JP2005174583A - Fuel electrode for solid oxide fuel cell, and its manufacturing method - Google Patents

Fuel electrode for solid oxide fuel cell, and its manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP2005174583A
JP2005174583A JP2003408757A JP2003408757A JP2005174583A JP 2005174583 A JP2005174583 A JP 2005174583A JP 2003408757 A JP2003408757 A JP 2003408757A JP 2003408757 A JP2003408757 A JP 2003408757A JP 2005174583 A JP2005174583 A JP 2005174583A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel electrode
electrode
fuel cell
solid oxide
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2003408757A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazufumi Takeuchi
和史 竹内
Itaru Shibata
格 柴田
Hiromi Sugimoto
博美 杉本
Tatsuya Yaguchi
竜也 矢口
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.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2003408757A priority Critical patent/JP2005174583A/en
Publication of JP2005174583A publication Critical patent/JP2005174583A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel electrode for an SOFC which does not lose adhesiveness to an electrolyte even at a low temperature equal to or below 1,000°C, which can be calcined, which is superior in conductivity, which improves output performance and durability of the SOFC, and which realizes cost reduction, provide its manufacturing method, and furthermore provide the SOFC on which such a fuel electrode is mounted. <P>SOLUTION: A metal such as Ag and Al having a melting point higher than an operating temperature of the SOFC by 100°C or more, and which has a melting point equal to or below 1,000°C is added to an electrode catalyst such as Ni, Cu, Pt, and a fuel electrode material containing a solid oxide electrolyte provided with oxygen ion conductivity such as stabilized zirconia and seria series solid solution, and calcined at a temperature equal to or below 1,000°C. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体酸化物から成る材料を電解質として使用する固体酸化物形燃料電池に係わり、当該燃料電池において燃料極として用いられる固体酸化物形燃料電池用燃料極及びその製造方法、このような燃料極の製造に用いる燃料極ペースト、さらにはこのような燃料極を用いた固体酸化物形燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell using a solid oxide material as an electrolyte, a fuel electrode for a solid oxide fuel cell used as a fuel electrode in the fuel cell, a method for producing the same, and The present invention relates to a fuel electrode paste used for manufacturing a fuel electrode, and further to a solid oxide fuel cell using such a fuel electrode.

一般に、燃料電池は発電効率が高く、しかも有害な排ガスをほとんど発生せず、地球環境に優しいクリーンなエネルギー源として注目されており、自動車などの移動体用電源としての実用化も開始されている。   In general, fuel cells are attracting attention as a clean energy source that has high power generation efficiency, generates almost no harmful exhaust gas, and is friendly to the global environment, and has also been put into practical use as a power source for mobile objects such as automobiles. .

燃料電池は、使用する電解質の種類によって、リン酸形燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、固体高分子形燃料電池(PEFC)、及び固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」と略称する)に区分されているが、これらの中でSOFCは、電解質材料としてリン酸水溶液や溶融炭酸塩のような液体状材料の代わりにイオン導電性を有する固体酸化物電解質材料を用いたものであり、PAFC形やMCFC形の燃料電池に比べて発電効率が高く、高温度の排熱が得られることから、オンサイト用コージェネレーションシステムへの適用が期待されている。   Depending on the type of electrolyte used, the fuel cell may be a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), or a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “fuel cell”). Among these, SOFC is a solid oxide electrolyte material having ionic conductivity instead of a liquid material such as phosphoric acid aqueous solution or molten carbonate as an electrolyte material. And has higher power generation efficiency than PAFC and MCFC type fuel cells, and high temperature exhaust heat can be obtained. Therefore, application to an on-site cogeneration system is expected.

このようなSOFCに用いる電極材料として、例えば燃料極の場合には、Niサーメットなどが用いられ、YSZ(イットリア添加安定化ジルコニア)などから成る電解質の表面に、上記電極材料を含むスラリーを塗布して乾燥させたのち、1000℃を超えるような高温で焼結することによって上記電解質上に燃料極層を形成するようにしている。   For example, in the case of a fuel electrode, Ni cermet is used as an electrode material for such SOFC, and a slurry containing the electrode material is applied to the surface of an electrolyte made of YSZ (yttria-added stabilized zirconia). After drying, the fuel electrode layer is formed on the electrolyte by sintering at a high temperature exceeding 1000 ° C.

このとき、1000℃に満たないような低温焼結では、焼結が不十分となって燃料極の電解質との密着性が得られず、長期使用の間に剥離等が生じ、セルの出力が低下することになる一方、焼結温度が高温のため、セルの構成要素として使用できる部材の材料が耐熱性の観点から限定されると共に、電解質と燃料極の反応が生じ、界面形成された反応生成物がセルの出力低下を引き起こすことがあり、さらには高温用焼成炉が必要になるなど製造コストの上昇要因となることから、より低い温度で十分な焼結が可能であることが望ましい。
このような観点から、例えば特許文献1には、白金電極膜の低温焼結を目的として、電極に酸化ビスマス(Bi)と酸化第二銅又は銅を添加して、これらを1000℃以下で焼成して電極を形成することが記載されている。ここで、酸化ビスマスは焼結助剤、酸化第二銅又は銅は、当該酸化ビスマスの偏析防止剤として使用されている。
At this time, low-temperature sintering at less than 1000 ° C. results in insufficient sintering, resulting in insufficient adhesion to the fuel electrode electrolyte, peeling during long-term use, and cell output. On the other hand, since the sintering temperature is high, the material of the member that can be used as a component of the cell is limited from the viewpoint of heat resistance, and the reaction between the electrolyte and the fuel electrode occurs, and the reaction formed at the interface Since the product may cause a reduction in the output of the cell and further increase the production cost such as the need for a high-temperature firing furnace, it is desirable that sufficient sintering is possible at a lower temperature.
From such a viewpoint, for example, in Patent Document 1, for the purpose of low-temperature sintering of a platinum electrode film, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) and cupric oxide or copper are added to an electrode, and these are added at 1000 ° C. In the following, it is described that the electrode is formed by firing. Here, bismuth oxide is used as a sintering aid, and cupric oxide or copper is used as an anti-segregation agent for the bismuth oxide.

