JP2006032239A - ガス透過性基体及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量、薄型でガス拡散性が高く、機能性材料との接触率及び密着性が大きいガス透過性基体及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池を提供すること。
【解決手段】上面や下面に複数の細孔を有する多孔質セラミックス基体に微粒子を充填して成り、多孔質セラミックス基体の上面や下面がほぼ平滑であるガス透過性基体である。多孔質セラミックス基体の上面や下面の３０％以上を微粒子で被覆する。微粒子が、改質触媒層及び燃料極層の２層構造を構成する。
上記ガス透過性基体に、上面や下面に電池要素を積層し、積層方向やこれと垂直な２次元方向へ複数個連結した固体酸化物形燃料電池である。
【選択図】なし

Description

本発明は、ガス透過性基体及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池に係り、更に詳細には、軽量且つ薄型であり、特に固体酸化物形燃料電池の基体に適するガス透過性基体及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池に関する。

従来から、固体酸化物形燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」と省略する）、酸素センサー及び水素分離膜などの機能膜を使用するデバイスでは、ガス透過性を有する支持体が使用されている。
例えば、支持基板として用いられるセラミックス焼結体は、支持部材且つガス流路として機能する。しかし、ガス透過性と基板強度を確保する面からデバイスの軽薄化が困難であった。

また、金網を圧下した基板に粉末を塗布して作製された金属フィルタが提案されており、各種油類、ガス類及び液体などのろ過に使用されている（例えば、特許文献１及び２参照）。このフィルタは、ろ過対象の大きさ（粒径など）に応じて細孔径を調整して用いられる。
特許第３１４６８３７号公報 特開平８−２２９３２０号公報

しかし、金網を圧下して成るので、表面に突出する部分によりフラットな基板表面が得られず、この上に薄膜を形成することが困難であった。また、金網上部に粉末層を形成するため、フィルタ全体が厚くなるという問題点があった。
また、多孔質金属基体上に燃料極層を形成したＳＯＦＣが提案されている。しかし、金属基体が燃料極層から突出し接触面積が小さくなるため、機能が十分に発揮されないという問題点があった。なお、かかるＳＯＦＣでは、改質に必要な触媒層が設置されておらず、炭化水素系燃料を用いる場合は考慮されていない。

更に、電池要素（燃料極／電解質／空気極）を多孔質金属基体に溶射法にて製膜したＳＯＦＣが提案されている（例えば、非特許文献１）。

Ｐｌａｓｍａ Ｓｐｒａｙｅｄ Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ ＳＯＦＣ ｆｏｒ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ，Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，ｐｐ５９７−６００，２０００

しかし、多孔金属基体の上面を緻密にして溶射成膜可能とするため、当該基体をガス流路として利用できず、別途ガス流路が設けられている。従って、部品点数が増加し、集電体やガス流路を含むセル部分が厚くなり小型化が困難であった。

更にまた、水素分離機能を有する膜、箔又はシートをガス透過性基体（多孔質基体又は基板）に被覆して成る水素分離部品が提案されている。この水素分離部品は、基体の板厚方向に加圧した被分離ガスを通じて使用される。
この場合、水素分離部品のみとして用いるときは多孔質基体に電気伝導性は要求されないが、ＳＯＦＣに用いるときは、基体に集電体機能を付与して電気伝導性とすることが要求される。また、ＳＯＦＣではガスの流通方向が多孔質基体の平面方向となるため、より高い通気性も必要となる。

また、本願出願人は、多孔質金属基板の開口部を電極微粒子で封孔し、表面に薄膜層を形成可能とした集電体兼用電極基板を提案している（特願２００２‐３７５７８１号）。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、軽量、薄型でガス拡散性が高く、機能性材料との接触率及び密着性が大きいガス透過性基体及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、多孔質セラミックス基体の細孔に微粒子を充填するとともに表面を平滑化することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明によれば、多孔質セラミックス基体の細孔に微粒子を充填するとともに表面を平滑化することとしたため、軽量、薄型でガス拡散性が高く、機能性材料との接触率及び密着性が大きいガス透過性基体及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池を提供することができる。

