JP2008027803A - 水素透過性基材、それを用いた燃料電池および水素透過性基材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 水素分離膜の薄膜化が可能でありかつ水素分離膜の利用効率を向上させることができる水素透過性基材、それを用いた燃料電池および水素透過性基材の製造方法を提供する。
【解決手段】 水素透過性基材（１００）は、水素透過性部材（２０）と、水素透過性部材を支持する支持板（１０）とを備え、支持板は複数の貫通孔（１１）を備え、水素透過性部材は貫通孔内部に配置されている。貫通孔以外の実質的に水素透過に寄与しない部位には水素透過性部材が配置されていないことから、水素透過性部材の利用効率を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素透過性基材、それを用いた燃料電池および水素透過性基材の製造方法に関する。

近年、燃料電池等に用いる水素ガスを精製するために、水素分離装置等が用いられている。この水素分離装置は、水素分離膜において水素を選択的に透過させて水素ガスを精製している。水素分離膜に用いられる材料は比較的高価であるため、水素分離膜の薄膜化が望まれている。そこで、水素分離膜を薄膜化するために、水素分離膜を多孔質状の支持板によって支持する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−９５６１７号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、水素分離膜を薄膜化していくと、支持板と水素分離膜との接合部において水素分離作用が働かなくなる。したがって、水素分離膜の利用効率が低下する。

本発明は、水素分離膜の薄膜化が可能でありかつ水素分離膜の利用効率を向上させることができる水素透過性基材、それを用いた燃料電池および水素透過性基材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る水素透過性基材は、水素透過性部材と、水素透過性部材を支持する支持板とを備え、支持板は複数の貫通孔を備え、水素透過性部材は貫通孔内部に配置されていることを特徴とするものである。本発明に係る水素透過性基材においては、水素透過性部材が支持板によって支持されていることから、水素透過性部材の膜厚を小さくすることができる。また、貫通孔以外の実質的に水素透過に寄与しない部位には水素透過性部材が配置されていないことから、水素透過性部材の利用効率を向上させることができる。また、水素透過性部材の使用量を少なくすることができる。したがって、本発明に係る水素透過性基材のコストを低減することができる。さらに、本発明に係る水素透過性基材の厚さを小さくすることができる。

貫通孔の孔径は、支持板の一面側から他面側にかけて変化していてもよい。この場合、貫通孔の孔径が一定である場合に比較して、支持板と水素透過性部材との接触面積が増大する。それにより、支持板と水素透過性部材との密着性が向上する。その結果、支持板と水素透過性部材との剥離を抑制することができる。なお、貫通孔は、円錐台形状を有していてもよい。

本発明に係る燃料電池は、請求項１〜３のいずれかに記載の水素透過性基材と、水素透過性基材上に設けられプロトン伝導性を有する電解質膜と、を備える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、水素透過性部材が支持板によって支持されていることから、水素透過性部材の膜厚を小さくすることができる。また、貫通孔以外の実質的に水素透過に寄与しない部位には水素透過性部材が配置されていないことから、水素透過性部材の利用効率を向上させることができる。また、水素透過性部材の使用量を少なくすることができる。したがって、本発明に係る燃料電池のコストを低減することができる。また、本発明に係る燃料電池を小型化することができる。

電解質膜は、水素透過性部材が配置された部位上に設けられていてもよい。この場合、電解質膜の利用効率が向上する。また、電解質膜の使用量を低減することができる。それにより、本発明に係る燃料電池のコストを低減することができる。また、電解質膜が配置された部位上に設けられたカソードをさらに備えていてもよい。この場合、カソードの利用効率が向上する。また、カソードの使用量を低減することができる。それにより、本発明に係る燃料電池のコストを低減することができる。

電解質膜およびカソードは貫通孔内に配置され、支持板は少なくとも表面に絶縁性を備えていてもよい。この場合、電解質膜およびカソードの利用効率を向上させることができる。また、アノードとして機能する水素透過性部材とカソードとの短絡を防止することができる。

本発明に係る水素透過性基材の製造方法は、一面側から他面側にかけて孔径が小さくなる貫通孔を有する支持板を準備する第１工程と、支持板の他面側に板状部材を配置する第２工程と、貫通孔内における板状部材の一面側に水素透過性部材を蒸着する第３工程と、支持板から板状部材を分離または除去する第４工程と、を含むことを特徴とするものである。