また、特許文献2には、相対的に融点が高い金属からなる核粒子を還元剤溶液に分散させ、この分散液に相対的に融点が低い金属の金属塩溶液を添加し、核粒子が融点の低い金属に被覆された導電性粒子を得ることが記載されている。
特開平8−136497号公報 特開2002−334614号公報
In Patent Document 2, core particles made of a metal having a relatively high melting point are dispersed in a reducing agent solution, a metal salt solution of a metal having a relatively low melting point is added to the dispersion, and the core particles have a melting point. It is described that conductive particles coated with a low metal are obtained.
JP-A-8-136497 JP 2002-334614 A

しかしながら、上記引用文献1に記載の技術をSOFCの燃料極に適用した場合には、酸化ビスマスは耐還元性が低く、燃料極中においてBiへと還元される可能性がある。しかもBiは、その融点が274℃程度であって、SOFCの運転温度(一般に600℃以上)に比べて遥かに低いために、還元生成したBiが融解し、凝集する危険性が高い。
したがって、このような現象が起ると、酸化ビスマスが抜けた個所は焼結性が低下して燃料極が破損する危険性が高くなる。また、凝集したBiが燃料極のガス拡散を阻害するばかりでなく、電極触媒を被覆してしまうことによって電極触媒が機能せず、セルの出力が低下するという問題がある。
However, when the technique described in the above cited reference 1 is applied to the SOFC fuel electrode, bismuth oxide has low reduction resistance and may be reduced to Bi in the fuel electrode. In addition, since Bi has a melting point of about 274 ° C. and is much lower than the operating temperature of SOFC (generally 600 ° C. or higher), there is a high risk that Bi produced by reduction will melt and aggregate.
Therefore, when such a phenomenon occurs, the part from which bismuth oxide is removed becomes less sinterable and increases the risk of the fuel electrode being damaged. Further, there is a problem that the aggregated Bi not only inhibits the gas diffusion of the fuel electrode but also covers the electrode catalyst, so that the electrode catalyst does not function and the output of the cell is lowered.

また、偏析防止剤として酸化第二銅又は銅を添加した場合、酸化第二銅(銅は焼成工程時に酸化され、最終的に酸化第二銅になる)自体は、電子伝導性、酸素イオン伝導性に乏しく、電極の性能の低下、すなわちセルの出力が低下するという問題がある。   In addition, when cupric oxide or copper is added as a segregation preventing agent, cupric oxide (copper is oxidized during the firing step and finally becomes cupric oxide) itself has electronic conductivity, oxygen ion conductivity. There is a problem that the performance of the electrode is lowered, that is, the output of the cell is lowered.

一方、引用文献2に記載の導電性粒子で燃料極を形成した場合、「相対的に融点が低い金属」の融点によっては、1000℃以下の温度で燃料極の焼結を行うことが可能と考えられるものの、高融点金属から成る核粒子(電極触媒)が低融点の金属で被覆されてしまっているため、電極触媒と電解質との接触が困難となり、電極触媒−電解質−燃料ガスのいわゆる3相界面の形成が困難となる。したがって、電極触媒が燃料電池反応に与ることが困難となり、セルの出力が低下するという問題がある。   On the other hand, when the fuel electrode is formed of the conductive particles described in the cited document 2, the fuel electrode can be sintered at a temperature of 1000 ° C. or lower depending on the melting point of the “metal having a relatively low melting point”. Although it is conceivable, since the core particles (electrode catalyst) made of a high melting point metal are coated with a low melting point metal, the contact between the electrode catalyst and the electrolyte becomes difficult, so-called 3 of electrode catalyst-electrolyte-fuel gas. Formation of a phase interface becomes difficult. Therefore, it becomes difficult for the electrode catalyst to participate in the fuel cell reaction, and there is a problem that the output of the cell is lowered.

本発明は、従来のSOFC用燃料極における上記課題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、1000℃以下の低温でも電解質との密着性を損なうことなく、確実に焼結することができ、導電性に優れ、低コストでしかも出力性能、耐久性を向上させることができるSOFC用燃料極と共に、このような燃料極の製造方法、さらにはこのような燃料極を搭載したSOFCを提供することにある。   The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems in the conventional fuel electrode for SOFC, and the object of the present invention is to ensure firing without impairing the adhesion with the electrolyte even at a low temperature of 1000 ° C. or lower. A fuel electrode for SOFC that can be connected, has excellent conductivity, is low in cost, and can improve output performance and durability, as well as a method for manufacturing such a fuel electrode, and also such a fuel electrode. It is to provide the SOFC.

本発明のSOFC用燃料極は、例えばNiやCu,Ptなどの電極触媒と、安定化ジルコニアやセリア系固溶体などのような酸素イオン伝導性を備えた固体酸化物から成る電解質と、当該SOFCの運転温度よりも100℃以上高く、1000℃以下の融点を有する、例えばAgやAlなどの金属を含んでいることを特徴としている。   The fuel electrode for SOFC of the present invention includes, for example, an electrode catalyst such as Ni, Cu, and Pt, an electrolyte composed of a solid oxide having oxygen ion conductivity such as stabilized zirconia and ceria-based solid solution, and the SOFC. It is characterized by containing a metal such as Ag or Al having a melting point of 100 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower than the operating temperature.

