JP2008257890A - Current collecting material for fuel electrode, and solid oxide fuel cell using it - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a current collecting material for a fuel electrode, along with a solid oxide fuel cell, for improved adhesion between a current collecting body and a fuel electrode, as well as durability and outputs. <P>SOLUTION: A collecting material 4 is attached to the fuel electrode of a solid oxide fuel cell. It comprises a partial oxidized active material and an electron conductive material included in the fuel electrode. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスにより動作する固体酸化物形燃料電池の燃料極に取り付けられる燃料極用集電材およびそれを有する固体酸化物形燃料電池に関する。 The present invention relates to a current collector for a fuel electrode attached to a fuel electrode of a solid oxide fuel cell operated by a fuel gas and an oxidant gas, and a solid oxide fuel cell having the same.

燃料電池とは外部からの燃料供給と燃焼生成物の排気とを連続的に行いながら、燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる電池である。燃料電池の種類は電解質により分類され、電解質にイオン伝導性を持つ金属酸化物を用いたものを固体酸化物形燃料電池と呼んでいる。
この固体酸化物形燃料電池では、空気極側に酸素(空気)が、燃料極側に燃料ガス(H2,CH4等)が供給される。空気極側に供給された酸素は、空気極内の気孔を通って電解質との界面近傍に到達し、この部分で空気極から電子を受け取って酸素イオン(O2-)へイオン化される。この酸素イオンは燃料極の方向へ向かって電解質内を移動(拡散)する。そして、燃料極との界面近傍に到達した酸素イオンは、この部分で燃料ガスと反応して反応生成物(H2O,CO2等)となり同時に電子を放出する。この電子は、外部電気回路を通って電気的な仕事をした後、空気極へ到達する。その為、電子を効率良く取り出す為に、各電極上に集電体が形成されている。
A fuel cell is a cell that can directly convert chemical energy generated when fuel is oxidized into electric energy while continuously supplying fuel from the outside and exhausting combustion products. The types of fuel cells are classified according to the electrolyte, and those using metal oxides having ion conductivity for the electrolyte are called solid oxide fuel cells.
In this solid oxide fuel cell, oxygen (air) is supplied to the air electrode side and fuel gas (H 2 , CH 4, etc.) is supplied to the fuel electrode side. Oxygen supplied to the air electrode side passes through the pores in the air electrode and reaches the vicinity of the interface with the electrolyte. At this portion, electrons are received from the air electrode and ionized to oxygen ions (O 2− ). The oxygen ions move (diffuse) in the electrolyte toward the fuel electrode. The oxygen ions that reach the vicinity of the interface with the fuel electrode react with the fuel gas at this portion to become reaction products (H 2 O, CO 2, etc.) and simultaneously release electrons. The electrons reach the air electrode after performing electrical work through an external electric circuit. Therefore, a current collector is formed on each electrode in order to efficiently extract electrons.

集電材としては、酸化あるいは還元雰囲気に対する耐性を持った金属から成るものを用いる場合が多く、電極との接触をよくするために弾力性を持たせている場合が多い。具体的には、Pt、Ni、Agなどの金属のバネ板や、発泡金属、金属メッシュなどを電極表面に押し付けて集電材とし、この集電材から外部回路へ出力を取り出す。集電材の集電性能は、電極層と集電材の接合状態によって左右され接合が不十分な場合には電極層と集電体間の抵抗が増大し、出力が低下してしまう。したがって、集電材は電極層に確実に接合されている必要がある。これを防止する為、集電材に燃料極材料を塗布し、この集電材を燃料極内へ埋設する方法も提案されていた。
実開昭63−106063号公報 特開2005−317274
As the current collector, a material made of a metal having resistance to an oxidizing or reducing atmosphere is often used, and in many cases, elasticity is given to improve contact with the electrode. Specifically, a metal spring plate of Pt, Ni, Ag, or the like, a foam metal, a metal mesh, or the like is pressed against the electrode surface to form a current collector, and an output is extracted from the current collector to an external circuit. The current collecting performance of the current collector is affected by the bonding state between the electrode layer and the current collector, and when the bonding is insufficient, the resistance between the electrode layer and the current collector increases and the output decreases. Therefore, the current collector needs to be securely bonded to the electrode layer. In order to prevent this, a method of applying a fuel electrode material to a current collector and embedding the current collector in the fuel electrode has been proposed.
Japanese Utility Model Publication No. 63-106063 JP 2005-317274 A

ところが、一般的な金属材料を集電材として用いた場合、動作温度が600〜800℃になると、金属材料自身が持っている内部応力や、昇降温時における熱膨張係数の違いにより、燃料極からの集電体の剥離が発生することがある。 However, when a general metal material is used as a current collector, when the operating temperature reaches 600 to 800 ° C., the difference between the internal stress of the metal material itself and the coefficient of thermal expansion at the time of temperature rise and fall is caused by the fuel electrode. Peeling of the current collector may occur.