以下、本発明のガス透過性基体について詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を示す。また、説明の便宜上、多孔質セラミックス基体などの一方の面を「上面」、他の面を「下面」と記載するが、これらは等価な要素であり、相互に置換した構成も本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

上述の如く、本発明のガス透過性基体は、多孔質セラミックス基体に微粒子を充填して得られる。具体的には、この多孔質セラミックス基体は複数の細孔を有し、この細孔が多孔質セラミックス基体の上面、下面のいずれか一方又は双方に開口を形成している。かかる細孔に微粒子を充填することで本ガス透過性基体となる。
このような構成とすることで、支持体及びガス流路の両機能が兼備され、軽量且つ薄型のガス透過性基体となる。また、本ガス透過性基体を用いたデバイスはその全体を薄型化できるので軽量小型に設計できる。更に、基体としてセラミックスを用いているため、充填する上記微粒子や積層材料を高温（〜１４００℃程度）で焼成する場合などでも、連続して製造できる。なお、上記多孔質セラミックス基体が有する細孔は、１つの細孔が上下方向（厚み方向）に貫通していることが望ましいが、一方の面に開口を有し、セラミックス基体内部で他の細孔と連通することで上下方向に貫通していれば足りる。

本発明のガス透過性基体は、代表的には、微粒子のスラリーを、スクリーン印刷法、グリーンシート法及びディッピンク法などで該多孔質セラミックス基体に塗布し、大気中、真空中、窒素（Ｎ_２）やアルゴン（Ａｒ）などの不活性雰囲気中、又は水素（Ｈ_２）などの還元性雰囲気中、で焼成して得られる。なお、このとき造孔材等を適宜使用することができる。

また、上記微粒子は、上記多孔質セラミックス基体の上面の３０％以上及び／又は下面の３０％以上を被覆していることが好適である。言い換えれば、上記多孔質セラミックス基体の表面部分が微粒子中に埋没するような構成が好適である。
これより、多孔質セラミックス基体の表面全体にガスを拡散させることができる。被覆面積が３０％未満になると、微粒子層の層厚が薄くなって強度が低下したり、また当該セラミックス基体が集電体等の機能を有する場合にその機能が低下することがある。また、細孔に充填する微粒子と多孔質セラミックス基体の表面に被覆する微粒子は、同種の材料でも良いし異種の材料でも良い。

更に、上記微粒子は、セラミックス、又はセラミックスと金属の複合材から成ることが、ガス透過性及び基板の耐久性の面から好適である。セラミックスとしては、例えばＮｉＯ、ＣｕＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、セリア固溶体、安定化ジルコニア、ランタンコバルト系酸化物及びランタンマンガン系酸化物等のセラミックスが挙げられ、金属としては、例えばＮｉ、Ｎｉ−Ｂ、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｐｂ及びＡｇなどが挙げられる。セラミックスと金属の複合材は、両者を任意に混合したものを使用できる。また、上記微粒子は、粒径が０．１〜１０μｍ程度であり、焼結粒子であることが望ましい。

更にまた、上記微粒子は、空気極層、燃料極層又は電極中間層、及びこれらを任意に組合せた積層構造を形成していることが好適である。これより、ＳＯＦＣの薄板化・軽量化が可能となる。また、電気的な性能も向上し得る。
上記電極材料としては、ランタンコバルト系酸化物（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３など）やランタンマンガン系酸化物（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３など）等の空気極材料、ニッケルやニッケルサーメットや白金等の燃料極材料、ＳＤＣ等の電極中間層材料など適宜使用できる。

また、本ガス透過性基体をＳＯＦＣに用いるときは、上記微粒子として、改質触媒及び電極材料を含むことが好適であり、該細孔内で２層以上の積層構造を形成するように充填できる。これより、例えば、燃料ガスを改質触媒層に流通し好適なガス組成に改質してから燃料極層へ供給できる。また、多孔質セラミックス基体内部に改質触媒及び電極材料を配設するため、ＳＯＦＣの薄板化が可能となる。
上記改質触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、コバルト（Ｃｏ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）及び鉄（Ｆｅ）などの８族遷移金属や、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化タングステン（ＷＯ_２、ＷＯ_３など）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）及び酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）などの金属酸化物を使用できる。