本発明に係る水素透過性基材の製造方法においては、貫通孔の孔径が一面側に向かって大きくなっていることから、貫通孔内への水素透過性部材の成膜が容易になる。成膜面積が大きくなるからである。また、貫通孔の孔径が一面側から他面側に向かって小さくなっていることから、水素透過性部材の他面側への移動を抑制することができる。したがって、板状部材を剥離する際に、支持板からの水素透過性部材の剥離を抑制することができる。

貫通孔は、円錐台形状を有していてもよい。また、板状部材は樹脂からなり、水素透過性部材は水素透過性金属であってもよい。この場合、樹脂と金属との界面において接合が形成されにくい。それにより、樹脂と金属との剥離が容易である。その結果、支持板から板状部材の剥離が容易になる。

本発明によれば、水素透過性部材の薄膜化が可能であり、水素透過性部材の利用効率を向上させることができる。

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実施例に係る水素透過性基材１００を説明するための模式図である。図１（ａ）は水素透過性基材１００の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、水素透過性基材１００は、支持板１０および水素透過性部材２０を含む。

支持板１０は、ステンレス等の導電性材料から構成される。支持板１０の厚さは、例えば、５０μｍ〜１００μｍ程度である。また、支持板１０には、一面側から他面側に貫通する複数の貫通孔１１が所定の間隔を空けて形成されている。貫通孔１１の形状は特に限定されるものではない。本実施例においては、貫通孔１１は、円柱形状を有する。貫通孔１１の孔径は、例えば、５０μｍ〜１００μｍ程度である。また、各貫通孔１１同士の間隔は、例えば、５０μｍ程度である。水素透過性部材２０は、パラジウム、バナジウム、チタン、タンタル等の水素透過性金属からなり、貫通孔１１内に配置されている。水素透過性部材２０の膜厚は、例えば、５μｍ程度である。

水素透過性基材１００の一面側に水素含有ガスが供給されると、水素含有ガスに含まれる水素は水素透過性部材２０を透過して、水素透過性基材１００の他面側に移動する。この水素透過性基材１００は、燃料電池、水素分離装置等に用いることができる。

本実施例においては水素透過性部材２０が支持板１０によって支持されていることから、水素透過性部材２０の膜厚を小さくすることができる。また、貫通孔１１以外の実質的に水素透過に寄与しない部位には水素透過性部材２０が配置されていないことから、水素透過性部材２０の利用効率を向上させることができる。また、水素透過性部材２０の使用量を少なくすることができる。したがって、水素透過性基材１００のコストを低減することができる。さらに、水素透過性基材１００の厚さを小さくすることができる。

続いて、水素透過性基材１００の製造方法について説明する。図２は、水素透過性基材１００の製造方法を説明するためのフロー図である。まず、図２（ａ）に示すように、一面側から他面側にかけて複数の貫通孔１１が形成された支持板１０を準備する。次に、図２（ｂ）に示すように、支持板１０の他面側に耐熱性樹脂からなるフィルム３０を貼り付ける。

次いで、図２（ｃ）に示すように、支持板１０の一面において貫通孔１１以外の部位にマスク３１を配置する。次に、図２（ｄ）に示すように、蒸着法、めっき法等によって、支持板１０の一面側から貫通孔１１内に水素透過性部材２０を形成する。この場合、水素透過性部材２０の膜厚を所望の膜厚に制御することができる。次いで、図２（ｅ）に示すように、マスク３１を取外し、フィルム３０を支持板１０および水素透過性部材２０から分離する。金属と樹脂との界面においては接合が形成されにくいので、金属と樹脂とは剥離しやすい。それにより、水素透過性部材２０からのフィルム３０の剥離は容易である。以上の工程により、水素透過性基材１００が完成する。なお、図２（ｅ）の工程において、フィルム３０は、剥離してもよくまたは溶剤等によって除去してもよい。

