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JPH09326258A - 固体電解質膜の製造方法 - Google Patents

固体電解質膜の製造方法

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Publication number
JPH09326258A
JPH09326258A JP9031959A JP3195997A JPH09326258A JP H09326258 A JPH09326258 A JP H09326258A JP 9031959 A JP9031959 A JP 9031959A JP 3195997 A JP3195997 A JP 3195997A JP H09326258 A JPH09326258 A JP H09326258A
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JP
Japan
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solid electrolyte
electrolyte membrane
cvd
evd
gas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP9031959A
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English (en)
Inventor
Keiji Tomura
啓二 戸村
Toru Shiomitsu
徹 塩満
Takashi Ogawa
高志 小川
Yasuhiko Manabe
保彦 真部
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JFE Engineering Corp
Original Assignee
NKK Corp
Nippon Kokan Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温固体電解質型燃料電池などに用いられる
薄くて充分に緻密な固体電解質膜を容易に製造できる方
法を提供する。 【解決手段】 電極基板上にCVDーEVD法により形
成される固体電解質膜の製造方法において、前記電極基
板上に電気泳動電着法により前記形成されるべき固体電
解質膜と同質の電解質膜を形成し、前記電気泳動電着法
により形成した電解質膜を1300℃以下の温度で焼成
後、前記固体電解質膜をCVDーEVD法により形成さ
せることを特徴とする固体電解質膜の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高温固体電解質型
燃料電池などに用いられる固体電解質膜の製造方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】固体電解質型燃料電池の基本的な構造
は、アノード電極、電解質膜、カソード電極からなり、
次のような原理で発電が行われる。
【0003】すなわち、1000℃前後の運転温度下
で、アノード電極側に水素などの燃料ガス、カソード電
極側に空気などの酸化剤ガスを流通させ、カソード電極
/電解質界面で酸化剤ガスである酸素を電気化学的に還
元して陰イオンとし、電解質膜を介して存在する酸素分
圧の差をドライビングフォースとして、この酸素イオン
をアノード電極側に移動させ、アノード電極側の燃料ガ
スと反応させて電気化学的に酸化する。このとき、アノ
ード電極とカソード電極を電気的に接続すると電流が取
り出せる。
【0004】このような固体電解質型燃料電池による発
電においては、電解質膜の抵抗が低ければ低いほど高い
発電効率が期待できるので電解質膜はできるだけ薄い方
が望ましい。しかし、薄くすると割れ易くなるので、通
常は機械的強度を稼ぐためにアノード電極やカソード電
極を基板として、その上に数十μmから数百μmの薄い
電解質膜を形成するプロセスが多く採用されている。
【0005】また、電解質膜がポーラスで使用ガスに対
して充分に緻密でないと、酸素ガスがイオンになること
なく電解質膜を通過してしまうため、燃料電池の発電効
率が著しく損なわれる。そのため、電解質膜が緻密であ
ることも望まれている。
【0006】固体電解質膜を電極基板上に形成する方法
としては、CVD(化学蒸着)ーEVD(電気化学蒸
着)法、スラリーディッピング法、電気泳動電着法およ
びプラズマジェットなどによる溶射法などがある。
【0007】CVDーEVD法は、米国特許第4,60
9,562号に開示されているように、電解質膜を構成
する金属の化合物のガスと水蒸気や酸素などの酸化剤ガ
スを高温で反応させて電解質膜を形成する方法である。
この方法により数10μmの薄くて緻密な膜形成ができ
るが、原料を気相で供給するため歩留りが著しく低く、
また、製膜速度が非常に遅いので生産性も著しく劣る。
【0008】スラリーディッピング法、電気泳動電着法
および溶射法は、電解質膜の材料となるジルコニアなど
の粒子を基板上に堆積させ電解質膜を形成する方法であ
る。製膜速度はCVDーEVD法に比べ著しく速いが、
ポーラスな膜になり易く、緻密性に優れた電解質膜を得
ることが難しい。これらの方法で緻密な電解質膜を形成
する方法として、特開平7−142072号公報や文献
1〔T.Ishihara、K.Shimose、T.