一方、上記多孔質セラミックス基体は、その表面、即ち上面、下面のいずれか一方又は双方をほぼ平滑とする。この場合は、本ガス透過性基体をＳＯＦＣに用いるときに、セル板までの作製を大気焼成など従来の工法で簡便に行うことができ、薄型化・軽量化したセル板を低コストで製造できる。また、薄型の機能層などを良好な密着性で被覆できる。
また、該セラミックス基体の開口部分以外はフラットな面であることがより好ましいが、細孔内の微粒子が、多孔質セラミックス基体の表面と開口とがフラットになるまで充填されなくても、当該表面に任意の薄膜層を形成できる。更に、セル支持体としての強度を有すれば、該セラミックス基体を完全に緻密化する必要は無く、開口部以外からのガス透過も許容される。
かかる多孔質セラミックス基体としては、例えば、酸化物焼結体などのガス透過性を有する基体、及びレーザーやＥＢでパンチングした基体などを使用できる。
なお、ガス透過性基体が薄く自立できない場合は、その外側に枠を設置することで開口部分を支えることができる。また、「ほぼ」とは、製造処理などによる不可避の各種誤差を考慮した表現であり、かかる不可避誤差を含む範囲であっても、本発明の所期の効果を奏する限り、本発明の範囲に属する。

上記多孔質セラミックス基体としては、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア、セリア又はランタンクロム系酸化物、及びこれらを任意に組合わせた化合物などを使用できる。具体的には、３ＹＳＺ、ＬａＣｒＯ_３等が好適に使用できる。これらは電解質に用いられる８ＹＳＺ等と熱膨張係数が近く、セル支持体として有効である。特にＬａＣｒＯ_３は導電性を持つので、集電機能を兼ね備える。

また、上記多孔質セラミックス基体の厚さは、デバイスの軽量化・薄型化の面から０．０５〜１ｍｍであることが好適である。０．０５ｍｍ未満であると強度が小さく、１ｍｍを超えると重く厚くなりガス透過性基体を薄板化できない。

更に、上記多孔質セラミックス基体は、上面、下面のいずれか一方又は双方に導電性材料を被覆することができ、このときは集電機能を発揮し得る。即ち、ＳＯＦＣの一部に用いるときは、上記微粒子を電極材料とし、多孔質セラミックス基体に導電性コーティングすることにより、該基体が集電体及び支持体として機能し得る。また、電極層が該基体に支持されることで薄板化・軽量化でき、更に電極層と導電性材料の接触面積が増大することで電気的な性能を向上できる。
かかる導電性材料としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）、及びこれらの任意の組合わせに係る合金や化合物などを使用できる。これらは、無電解めっき、ディッピング、スプレー等の手法を適宜用いてコーティングできる。

更にまた、上記多孔質セラミックス基体の周辺部には、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）又はこれらの少なくとも一方を含む化合物を被覆することが好適である。このときは、ＳＯＦＣ用セル板としてスタック化する際に、ＭｏやＷが接合部材となり、スタック化工程が簡略化でき、生産コストを低下できる。
なお、「周辺部」とは、多孔質セラミックス基体の上面又は下面において中心から離れたところを意味する。具体的には、電池要素を配設した当該基体を複数用意してスタック化するに当たり、隣接する基体と接合する部位（電池要素の周囲近傍）が該当する。