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、集電材と燃料極との界面での剥がれを防止することが可能であり、また炭化水素系ガスを直接導入でき、低温での発電も可能な燃料極用集電材およびこれを有する固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve such problems, and can prevent peeling at the interface between the current collector and the fuel electrode, and can directly introduce a hydrocarbon-based gas at a low temperature. It is an object of the present invention to provide a current collector for a fuel electrode that can also generate electricity and a solid oxide fuel cell having the same.

本発明は、
固体酸化物燃料電池の燃料極に取り付けられる集電材であって、上記問題を解決するためになされたものであり、前記燃料極に含有される電子導電材と、部分酸化活性材を含有している。
本発明に係る集電材によれば、燃料極に含有される電子導電材を有しているため、燃料極との密着性を向上させることができ、熱膨張係数の差を抑えられることから運転中の剥がれを防止することができる。また、部分酸化活性材を合わせて含有しているため、直接、炭化水素ガスを導入でき、低温でも出力向上が可能となる利点がある。
また、本発明に係る集電材によれば、燃料極に含有される電子導電性材および部分酸化活性材料を含有する。電子導電性材は酸化物体を用いている為、炭化水素系ガスの内部改質反応時に電子導電性材の酸化物体自体は還元されるので、多孔質膜となり、燃料極へのガスの透過性を確保できる利点を持つ。
・ 燃料極に含有される電子導電材は、鉄族から選択された少なくとも1つの元素から構成することができる。そのような電子導電材として、例えば、ニッケルを用いることができる。
The present invention
A current collector attached to a fuel electrode of a solid oxide fuel cell, which is made to solve the above-mentioned problem, and contains an electronic conductive material contained in the fuel electrode and a partial oxidation active material. Yes.
According to the current collector according to the present invention, since it has the electronic conductive material contained in the fuel electrode, the adhesion with the fuel electrode can be improved and the difference in thermal expansion coefficient can be suppressed. The peeling inside can be prevented. Moreover, since the partial oxidation active material is contained together, there is an advantage that the hydrocarbon gas can be directly introduced and the output can be improved even at a low temperature.
In addition, the current collector according to the present invention contains the electronic conductive material and the partial oxidation active material contained in the fuel electrode. Since the electronic conductive material uses an oxide body, the oxide body of the electronic conductive material itself is reduced during the internal reforming reaction of the hydrocarbon-based gas, so that it becomes a porous film and the gas permeability to the fuel electrode Has the advantage of ensuring.
The electronic conductive material contained in the fuel electrode can be composed of at least one element selected from the iron group. As such an electronic conductive material, for example, nickel can be used.

部分酸化活性材は、白金族元素、バナジウム族元素から選択された少なくとも1つの元素から構成することができる。   The partial oxidation active material can be composed of at least one element selected from a platinum group element and a vanadium group element.

部分酸化活性材は、例えば、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、ニオブ、タンタルから選択された少なくとも1つの元素から構成することができる。   The partial oxidation active material can be composed of at least one element selected from, for example, platinum, ruthenium, rhodium, palladium, vanadium, niobium, and tantalum.

また、部分酸化活性材は、60〜70重量%含有されていることが好ましい。これは、60重量%より小さくなると、部分酸化活性が低下し電池の起電力が低下するおそれがあり、70重量%を超えると電子導電性材料の含有率が減るため、燃料極からの剥がれが生じやくなるからである。   Moreover, it is preferable that 60-70 weight% of partial oxidation active materials are contained. If it is less than 60% by weight, the partial oxidation activity may be reduced and the electromotive force of the battery may be reduced. If it exceeds 70% by weight, the content of the electronically conductive material is reduced, so that peeling from the fuel electrode is not possible. This is because it tends to occur.

また、集電材には、さらにガラスフリットを添加することができる。これにより、集電材をより燃料極に密着させることができる。このガラスフリットは、ホウケイ酸鉛系、ホウケイ酸ビスマス系、酸化鉛系、酸化ビスマス系、または酸化ケイ素系の少なくとも一つにより構成することができる。   Further, a glass frit can be further added to the current collector. Thereby, the current collector can be more closely attached to the fuel electrode. This glass frit can be composed of at least one of lead borosilicate, bismuth borosilicate, lead oxide, bismuth oxide, or silicon oxide.

