JP2006032005A - 固体電解質型燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極の内部抵抗が低く、そして、金属の凝集が起こり難い固体電解質型燃料電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】固体電解質２及びこの固体電解質２と接触する燃料極３を備え、上記燃料極３は、複数の微細孔４ａを有する金属層４と、金属部分５及び酸化物部分６を同一平面内で且つ上記金属層４に金属部分５を接触させるべく配置した混合層７とを少なくとも１層ずつ積層して成り、この燃料極３の金属層４を上記固体電解質２に接触させた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一対の電極で固体電解質を挟持する構成を電池要素として有する固体電解質型燃料電池、特に、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）に関するものである。

上記した固体酸化物型燃料電池では、その電極の内部抵抗の低減化が望まれており、最近において、電子伝導パス及びイオン伝導パスを電極中に形成して内部抵抗を低減しようとする試みが成されており、例えば、Ｎｉ−Ｃｅ−Ｓｍ溶液に対して噴霧熱分解法を適用して、Ｎｉの周囲に酸化物粒を形成することで、電極中にイオン伝導パスを形成する方法が知られている。
特開平１１−２９７３３３号公報

ところが、上記した従来の方法では、固体酸化物型燃料電池の電極中にイオン伝導パスを形成することはできるものの、Ｎｉが周囲に位置する酸化物粒に覆われてしまうことから、電子伝導パスを形成することは困難であり、これを解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたものであり、電極の内部抵抗が低く、そして、金属の凝集が起こり難い固体電解質型燃料電池及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、固体電解質及びこの固体電解質と接触する電極を備えた固体電解質型燃料電池において、上記電極は、複数の微細孔を有する金属層と、金属部分及び酸化物部分を同一平面内で且つ上記金属層に金属部分を接触させるべく配置した混合層とを少なくとも１層ずつ積層して成り、この電極の金属層を上記固体電解質に接触させた構成としたことを特徴としており、この固体電解質型燃料電池の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

また、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法は、上記固体電解質型燃料電池を製造するに際して、固体電解質を支持する基板上に複数の微細孔を有する金属層を形成した後、この金属層上において金属部分及び酸化物部分を同一平面内で且つ上記金属層に金属部分を接触させるべく配置して混合層を形成して、固体電解質と接触する電極を形成する構成としたことを特徴としており、この固体電解質型燃料電池の製造方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明によれば、上記した構成としているので、電極中に電子伝導パス及びイオン伝導パスをいずれも形成することができ、その結果、電極の内部抵抗の低減を実現することができ、加えて、金属が凝集するのを少なく抑えることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の固体電解質型燃料電池において、金属層における複数の微細孔が占める割合が１０％に満たない場合は、微細孔が電極の横方向にはほとんど存在しないこととなり、これによって、電極の反応場が減ってしまう。一方、金属層における複数の微細孔が占める割合が５０％を超える場合は、電極中の金属の含量が少なくなってしまい、電極の触媒活性が落ちてしまう。したがって、金属層における複数の微細孔が占める割合を１０〜５０％とすることが望ましい。

また、本発明の固体電解質型燃料電池では、微細孔が略円形状を成している場合において、その径が０．５よりも小さいと、混合層の構成材料が金属層の微細孔中に入り込めないので、電極の横方向の反応場を活用することができない。一方、微細孔の径が２μｍよりも大きいと、金属層中に混合層の材料が多く入り込んで、層の含量が大きくなってしまい、電極の反応場が少なくなってしまうことから、微細孔の径を０．５〜２μｍとすることが望ましい。

さらに、本発明の固体電解質型燃料電池において、金属層の厚みが０．１μｍに満たない場合は、電極を作製するためのパターン制御が困難となり、金属層の厚みが３μｍを超える場合は、電極の反応場が少なくなって、内部抵抗が大きくなってしまうので、金属層の厚みを０．１〜３μｍとすることが望ましい。

さらにまた、本発明の固体電解質型燃料電池において、混合層の金属部分を酸化物部分の周囲に配置すると、この金属部分が電極の集電層として作用するが、金属部分を酸化物部分の周囲に配置しない場合には、電極の電子伝導性が低くなって、電極の内部抵抗がかなり大きくなることから、混合層の金属部分を酸化物部分の周囲に配置する構成を採用することが望ましい。