Shiomitsu and Y.Takita;Pr
oc.Vol.95ー1、p.334、The Ele
ctrochemical Society、Inc
(1995)〕に開示されている方法があるが、いずれ
も粒子の堆積と焼成を5〜6回繰り返す必要があるた
め、生産性が著しく悪い。
【0009】そこで、生産性を著しく低下させることな
く緻密な電解質膜を形成するために、特開昭62ー26
8063号公報、特開昭63ー164174号公報、特
開昭63ー285877号公報などには、製膜速度の速
いスラリーディッピング法あるいは溶射法により電解質
膜を目標とする膜厚近くまで形成し、そのポーラスな膜
上にさらに同質の電解質をCVD法、CVDーEVD
法、PVD(物理蒸着)法などにより短時間堆積させて
目標の膜厚にすると同時に封孔して緻密化する2段階製
膜法が提案されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、スラリ
ーディッピング法では、バインダーを混合して電解質粒
子のスラリーの粘性を増加させているが、このバインダ
ーが膜中に残存するためその後のCVDーEVD法によ
って完全には封孔がなされず、充分に緻密な膜を得るこ
とができない。また、製膜時の液だれにより均一な膜厚
を得ることが難しい。
【0011】溶射法では、製膜する粒子を高温で溶融し
高速度で基板材料に吹き付けて衝突変形させながら積層
させて製膜するが、その原理上、外部に閉じた空隙が残
るためその後のCVDーEVD法によって完全には封孔
がなされず、スラリーディッピング法と同様、充分に緻
密な膜が得られない。また、吹き付け時間や吹き付け角
度により膜厚や密度が異なるため、広い面積を有する複
雑な形状の電解質膜の膜厚や密度を制御することが難し
い。
【0012】本発明はこのような課題を解決するために
なされたもので、薄くて充分に緻密な固体電解質膜を容
易に製造できる方法を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記課題は、電極基板上
にCVDーEVD法により形成させる固体電解質膜の製
造方法において、前記電極基板上に電気泳動電着法によ
り前記形成されるべき固体電解質膜と同質の電解質膜を
形成し、前記電気泳動電着法により形成した電解質膜を
1300℃以下の温度で焼成後、前記固体電解質膜をC
VDーEVD法により形成させることを特徴とする固体
電解質膜の製造方法により解決される。
【0014】電気泳動電着法では、スラリーディッピン
グ法のようにバインダーを用いる必要がなく、また、電
着であるため電解質粒子間の空隙は全て外部に開いた状
態となる。さらに、ある決まったゼータ電位を持つ電解
質粒子を電解浴中に生じさせる電位勾配によって泳動さ
せ基板上に堆積させる方法であるため、電解質粒子は電
位勾配の大きい部分(電解質の膜厚が薄い部分や充填密
度の低い部分)に優先的に泳動、電着するため、均一な
厚さと充填密度の膜が得られる。
【0015】したがって、電極基板上に電気泳動電着法
により形成されるべき固体電解質膜と同質の電解質膜を
形成後、固体電解質膜をCVDーEVD法により形成さ
せれば、電解質粒子間の空隙にもガスは浸透できるの
で、薄くて充分に緻密な固体電解質膜を形成できる。
【0016】このとき、固体電解質膜の電極基板への密
着性を確保するため、電気泳動電着法により固体電解質
膜を形成後焼成する必要がある。焼成は1300℃を超
えると基板と膜を構成する元素の相互拡散が著しくなっ
たり、電気泳動電着法により形成された膜とCVDーE
VD法により形成された膜の界面で剥離が生じたりし
て、燃料電池の発電効率を著しく低下させるので130
0℃以下の温度で行う必要がある。
【0017】CVDーEVD法を、固体電解質膜を構成
する金属の化合物のガスの圧力P1と酸化剤ガスの圧力
P2の圧力差(P1−P2)が−3〜10Torrの範
囲にある条件で行うと、封孔による緻密化のために要す
るCVDーEVDの処理時間を短縮できるので好まし
い。
【0018】固体電解質膜が安定化ジルコニアの場合、
塩化ジルコニウムのガスを用いたCVDーEVD法によ
り、容易に緻密な安定化ジルコニア膜の形成が可能とな
る。
【0019】
【発明の実施の形態】
【0020】
【実施例】
(実施例1)電極基板材料として、固体電解質型燃料電
池の空気極の性質も合わせ持つ多孔質のランタンカルシ
ウムマンガナイトを用い、その基板上に、安定化ジルコ
ニア粒子(8mol%Y2 3 /ZrO2 )、ヨウ素を
溶媒アセチルアセトン1lに対しそれぞれ20g、0.