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、上記問題を解決するためになされたものであり、電解質と、前記電解質の表面に配置された燃料極と、前記電解質の表面に、前記燃料極とは離間して配置された空気極と、前記燃料極上に配置された上記燃料極用集電材と、を備えている。   In addition, a solid oxide fuel cell according to the present invention is made to solve the above problems, and includes an electrolyte, a fuel electrode disposed on the surface of the electrolyte, and the fuel on the surface of the electrolyte. And an air electrode disposed apart from the electrode, and the fuel electrode current collector disposed on the fuel electrode.

この燃料電池は、電解質の同じ面に、所定間隔をおいて燃料極と空気極を配置するいわゆる表面伝導型でもよいし、あるいは扁平状の電解質の一方面及び他方面に、燃料極および空気極をそれぞれ配置した平板型で構成することもできる。   This fuel cell may be a so-called surface conduction type in which a fuel electrode and an air electrode are arranged at a predetermined interval on the same surface of an electrolyte, or a fuel electrode and an air electrode on one surface and the other surface of a flat electrolyte. It is also possible to configure a flat plate type in which each is arranged.

燃料極用集電材は、印刷形成後、焼結することにより形成され、ガス透過性を有する多孔性であることが好ましい。燃料極用集電材を多孔性とする場合は、気孔率が5%以上であることが好ましい。   The fuel electrode current collector is preferably formed by sintering after printing and is porous with gas permeability. When the fuel electrode current collector is made porous, the porosity is preferably 5% or more.

また、燃料極の少なくとも一部が外部に露出するように、当該燃料極上に、燃料極用集電材を印刷形成することができる。これにより、ガス拡散性が向上する。   Further, the current collector for the fuel electrode can be printed on the fuel electrode so that at least a part of the fuel electrode is exposed to the outside. Thereby, gas diffusibility improves.

燃料極用集電材は、種々の態様で形成することができるが、例えば、規則性を持つパターンで、燃料極上に形成することができる。例えば、格子状にパターン形成することにより燃料極が露出するため、ガス拡散性を向上させることが出来る。   The current collector for the fuel electrode can be formed in various forms. For example, it can be formed on the fuel electrode in a regular pattern. For example, since the fuel electrode is exposed by forming a pattern in a lattice shape, gas diffusibility can be improved.

燃料極用集電材の厚みは、50μm以下とすることが好ましい。   The thickness of the fuel electrode current collector is preferably 50 μm or less.

本発明に係る燃料極用集電材および固体酸化物形燃料電池によれば、集電材と燃料極との密着性が向上し、動作中の剥がれを防止し耐久性の向上が図れると共に、また、炭化水素系ガスを直接導入でき、低温でも出力向上が可能となる。   According to the current collector for a fuel electrode and the solid oxide fuel cell according to the present invention, the adhesion between the current collector and the fuel electrode is improved, peeling during operation can be prevented and durability can be improved. Hydrocarbon gas can be directly introduced, and output can be improved even at low temperatures.

以下、本発明に係る燃料極用集電材および固体酸化物形燃料電池の一実施形態について説明する。ここでは、集電材を固体酸化物形燃料電池に取り付けた例を図面にしたがって説明する。図1は本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。   Hereinafter, an embodiment of a current collector for a fuel electrode and a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described. Here, an example in which the current collector is attached to a solid oxide fuel cell will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a solid oxide fuel cell according to this embodiment.

図1に示すように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池は、基板としての電解質1、その上面及び下面にそれぞれ形成された薄膜状の空気極2(カソード)及び燃料極3(アノード)を備えている。また、燃料極3の表面には燃料極用の集電材4が取り付けられるとともに、空気極2の表面には空気極用の集電材5が取り付けられている。以下、これらの材料について説明する。   As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell according to this embodiment includes an electrolyte 1 as a substrate, thin film air electrodes 2 (cathodes) and fuel electrodes 3 (anodes) formed on the upper and lower surfaces, respectively. ). A current collector 4 for the fuel electrode is attached to the surface of the fuel electrode 3, and a current collector 5 for the air electrode is attached to the surface of the air electrode 2. Hereinafter, these materials will be described.

電解質
電解質1の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物(GDC)、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物(YSZ)などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。電解質1は、基板として用いる場合は、その厚さは100〜3000μmであることが好ましく、200〜1000μmであることがさらに好ましい。
As the material of the electrolyte electrolyte 1, those known as electrolytes for solid oxide fuel cells can be used. For example, ceria oxide (GDC) doped with samarium or gadolinium, strontium or magnesium is doped. An oxygen ion conductive ceramic material such as a lanthanum galide oxide, zirconia oxide (YSZ) containing scandium or yttrium can be used. When the electrolyte 1 is used as a substrate, the thickness is preferably 100 to 3000 μm, and more preferably 200 to 1000 μm.

