JP2006092896A - Complex electrode for solid oxide fuel cell and manufacturing method of the same - Google Patents

Complex electrode for solid oxide fuel cell and manufacturing method of the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a complex electrode for a solid oxide fuel cell not requiring high-temperature treatment like sintering, without any restriction on quality of base plates or other supporting members, capable of preventing crack, deterioration or exfoliation of the material component due to coagulation or difference of thermal expansion rate thereof, and to provide a manufacturing method of the same and a solid oxide fuel cell equipped with the above complex electrode. <P>SOLUTION: The complex electrode, formed by dispersing powder 2 composed of a second electrode material in a gas-permeable continuous layer 1 made of a first electrode material driven from solution, is formed by forming multi-layers directly on the base plate by using liquid prepared by dispersing powder made of the second electrode material in raw-material solution of a first electrode material, and by applying a wet method, preferably, a chemical solution method. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池に用いられる複合電極の製造技術に係わり、例えばサーメットとして燃料極に、あるいは複数の電極材料を複合させて空気極として使用することができ、材料成分の凝集を防止したり、熱膨張率や伝導率を調整したりすることのできる固体酸化物形燃料電池用複合電極と、このような複合電極を焼結などの高温処理を施すことなく、薄膜状に形成することができる固体酸化物形燃料電池用複合電極の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a manufacturing technique of a composite electrode used in a solid oxide fuel cell, and can be used as a fuel electrode as a cermet, or as an air electrode by combining a plurality of electrode materials, and agglomeration of material components. And a composite electrode for a solid oxide fuel cell capable of adjusting the coefficient of thermal expansion and conductivity, and a thin film without subjecting such a composite electrode to high temperature treatment such as sintering. The present invention relates to a method for producing a composite electrode for a solid oxide fuel cell that can be formed.

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ)のような固体酸化物から成る電解質と、この固体酸化物電解質を間に挟んで互いに対向する状態に配置された燃料極及び空気極から基本的に構成され、例えば600℃を超えるような高温において作動する電池であって、燃料極側に水素などの燃料ガスを供給する一方、空気極側に空気などの酸化性ガスを供給することによって電気化学反応に基づく直流電力を得ることができる。   A solid oxide fuel cell (SOFC) includes an electrolyte made of a solid oxide such as yttria-stabilized zirconia (YSZ), and a fuel electrode disposed so as to face each other with the solid oxide electrolyte interposed therebetween. And an air electrode, which operates at a high temperature exceeding 600 ° C., for example, and supplies a fuel gas such as hydrogen to the fuel electrode side, and an oxidizing gas such as air to the air electrode side Can be used to obtain DC power based on an electrochemical reaction.

固体酸化物形燃料電池の燃料極材料としては、一般に、Niのような金属材料や、Ni−YSZ、Ni−SDC(サマリウム・ドープ・セリア)、Ni−CGO(セリウム−ガリウム複合酸化物)、Cu−CeO(セリア)などのサーメット材料が用いられる。
一方、空気極材料としては、PtやPd等の金属材料や、LSM(La1−XSrMnO)、LCM(La1−XCaMnO)、LSC(La1−XSrCoO)、SSC(Sm1−XSrCoO)などの複合酸化物が用いられる。
As a fuel electrode material of a solid oxide fuel cell, in general, a metal material such as Ni, Ni—YSZ, Ni—SDC (Samarium Doped Ceria), Ni—CGO (Cerium-Gallium Composite Oxide), A cermet material such as Cu—CeO 2 (ceria) is used.
On the other hand, the air electrode material, and metal material such as Pt or Pd, LSM (La 1-X Sr X MnO 3), LCM (La 1-X Ca X MnO 3), LSC (La 1-X Sr X CoO 3 ) and composite oxides such as SSC (Sm 1-X Sr X CoO 3 ) are used.

上記電極材料のうち、燃料極として用いられるサーメットは、金属とセラミックスとの複合材料であり、複合酸化物材料から成る空気極についても、熱サイクルを受けたときの膨張差による剥離や割れを考慮すると、熱膨張係数を基板や電解質と同等なものとするために、2種あるいはそれ以上の複合酸化物材料を複合化した電極材料を使用することが望ましい。   Of the above electrode materials, the cermet used as the fuel electrode is a composite material of metal and ceramics, and the air electrode made of a composite oxide material also considers peeling and cracking due to differential expansion when subjected to a thermal cycle. Then, in order to make a thermal expansion coefficient equivalent to a board | substrate and electrolyte, it is desirable to use the electrode material which compounded 2 or more types of complex oxide materials.

このような2種以上の材料から成る複合材料の製造方法として、例えば特許文献1には、撥水性粒子を分散させたNiめっき液を用いて、基板上に複合めっきを施すことによって、Ni層に撥水性粒子を支持した撥水性被膜を形成することが開示されている。
また、特許文献2には、カソード粉末と、該粉末と同一組成のアルコキシドから成るゲルを混合してカソードスラリーを作製し、これを塗布してカソードを形成することが開示されている。
特開平07−166123号公報 特開2000−243405号公報
As a method for producing such a composite material composed of two or more materials, for example, Patent Document 1 discloses that a Ni layer is obtained by applying composite plating on a substrate using a Ni plating solution in which water-repellent particles are dispersed. It is disclosed to form a water-repellent film supporting water-repellent particles.
Patent Document 2 discloses that a cathode powder and a gel made of an alkoxide having the same composition as the powder are mixed to prepare a cathode slurry, which is applied to form a cathode.
JP 07-166123 A JP 2000-243405 A