次に、本発明の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）について詳細に説明する。
本発明のＳＯＦＣは、上述のガス透過性基体を用いて成る。具体的には、上記ガス透過性基体の上面、下面のいずれか一方又は双方に電池要素を積層して成る単セルを、積層方向、積層方向とほぼ垂直な２次元方向のいずれか一方又は双方へ複数個連結して得られる。これより、ガス透過性基体の表面が平滑であるため、基体上全体に薄型且つ軽量な電池要素を形成でき、低温作動型のＳＯＦＣが得られる。また、電池要素の一部（電極材料）が基体内に充填されているので、接触面積が増大され、強度及びガス拡散性が良好なＳＯＦＣとなる。
また、ガス透過性基板への電池要素の形成は、スクリーン印刷法、溶射法、ディッピング法、ＥＶＤ法、、ＥＢ蒸発法、スパッタ法等のＰＶＤ法、ＳＰＤ法などを適宜採用でき、特に限定されない。なお、「電池要素」とは、燃料極、電解質及び空気極を含む積層体を示す。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
多孔質基体ａとして、３ＹＳＺ（Ｙ添加安定化ジルコニア）より成り、レーザー加工によりφ０．２ｍｍの細孔を設けた、厚さ０．１ｍｍのパンチングボードを得た。次いで、この上から粉末層ｂとして、ＳＳＣ（Ｓｍ、Ｓｒ添加コバルト酸化物）より成り、粒径2μｍである空気極材料のペーストを、スクリーン印刷により厚さ０．１２mmで塗布後、大気中１０００℃にて焼成して、ガス透過性基体を得た。このガス透過性基体の断面拡大の概略を図１に示す。

（実施例２）
多孔質基体ａとして、ＬａＣｒＯ_３より成り、厚さ０．５ｍｍ、気孔率１０％未満である酸化物焼結体を粉末焼結より得た。次いで、この表面に導電性コーティング膜ｂとして、Ｎｉより成り、膜厚０．０１ｍｍの金属皮膜を金属めっきにより設けた。次いで、この上から粉末層ｃとして、ＮｉＯ＋ＹＳＺより成り、粒径１μｍである燃料極材料のペーストを、ティッピング法により厚さ０．７ｍｍで塗布後、Ｈ_２還元雰囲気中１０５０℃にて焼成して、ガス透過性基体を得た。このガス透過性基体の断面拡大の概略を図２に示す。

（実施例３：ＳＯＦＣセル）
図３に示すように、多孔質基体ａとして、３ＹＳＺより成り、レーザー加工によりφ０．２ｍｍの細孔を設けた、厚さ０．１ｍｍのパンチングボードを得た。次いで、この表面に導電性コーティングとして、粒径１μｍのＮｉＯより成る金属酸化物スラリーを、ティッピング法により膜厚０．０１ｍｍで被覆した。次いで、この上に粉末層ｂとして、ＮｉＯ＋ＳＤＣ（Ｓｍ添加セリア）より成り、粒径２μｍである燃料極材料を、スクリーン印刷法により厚さ０．１５ｍｍで被覆後、ＳＳＺより成り粒径０．３μｍである電解質材料ｃをスクリーン印刷法により厚さ１０μｍで被覆し、大気中１２００℃にて焼成した。
この上に、ＳＳＣより成り、粒径１μｍである空気極材料ｄをスクリーン印刷法により厚さ１０μｍで被覆し大気中１０００℃にて焼成、薄膜電池要素を有するガス透過性基体（ＳＯＦＣセル）を得た。このガス透過性基体の断面拡大の概略を図４に示す。
このＳＯＦＣセルにて、６００℃で０．１Ｗ／ｃｍ^２の発電を確認した。

（実施例４）
多孔質基体ａとして、ＮｉＯより成り、レーザー加工によりφ０．１ｍｍの細孔を設けた、厚さ０．１ｍｍの酸化物焼結体を得た。次いで、この上から粉末層ｂとして、ＮｉＯ＋ＹＳＺより成り、粒径１μｍである燃料極材料のペーストを、スクリーン印刷法により厚さ０．１０ｍｍで塗布した。次いで、基体の周辺部に、Ｍｏより成り、膜厚０．０５ｍｍ、粒径１０μｍの接合部材をスクリーン印刷法により被覆後、Ｈ_２還元雰囲気中１０５０℃にて焼成して、ガス透過性基体を得た。このガス透過性基体の断面拡大の概略を図５に示す。