フィルム３０の耐熱温度は、水素透過性部材２０を形成する際の温度以上であることが好ましい。なお、メッキ法における成膜温度は室温であり、スパッタ法等における成膜温度は３００℃程度である。したがって、フィルム３０の耐熱温度は、３００℃程度であることが好ましい。また、フィルム３０の表面は平滑であることが好ましい。表面が粗であると、フィルム３０を水素透過性部材２０から剥離しにくいからである。したがって、フィルム３０表面の平均粗さＲａは、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度であることが好ましい。さらに、水素透過性部材２０の成膜が終了するまでフィルム３０の変形を抑制できることが好ましい。したがって、フィルム３０は、５０μｍ〜１００μｍ程度の膜厚を有していることが好ましい。フィルム３０を構成する具体的な材料は、ポリイミド、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等である。

続いて、水素透過性基材１００の他の製造方法について説明する。図３は、水素透過性基材１００の他の製造方法を説明するためのフロー図である。まず、図３（ａ）に示すように、複数の貫通孔１１が形成された支持板１０を準備する。次に、図３（ｂ）に示すように、各貫通孔１１に球状の水素透過性部材２０を配置する。次いで、図３（ｃ）に示すように、水素透過性部材２０に対してプレス処理を施すことによって、水素透過性基材１００が完成する。

なお、本実施例においては、フィルム３０が板状部材に相当する。

続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池２００について説明する。図４は、燃料電池２００の模式的断面図である。図４に示すように、燃料電池２００は、セパレータ１上に、集電材２、多孔体層３、図１の水素透過性基材１００、電解質膜５、カソード６、多孔体層７、集電材８およびセパレータ９が順に積層された構造を有する。

セパレータ１，９は、ステンレス等の導電性材料からなる。集電材２，８は、Ａｇ（銀）等の導電性材料からなる。多孔体層３，７は、焼結金属から構成される。多孔体層３，７としては、例えば、金粉、銀粉等の焼結体を用いることができる。集電材２，８は、多孔体層３，７に比較して気孔率が高く、弾力性が高い。

集電材２，８は、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流動するための流路として機能する。多孔体層３は燃料ガスが水素透過性部材２０に対して拡散するための拡散層として機能し、多孔体層７は酸化剤ガスがカソード６に対して拡散するための拡散層として機能する。したがって、多孔体層３の機能は、支持板１０の機能とは異なる。支持板１０は水素透過性部材２０の支持手段として機能するからである。電解質膜５は、プロトン伝導性を有する固体酸化物等の電解質からなる。カソード６は、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ている。

続いて、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集電材２に供給される。この燃料ガスは、多孔体層３を拡散して水素透過性基材１００に供給される。水素透過性基材１００に供給された燃料ガス中の水素は、水素透過性部材２０を透過して電解質膜５に到達する。水素は、水素透過性部材２０と電解質膜５との界面において電子とプロトンに分離する。その後、プロトンは、電解質膜５を伝導し、カソード６に到達する。

一方、集電材８には酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスは、多孔体層７を拡散してカソード６に供給される。カソード６においては、酸化剤ガス中の酸素とカソード６に到達したプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、多孔体層３，７、集電材２，８およびセパレータ１，９を介して回収される。

本実施例に係る燃料電池２００は、水素分離膜として水素透過性基材１００を用いていることから、水素透過性部材２０の使用量を抑制することができる。したがって、燃料電池２００のコストを低減することができる。また、水素透過性基材１００の厚さを小さくすることができることから、燃料電池２００を小型化することができる。なお、多孔体層３を水素透過性部材２０の支持板として用いようとすると、多孔体層３の気孔率を支持板１０の気孔率程度まで小さくする必要がある。この場合、多孔体層３のガス拡散性が低下して燃料電池２００の発電効率が低下してしまう。したがって、多孔体層３を水素透過性基材１００の支持板１０の代替手段として用いることは困難である。

続いて、本発明の第３実施例に係る燃料電池２００ａについて説明する。図５は、燃料電池２００ａの模式的断面図である。図５に示すように、燃料電池２００ａが図４の燃料電池２００と異なる点は、支持板１０の代わりに支持板１０ａが設けられている点、ならびに、電解質膜５およびカソード６の配置箇所が異なる点である。支持板１０ａは、セラミックス等の絶縁性材料から構成される。また、電解質膜５およびカソード６は、貫通孔１１内において水素透過性部材２０上に順に積層されている。本実施例においては、電解質膜５の膜厚は１μｍ程度であり、カソード６の膜厚は１μｍ程度である。