しかしながら、上記特許文献1は、複合材料の製造方法とはいえ、撥水性被膜であって複合電極に関するものではなく、分散剤もPTFEなどの撥水性ポリマーの粒子であって、電極材料ではない。
また、特許文献2に記載されたカソード形成方法については、電極(空気極)材料に関するものであるものの、アルコキシドを表面でゲル化させた粉体を用いることから、粉体焼結工程と同様、PVB(ポリビニルブチラール)等のバインダーを用いてスラリーを作製する必要があるため、プロセスが多くなり、煩雑なものとなるという問題点がある。
However, although Patent Document 1 is a method for producing a composite material, it is a water-repellent coating and is not related to a composite electrode, and the dispersant is particles of a water-repellent polymer such as PTFE, not an electrode material.
In addition, the cathode forming method described in Patent Document 2 relates to an electrode (air electrode) material, but since a powder obtained by gelling an alkoxide on the surface is used, as in the powder sintering step, Since it is necessary to produce a slurry using a binder such as PVB (polyvinyl butyral), there is a problem that the number of processes is increased and the process becomes complicated.

本発明は、固体酸化物形燃料電池の燃料極あるいは空気極として用いられる複合電極における上記課題を解決すべくなされたものであって、その目的とするところは、焼結などの高温処理が不要で、基板や他の支持部材等に高価な耐熱材料を使用する必要がなく、材料成分の凝集や熱膨張率の相違に基づく性能劣化や、剥離、割れを防止することができる固体酸化物形燃料電池用複合電極と、電極材料粉体が均一に分散した状態の複合電極を基板上に直接、低温で薄膜状に形成することができる固体酸化物形燃料電池用複合電極の製造方法、さらにこのような複合電極を備えた固体酸化物形燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems in a composite electrode used as a fuel electrode or an air electrode of a solid oxide fuel cell, and its object is not to require high-temperature treatment such as sintering. Therefore, it is not necessary to use expensive heat-resistant materials for substrates and other support members, etc., and solid oxide forms that can prevent performance degradation, peeling, and cracking due to differences in the aggregation of materials and thermal expansion coefficients A method for producing a composite electrode for a solid oxide fuel cell, in which a composite electrode for a fuel cell and a composite electrode in which electrode material powder is uniformly dispersed can be directly formed on a substrate in a thin film at a low temperature, and An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell having such a composite electrode.

本発明者らは、上記課題を解決すべく複合電極の材料や製膜方法、条件等について鋭意検討を重ねた結果、電極材料から成る微細粉体を分散させて成る電極材料の原料溶液を用いためっき法や電気泳動法などの湿式法、とりわけ化学溶液法(CSD法)によって、焼結などの高温処理を施すことなく、溶液由来の電極材料から成るガス透過性連続層中に、粉体由来の電極材料粉末が均一に分散した状態の複合電極を薄い膜状に形成することができることを見出し、本発明を完成するに到った。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have intensively studied the material, film forming method, conditions, etc. of the composite electrode. As a result, the raw material solution of the electrode material obtained by dispersing fine powder made of the electrode material is used. In a gas permeable continuous layer made of a solution-derived electrode material, a powder is formed by a wet method such as plating or electrophoresis, especially by chemical solution method (CSD method) without performing high temperature treatment such as sintering. The inventors have found that a composite electrode in which the derived electrode material powder is uniformly dispersed can be formed into a thin film shape, and the present invention has been completed.

本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の固体酸化物形燃料電池用複合電極は、第1の電極材料から成るガス透過性連続層中に、第2の電極材料から成る粉体が分散した状態となっていることを特徴とし、本発明の電極製造方法は、上記固体酸化物形燃料電池用複合電極の製造に好適に適用されるものであって、第1の電極材料の原料溶液中に第2の電極材料から成る粉体を分散させて成る分散液を用いて、めっき法や電気泳動法、化学溶液法などの湿式法によって、基板上に直接多層成膜することを特徴としている。   The present invention is based on the above findings, and the composite electrode for a solid oxide fuel cell of the present invention is a powder made of a second electrode material in a gas permeable continuous layer made of the first electrode material. The electrode manufacturing method of the present invention is preferably applied to the manufacture of the composite electrode for a solid oxide fuel cell, wherein the first electrode material Using a dispersion obtained by dispersing the powder made of the second electrode material in the raw material solution, a multilayer film can be directly formed on the substrate by a wet method such as a plating method, an electrophoresis method, or a chemical solution method. It is a feature.