さらにまた、本発明の固体電解質型燃料電池において、金属層と混合層とを少なくとも１層ずつ積層することで、好ましくは、電極の厚みが３０μｍを超えない範囲で金属層と混合層とを交互に積み重ねることで電極を形成するので、当然のことながら金属層と混合層の金属部分とが重なることが好ましく、したがって、混合層の金属部分が占める面積の割合は、５〜３０％とすることが望ましい。

さらにまた、本発明の固体電解質型燃料電池において、混合層の厚みが０．１μｍに満たない場合は、電極を作製するためのパターン制御が困難となり、混合層の厚みが３μｍを超える場合は、電極の反応場が少なくなって、内部抵抗が大きくなってしまうので、金属層の場合と同様に、混合層の厚みを０．１〜３μｍとすることが望ましい。

一方、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法において、固体電解質を支持する基板上に複数の微細孔を有する金属層を形成したり、この金属層上において混合層の金属部分を配置したりする際には、スプレー法，スクリーン印刷法，スパッタ法及びスラリー塗布法のうちのいずれかの手法を用いることができ、これらの手法のうちのいずれかを採用した場合は、電極形成用パターンを制御することによって、金属層や混合層を形成することが可能となる。

以下、実施例により本発明を説明するが、下記実施例により本発明が限定されるものではない。

［実施例１］
図１に示すように、本実施例の固体電解質型燃料電池１は、固体電解質支持基板２と、燃料極（電極）３と、空気極（図示省略）を備えており、燃料極３は、径が約１μｍの微細孔４ａを複数有する金属層４と、金属部分５及び酸化物部分６を同一平面内で且つ金属層４に金属部分５を接触させるべく配置した混合層７とを交互に積層して成っている。

上記固体電解質型燃料電池１では、固体電解質支持基板２上に複数の微細孔４ａを有する金属層４を形成した後、この金属層４上において金属部分５及び酸化物部分６を同一平面内で且つ金属層４に金属部分５を接触させようにして配置して混合層７を形成して、固体電解質支持基板２と接触する燃料極３を形成するようにしている。

この場合、混合層７の金属部分５を酸化物部分６の周囲に配置することで、この金属部分５が燃料極３の集電層として作用するようにしている。

この実施例において、固体電解質支持基板２にはＬＳＧＭ（Ｓｒ，Ｍｇ複合ランタンガレート）を用い、厚みを０．１５ｍｍとした。

また、燃料極３の金属層４及び混合層７の金属部分５にはＮｉを用い、混合層７の酸化物部分６としてＳＤＣ（Ｓｍ添加セリア）を用いた。そして、金属層４及び混合層７の金属部分５の形成にはスプレー法を採用した。

さらに、燃料極３の金属層４及び混合層７の各厚みをそれぞれ１μｍとし、混合層７の金属部分５が占める面積の割合を３０％とした。

なお、空気極にはＳＳＣ（Ｓｒ複合Ｓｍコバルト酸化物）を用い、１１００℃の空気中で焼結させて固体電解質支持基板２上に形成した。

［実施例２］
図２に示すように、この実施例では、混合層７の金属部分５を矩形状を成す酸化物部分６の互いに対向する一組の辺に沿って配置するようにしている。

この実施例において、固体電解質支持基板２にはＹＳＺ（Ｙ添加安定化ジルコニア）を用い、厚みを０．１ｍｍとした。

また、燃料極３の金属層４及び混合層７の金属部分５にはＮｉを用い、混合層７の酸化物部分６として８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ添加安定化ジルコニア）を用いた。そして、金属層４及び混合層７の金属部分５の形成にはスクリーン印刷法を採用した。

さらに、燃料極３の金属層４及び混合層７の各厚みをそれぞれ１．５μｍとし、混合層７の金属部分５が占める面積の割合を１５％とし、微細孔４ａの径を約１．５μｍとした。

なお、空気極にはＬＳＭ（Ｓｒ複合ランタンマンガン酸化物）を用い、１１００℃の空気中で焼結させて固体電解質支持基板２上に形成した。

［実施例３］
図３に示すように、この実施例では、混合層７の金属部分５を矩形状を成す酸化物部分６の互いに対向する一組の辺に部分的に配置するようにしている。

この実施例において、固体電解質支持基板２にはＬＳＧＭ（Ｓｒ，Ｍｇ複合ランタンガレート）を用い、厚みを０．１５ｍｍとした。

また、燃料極３の金属層４及び混合層７の金属部分５にはＮｉを用い、混合層７の酸化物部分６としてＳＤＣ（Ｓｍ添加セリア）を用いた。そして、金属層４及び混合層７の金属部分５の形成にはスパッタ法を採用した。