また、本発明のSOFC用燃料極の製造方法は、本発明の上記燃料極に好適なものであって、上記のような電極触媒及び電解質と、上記のような低融点金属とを粒子状とし、有機溶剤、バインダーと混錬してスラリー状にする工程と、該スラリーを電解質上に塗布する工程、あるいは該スラリーを多孔質基材に塗布し、必要に応じて乾燥した後、その上にさらに電解質材料を含むスラリーを塗布する工程と、これらを不活性雰囲気又は還元性雰囲気中、1000℃以下の温度で焼結する工程を含むことを特徴としている。   The method for producing a fuel electrode for SOFC of the present invention is suitable for the fuel electrode of the present invention, wherein the electrode catalyst and electrolyte as described above and the low melting point metal as described above are formed into particles. , A step of kneading with an organic solvent and a binder to form a slurry, a step of applying the slurry on the electrolyte, or applying the slurry to a porous substrate and drying it as necessary. Further, it is characterized in that it includes a step of applying a slurry containing an electrolyte material and a step of sintering them in an inert atmosphere or a reducing atmosphere at a temperature of 1000 ° C. or lower.

さらに、本発明のSOFC用燃料極ペーストは、本発明の上記燃料極の製造に好適に用いられるものであって、上記電極触媒及び電解質に加えて、上記低融点金属を含有することを特徴としている。
そして、本発明のSOFCは、本発明の上記燃料電池用燃料極を備えたことを特徴とするものである。
Furthermore, the fuel electrode paste for SOFC of the present invention is suitably used for the production of the fuel electrode of the present invention, and contains the low melting point metal in addition to the electrode catalyst and the electrolyte. Yes.
The SOFC of the present invention includes the fuel electrode for a fuel cell of the present invention.

本発明によれば、電極触媒と固体酸化物電解質から成る燃料極材料に、搭載されるSOFCの運転温度よりも100℃以上高く、かつ1000℃以下の融点を有する低融点金属を加えたことから、燃料極の焼結性が向上し、1000℃以下での低温焼結が可能になり、燃料極の変質や、燃料極と電解質との反応生成物の生成、さらには燃料極と電解質の熱膨張率の差による燃料極の剥離を抑制することができるようになり、セルの内部抵抗が減少し、出力及び耐久性を向上させることができる。また、当該金属が電子伝導性を持つため、燃料極の電子伝導性が向上し、セル出力の向上が可能になる。
さらに、セルの構成要素に1000℃以上の耐熱材料から成る部材を使用する必要がなくなり、材料の選択性が増加し、材料コストの低減が可能になると共に、高温焼結炉が必要なくなるので、製造コストの削減が可能になる。
According to the present invention, a low melting point metal having a melting point of 100 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower than the operating temperature of the mounted SOFC is added to the fuel electrode material comprising the electrode catalyst and the solid oxide electrolyte. Sinterability of the fuel electrode is improved, and low-temperature sintering at 1000 ° C. or lower is possible, the fuel electrode is altered, the reaction product between the fuel electrode and the electrolyte is generated, and the heat of the fuel electrode and the electrolyte is further increased. Separation of the fuel electrode due to the difference in expansion rate can be suppressed, the internal resistance of the cell is reduced, and the output and durability can be improved. Further, since the metal has electron conductivity, the electron conductivity of the fuel electrode is improved, and the cell output can be improved.
Furthermore, it is not necessary to use a member made of a heat-resistant material of 1000 ° C. or more as a cell component, the material selectivity is increased, the material cost can be reduced, and a high-temperature sintering furnace is not required. Manufacturing costs can be reduced.

以下、本発明のSOFC用燃料極やその製造方法などについて、さらに詳細に説明する。なお、本明細書において、「%」は、特記しない限り質量百分率を意味する。   Hereinafter, the fuel electrode for SOFC of the present invention and the manufacturing method thereof will be described in more detail. In the present specification, “%” means mass percentage unless otherwise specified.

上記したように、本発明のSOFC用燃料極は、Ni−サーメットなどの燃料極材料に、当該SOFCの運転温度よりも100℃以上高く且つ1000℃以下の融点を有する金属を添加したものであって、ここで言う金属とは、電極触媒や電解質とは異なる材料を指し、上記のような低融点を有し、後述するように金属単体および複数の金属からなる合金も含むものである。   As described above, the fuel electrode for SOFC of the present invention is obtained by adding a metal having a melting point of 100 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower to the SOFC operating temperature to a fuel electrode material such as Ni-cermet. The metal mentioned here refers to a material different from the electrode catalyst and the electrolyte, has a low melting point as described above, and includes a single metal and an alloy composed of a plurality of metals as described later.