燃料極
燃料極3は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは10nm〜100μmであり、さらに好ましくは50nm〜50μmであり、特に好ましくは100nm〜10μmである。なお、平均粒径は、例えば、JISZ8901にしたがって計測することができる。
The fuel electrode fuel electrode 3 can be formed of a ceramic powder material. The average particle size of the powder used at this time is preferably 10 nm to 100 μm, more preferably 50 nm to 50 μm, and particularly preferably 100 nm to 10 μm. In addition, an average particle diameter can be measured according to JISZ8901, for example.

燃料極3は、作製時には、金属酸化物と酸化イオン導電体で作製することが出来る。上記金属酸化物としては、鉄族からなる酸化物材料が用いられ、具体的には酸化ニッケル,酸化鉄,酸化コバルト,を使用することができ、より好ましくは、酸化ニッケルであり、含有率を50%以上好ましくは、70%以上が良い。酸化ニッケルはニッケルに還元すると、他の金属に比べて水素酸化活性が高く、また含有率を50パーセント以上とすることで、空隙が出来やすくなり、70%以上とすることでニッケル量が増すことで高性能化する。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体と酸化ニッケルとの混合物で、燃料極2を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料と酸化ニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、酸化ニッケルへの粉末修飾または酸化物イオン導電体への酸化ニッケルの修飾などの形態であってもよい。また、上述した材料は、1種類を単独で、或いは2種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極3は、金属触媒となる金属酸化物を単体で用いて構成することもできる。   The fuel electrode 3 can be made of a metal oxide and an oxide ion conductor at the time of production. As the metal oxide, an oxide material made of an iron group is used. Specifically, nickel oxide, iron oxide, and cobalt oxide can be used, and nickel oxide is more preferable. 50% or more, preferably 70% or more. When nickel oxide is reduced to nickel, hydrogen oxidation activity is higher than other metals, and by making the content rate 50% or more, voids are easily formed, and by making it 70% or more, the amount of nickel increases. To improve performance. In addition, as the oxide ion conductor, one having a fluorite structure or a perovskite structure can be preferably used. Examples of those having a fluorite structure include ceria-based oxides doped with samarium, gadolinium, and the like, and zirconia-based oxides containing scandium and yttrium. In addition, examples of those having a perovskite structure include lanthanum galide oxides doped with strontium and magnesium. Among the above materials, the fuel electrode 2 is preferably formed of a mixture of an oxide ion conductor and nickel oxide. Note that the mixed form of the ceramic material made of oxide ion conductor and nickel oxide may be a physical mixed form, or powder modification to nickel oxide or modification of nickel oxide to oxide ion conductor. It may be in the form of Moreover, the material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types. Moreover, the fuel electrode 3 can also be comprised using the metal oxide used as a metal catalyst alone.

空気極
空気極2も燃料極3と同様に、セラミックス粉末材料により形成することができる。粉末の粒径は燃料極3と同じものを用いることができる。また、空気極2を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するCo,Fe,Ni,Cr又はMn等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には(Sm,Sr)CoO,(La,Sr)MnO,(La,Sr)CoO,(La,Sr)(Fe,Co)O,(La,Sr)(Fe,Co,Ni)Oなどの酸化物が挙げられ、好ましくは、(La,Sr)(Fe,Co)Oである。上述したセラミックス材料は、1種を単独で、或いは2種以上を混合して使用することができる。
Similar to the cathode air electrode 2 also the fuel electrode 3 can be formed by ceramic powder material. The same particle diameter as that of the fuel electrode 3 can be used. Further, as the ceramic powder material forming the air electrode 2, for example, a metal oxide made of Co, Fe, Ni, Cr, Mn or the like having a perovskite structure or the like can be used. Specifically, (Sm, Sr) CoO 3 , (La, Sr) MnO 3 , (La, Sr) CoO 3 , (La, Sr) (Fe, Co) O 3 , (La, Sr) (Fe, Co , Ni) O 3 and the like, and (La, Sr) (Fe, Co) O 3 is preferable. The ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.

上記燃料極3、及び空気極2は、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が50〜95重量%となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。燃料極3及び空気極2の膜厚は5〜100μmとなるように形成するが、20〜50μmとすることが好ましい。   The fuel electrode 3 and the air electrode 2 are formed by adding appropriate amounts of a binder resin, an organic solvent, and the like with the above-described material as a main component. More specifically, it is preferable to add a binder resin or the like so that the main component is 50 to 95% by weight in the mixing of the main component and the binder resin. The fuel electrode 3 and the air electrode 2 are formed to have a film thickness of 5 to 100 μm, preferably 20 to 50 μm.