（実施例５）
多孔質基体ａとして、ＬａＣｒＯ_３より成り、レーザー加工によりφ０．１ｍｍの細孔を設けた、厚さ０．１ｍｍのパンチングボードを得た。次いで、この上からＮｉ＋ＳＤＣより成り、粒径２μｍである燃料極材料ｂのペーストを、スクリーン印刷により厚さ６０μｍで塗布し、更にＰｔより成り、粒径３μｍである改質層材料ｃのペーストを、スクリーン印刷により裏面より厚さ５０μｍで塗布後、大気中１０５０℃にて焼成して、ガス透過性基体を得た。このガス透過性基体の断面拡大の概略を図６に示す。

（比較例１）
多孔質基体ａとして、ＳＵＳ３０４より成り、厚さ０．２５ｍｍであり、φ０．１ｍｍである金属メッシュを、平畳織により得た。次いで、この上から粉末層ｂとして、Ｎｉ−ＳＤＣより成り、粒径２μｍである燃料極材料のペーストを、スクリーン印刷法により厚さ０．１ｍｍで塗布後、Ｈ_２還元雰囲気中１０５０℃にて焼成して、ガス透過性基体を得た。このガス透過性基体の断面拡大の概略を図７に示す。

実施例１〜５では、基体と微粒子との密着性が良好であり、薄板化されたガス透過性基体が得られた。また、実施例３では、ガス透過性基体上に更に電池要素を配設した薄型のＳＯＦＣセルを容易に得ることができた。
一方、比較例１では、金属メッシュ上に積層する粉末層が厚くなり、また基体と粉末層との接触面積が少ない、粉末層を薄くすると平滑面が得られない、研磨すると金属メッシュが凸状となってしまう。

実施例１で得られたガス透過性基体を示す断面概略図である。 実施例２で得られたガス透過性基体を示す断面概略図である。 実施例３のガス透過性基体の製造工程の一部を示す概略図である。 実施例３で得られたＳＯＦＣセルを示す断面概略図である。 実施例４で得られたガス透過性基体を示す断面概略図である。 実施例５で得られたガス透過性基体を示す断面概略図である。 比較例１で得られたガス透過性基体を示す断面概略図である。

Claims (12)

1. 上面及び／又は下面に開口を形成する複数の細孔を有する多孔質セラミックス基体に、微粒子を充填して成るガス透過性基体であって、
   上記多孔質セラミックス基体の上面及び／又は下面がほぼ平滑であることを特徴とするガス透過性基体。
2. 上記多孔質セラミックス基体の上面の３０％以上及び／又は下面の３０％以上を上記微粒子で被覆して成ることを特徴とする請求項１に記載のガス透過性基体。
3. 上記微粒子が、セラミックス、又はセラミックスと金属の複合材から成ることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス透過性基体。
4. 上記微粒子が、空気極層、燃料極層及び電極中間層から成る群より選ばれた少なくとも１種の層を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のガス透過性基体。
5. 上記多孔質セラミックス基体が、多孔質焼結体及び／又はパンチング基板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載のガス透過性基体。
6. 上記多孔質セラミックス基体が、アルミナ、シリカ、ジルコニア、セリア、ランタンクロム系酸化物及びこれらを含む化合物から成る群より選ばれた少なくとも１種のものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載のガス透過性基体。
7. 上記多孔質セラミックス基体の厚さが０．０５〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載のガス透過性基体。
8. 上記多孔質セラミックス基体が、表面に導電性材料を被覆して成ることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載のガス透過性基体。
9. 上記導電性材料が、ニッケル、銀、白金、銅、鉄、クロム及びチタンから成る群より選ばれた少なくとも１種の金属を含んで成ることを特徴とする請求項８に記載のガス透過性基体。
10. 上記微粒子が、改質触媒層及び燃料極層の２層構造を構成することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記載のガス透過性基体。
11. 上記多孔質セラミックス基体の周辺部に、モリブデン、タングステン及びこれらを含む化合物から成る群より選ばれた少なくとも１種のものを被覆したことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載のガス透過性基体。
12. 請求項１〜１１のいずれか１の項に記載のガス透過性基体を用いた固体酸化物形燃料電池であって、
    上記ガス透過性基体の上面及び／又は下面に電池要素を積層し、積層方向及び／又は積層方向とほぼ垂直な２次元方向へ複数個連結して成ることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

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