本発明によれば、第1の電極材料の原料溶液中に第2の電極材料から成る粉体を分散させた分散液を用いて、湿式法により基板上に直接多層成膜することで、溶液に起因する第1の電極材料から成るガス透過性連続層中に、粉体に起因する第2の電極材料から成る粉体が分散した状態の固体酸化物形燃料電池用複合電極を焼結などの高温処理手法を採ることなく簡略化された工程により薄膜成形することができるようになり、デバイス作製温度を低温化することができ、もって金属等安価な部材の使用が可能となる。また、第2の電極材料の使用量を低減することや細孔部へのコーティングが可能になると共に、2成分以上の電極材料を均一且つ所望の構造に分散させることができ、基材や電解質材料の熱膨張率を考慮した所望の熱膨張率に調整することが可能になるなど、極めて優れた効果がもたらされる。   According to the present invention, by using a dispersion in which a powder made of the second electrode material is dispersed in a raw material solution of the first electrode material, a multilayer film is formed directly on the substrate by a wet method. Sintering the composite electrode for a solid oxide fuel cell in which the powder composed of the second electrode material derived from the powder is dispersed in the gas permeable continuous layer composed of the first electrode material derived from Thus, it becomes possible to form a thin film by a simplified process without adopting the high-temperature treatment method, and the device manufacturing temperature can be lowered, so that an inexpensive member such as a metal can be used. In addition, it is possible to reduce the amount of the second electrode material used and to coat the pores, and to disperse the electrode material of two or more components in a uniform and desired structure, and the base material and the electrolyte It is possible to adjust to a desired thermal expansion coefficient in consideration of the thermal expansion coefficient of the material.

以下、本発明の固体酸化物形燃料電池用複合電極について、その製造方法と共にさらに詳細に説明する。   Hereinafter, the composite electrode for a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described in more detail together with its production method.

本発明の固体酸化物形燃料電池用複合電極は、図1に模式的に示すように、第1の電極材料から成るガス透過性連続層1の中に、第2の電極材料から成る粉体2が分散した状態のものであり、このような複合電極は、上記のように第1の電極材料の原料溶液中に第2の電極材料から成る粉体を分散させた分散液を用いて、湿式法により基板上に直接多層成膜することによって得ることができる。すなわち、第1の電極材料から成る上記ガス透過性連続層1は溶液に由来し、第2の電極材料から成る上記粉体2は上記溶液中に分散された第2の電極材料から成る粉体に由来することになる。   As schematically shown in FIG. 1, the composite electrode for a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a powder made of a second electrode material in a gas permeable continuous layer 1 made of a first electrode material. 2 is in a dispersed state, and such a composite electrode uses a dispersion liquid in which the powder made of the second electrode material is dispersed in the raw material solution of the first electrode material as described above. It can be obtained by directly forming a multilayer film on a substrate by a wet method. That is, the gas permeable continuous layer 1 made of the first electrode material is derived from a solution, and the powder 2 made of the second electrode material is a powder made of the second electrode material dispersed in the solution. Will come from.

湿式法とは、具体的には、めっき法、電気泳動法、化学溶液法を意味し、Ni、Cu、Pt等の金属、8YSZ(8モル%イットリウム添加安定化ジルコニア)、LSGM(ランタンガレート)等のイオン伝導性酸化物、LSM(La1−XSrMnO)、SSC(Sm1−XSrCoO)等の混合導電性酸化物等の薄膜作製の手法として用いられる。
当該湿式法においては、第1成分、すなわち第1の電極材料の構成成分を含む湿式法の原料溶液に、複合電極の第2成分である第2の電極材料から成る粉体を分散させて成膜、反応させることにより焼結の手法を取ることなく、例えばめっき法や電気泳動法の場合には室温で、化学溶液法の場合でも、例えば250〜400℃程度の温度で低温焼成することによって、第2成分粉体を電極膜中に固着させることができ、低温・低コストに成膜することができる。
Specifically, the wet method means a plating method, an electrophoresis method, a chemical solution method, a metal such as Ni, Cu, Pt, 8YSZ (8 mol% yttrium-added stabilized zirconia), LSGM (lanthanum gallate). ion conductive oxide etc., LSM (La 1-X Sr X MnO 3), is used as the SSC (Sm 1-X Sr X CoO 3) thin film forming method such as mixed conducting oxides such.
In the wet method, a powder composed of a second electrode material, which is the second component of the composite electrode, is dispersed in a raw material solution of the wet method containing the first component, that is, the constituent component of the first electrode material. By firing at a low temperature at a temperature of about 250 to 400 ° C., for example, at a room temperature in the case of a plating method or an electrophoresis method, for example, at a temperature of about 250 to 400 ° C. The second component powder can be fixed in the electrode film and can be formed at low temperature and low cost.

このとき、第2成分は第1成分と同一成分であっても、異種成分であってもよく、粉体は1種以上、数種類を併用することも可能である。なお、燃料電池用電極には、ガス透過性が求められるため、必要に応じてカーボンやポリマー等の造孔材を使用し、原料溶液中に粉体と共に分散させることができる。
また、化学溶液法では、図2に示すように、スプレーやスピンコート等によって0.05〜0.2μm程度の薄膜を多段に積層して成膜することによって、膜応力を低減しながら、分散した粒子を結着して電極層を形成することができる。
At this time, the second component may be the same component as the first component or a different component, and one or more kinds of powders may be used in combination. In addition, since the gas permeability is calculated | required for the electrode for fuel cells, pore forming materials, such as carbon and a polymer, can be used as needed, and can be disperse | distributed with a powder in a raw material solution.
In addition, in the chemical solution method, as shown in FIG. 2, thin films of about 0.05 to 0.2 μm are formed in multiple stages by spraying, spin coating, etc., thereby reducing film stress and dispersing. The particles can be bound to form an electrode layer.

なお、化学溶液法の場合、複合電極の成膜自体は、上記のような低温焼成によって可能であるが、耐久性を向上させるためには、当該燃料電池の実使用温度に近い500〜600℃、より好ましくは700℃程度の温度でアニールを施すことによりなじませる仕上げ処理を施すようにすることが望ましい。   In the case of the chemical solution method, the film formation of the composite electrode itself can be performed by low-temperature baking as described above. However, in order to improve the durability, 500 to 600 ° C. close to the actual use temperature of the fuel cell. More preferably, it is desirable to apply a finishing treatment to be adapted by annealing at a temperature of about 700 ° C.