5g含む浴中で電気泳動電着法により安定化ジルコニア
の膜を形成した後空気中で1000〜1500℃の範囲
で温度を変えて6時間焼成した。この段階における膜厚
は20〜30μmで、膜中の空隙率は約30%であっ
た。
【0021】次に、上記のようにして得られた電解質膜
に、電解質側に塩化ジルコニウムと塩化イットリウムを
揮発させたガスを圧力P1で、基板側に酸化剤ガスであ
る水蒸気を含む酸素ガスを圧力P2で流通させ、圧力差
(P1−P2)を1.5Torrに保持し、1200℃
で封孔に必要な時間プラス45分間のCVDーEVD法
により安定化ジルコニアを膜厚が30〜40μmとなる
ように堆積させた試料1〜6を作製した。
【0022】そして、CVDーEVD法による封孔時間
の測定や、こうして作製した空気極/電解質膜の2層構
造の試料の電解質膜側表面に、白金ペースト製の燃料極
を設け発電セルを形成し、発電効率を調査した。
【0023】封孔時間とは、CVDーEVD処理中に基
板側に流通させた酸素ガスが電解質側すなわちCVDー
EVDの雰囲気中に流出してくる量をモニターし、CV
DーEVD処理を開始してから雰囲気中に流出してくる
酸素ガス量が急激に低下するまでの時間である。
【0024】発電効率は、燃料ガスに水素、水蒸気の混
合ガスを、酸化剤ガスに酸素を用いて、1000℃にて
発電試験を行い、発電起電圧が600mVにおける発生
電力密度で評価した。
【0025】結果を表1に示す。電極基板ランタンカル
シウムマンガナイト上に、電気泳動電着法により安定化
ジルコニアの電解質膜を形成し、空気中で1300℃以
下の温度で焼成後、ジルコニウムを含む化合物のガスを
用いたCVDーEVD法により安定化ジルコニアを堆積
させた本発明による試料1〜4は、いずれも封孔時間が
短く、発生電力密度が0.3W/cm2 以上で発電効率
に優れていることがわかる。
【0026】一方、焼成温度が1300℃を超える試料
5、6では、封孔時間は短いが、。基板と膜の相互拡散
などの問題により発生電力密度が0.06W/cm2
下と著しく発電効率に劣る。
【0027】
【表1】
【0028】(実施例2)実施例1と同様な方法で電気
泳動電着法により形成した膜を温度1250℃で焼成
後、実施例1と同様なCVDーEVD法により圧力差
(P1−P2)を−8〜20Torrの範囲で変えて安
定化ジルコニアを堆積させた試料7〜13を作製した。
【0029】そして、実施例1と同様な方法で封孔時間
を測定した。結果を表2に示す。
【0030】圧力差(P1−P2)が−3〜10Tor
rの範囲にある試料8〜12では、2時間未満の短い封
孔時間の得られることがわかる。
【0031】
【表2】
【0032】
【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるので、薄くて充分に緻密な固体電解質膜を容易に製
造できる方法を提供できる。
【0033】また、CVDーEVD法では高温で塩化ジ
ルコニウムや塩化イットリウムなどの塩化物のガスを用
いるため製膜中に電極基板の変質が起こる場合がある
が、本発明法のように電極基板上に予め電気泳動電着法
により電解質膜を形成しておけば、塩化物のガスが直接
電極基板に接することがなくなるのでこの電極基板の変
質を防止できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 真部 保彦 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日 本鋼管株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電極基板上にCVDーEVD法により形
    成させる固体電解質膜の製造方法において、前記電極基
    板上に電気泳動電着法により前記形成されるべき固体電
    解質膜と同質の電解質膜を形成し、前記電気泳動電着法
    により形成した電解質膜を1300℃以下の温度で焼成
    後、前記固体電解質膜をCVDーEVD法により形成さ
    せることを特徴とする固体電解質膜の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記CVDーEVD法を、固体電解質膜
    を構成する金属の化合物のガスの圧力P1と酸化剤ガス
    の圧力P2の圧力差(P1−P2)が−3〜10Tor
    rの範囲にある条件で行うことを特徴とする請求項1に
    記載の固体電解質膜の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記固体電解質膜が安定化ジルコニアで
    あり、前記金属の化合物のガスが塩化ジルコニウムのガ
    スであることを特徴とする請求項1または請求項2に記
    載の固体電解質膜の製造方法。
JP9031959A 1996-04-02 1997-02-17 固体電解質膜の製造方法 Withdrawn JPH09326258A (ja)

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US09/162,536 US6093297A (en) 1996-04-02 1998-09-29 Method for depositing solid electrolyte layer

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JP8-79999 1996-04-02
JP7999996 1996-04-02
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