燃料电池及燃料电池用电解质膜的制造方法技术

本发明专利技术的目的在于，在固体氧化物型燃料电池中实现电解质层的薄膜化。在固体氧化物型燃料电池中，在氢分离金属层１２０的表面形成固体氧化物的电解质层１１０的膜。另外，设有如下结构，其利用氢透过时的氢分离金属层１２０的膨胀，抑制氢分离金属层１２０和电解质层１１０的层间剥离。剥离抑制机构可以使用如下构造，即用于抑制氢分离金属层１２０的膨胀的结构、通过分割电解质层缓和膨胀时的应力的结构等。这样，可以使电解质层充分薄膜化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池及燃料电池用电解质膜的制造方法
本专利技术涉及一种使用设有氢透过性金属层的电解质膜的燃料电池。
技术介绍
近年来，利用氢气和空气的电化学反应进行发电的燃料电池作为能源受到关注。燃料电池中，使用了固体电解质膜的电池有固体氧化物型等的高温型燃料电池。固体氧化物型的燃料电池是在电极间夹持的电解质膜中使用氧化锆之外的无机物的薄膜的电池。该电解质膜的膜电阻因为具有温度越低越增大的倾向，故为了将膜电阻控制在实用的范围内，必须使其在比较高的温度下进行运转。在固体氧化型的燃料电池中，尽管通过减小电解质膜的膜厚，也可以降低膜电阻，但是，在由多孔质物形成的电极上形成致密的薄膜非常困难，不能充分实现薄膜化。现实中，固体氧化物型的燃料电池一般是在大约700℃以上的温度下运转的。电解质膜通过薄膜化使膜电阻降低，不只是固体氧化物型，而是各种形式的燃料电池中存在的共同课题。本专利技术的目的在于，对应上述的课题，提供实现电解质膜薄膜化的技术。可以在这样的固体氧化物型燃料电池等中使用的氢气分离膜的相关文献有特开平7-185277号公报。
技术实现思路
-->为了解决至少一部分上述课题，本专利技术在燃料电池中应用以下构成。本专利技术的燃料电池包括：供给氢的氢极、供给氧的氧极、在氢极和氧极之间配置的电解质膜。该电解质膜具有氢透过性金属层和形成于该氢透过性金属层表面的电解质层。氢透过性金属层由氢透过性金属构成。因为氢透过性金属层由金属形成，故其表面十分致密。因此，可以充分实现电解质层的薄膜化，可以降低电解质层的膜电阻。氢透过性金属可以使用钯Pd、钯合金等贵金属、以及VA族元素，例如钒V、铌Nb、钽Ta等。电解质层可以使用固体氧化物，例如BaCeO3、SrCeO3类的陶瓷等。电解质层的离子传导性，例如包括质子传导性。这样利用具有氢透过性金属层和电解质层的复合材料形成电解质膜的情况下，有时出现层间剥离的问题。一般在氢透过性金属中，通常氢透过时出现体积膨胀的现象。与此相对，电解质层有时由氢透过时的膨胀率和氢透过性金属明显不同的特定的材料构成。氢透过性金属层和电解质层的膨胀率的差异有可能在氢透过时诱发两层间的剥离。本专利技术中，通过将抑制氢透过时氢透过性金属层和电解质层之间的剥离的剥离抑制机构设置在电解质膜，抑制所述的剥离。在此，剥离抑制机构可以通过各种方式实现。第1方式是氢透过时抑制氢透过性金属层膨胀的机构。一般因为氢透过性金属层的膨胀率大，所以通过抑制氢透过性金属层的膨胀，可以抑制剥离。抑制氢透过性金属层膨胀的机构，例如可以通过将与氢透过性金属相比氢透过时膨胀率低的特定的材料(以下称作结构部件)配置在氢透过性金属层中构成。可以做成在氢透过性金属的周围设置由结构部件形成的框组的结构，也可以做成将由结构部件形成的纤维埋入氢透过性金属层内的结构。结构部件的材料例如可以使用含有氧化铝Al2O3、碳化硅SiC等陶瓷，以及铁Fe、镍Ni、铬Cr、钼Mo等一种以上的单质或合金，石墨C、硼B、玻璃等。-->结构部件优选避开氢透过性金属层和其它的层的接触界面进行配置。接触界面例如有氢透过性金属层和电极的界面，氢透过性金属层和电解质层的界面等。结构部件大多氢透过率低。因此，通过避开结构部件出现在接触界面，在接触界面增大氢透过性金属层的接触面积，可以实现氢或质子的移动顺畅。第2方式的剥离抑制机构，也可以在氢透过性金属层和电解质层之间设置由具有氢透过性的材质构成的应力缓和层。