上記第1成分は、上記したように、めっき法、電気泳動法、化学溶液法等の湿式法で成膜されるが、これらのうち化学溶液法(CSD法)を採用することが望ましい。
化学溶液法とは、金属アルコキシドや、金属アセチルアセトナート、金属酢酸塩、シュウ酸塩等のカルボン酸酸塩、ナフテン酸塩、オクチル酸塩、金属硝酸塩、塩化物、オキシ塩化物等、溶液状の薬剤を出発原料とし、これをスピンコートや、ディッピング、スプレー、静電噴霧法、熱スプレー分解法(SPD法)等の手法により塗布し、加熱その他で反応を進行させることによって、金属及び/又は金属酸化物層を形成する方法であって、このようなCSD溶液を用いることにより、基板上に多種金属から構成される電極材料(LSGM、8YSZ、SDC、LSM、SSC等)の薄膜を容易に調製することができ、条件によってはナノサイズの微粒子を電極表面に作製することも可能である。
As described above, the first component is formed by a wet method such as a plating method, an electrophoresis method, or a chemical solution method. Among these, it is desirable to employ a chemical solution method (CSD method).
Chemical solution method means metal alkoxide, metal acetylacetonate, metal acetate, carboxylate such as oxalate, naphthenate, octylate, metal nitrate, chloride, oxychloride, etc. The starting material is used as a starting material, and this is applied by spin coating, dipping, spraying, electrostatic spraying, thermal spray decomposition (SPD method), etc. Alternatively, it is a method of forming a metal oxide layer, and by using such a CSD solution, a thin film of electrode materials (LSGM, 8YSZ, SDC, LSM, SSC, etc.) composed of various metals can be easily formed on the substrate. Depending on conditions, nano-sized fine particles can be produced on the electrode surface.

CSD溶液を用いることにより、当該溶液中に分散した第2成分粉体を第1成分から成る薄膜中に固着することができ、また薄膜中の粉体2は、第1成分の連続層1で覆われているが(図1参照)、薄膜であるため、ガスの透過も起こりやすく、第1成分も電極材料としての機能を充分に果たすことができる。   By using the CSD solution, the second component powder dispersed in the solution can be fixed in the thin film composed of the first component, and the powder 2 in the thin film is a continuous layer 1 of the first component. Although it is covered (see FIG. 1), since it is a thin film, gas permeation easily occurs, and the first component can sufficiently function as an electrode material.

本発明の複合電極の厚さとしては、10μm以下、より好ましくは2μm以下とすることがよい。
すなわち、電極の厚さが10μmを超えると、膜応力による剥離やクラック等が起こり易くなると共に、電解質へのガス供給が不充分となって電池機能が低下する傾向がある。湿式法で形成された電極層は薄膜となるので、第2成分である粉体を被覆しても、薄膜であればガスを透過することができ、必ずしも多孔質構造としなくても複合電極として機能させることができる。
The thickness of the composite electrode of the present invention is preferably 10 μm or less, more preferably 2 μm or less.
That is, when the thickness of the electrode exceeds 10 μm, peeling or cracking due to film stress is likely to occur, and gas supply to the electrolyte is insufficient, and the battery function tends to deteriorate. Since the electrode layer formed by the wet method is a thin film, even if the powder as the second component is coated, the thin film can pass the gas as long as it is a thin film. Can function.

また、第2成分粉体の粒径については、0.1〜3μm、より好ましくは0.2〜1μmの範囲とすることが望ましい。
すなわち、粉体の粒子径が0.1μmに満たないときには、凝集による分散不良が起こり易く、逆に3μmを超えた場合には、薄膜状の電極層中に十分に拡散させることが困難となる傾向があることによる。
The particle size of the second component powder is desirably in the range of 0.1 to 3 μm, more preferably 0.2 to 1 μm.
That is, when the particle size of the powder is less than 0.1 μm, poor dispersion due to aggregation is likely to occur, and conversely, when it exceeds 3 μm, it is difficult to sufficiently diffuse into the thin film electrode layer. Due to the tendency.

第1成分、すなわち第1の電極材料としては、イオン導電性及び/又は混合導電性を有する酸化物を選択することができる。このような酸化物材料としては、酸素イオン伝導性などを有する従来公知の電解質材料、例えば酸化ネオウジム(Nd)、酸化サマリウム(Sm)、イットリア(Y)、酸化スカンジウム(Sc)及び酸化ガドリニウム(Gd)などを固溶した安定化ジルコニアや、セリア(CeO)系固溶体、酸化ビスマス固溶体及びLaGa固溶体ぺロブスカイトなどを好適に使用することができ、ゾルゲル法などの化学溶液法によって成膜することができる。
また、ランタンコバルト系酸化物(LSC)、ランタンマンガン系酸化物(LSM、LCM)、サマリウムコバルト系酸化物(SSC)等空気極材料を好適に使用することができる。
As the first component, that is, the first electrode material, an oxide having ionic conductivity and / or mixed conductivity can be selected. Examples of such oxide materials include conventionally known electrolyte materials having oxygen ion conductivity, such as neodymium oxide (Nd 2 O 3 ), samarium oxide (Sm 2 O 3 ), yttria (Y 2 O 3 ), and oxidation. Preferably, stabilized zirconia in which scandium (Sc 2 O 3 ), gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ), or the like is dissolved, ceria (CeO 2 ) solid solution, bismuth oxide solid solution, LaGa solid solution perovskite, or the like is preferably used. The film can be formed by a chemical solution method such as a sol-gel method.
Moreover, air electrode materials, such as a lanthanum cobalt type oxide (LSC), a lanthanum manganese type oxide (LSM, LCM), and a samarium cobalt type oxide (SSC), can be used conveniently.