そして、当該燃料極は、電極触媒と電解質を主成分とし、低融点金属は燃料極の焼結性を向上させるために添加され、添加された金属は燃料極の焼成工程時に、融点付近に加熱されることにより、電極触媒と電解質に融着し、燃料極の焼結性を向上する。そして、添加された金属は、その融点がSOFCの運転温度よりも100℃以上高いことから、運転時においては固体の金属として存在することになる。
したがって、焼結性を向上するために電子伝導性、酸素イオン伝導性に乏しい酸化物や、運転温度以下の融点を持つ金属が添加された場合に比べ、金属としての優れた電子伝導性を有すると共に、燃料電池運転時に金属の凝集、変質が起こりにくいため、電子伝導性、耐久性に優れた燃料極が得られることになる。ここで、添加する金属の融点をSOFC運転温度に比べて、少なくとも100℃高いものとしたのは、運転温度より100℃以上高温であれば、金属の凝集、変質が起こり難く、セルの十分な耐久性が得られ、しかも燃料極の焼結性を向上することができることによる。
The fuel electrode is mainly composed of an electrode catalyst and an electrolyte. The low melting point metal is added to improve the sinterability of the fuel electrode, and the added metal is heated near the melting point during the fuel electrode firing step. As a result, it is fused to the electrode catalyst and the electrolyte to improve the sinterability of the fuel electrode. And since the melting | fusing point of the added metal is 100 degreeC or more higher than the operating temperature of SOFC, it exists as a solid metal at the time of an operation | movement.
Therefore, it has excellent electronic conductivity as a metal compared with the case where an oxide having poor electron conductivity and oxygen ion conductivity or a metal having a melting point lower than the operating temperature is added to improve sinterability. At the same time, metal agglomeration and alteration are unlikely to occur during operation of the fuel cell, so that a fuel electrode excellent in electronic conductivity and durability can be obtained. Here, the melting point of the metal to be added is at least 100 ° C. higher than the SOFC operating temperature. If the temperature is higher than the operating temperature by 100 ° C. This is because durability is obtained and the sinterability of the fuel electrode can be improved.

また、上記金属の融点が1000℃以下であることから、融点付近、すなわち1000℃以下でも燃料極の焼結が可能となる。
1000℃を超えるような高温において電極触媒粒子と電解質の焼結を行った場合には、電極粒子と電解質粒子が反応してセルの抵抗成分になる反応物を生じる場合があるのに対し、本発明においては、1000℃以下の低温での焼結が可能であることから、この危険性を低下させることができ、セルの内部抵抗が減少して出力が向上することになる。
また、電解質と燃料極の熱膨張係数が異なる場合、焼成温度が高くなる程、収縮の程度に差が現れ、燃料極と電解質が剥離する危険性が増すことになるが、焼成温度を1000℃以下と低くすることによりその危険性が低下するばかりでなく、耐熱性の観点からセルの構成部材に適用することができなかったステンレス鋼などのような比較的安価な金属材料を使用することができるようになり、構成材料の選択性が広がり、SOFCのコストの削減が可能になる。
Further, since the melting point of the metal is 1000 ° C. or lower, the fuel electrode can be sintered even near the melting point, that is, 1000 ° C. or lower.
When the electrode catalyst particles and the electrolyte are sintered at a high temperature exceeding 1000 ° C., the electrode particles and the electrolyte particles may react to form a reaction product that becomes a resistance component of the cell. In the invention, since the sintering at a low temperature of 1000 ° C. or less is possible, this risk can be reduced, and the internal resistance of the cell is reduced and the output is improved.
In addition, when the thermal expansion coefficients of the electrolyte and the fuel electrode are different, the higher the firing temperature, the more the degree of shrinkage appears, and the risk of separation of the fuel electrode and the electrolyte increases. Lowering the following not only reduces the risk, but it is also possible to use a relatively inexpensive metal material such as stainless steel that could not be applied to the cell components from the viewpoint of heat resistance. As a result, the selectivity of the constituent materials is expanded, and the cost of SOFC can be reduced.

一方、上記金属の融点の下限値について言及すると、最近では、SOFCの運転温度の低温化が進み、600℃程度での運転が可能になってきており、これからすれば、例えば700〜1000℃の範囲の融点を有する金属が使用できることになるが、さらなる運転温度の低温化が進めば、さらに低融点の金属の使用が可能になることは言うまでもない。   On the other hand, referring to the lower limit of the melting point of the metal, recently, the operating temperature of SOFC has been lowered, and operation at about 600 ° C. has become possible. Although a metal having a melting point in the range can be used, it goes without saying that a metal having a lower melting point can be used if the operating temperature is further lowered.

燃料極の焼成時間については、電極触媒及び電解質粒子の粒径などの条件に応じて好適な焼成時間が設定されるが、例えば、後述する実施例において示したような燃料極ペーストを用いた場合には、1〜2時間程度で焼成することができる。   As for the firing time of the fuel electrode, a suitable firing time is set according to conditions such as the electrode catalyst and the particle size of the electrolyte particles. For example, when the fuel electrode paste as shown in the examples described later is used Can be baked in about 1 to 2 hours.

本発明において、上記低融点金属としては、例えば銀(Ag)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、テルル(Te)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、金(Au)若しくは白金(Pt)、又はこれらを任意に組み合わせて使用することができる。
但し、これら金属のうち、Ag、Al、Mg、Zn及びTeについては、その融点が1000℃以下であって単体金属として使用することができるのに対し、Cu、Ni、Co、Fe、Mn、Au及びPtについては、いずれも単独では1000℃以上の融点のものであるから、これらの2種以上を合金化して使用することが必要となる。もちろん、第1のグループ間での合金や、両グループ間に跨る金属間の合金であっても、1000℃以下、SOFC運転温度+100℃以上の融点の合金でありさえすれば使用可能なことは言うまでもない。
In the present invention, examples of the low melting point metal include silver (Ag), aluminum (Al), magnesium (Mg), zinc (Zn), tellurium (Te), copper (Cu), nickel (Ni), and cobalt (Co ), Iron (Fe), gold (Au), platinum (Pt), or any combination thereof.
However, among these metals, Ag, Al, Mg, Zn and Te have melting points of 1000 ° C. or lower and can be used as single metals, whereas Cu, Ni, Co, Fe, Mn, About Au and Pt, since each of them has a melting point of 1000 ° C. or more, it is necessary to use an alloy of two or more of these. Of course, even an alloy between the first group and an alloy between metals straddling both groups can be used as long as it is an alloy having a melting point of 1000 ° C. or lower and SOFC operating temperature + 100 ° C. or higher. Needless to say.