氢透过时的应力缓和层的平均膨胀率优选为氢透过性金属层及电解质层之间的膨胀率。例如，可以选择具有所述物性值的材料，也可以通过氢透过时的膨胀率比上述氢透过性金属层低、并且比上述电解质层高的质子传导性电解质层形成。或者与其相反，可以通过氢透过时的膨胀率比上述氢透过性金属层低、并且比上述电解质层高的氢透过性电解质层形成。作为这样的构成例，例如可以由钯-镍合金构成氢透过性金属层和应力缓和层，可以采用将应力缓和层中的镍含量提高到电解质层侧程度的结构。另外，也可以使用将构成氢透过性金属层和电解质层的材料混合后的材料。通过组合在表面形成有凹凸的氢透过性金属层和电解质层，做成在接触面内混合存在两层的结构。两层混合存在的层的平均膨胀率因为形成氢透过性金属层和电解质层间的膨胀率，因此该层具有应力缓和层的功能。如上所述通过插入应力缓和层，可以降低氢透过性金属层和应力缓和层之间、应力缓和层和电解质层之间产生的形变差，实现应力的缓和，进而抑制层间剥离。应力缓和层不一定需要设置单层。例如可以将氢透过性金属层和应力缓和层做成多层层压。这样，应力缓和层可以从表里两面抑制氢透过性金属层的膨胀。另外，通过在氢透过性金属的两面配置应力缓和层，可以抑制基于氢透过性金属和应力缓和层的形变差的弯曲力矩。氢透过性金属和应力缓和层也可以利用粘结之外的方法粘合在一-->起。在利用金属形成应力缓和层的情况下，可以将氢透过性金属和应力缓和层扩散接合。在扩散接合的情况下，对于应力缓和层优选将与接合面相对侧的表面仅除去特定厚度。通过这样可以除去应力缓和层的金属密度高的部分，可以抑制氢透过性能低下。第3方式的剥离抑制机构，也可以做成在电解质层和氢透过性金属层之间局部配置加强部件的结构。加强部件优选比电解质层和氢透过性金属层之间的界面强度高的界面强度，做成和各层密合的材质或结构。加强部件适合应用具有氢或质子的透过性的材料、不具有所述透过性的材料中的任一种。后者例如有氧化镁MgO等。第4方式的剥离抑制机构，为了提高电解质层和氢透过性金属层之间的界面强度，可以在氢透过性金属层和上述电解质层之间设置构成双方层的材料混合存在的混合层。设置相关混合层的电解质膜，例如可以通过在形成氢透过性金属层之后，在该表面形成混合层，再在混合层的表面形成电解质层而形成。也可以通过在氢透过性金属层上涂覆形成混合层的材料或蒸镀，在氢透过性金属层的外部另外形成混合层。另外，也可以通过在氢分离金属的表层附近埋入形成电解质层的材料，使表层附近形成混合层。混合层内的氢透过性金属和电解质的比例，可以在厚度方向一定，也可以使其倾斜。混合层因为含有分别形成氢透过性金属层、电解质层的材料，因此和两层具有亲和性。根据第4方式，通过使具有所述特性的混合层介入，可以提高各层间的界面强度，可以抑制剥离。第5方式的剥离抑制机构，可以形成凹凸面，使氢透过性金属层和电解质层的接触面相互啮合。所述的电解质膜例如可以如下形成，即，通过在形成氢透过性金属层之后，将该表面加工成凹凸形状，并以与该凹凸形状啮合的方式形成电解质层。凹凸形状可以通过在氢透过性金属层的表面添加凸部分的方法形成，也可以消减表面的一部-->分，形成凹部分。根据第5方式，可以在凹凸形状的啮合部分使伴随各层的形变的接触界面上的剪切应力的力作用，维持两层，得到称作锚效果的效果。根据该效果可以抑制层间的剥离。本专利技术的第6方式可以将剥离抑制机构，做成利用氢透过时的膨胀，以电解质层为内侧压弯的压弯电解质膜的压弯机构。在利用氢透过时的膨胀以电解质层为内侧出现压弯时，电解质层不会出现局部压弯而产生拉伸应力的情况。通常，因为电解质层与拉伸应力相比对于压缩应力强，因此，当出现将电解质层为内侧的压弯时，则可以减少由于局部形变受到拉伸应力而电解质层受到损失的可能性。