本実施例においては、実質的に水素透過に寄与しない部位に水素透過性部材２０、電解質膜５およびカソード６が配置されていないことから、水素透過性部材２０、電解質膜５およびカソード６の使用量を少なくすることができきる。したがって、燃料電池２００ａのコストを低減することができる。また、水素透過性部材２０、電解質膜５およびカソード６の利用効率を向上させることができる。さらに、支持板１０ａが絶縁性を有していることから、水素透過性部材２０とカソード６との短絡を防止することができる。

なお、支持板１０ａは、水素透過性部材２０とカソード６との短絡を防止できればどのような構成を有していてもよい。例えば、支持板１０ａは、表面に酸化処理、窒化処理等の絶縁処理を施された導電性材料であってもよい。この場合、支持板１０ａとして、表面にアルマイト処理が施されたアルミ基材等を用いることができる。また、支持板１０ａとカソード６および多孔体層７との間に空間が介在する場合には、支持板１０ａとカソード６とが絶縁される。したがって、この場合には支持板１０ａに絶縁性は必要がない。

続いて、本発明の第４実施例に係る水素透過性基材１００ｂについて説明する。図６は、水素透過性基材１００ｂを説明するための図である。図６（ａ）は水素透過性基材１００ｂの平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、水素透過性基材１００ｂは、支持板１０ｂおよび水素透過性部材２０ｂを含む。

支持板１０ｂが図１の支持板１０と異なる点は、貫通孔１１の代わりに貫通孔１１ｂが形成されている点である。貫通孔１１ｂは、一面側から他面側にかけて孔径が徐々に小さくなる形状を有する。本実施例においては、貫通孔１１ｂは、円錐台状に形成されている。貫通孔１１ｂの一面側の孔径は、例えば、１００μｍ程度である。貫通孔１１ｂの他面側の孔径は、例えば、５０μｍ程度である。水素透過性部材２０ｂは、図１の水素透過性部材２０と同様の材料から構成される。本実施例においては、水素透過性部材２０ｂは、貫通孔１１ｂの他面側に配置されている。また、水素透過性部材２０ｂの膜厚は、５μｍ程度である。

本実施例においては水素透過性部材２０ｂが支持板１０ｂによって支持されていることから、水素透過性部材２０ｂの膜厚を小さくすることができる。また、貫通孔１１ｂ以外の実質的に水素透過に寄与しない部位には水素透過性部材２０ｂが配置されていないことから、水素透過性部材２０ｂの利用効率を向上させることができる。また、水素透過性部材２０ｂの使用量を少なくすることができる。したがって、水素透過性基材１００ｂのコストを低減することができる。さらに、水素透過性基材１００ｂの厚さを小さくすることができる。

また、貫通孔１１ｂの孔径が貫通方向に変化していることから、孔径が貫通方向に一定である場合に比較して支持板１０ｂと水素透過性部材２０ｂとの接触面積が大きくなる。この場合、支持板１０ｂと水素透過性部材２０ｂとの密着性が向上する。それにより、支持板１０ｂと水素透過性部材２０ｂとの剥離を抑制することができる。

続いて、水素透過性基材１００ｂの製造方法について説明する。図７は、水素透過性基材１００ｂの製造方法を説明するためのフロー図である。まず、図７（ａ）に示すように、貫通孔形成前の支持板１０ｂを準備する。次に、図７（ｂ）に示すように、支持板１０ｂの一面側にマスクを被せて片側エッチング処理を施す。それにより、支持板１０ｂに複数の貫通孔１１ｂを形成することができる。次いで、図７（ｃ）に示すように、支持板１０ｂの他面側に耐熱性樹脂からなるフィルム３０ｂを貼り付ける。フィルム３０ｂとしては、図２のフィルム３０と同様のものを用いることができる。

次に、図７（ｄ）に示すように、支持板１０ｂの一面において貫通孔１１ｂ以外の部位にマスク３１ｂを配置する。次いで、図７（ｅ）に示すように、蒸着法、めっき法等によって、支持板１０ｂの一面側から貫通孔１１ｂ内に水素透過性部材２０ｂを形成する。この場合、水素透過性部材２０ｂの膜厚を所望の膜厚に制御することができる。次いで、図７（ｆ）に示すように、マスク３１ｂを取外し、フィルム３０ｂを支持板１０ｂおよび水素透過性部材２０ｂから分離する。それにより、水素透過性基材１００ｂが完成する。なお、図７（ｆ）の工程において、フィルム３０ｂは、剥離してもよくまたは溶剤等によって除去してもよい。