電極触媒としては、例えばニッケル(Ni)、白金(Pt)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、銀(Ag)、クロム(Cr)などを使用することができる。
また、電解質としては、酸素イオン伝導性を備えた酸化物、例えば、SDC(サマリア・ドープ・セリア)、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、CeO(セリア)系固溶体、ランタンガレート系酸化物などを単独で、あるいはこれら酸化物の2種以上を混合して用いることができる。
Examples of the electrode catalyst include nickel (Ni), platinum (Pt), copper (Cu), palladium (Pd), ruthenium (Ru), cobalt (Co), iron (Fe), silver (Ag), and chromium (Cr). Etc. can be used.
In addition, as an electrolyte, an oxide having oxygen ion conductivity, for example, SDC (Samaria Doped Ceria), YSZ (Yttria Stabilized Zirconia), CeO 2 (Ceria) solid solution, lanthanum gallate oxide, etc. These may be used alone or in combination of two or more of these oxides.

上記低融点金属の含有量については、燃料極主成分、すなわち上記電極触媒及び電解質に対して、低融点酸化物を0.5〜20%添加することが望ましい。すなわち、上記金属の添加量が0.5%未満であると、燃料極の焼結性を向上させる効果が十分に得られず、20%を超えると、焼結が過剰に進行して燃料極のガス拡散性が低下したり、電極触媒が当該金属に覆われてしまって電極触媒の機能が損なわれたりする傾向がある。   About content of the said low melting metal, it is desirable to add 0.5-20% of low melting point oxide with respect to a fuel electrode main component, ie, the said electrode catalyst, and electrolyte. That is, if the added amount of the metal is less than 0.5%, the effect of improving the sinterability of the fuel electrode cannot be sufficiently obtained, and if it exceeds 20%, the sintering proceeds excessively and the fuel electrode is increased. There is a tendency that the gas diffusibility of the electrode catalyst decreases, or the electrode catalyst is covered with the metal and the function of the electrode catalyst is impaired.

そして、上記金属の粒子径を5μm以下、さらには1μm以下とすることが好ましい。すなわち、金属の粒径が5μmを超えると、燃料極中での低融点金属粒子の分散性が悪くなり、燃料極を焼結させる効果が十分ではなくなることがあることによる。   The particle diameter of the metal is preferably 5 μm or less, more preferably 1 μm or less. That is, when the particle diameter of the metal exceeds 5 μm, the dispersibility of the low melting point metal particles in the fuel electrode is deteriorated, and the effect of sintering the fuel electrode may not be sufficient.

本発明の上記燃料極は、種々のタイプのSOFCに適用することができ、低コストで耐久性に優れた高性能のSOFCが得られることになる。
すなわち、SOFCとしては、一般に、図1に示すように、緻密な電解質2を支持基板として、この両側に燃料極3及び空気極4を積層した電解質支持型や、図2に示すように、ガス透過性を有する燃料極2を支持基板として、この上に電解質3及び空気極4を積層した電極(燃料極)支持型、さらには図3に示すように、ガス透過性を有する金属などから成る多孔質基板5の上に、燃料極2と電解質3と空気極4から成る電池要素をこの順序、あるいは逆の順序に積層した多孔質基板支持型などのものが考えられるが、本発明のSOFC用燃料極3は、これらの種類に限定されることなく、これらいずれのタイプのSOFCにも適用することができる。
The fuel electrode of the present invention can be applied to various types of SOFC, and a high-performance SOFC excellent in durability at low cost can be obtained.
That is, as an SOFC, generally, as shown in FIG. 1, an electrolyte support type in which a dense electrolyte 2 is used as a support substrate and a fuel electrode 3 and an air electrode 4 are laminated on both sides, as shown in FIG. The fuel electrode 2 having permeability is used as a support substrate, and an electrode (fuel electrode) support type in which the electrolyte 3 and the air electrode 4 are laminated thereon, and further, as shown in FIG. 3, is made of a metal having gas permeability. A porous substrate support type in which a battery element composed of a fuel electrode 2, an electrolyte 3 and an air electrode 4 is laminated in this order or the reverse order on the porous substrate 5 is conceivable. The fuel electrode 3 is not limited to these types and can be applied to any type of SOFC.

上記SOFC1の固体酸化物電解質2としては、上記したようなSDC(サマリア・ドープ・セリア)、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、CeO(セリア)系固溶体、ランタンガレート系酸化物などを単独、あるいはこれらの2種以上を混合して用いることができる。
また、空気極4の材料としては、Pt、Agなどの金属材料や、ランタン−コバルト系酸化物、ランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、サマリウム−コバルト系酸化物のようなペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。
As the solid oxide electrolyte 2 of the SOFC 1, SDC (Samaria Doped Ceria), YSZ (Yttria Stabilized Zirconia), CeO 2 (Ceria) solid solution, lanthanum gallate oxide, etc. are used alone or Two or more of these can be mixed and used.
The air electrode 4 may be made of a metal material such as Pt or Ag, or a perovskite such as a lanthanum-cobalt oxide, a lanthanum-manganese oxide, a lanthanum-iron oxide, or a samarium-cobalt oxide. A type oxide or the like can be used.