すなわち、第1の電極材料として、上記のような電解質材料(イオン伝導性酸化物)を使用し、第2の電極材料として、金属及び/又は金属酸化物から成る粉体、例えばNi、NiO、Cu、CuOなどを選択することによって、電極材料から成る連続層中に金属粉体が分散したサーメットとすることができ、燃料極として機能させることができる。
この場合、金属粉の周囲をイオン伝導性酸化物が覆っているため、電解質層との密着性に優れ、イオンのパスができ易い燃料極となる。
That is, an electrolyte material (ion conductive oxide) as described above is used as the first electrode material, and a powder made of metal and / or metal oxide, such as Ni, NiO, By selecting Cu, CuO or the like, it is possible to obtain a cermet in which metal powder is dispersed in a continuous layer made of an electrode material, and to function as a fuel electrode.
In this case, since the ion conductive oxide covers the periphery of the metal powder, the fuel electrode has excellent adhesion to the electrolyte layer and can easily pass ions.

また、第1及び第2の電極材料として、上記のような空気極材料(混合導電性酸化物)同士を選択した場合には、空気極として機能させることができ、材料の組合せによって熱膨張係数などの調整が可能となり、基板や電解質との熱膨張差を解消して、割れや剥離を防止することができる。なお、同種の空気極材料を組合わせた場合には、低温で粉体を結着させることができ、同種なのでなじみが良く、粒界抵抗が低減された電極の低温成膜が可能となる。   In addition, when the above-described air electrode materials (mixed conductive oxides) are selected as the first and second electrode materials, they can function as an air electrode, and the coefficient of thermal expansion depends on the combination of materials. Such adjustments can be made, the difference in thermal expansion from the substrate and the electrolyte can be eliminated, and cracking and peeling can be prevented. When the same type of air electrode material is combined, the powder can be bound at a low temperature, and since it is the same type, the familiarity is good and the electrode can be formed at a low temperature with reduced grain boundary resistance.

一方、金属及び/又は金属酸化物、例えばNi、NiO、Pt、Pd、Ru、Cu、CuO、Fe、Au、Ag、Co、Mo、W、Crなどを第1の電極材料として選択することもできる。これらは、めっきや、ゾルゲル法等の化学溶液法で成膜することができ、このような材料が特に貴金属である場合、化学溶液法であれば、機能の必要な表層の近傍部のみに薄く配置することができ、高価な原料の使用量を低減することが可能になる。   On the other hand, metals and / or metal oxides such as Ni, NiO, Pt, Pd, Ru, Cu, CuO, Fe, Au, Ag, Co, Mo, W, Cr, etc. may be selected as the first electrode material. it can. These can be formed by plating or a chemical solution method such as a sol-gel method. When such a material is a precious metal, the chemical solution method can be used to form a thin film only in the vicinity of the surface layer that requires a function. The amount of expensive raw materials used can be reduced.

具体的には、第1の電極材料として上記のような金属及び/又は金属酸化物(例えばNi、NiO、Cu、CuOなど)を使用し、第2の電極材料として上記のような電解質材料(イオン伝導性酸化物)を選択することによって、金属から成る連続層中に電解質材料の粉体が分散した状態のサーメットとすることができ、燃料極として機能させることができる。また、第2の電極材料としてこの場合、イオン伝導性酸化物の周囲を金属が覆っている構造となっているので、電子のパスができ易い燃料極となる。
第1の電極材料として上記のような金属及び/又は金属酸化物(例えばAg、Pt、Fe、Co、Ce、Ni及びそれらの酸化物など)を使用し、第2の電極材料として上記のような空気極材料(電子伝導性複合酸化物)を選択することによって、金属から成る連続層中に空気極材料の粉体が分散した状態の複合電極とすることができ、空気極として機能させることができる。この場合、電子伝導性酸化物の周囲を金属が覆っている構造となっているので、電子のパスができ易い空気極となる。
Specifically, the metal and / or metal oxide (for example, Ni, NiO, Cu, CuO, etc.) as described above is used as the first electrode material, and the electrolyte material (as described above) is used as the second electrode material. By selecting the ion conductive oxide), it is possible to obtain a cermet in which the powder of the electrolyte material is dispersed in the continuous layer made of metal, and to function as a fuel electrode. Further, in this case, the second electrode material has a structure in which the metal is covered around the ion conductive oxide, so that the fuel electrode can easily pass an electron.
A metal and / or metal oxide (for example, Ag, Pt, Fe, Co, Ce, Ni and their oxides) as described above is used as the first electrode material, and the above as the second electrode material. By selecting a suitable air electrode material (electron-conducting composite oxide), a composite electrode in which powder of the air electrode material is dispersed in a continuous layer of metal can be made to function as an air electrode. Can do. In this case, since the structure is such that the metal is covered around the electron conductive oxide, the air electrode is easy to pass electrons.

