and the oxygen electrode,
A fuel cell provided with a configuration in which a part of the electrolyte layer is indirectly coated and at least a part of the oxygen electrode is exposed to the oxidizing gas channel.
前記剛性向上部材は、
前記酸化ガス流路と前記酸素極との間に位置し、
互いに連通する空隙を有する層である、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The rigidity improving member is
Located between the oxidizing gas flow path and the oxygen electrode,
A fuel cell, which is a layer having voids communicating with each other.
前記剛性向上部材は、
前記電解質層内に存在するガラス繊維である、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The rigidity improving member is
A fuel cell, which is a glass fiber present in the electrolyte layer.
前記電解質層は、
前記酸素極から前記水素極に向かう方向に対して垂直な平面内で並び、それぞれ水素イオンを透過する複数の水素イオン透過部材を含み、
前記剛性向上部材の少なくとも一部は、
前記水素極と前記酸素極との間であって、かつ、前記複数の水素イオン透過部材の間に、一体で設けられる、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The electrolyte layer is
Arranged in a plane perpendicular to the direction from the oxygen electrode to the hydrogen electrode, each including a plurality of hydrogen ion permeable members that transmit hydrogen ions,
At least a part of the rigidity improving member is
A fuel cell provided integrally between the hydrogen electrode and the oxygen electrode and between the plurality of hydrogen ion permeable members.
前記剛性向上部材の他の一部は、前記電解質層に対して前記酸素極側において、前記水素イオン透過部材の一部を被覆するように設けられる、燃料電池。 The fuel cell according to claim 7, wherein
The other part of the rigidity improving member is provided on the oxygen electrode side with respect to the electrolyte layer so as to cover a part of the hydrogen ion permeable member.
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