このようなSOFC用燃料極3は、まず、上記したような電極触媒と電解質材料と低融点金属とを粒子状とし、これらを有機溶剤、バインダーと共に混錬してスラリーとしておき、該スラリーを支持基板としての電解質2、あるいは多孔質基板5の上に空気極4を介して形成された電解質2の上に塗布したのち、不活性雰囲気又は還元性雰囲気中、1000℃以下の温度で焼結することによって製造することができる。
また、上記スラリーを多孔質基材5に直接塗布し、乾燥した後、その上にさらに電解質材料を含むスラリーを塗布して、これらを不活性雰囲気又は還元性雰囲気中で、1000℃以下の温度で焼結することによって製造することができる。
In such a fuel electrode 3 for SOFC, first, the electrode catalyst, the electrolyte material, and the low melting point metal as described above are formed into particles and kneaded with an organic solvent and a binder to form a slurry, and the slurry is supported. After coating on the electrolyte 2 as the substrate or the electrolyte 2 formed on the porous substrate 5 via the air electrode 4, sintering is performed at a temperature of 1000 ° C. or less in an inert atmosphere or a reducing atmosphere. Can be manufactured.
Further, the slurry is directly applied to the porous substrate 5 and dried, and then a slurry containing an electrolyte material is further applied thereon, and these are heated to a temperature of 1000 ° C. or lower in an inert atmosphere or a reducing atmosphere. Can be manufactured by sintering.

本発明のSOFC用燃料極ペーストは、上記電極触媒及び電解質に加えて、上記低融点金属を含有するものであるから、多孔質基板5や固体酸化物電解質2の上に塗布したのち、1000℃以下の温度で燒結することによって、本発明のSOFC用燃料極3が容易に得られることになる。   Since the fuel electrode paste for SOFC of the present invention contains the low melting point metal in addition to the electrode catalyst and the electrolyte, it is applied on the porous substrate 5 and the solid oxide electrolyte 2 and then 1000 ° C. By sintering at the following temperature, the fuel electrode 3 for SOFC of the present invention can be easily obtained.

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されることはない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. In addition, this invention is not limited only to these Examples.

(実施例1)
まず、厚さ500μm、30mm径の8YSZ(8モル%イットリア安定化ジルコニア)から成る電解質基板2を用意し、この一方の面に、常法にしたがってLSM(ランタン−ストロンチウム−マンガン系複合酸化物)から成る厚さ20μmの空気極4を20mm径の大きさに形成した。
(Example 1)
First, an electrolyte substrate 2 made of 8YSZ (8 mol% yttria-stabilized zirconia) having a thickness of 500 μm and a diameter of 30 mm is prepared, and LSM (lanthanum-strontium-manganese complex oxide) is formed on one surface according to a conventional method. An air electrode 4 having a thickness of 20 μm and having a diameter of 20 mm was formed.

次に、燃料極原料紛としてのNiO−8YSZ(NiO:8YSZ=6:4)に粒径1μmの黄銅紛(Cu−40%Zn、融点:約900℃)5%と適量のテルピネオールを加えて混錬し、燃料極スラリーを得た。
次いで、一方の面に空気極を備えた電解質基板2の他方の面における中心位置20mm径の範囲に、スクリーン印刷法を用いて上記燃料極スラリーを塗布した。
Next, NiO-8YSZ (NiO: 8YSZ = 6: 4) as a fuel electrode raw material powder is added with 5% brass powder (Cu-40% Zn, melting point: about 900 ° C.) having a particle diameter of 1 μm and an appropriate amount of terpineol. It knead | mixed and the fuel electrode slurry was obtained.
Next, the fuel electrode slurry was applied to a range of a diameter of 20 mm at the center position on the other surface of the electrolyte substrate 2 provided with an air electrode on one surface using a screen printing method.

そして、電解質基板2に塗布された上記燃料極スラリーをArの不活性雰囲気中において900℃で2時間焼成することによって、厚さ20μm、径20mmの燃料極3を形成し、図1に示すような電解質支持型のSOFC1を得た。   Then, the fuel electrode slurry applied to the electrolyte substrate 2 is fired in an inert atmosphere of Ar at 900 ° C. for 2 hours to form a fuel electrode 3 having a thickness of 20 μm and a diameter of 20 mm, as shown in FIG. An electrolyte-supported SOFC1 was obtained.

(実施例2)
まず、燃料極原料紛としてのNiO−8YSZ(NiO:8YSZ=6:4)に粒径1μmのAg紛(融点:約960℃)10%と適量のテルピネオールを加えて混錬し、燃料極スラリーを得た。
(Example 2)
First, NiO-8YSZ (NiO: 8YSZ = 6: 4) as a fuel electrode raw material powder is added and kneaded with 10% Ag powder (melting point: about 960 ° C.) having a particle diameter of 1 μm and an appropriate amount of terpineol, and kneaded. Got.

次に、ドクターブレード法により、35mm径の燃料極グリーンシートを作製した。   Next, a 35 mm diameter fuel electrode green sheet was produced by the doctor blade method.

続いて、得られた燃料極グリーンシートの全面に、SSZ(サマリア安定化ジルコニア)から成る電解質材料をスクリーン印刷法により塗布し、1000℃−5時間焼成することによって、厚さ8μmの電解質膜2を形成し、30mm径の燃料極−電解質積層体を得た。   Subsequently, an electrolyte material made of SSZ (Samaria Stabilized Zirconia) was applied to the entire surface of the obtained fuel electrode green sheet by screen printing, and baked at 1000 ° C. for 5 hours, whereby an electrolyte membrane 2 having a thickness of 8 μm. And a 30 mm diameter fuel electrode-electrolyte laminate was obtained.