さらに、本発明の複合電極は、上記したように固体酸化物形燃料電池の燃料極あるいは空気極として使用することができ、上記した複合電極をガス透過性基体や電解質基板上に成膜したり、電極基板上に電解質、次いでその上にこの複合電極を積層したりすることによって、固体酸化物形燃料電池単セルとし、これら単セルを複数個スタックすることによって本発明の固体酸化物形燃料電池を得ることができる。   Furthermore, the composite electrode of the present invention can be used as a fuel electrode or an air electrode of a solid oxide fuel cell as described above, and the composite electrode described above can be formed on a gas permeable substrate or an electrolyte substrate. A solid oxide fuel cell unit cell is formed by laminating an electrolyte on an electrode substrate and then this composite electrode on the electrode substrate, and the solid oxide fuel of the present invention is stacked by stacking a plurality of these single cells. A battery can be obtained.

当該固体酸化物形燃料電池においては、薄膜化された複合電極を備えているので、スタックが薄型・軽量化されると共に、電極の成膜に際して焼結などの高温処理が不要であることから、ステンレス鋼など安価な金属材料を支持部材として使用することができ、材料及び製造コストの削減が可能となる。さらに、電極が2以上の電極材料が均一に分散した複合構造をなしていることから電極性能を向上させたり、熱膨張率を調整したりすることができ、高性能で長寿命の燃料電池とすることができる。   In the solid oxide fuel cell, since the thin composite electrode is provided, the stack is thinned and lightened, and high temperature treatment such as sintering is not required when forming the electrode. An inexpensive metal material such as stainless steel can be used as the support member, and the material and the manufacturing cost can be reduced. Furthermore, since the electrode has a composite structure in which two or more electrode materials are uniformly dispersed, the electrode performance can be improved and the coefficient of thermal expansion can be adjusted. can do.

なお、本発明の固体酸化物形燃料電池の電解質材料としては、特に限定されず、公知の電解質材料、例えばYSZ、SSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープトセリア)、LSGM(ランタンガレート)などを用いることができる。   The electrolyte material of the solid oxide fuel cell of the present invention is not particularly limited, and known electrolyte materials such as YSZ, SSZ (scandium stabilized zirconia), SDC (samarium doped ceria), LSGM (lanthanum gallate). ) Etc. can be used.

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ないことは言うまでもない。また、本実施例において、「%」は特記しない限り質量百分率を示す。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. Needless to say, the present invention is not limited to these examples. Further, in this example, “%” indicates mass percentage unless otherwise specified.

実施例1
(1)多孔質基体の形成
厚さ0.1mmのフェライト系ステンレス鋼SUS430から成る金属箔にケミカルエッチングを施すことによって微小孔を穿孔し、気孔率70%の多孔質基体11を得た。
Example 1
(1) Formation of a porous substrate A fine hole was formed by performing chemical etching on a metal foil made of ferritic stainless steel SUS430 having a thickness of 0.1 mm to obtain a porous substrate 11 having a porosity of 70%.

(2)燃料極層の形成
上記多孔質基体11の多孔質表面に、スクリーン印刷法によってNi−SSZペーストを塗布し、開口部内に充填し、これを1000℃に還元性雰囲気で焼成することによって、気孔率30%のNi−SSZサーメットから成る燃料極12を形成した。
(2) Formation of fuel electrode layer By applying a Ni-SSZ paste on the porous surface of the porous substrate 11 by screen printing, filling it into the opening, and firing it at 1000 ° C. in a reducing atmosphere. A fuel electrode 12 made of Ni-SSZ cermet having a porosity of 30% was formed.

(3)電解質層の形成
8YSZ原料溶液(8モル%Yとなるように配合した塩化イットリウム及びアセチルアセトナトジルコニウムの0.2Mエタノール+ブチルカルビトール溶液をスプレー熱分解法によって、500℃に加熱した上記多孔質基体にスプレーし、8YSZから成る電解質層13を2μmの厚さに形成し、不活性雰囲気中700℃でアニールした。
(3) Formation of electrolyte layer 8 YSZ raw material solution (0.2 M ethanol + butyl carbitol solution of yttrium chloride and acetylacetonatozirconium compounded to 8 mol% Y 2 O 3 was sprayed at 500 ° C. by spray pyrolysis. The porous substrate heated to 1 mm was sprayed to form an electrolyte layer 13 made of 8YSZ to a thickness of 2 μm and annealed at 700 ° C. in an inert atmosphere.

(4)空気極の形成
続いて、平均粒径0.3μmのSSC粉末をSSC原料溶液(Sm0.5Sr0.5CoOとなるように配合した硝酸サマリウム、塩化ストロンチウム及び硝酸コバルトの0.05Mエタノール+ブチルカルビトール溶液中に5%分散させた分散液をスプレー熱分解法によって、500℃に加熱した上記多孔質基体に20回スプレーし、SSCから成る気孔率30%のガス透過性連続層中に、同じくSSCから成る粉体が均一に分散した複合構造の空気極層14を1μmの厚さに形成し、図3に示すような固体酸化物形燃料電池の単セルを得た。
(4) Formation of air electrode Subsequently, SSC powder having an average particle size of 0.3 μm was mixed with SSC raw material solution (Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 , samarium nitrate, strontium chloride and cobalt nitrate 0 A dispersion obtained by dispersing 5% in a 0.05M ethanol + butyl carbitol solution was sprayed 20 times on the porous substrate heated to 500 ° C. by a spray pyrolysis method, and a gas permeability of 30% porosity consisting of SSC. In the continuous layer, an air electrode layer 14 having a composite structure in which powders of SSC were also uniformly dispersed was formed to a thickness of 1 μm to obtain a single cell of a solid oxide fuel cell as shown in FIG. .