さらに、燃料極３の金属層４の厚みを０．５μｍとすると共に混合層７の厚みを０．３μｍとし、混合層７の金属部分５が占める面積の割合を１０％とし、微細孔４ａの径を約０．５μｍとした。

なお、空気極にはＳＳＣ（Ｓｒ複合Ｓｍコバルト酸化物）を用い、１１００℃の空気中で焼結させて固体電解質支持基板２上に形成した。

［比較例］
比較例の固体電解質型燃料電池において、固体電解質支持基板にはＬＳＧＭ（Ｓｒ，Ｍｇ複合ランタンガレート）を用い、厚みを０．１５ｍｍとした。

また、燃料極には金属としてＮｉを用い、酸化物としてＳＤＣ（Ｓｍ添加セリア）を用いた。そして、Ｎｉは原料粉を機械混合して得た。

＜発電評価＞
次に、実施例１〜３と比較例の各固体電解質型燃料電池を用いて発電評価を行った。発電温度は６００℃とし、発電試験開始時における最高出力と、１００時間繰り返し運転を行った後の最高出力とを測定した。

また、この長期発電試験評価後において、ＳＥＭにより燃料極の金属粒径を観察した。この結果を上記発電評価結果とともに表１に示す。

表１の結果が示すとおり、実施例１〜３の固体電解質型燃料電池は、比較例の固体電解質型燃料電池と比較して、１００時間繰り返し運転を行った後も高い出力で発電している。つまり、燃料極３に起因する内部抵抗が低下していることが明らかであり、これにより、本発明の固体電解質型燃料電池では、電極の内部抵抗の低減を実現可能であることが実証できた。

また、表１の結果から、実施例１〜３の固体電解質型燃料電池では、比較例の固体電解質型燃料電池と比較して、金属粒径の増大率が低いことが判り、これにより、本発明の固体電解質型燃料電池では、金属が凝集するのを少なく抑え得ることが立証できた。

本発明の一実施例による固体電解質型燃料電池の燃料極の金属層を示す平面説明図（ａ）及び混合層の平面説明図（ｂ）である。（実施例１） 本発明の他の実施例による固体電解質型燃料電池の燃料極の混合層の平面説明図である。（実施例２） 本発明のさらに他の実施例による固体電解質型燃料電池の燃料極の混合層の平面説明図である。（実施例３）

符号の説明

１ 固体電解質型燃料電池
２ 固体電解質支持基板
３ 燃料極（電極）
４ 金属層
４ａ 微細孔
５ 金属部分
６ 酸化物部分
７ 混合層

Claims (9)

1. 固体電解質及びこの固体電解質と接触する電極を備えた固体電解質型燃料電池において、上記電極は、複数の微細孔を有する金属層と、金属部分及び酸化物部分を同一平面内で且つ上記金属層に金属部分を接触させるべく配置した混合層とを少なくとも１層ずつ積層して成り、この電極の金属層を上記固体電解質に接触させたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
2. 金属層における複数の微細孔が占める割合を１０〜５０％とした請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
3. 微細孔は略円形状を成し、その径を０．５〜２μｍとした請求項１又は２に記載の固体電解質型燃料電池。
4. 金属層の厚みを０．１〜３μｍとした請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
5. 混合層の金属部分を酸化物部分の周囲に配置した請求項１〜４のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
6. 混合層の金属部分が占める面積の割合を５〜３０％とした請求項１〜５のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
7. 混合層の厚みを０．１〜３μｍとした請求項１〜６のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
8. 請求項１〜７のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池を製造するに際して、固体電解質を支持する基板上に複数の微細孔を有する金属層を形成した後、この金属層上において金属部分及び酸化物部分を同一平面内で且つ上記金属層に金属部分を接触させるべく配置して混合層を形成して、固体電解質と接触する電極を形成することを特徴とする固体電解質型燃料電池の製造方法。
9. 金属層及び混合層の金属部分をスプレー法，スクリーン印刷法，スパッタ法及びスラリー塗布法のうちのいずれかの手法を用いて形成する請求項８に記載の固体電解質型燃料電池の製造方法。

Images