図７の製造方法によれば、貫通孔１１ｂの孔径が一面側に向かって大きくなっていることから、貫通孔１１ｂ内への水素透過性部材２０ｂの成膜が容易になる。成膜面積が大きくなるからである。また、貫通孔１１ｂの孔径が一面側から他面側に向かって小さくなっていることから、水素透過性部材２０ｂの他面側への移動を抑制することができる。したがって、フィルム３０ｂを剥離する際に、支持板１０ｂからの水素透過性部材２０ｂの剥離を抑制することができる。

なお、本実施例においては、フィルム３０ｂが板状部材に相当する。

続いて、本発明の第５実施例に係る燃料電池２００ｃについて説明する。図８は、燃料電池２００ｃの模式的断面図である。図８に示すように、燃料電池２００ｃが図５の燃料電池２００ａと異なる点は、支持板１０ａの代わりに支持板１０ｃが設けられている点である。支持板１０ｃには、貫通孔１１の代わりに貫通孔１１ｃが形成されている。貫通孔１１ｃは、多孔体層７側から多孔体層３側にかけて孔径が小さくなっている。

この場合、孔径が貫通方向に一定である場合に比較して支持板１０ｃと水素透過性部材２０との接触面積が大きくなる。この場合、支持板１０ｃと水素透過性部材２０との密着性が向上する。それにより、支持板１０ｃと水素透過性部材２０との剥離を抑制することができる。なお、支持板１０ｃは、支持板１０ａと同様の材料から構成される。それにより、水素透過性部材２０とカソード６との短絡を防止することができる。

本発明の第１実施例に係る水素透過性基材を説明するための模式図である。 第１実施例に係る水素透過性基材の製造方法を説明するためのフロー図である。 第１実施例に係る水素透過性基材の他の製造方法を説明するためのフロー図である。 第２実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 第３実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 第４実施例に係る水素透過性基材を説明するための図である。 第４実施例に係る水素透過性基材の製造方法を説明するためのフロー図である。 第５実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。

符号の説明

５ 電解質膜
６ カソード
１０ 支持板
１１ 貫通孔
２０ 水素透過性部材
３０ フィルム
１００ 水素透過性基材
２００ 燃料電池

Claims (10)

1. 水素透過性部材と、
   前記水素透過性部材を支持する支持板とを備え、
   前記支持板は、複数の貫通孔を備え、
   前記水素透過性部材は、前記貫通孔内部に配置されていることを特徴とする水素透過性基材。
2. 前記貫通孔の孔径は、前記支持板の一面側から他面側にかけて変化することを特徴とする請求項１記載の水素透過性基材。
3. 前記貫通孔は、円錐台形状を有することを特徴とする請求項２記載の水素透過性基材。
4. 前記請求項１〜３のいずれかに記載の水素透過性基材と、
   前記水素透過性基材上に設けられ、プロトン伝導性を有する電解質膜と、を備えることを特徴とする燃料電池。
5. 前記電解質膜は、前記水素透過性部材が配置された部位上に設けられていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
6. 前記電解質膜が配置された部位上に設けられたカソードをさらに備えることを特徴とする請求項４または５記載の燃料電池。
7. 前記電解質膜および前記カソードは、前記貫通孔内に配置され、
   前記支持板は、少なくとも表面に絶縁性を備えることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
8. 一面側から他面側にかけて孔径が小さくなる貫通孔を有する支持板を準備する第１工程と、
   前記支持板の前記他面側に板状部材を配置する第２工程と、
   前記貫通孔内における前記板状部材の前記一面側に水素透過性部材を蒸着する第３工程と、
   前記支持板から前記板状部材を分離または除去する第４工程と、を含むことを特徴とする水素透過性基材の製造方法。
9. 前記貫通孔は、円錐台形状を有することを特徴とする請求項８記載の水素透過性基材の製造方法。
10. 前記板状部材は、樹脂からなり、
    前記水素透過性部材は、水素透過性金属であることを特徴とする請求項８または９記載の水素透過性基材の製造方法。

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