そして、上記電解質膜2の中心位置20mm径の範囲に、スクリーン印刷法を用いてLSC(ランタン−ストロンチウム−コバルト系複合酸化物)から成る空気極材料を塗布したのち、1000℃で1時間焼成することによって、厚さ20μm、径20mmの空気極4を形成し、図2に示すような燃料極支持型のSOFC1を得た。   Then, an air electrode material made of LSC (lanthanum-strontium-cobalt composite oxide) is applied to the center position of the electrolyte membrane 2 within a diameter range of 20 mm using a screen printing method, followed by baking at 1000 ° C. for 1 hour. Thus, an air electrode 4 having a thickness of 20 μm and a diameter of 20 mm was formed, and a fuel electrode supported SOFC 1 as shown in FIG. 2 was obtained.

(実施例3)
まず、SUS 430鋼(17%Crステンレス鋼)から成り、ウエットエッチングなどの手法によって多孔質化され、ガス透過性を備えた厚さ200μm、径30mmの多孔質基板5を用意した。
一方、燃料極原料紛としてのNiO−8YSZ(NiO:8YSZ=6:4)に粒径0.5μmのAg紛5%と適量のテルピネオールを加えて混錬することにより燃料極スラリーを得た。
(Example 3)
First, a porous substrate 5 made of SUS 430 steel (17% Cr stainless steel) and made porous by a technique such as wet etching and having gas permeability and a thickness of 200 μm and a diameter of 30 mm was prepared.
On the other hand, a fuel electrode slurry was obtained by adding 5% Ag powder having a particle size of 0.5 μm and an appropriate amount of terpineol to NiO-8YSZ (NiO: 8YSZ = 6: 4) as a fuel electrode raw material powder and kneading them.

次に、スクリーン印刷法を用いて、ステンレス鋼から成る上記多孔質基板5の全面に、得られた燃料極スラリーを塗布したのち、上記基板5を燃料極スラリーと共に、還元雰囲気(Ar−3%H)中において、970℃で1時間焼成することによって、上記基板5の上に燃料極3を100μmの厚さに形成した。
次いで、多孔質基板5に形成された燃料極3の全面に、SPD法(熱スプレー分解法)を用いて8YSZから成る電解質膜2を10μmの厚さに成膜した。
Next, after applying the obtained fuel electrode slurry to the entire surface of the porous substrate 5 made of stainless steel by using a screen printing method, the substrate 5 is put together with the fuel electrode slurry in a reducing atmosphere (Ar-3%). In H 2 ), the fuel electrode 3 was formed to a thickness of 100 μm on the substrate 5 by firing at 970 ° C. for 1 hour.
Next, an electrolyte membrane 2 made of 8YSZ was formed to a thickness of 10 μm on the entire surface of the fuel electrode 3 formed on the porous substrate 5 by using the SPD method (thermal spray decomposition method).

そして、8YSZから成る電解質膜2の中心位置20mm径の範囲に、同じくSPD法によってSSC(サマリウム−ストロンチウム−コバルト系複合酸化物)から成る空気極層4を10μmの厚さに形成し、図3に示すような多孔質基板支持型のSOFC1を得た。   Then, an air electrode layer 4 made of SSC (samarium-strontium-cobalt composite oxide) is formed to a thickness of 10 μm in the range of 20 mm diameter of the center position of the electrolyte membrane 2 made of 8YSZ by the same SPD method. A porous substrate-supported SOFC 1 as shown in FIG.

電解質支持型の固体酸化物形燃料電池のセル構造を説明する概略断面図である。It is a schematic sectional drawing explaining the cell structure of an electrolyte support type solid oxide fuel cell. 燃料極支持型の固体酸化物形燃料電池のセル構造を説明する概略断面図である。It is a schematic sectional drawing explaining the cell structure of a fuel electrode support type solid oxide fuel cell. 多孔質基板支持型の固体酸化物形燃料電池のセル構造を説明する概略断面図である。It is a schematic sectional drawing explaining the cell structure of a porous substrate support type solid oxide fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

1 固体酸化物形燃料電池
3 燃料極(固体酸化物形燃料電池用燃料極)
1 Solid oxide fuel cell 3 Fuel electrode (Fuel electrode for solid oxide fuel cell)

Claims (8)