这样的压弯机构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池，其设有供给氢的氢极、供给氧的氧极、配置在所述氢极和氧极之间的电解质膜，该电解质膜包括：由氢透过性金属构成的氢透过性金属层；电解质层，其是以氢透过时的膨胀率和所述氢透过性金属有明显不同的特定的材料，在所述氢透过性金属层的表面形成的；以及剥离抑制机构，其在氢透过时抑制所述氢透过性金属层和电解质层之间的剥离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2003-3-18 072985/2003;JP 2003-7-25 201430/2003;1.一种燃料电池，其设有供给氢的氢极、供给氧的氧极、配置在所述氢极和氧极之间的电解质膜，该电解质膜包括：由氢透过性金属构成的氢透过性金属层；电解质层，其是以氢透过时的膨胀率和所述氢透过性金属有明显不同的特定的材料，在所述氢透过性金属层的表面形成的；以及剥离抑制机构，其在氢透过时抑制所述氢透过性金属层和电解质层之间的剥离。2.如权利要求1所述的燃料电池，所述剥离抑制机构是抑制氢透过时的所述氢透过性金属层的膨胀的机构。3.如权利要求2所述的燃料电池，所述剥离抑制机构是将比所述氢透过性金属在氢透过时的膨胀率低的特定材料配置在所述氢透过性金属层中构成。4.如权利要求3所述的燃料电池，所述剥离抑制机构是避开将所述氢透过性金属层和其它的层的接触界面配置的。5.如权利要求1所述的燃料电池，所述剥离抑制机构介入所述氢透过性金属层和所述电解质层之间，在具有氢透过性的同时，是由氢透过时的平均膨胀率为该氢透过性金属层及电解质层之间值的材料或结构形成的应力缓和层。6.如权利要求5所述的燃料电池，所述应力缓和层由氢透过时的膨胀率比所述氢透过性金属层低，并且比所述电解质层高的质子传导性电解质层形成。7.如权利要求5所述的燃料电池，所述应力缓和层由氢透过时的膨胀率比所述氢透过性金属层低，并且比所述电解质层高的氢透过-->性金属层形成。8.如权利要求5所述的燃料电池，所述氢透过性金属层和所述应力缓和层是多层层压形成。9.如权利要求5所述的燃料电池，所述氢透过性金属和所述应力缓和层利用金属扩散接合，同时该应力缓和层通过将该接合面相对侧的表面除去特定厚度而形成。10.如权利要求1所述的燃料电池，所述剥离抑制机构局部配置在所述电解质层和氢透过性金属层之间，是一种以比该电解质层和氢透过性金属层之间的界面强度高的界面强度与各层粘合的加强部件。11.如权利要求1所述的燃料电池，所述剥离抑制机构设在所述氢透过性金属层和所述电解质层之间，是构成双方层的材料混合存在的混合层。12.如权利要求1所述的燃料电池，所述剥离抑制机构在所述氢透过性金属层和所述电解质层的接触面上形成，是使两者相互啮合的凹凸面。13.如权利要求1所述的燃料电池，所述剥离抑制机构是利用所述氢透过时的膨胀，以所述电解质层为内侧，将所述电解质膜压弯的压弯机构。14.如权利要求13所述的燃料电池，所述压弯机构的结构是，将设于和所述电解质层的所述氢透过性金属层侧相反侧的面的部件，形成越向所述电解质膜中心部刚性越低的结构。15.如权利要求14所述的燃料电池，其中越向所述电解质膜中-->心部刚性越低的结构，是将所述部件做成越向其中心越壁薄的结构。16.如权利要求1所述的燃料电池，所述剥离抑制机构是，使形成配设于所述电解质层的表面的所述氧极的电极的所述氢透过时的膨胀率，和所述氢透过性金属层的氢透过时的膨胀率大致相同的结构。17.如权利要求16所述的燃料电池，将形成所述氧极的电极的厚度做成和所述氢透过性金属层的厚度大致相同。18.如权利要求1～17中任一项所述的燃料电池，所述电解质层的平面面积比所述氢透过性金属层的平面面积小，所述剥离抑制机构，是为了在所述电解质层的端部，该电解质层和氢透过性金属层的外表面圆滑地连续，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：佐藤博道，获野温，井口哲，饭岛昌彦，伊藤直树，青山智，江野博高，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]