(5)評価
このようにして得られた単セルの発電性能を600℃において測定した結果、発電出力は0.1W/cmであることが確認された。
(5) Evaluation As a result of measuring the power generation performance of the single cell thus obtained at 600 ° C., it was confirmed that the power generation output was 0.1 W / cm 2 .

実施例2
(1)多孔質基体の形成
Ni粉末を800℃にて焼結することによって得られた気孔率90%、厚さ0.2mmの発泡ニッケル15の周囲に、フェライト系ステンレス鋼SUS430から成るフレーム16を拡散接合し、これを多孔質基体として使用した。
Example 2
(1) Formation of porous substrate Frame 16 made of ferritic stainless steel SUS430 around nickel foam 15 having a porosity of 90% and a thickness of 0.2 mm obtained by sintering Ni powder at 800 ° C. Were diffusion bonded and used as a porous substrate.

(2)燃料極層の形成
上記多孔質基体に、硝酸ニッケルの10%水溶液中に、平均粒径0.3μmのSDC粉末を10%分散させた分散液をめっき液として使用して電解めっきを施し、当該基体における発泡ニッケル15のフレーム16からの露出部分に、Niから成り気孔率10%のガス透過性連続層中に、SDC粉末が均一に分散した構造(Ni−SDCサーメット)の燃料極12を5μmの厚さに形成した。
(2) Formation of fuel electrode layer Electrolytic plating is performed using a dispersion liquid in which 10% of an SDC powder having an average particle size of 0.3 μm is dispersed in a 10% aqueous solution of nickel nitrate as a plating solution. And a fuel electrode having a structure (Ni-SDC cermet) in which SDC powder is uniformly dispersed in a gas permeable continuous layer made of Ni and having a porosity of 10% on the exposed portion of the nickel foam 15 from the frame 16 on the substrate. 12 was formed to a thickness of 5 μm.

(3)電解質層の形成
上記燃料極12の上に、700℃においてYSZをスパッタ法によって3μmの厚さに成膜し、YSZから成る電解質層13を形成した。
(3) Formation of Electrolyte Layer On the fuel electrode 12, YSZ was formed to a thickness of 3 μm by sputtering at 700 ° C. to form an electrolyte layer 13 made of YSZ.

(4)空気極の形成
続いて、LSCを室温にて、スパッタ法によりLSCから成る気孔率20%の空気極層14を0.5μmの厚さに形成し、図4に示すような固体酸化物形燃料電池の単セルを得た。
(4) Formation of air electrode Subsequently, the LSC is formed at room temperature and the air electrode layer 14 having a porosity of 20% made of LSC is formed by sputtering to a thickness of 0.5 μm, and solid oxidation as shown in FIG. A single cell of a physical fuel cell was obtained.

(5)評価
このようにして得られた単セルの発電性能を600℃において測定した結果、発電出力は0.08W/cmであることが確認された。
(5) Evaluation As a result of measuring the power generation performance of the single cell thus obtained at 600 ° C., it was confirmed that the power generation output was 0.08 W / cm 2 .

実施例3
(1)多孔質基体の形成
厚さ0.2mmのニッケル箔の中央部にケミカルエッチングを施すことによって微小孔を穿孔し、気孔率50%の多孔質基体17を得た。
Example 3
(1) Formation of porous substrate A fine hole was formed by applying chemical etching to the central part of a 0.2 mm thick nickel foil to obtain a porous substrate 17 having a porosity of 50%.

(2)燃料極層の形成
上記多孔質基体17中央部の孔質表面に、平均粒径0.3μmの8YSZ粉末を20%分散させた硝酸ニッケルの10%水溶液をスピンコート法によって塗布し、乾燥した後、500℃で焼成した。そして、このような塗布−乾燥−焼成というサイクルを2μmの膜厚となるまで繰返すことによって、Niから成るガス透過性連続層中に、8YSZ粉末が均一に分散した構造(Ni−8YSZサーメット)の燃料極12を形成した。
(2) Formation of fuel electrode layer A 10% aqueous solution of nickel nitrate in which 20% of 8YSZ powder having an average particle size of 0.3 μm is dispersed is applied to the porous surface at the center of the porous substrate 17 by a spin coating method. After drying, it was fired at 500 ° C. Then, by repeating such a coating-drying-firing cycle until a film thickness of 2 μm is obtained, a structure (Ni-8YSZ cermet) in which 8YSZ powder is uniformly dispersed in a gas-permeable continuous layer made of Ni. A fuel electrode 12 was formed.

(3)電解質層の形成
EB蒸着法によって、700℃の温度でYSZを10μmの厚さに成膜し、YSZから成る電解質層13を上記燃料極12の上に形成した。
(3) Formation of Electrolyte Layer YSZ was formed to a thickness of 10 μm at a temperature of 700 ° C. by EB vapor deposition, and an electrolyte layer 13 made of YSZ was formed on the fuel electrode 12.