固体酸化物形燃料電池の燃料極であって、電極触媒と、固体酸化物から成る電解質と、当該燃料電池の運転温度よりも100℃以上高く、1000℃以下の融点を有する金属を含むことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用燃料極。   A fuel electrode of a solid oxide fuel cell, comprising an electrode catalyst, an electrolyte composed of a solid oxide, and a metal having a melting point of 100 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower than the operating temperature of the fuel cell. A fuel electrode for a solid oxide fuel cell. 上記金属がAg、Al、Mg、Zn、Te、Cu、Ni、Co、Fe、Au及びPtから成る群から選ばれた少なくとも1種を含む金属であることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極。   2. The metal according to claim 1, wherein the metal includes at least one selected from the group consisting of Ag, Al, Mg, Zn, Te, Cu, Ni, Co, Fe, Au, and Pt. Fuel electrode for solid oxide fuel cells. 上記金属が燃料極主成分に対して、質量比で0.5〜20%含まれていることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極。   3. The fuel electrode for a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the metal is contained in a mass ratio of 0.5 to 20% with respect to the main component of the fuel electrode. 上記金属の粒径が5μm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極。   The fuel electrode for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein a particle diameter of the metal is 5 µm or less. 請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の燃料電池用燃料極の製造方法であって、
電極触媒と、固体酸化物から成る電解質と、当該燃料電池の運転温度よりも100℃以上高く、1000℃以下の融点を有する金属を粒子状とし、有機溶剤、バインダーと混錬してスラリー状にする工程と、
該スラリーを基材に塗布したのち、その上に電解質スラリーを塗布する工程と、
上記スラリーを不活性雰囲気又は還元性雰囲気中、1000℃以下の温度で焼結する工程を含むことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用燃料極の製造方法。
A method for producing a fuel electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
An electrode catalyst, an electrolyte composed of a solid oxide, and a metal having a melting point of 100 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower than the operating temperature of the fuel cell are made into particles and kneaded with an organic solvent and a binder to form a slurry. And a process of
A step of applying the slurry onto the substrate and then applying an electrolyte slurry thereon;
A method for producing a fuel electrode for a solid oxide fuel cell, comprising a step of sintering the slurry at a temperature of 1000 ° C. or lower in an inert atmosphere or a reducing atmosphere.
請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の燃料電池用燃料極の製造方法であって、
電極触媒と、固体酸化物から成る電解質と、当該燃料電池の運転温度よりも100℃以上高く、1000℃以下の融点を有する金属を粒子状とし、有機溶剤、バインダーと混錬してスラリー状にする工程と、
該スラリーを電解質上に塗布する工程と、
上記スラリーを不活性雰囲気又は還元性雰囲気中、1000℃以下の温度で焼結する工程を含むことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用燃料極の製造方法。
A method for producing a fuel electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
An electrode catalyst, an electrolyte composed of a solid oxide, and a metal having a melting point of 100 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower than the operating temperature of the fuel cell are made into particles and kneaded with an organic solvent and a binder to form a slurry. And a process of
Applying the slurry onto the electrolyte;
A method for producing a fuel electrode for a solid oxide fuel cell, comprising a step of sintering the slurry at a temperature of 1000 ° C. or lower in an inert atmosphere or a reducing atmosphere.
請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の燃料電池用燃料極を製造するためのペーストであって、電極触媒と、固体酸化物から成る電解質と、当該燃料電池の運転温度よりも100℃以上高く、1000℃以下の融点を有する金属を含有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池用燃料極ペースト。   A paste for producing the fuel electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the paste is an electrode catalyst, an electrolyte composed of a solid oxide, and 100 times higher than an operating temperature of the fuel cell. A fuel electrode paste for a solid oxide fuel cell, comprising a metal having a melting point of not less than 1000C and not more than 1000 ° C. 請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の燃料電池用燃料極を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。   A solid oxide fuel cell comprising the fuel electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 4.
JP2003408757A 2003-12-08 2003-12-08 Fuel electrode for solid oxide fuel cell, and its manufacturing method Pending JP2005174583A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003408757A JP2005174583A (en) 2003-12-08 2003-12-08 Fuel electrode for solid oxide fuel cell, and its manufacturing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003408757A JP2005174583A (en) 2003-12-08 2003-12-08 Fuel electrode for solid oxide fuel cell, and its manufacturing method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2005174583A true JP2005174583A (en) 2005-06-30

Family

ID=34730344

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003408757A Pending JP2005174583A (en) 2003-12-08 2003-12-08 Fuel electrode for solid oxide fuel cell, and its manufacturing method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2005174583A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010282896A (en) * 2009-06-05 2010-12-16 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Solid oxide fuel cell

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010282896A (en) * 2009-06-05 2010-12-16 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Solid oxide fuel cell

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5208518B2 (en) Method for producing a reversible solid oxide fuel cell
JP5366804B2 (en) Combination of ceramic materials for anodes for high temperature fuel cells
JP4962640B1 (en) Solid oxide fuel cell
US20070117006A1 (en) Direct Fabrication of Copper Cermet for Use in Solid Oxide Fuel Cell
JP2008519404A (en) Electrochemical cell structure and its manufacturing method by controlled powder method
JP2009059697A (en) Metal support type solid oxide fuel cell
JPWO2004102704A1 (en) Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof
KR20030036966A (en) Electrode having microstructure of extended triple phase boundary by porous ion conductive ceria film coating and Method to manufacture the said electrode
JP4487465B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP3915500B2 (en) THIN FILM LAMINATE, PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, AND SOLID OXIDE FUEL CELL USING THE SAME
JP2004127635A (en) Cell plate for solid oxide fuel cell and its manufacturing method
EP3430661B1 (en) Alternative anode material for solid oxide fuel cells
JP2006351406A (en) Air electrode powder for ceria coated sofc, its manufacturing method, and manufacturing method of air electrode
JP2018524765A (en) Air electrode composition, air electrode and fuel cell including the same
JP5509142B2 (en) Composite materials and their use
JP2018055946A (en) Anode for solid oxide fuel cell and method of manufacturing the same, and solid oxide fuel cell
EP3054511B1 (en) Method for manufacturing anode support of solid oxide fuel cell, and anode support of solid oxide fuel cell
JP2005259518A (en) Assembly for electrochemical cell and electrochemical cell
JP2004355814A (en) Solid oxide fuel battery cell and its manufacturing method
JP4508592B2 (en) Fuel cell manufacturing method
US20050074664A1 (en) Solid oxide fuel cell electrode and method of manufacturing the same
JP3894103B2 (en) Current collector material for solid oxide fuel cells
JP2005174583A (en) Fuel electrode for solid oxide fuel cell, and its manufacturing method
US20060240314A1 (en) Electrode for fuel cell and solid oxide fuel cell using the same
JP2008234927A (en) Manufacturing method of solid oxide fuel cell