(4)空気極の形成
そして、平均粒径0.5μmのSSC粉末を5%分散させたSDC原料溶液(Ce0.8Sm0.21.9となるように配合した硝酸セリア、硝酸サマリウム水溶液をスプレー熱分解法によって、500℃に加熱した上記多孔質基体に20回スプレーするこおによって、空気極層14を0.5μmの厚さに形成し、図5に示すような固体酸化物形燃料電池の単セルを得た。
(4) Formation of air electrode Then, 5% of SSC powder having an average particle diameter of 0.5 μm is dispersed in an SDC raw material solution (Ce nitrate, nitric acid blended to become Ce 0.8 Sm 0.2 O 1.9) By spraying the samarium aqueous solution 20 times on the porous substrate heated to 500 ° C. by spray pyrolysis, the air electrode layer 14 is formed to a thickness of 0.5 μm, and the solid oxidation as shown in FIG. A single cell of a physical fuel cell was obtained.

(5)評価
このようにして得られた単セルの発電性能を600℃において測定した結果、発電出力は0.1W/cmであることが確認された。
(5) Evaluation As a result of measuring the power generation performance of the single cell thus obtained at 600 ° C., it was confirmed that the power generation output was 0.1 W / cm 2 .

本発明の固体酸化物形燃料電池用複合電極の構造を概念的に示す模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view conceptually showing the structure of a composite electrode for a solid oxide fuel cell of the present invention. 本発明の固体酸化物形燃料電池用複合電極の積層方法を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the lamination | stacking method of the composite electrode for solid oxide fuel cells of this invention. 本発明の第1の実施例に係わる固体酸化物形燃料電池の積層構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the laminated structure of the solid oxide fuel cell concerning the 1st Example of this invention. 本発明の第2の実施例に係わる固体酸化物形燃料電池の積層構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the laminated structure of the solid oxide fuel cell concerning the 2nd Example of this invention. 本発明の第3の実施例に係わる固体酸化物形燃料電池の積層構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the laminated structure of the solid oxide fuel cell concerning the 3rd Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 ガス透過性連続層(第1の電極材料)
2 粉体(第2の電極材料)
1 Gas-permeable continuous layer (first electrode material)
2 Powder (second electrode material)

Claims (14)

第1の電極材料から成るガス透過性連続層中に、第2の電極材料から成る粉体を分散させて成ることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用複合電極。   A composite electrode for a solid oxide fuel cell, wherein a powder made of a second electrode material is dispersed in a gas permeable continuous layer made of a first electrode material. 第1の電極材料から成るガス透過性連続層が溶液に由来し、上記粉体が上記溶液中に分散された第2の電極材料から成る粉体に由来す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複合電極。   The gas permeable continuous layer made of a first electrode material is derived from a solution, and the powder is derived from a powder made of a second electrode material dispersed in the solution. A composite electrode for a solid oxide fuel cell as described. 上記粉体が2種以上の成分から成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複合電極。   The composite electrode for a solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the powder comprises two or more components. 厚さが10μm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複合電極。   The composite electrode for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the thickness is 10 µm or less. 上記粉体の粒径が0.1〜3μmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用複合電極。   5. The composite electrode for a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the powder has a particle size of 0.1 to 3 μm. 第1の電極材料がイオン伝導性及び/又は混合伝導性を備えた酸化物であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用複合電極。   The composite electrode for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the first electrode material is an oxide having ion conductivity and / or mixed conductivity. . 第2の電極材料がイオン伝導性及び/又は混合伝導性を備えた酸化物であって、空気極として機能することを特徴とする請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池用複合電極。   The composite electrode for a solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein the second electrode material is an oxide having ion conductivity and / or mixed conductivity and functions as an air electrode. 第2の電極材料が金属及び/又は金属酸化物であって、燃料極として機能することを特徴とする請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池用複合電極。   The composite electrode for a solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein the second electrode material is a metal and / or a metal oxide and functions as a fuel electrode. 第1の電極材料が金属及び/又は金属酸化物であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用複合電極。   The composite electrode for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the first electrode material is a metal and / or a metal oxide. 第2の電極材料が金属及び/又は金属酸化物であることを特徴とする請求項9に記載の固体酸化物形燃料電池用複合電極。   The composite electrode for a solid oxide fuel cell according to claim 9, wherein the second electrode material is a metal and / or a metal oxide. 第2の電極材料がイオン伝導性及び/又は混合伝導性を備えた酸化物であって、燃料極として機能することを特徴とする請求項9に記載の固体酸化物形燃料電池用複合電極。   The composite electrode for a solid oxide fuel cell according to claim 9, wherein the second electrode material is an oxide having ion conductivity and / or mixed conductivity, and functions as a fuel electrode. 第1の電極材料の原料溶液中に第2の電極材料から成る粉体を分散させて成る分散液を用いて、湿式法により基板上に直接多層成膜することを特徴とする固体酸化物形燃料電池用複合電極の製造方法。   A solid oxide form characterized in that a multilayer film is formed directly on a substrate by a wet method using a dispersion obtained by dispersing a powder of the second electrode material in a raw material solution of the first electrode material A method for producing a composite electrode for a fuel cell. 湿式法が化学溶液法であることを特徴とする請求項12に記載の固体酸化物形燃料電池用複合電極の製造方法。   13. The method for producing a composite electrode for a solid oxide fuel cell according to claim 12, wherein the wet method is a chemical solution method. 請求項1〜11のいずれか1つの項に記載の複合電極を備えたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。   A solid oxide fuel cell comprising the composite electrode according to any one of claims 1 to 11.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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