燃料極用集電材
燃料極用集電材4は、部分酸化活性を有する材料に、燃料極3に含有される導電性材料からなる電極材料を添加することで構成される。部分酸化活性材料としては、白金族、バナジウム族から選択された少なくとも一つの元素を用いることができ、例えば、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、ニオブ、タンタル等の一つまたは複数を組み合わせて用いることができる。また、燃料極3に含有される導電性材料としては、上述した鉄族が用いられ、ニッケル,鉄,コバルト,の材料を挙げることができる。部分酸化活性材料および導電性材料の各々に関しては、これらの主成分が50〜95重量%となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。そして、燃料極用集電材4としては、部分酸化活性材が、60〜70重量%含有されていることが好ましい。また、必要に応じて、ガラスフリットを添加することもできる。このようなガラスフリットとしては、例えば、ホウケイ酸鉛系、ホウケイ酸ビスマス系、酸化鉛系、酸化ビスマス系、または酸化ケイ素系の少なくとも一つを用いることができる。ガラスフリットの添加量は20〜60重量%が好ましい。
Fuel Electrode Current Collector The fuel electrode current collector 4 is configured by adding an electrode material made of a conductive material contained in the fuel electrode 3 to a material having partial oxidation activity. As the partial oxidation active material, at least one element selected from the platinum group and the vanadium group can be used. For example, one or more of platinum, ruthenium, rhodium, palladium, vanadium, niobium, tantalum and the like are combined. Can be used. Further, as the conductive material contained in the fuel electrode 3, the above-described iron group is used, and materials of nickel, iron and cobalt can be mentioned. For each of the partially oxidized active material and the conductive material, it is preferable to add a binder resin or the like so that these main components are 50 to 95% by weight. And it is preferable that the partial oxidation active material contains 60 to 70 weight% as the collector 4 for fuel electrodes. Moreover, a glass frit can also be added as needed. As such a glass frit, for example, at least one of lead borosilicate, bismuth borosilicate, lead oxide, bismuth oxide, or silicon oxide can be used. The amount of glass frit added is preferably 20 to 60% by weight.

空気極用集電材
空気極用集電材5は、Pt,Au,Ag,Ni,Cu,SUS等の、耐酸化性のある導電性金属,又はLa(Cr,Mg)O,(La,Ca)CrO,(La,Sr)CrOなどのランタン・クロマイト系等の導電性セラミックス材料によって形成することができ、これらのうちの1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。そして、これらの主成分が50〜95重量%となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。
The current collector 5 for the air electrode is a conductive metal having oxidation resistance, such as Pt, Au, Ag, Ni, Cu, SUS, or La (Cr, Mg) O 3 , (La, Ca). ) CrO 3 , (La, Sr) CrO 3 and other conductive ceramic materials such as lanthanum and chromite, and one of these may be used alone, or two or more You may mix and use. And it is preferable to add binder resin etc. so that these main components may be 50 to 95 weight%.

製造方法
次に、上記燃料電池の製造方法について説明する。まず、電解質基板1を準備する。そして、その一方面に燃料極3を形成するとともに、他方面に空気極2を形成する。さらに、燃料極3および空気極2の表面に、それぞれ集電材4,5を形成する。燃料極3、空気極2び集電材4,5は、種々の方法で形成することができる。例えば、溶射法、スクリーン印刷法、リソグラフィー法、電気泳動法、ドクターブレード法、インクジェット法、,スプレーコート法、ディップコート法、スピンコート法、スパッタリングや、CVD,EVD或いは、いわゆるグリーン体を用いた方法で形成することができる。
Manufacturing Method Next, a method for manufacturing the fuel cell will be described. First, the electrolyte substrate 1 is prepared. And while forming the fuel electrode 3 in the one surface, the air electrode 2 is formed in the other surface. Furthermore, current collectors 4 and 5 are formed on the surfaces of the fuel electrode 3 and the air electrode 2, respectively. The fuel electrode 3, the air electrode 2, and the current collectors 4 and 5 can be formed by various methods. For example, spraying method, screen printing method, lithography method, electrophoresis method, doctor blade method, ink jet method, spray coating method, dip coating method, spin coating method, sputtering, CVD, EVD or so-called green body is used. Can be formed by a method.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。例えば、上記電池は、電解質1を支持基板として、その両面に燃料極3および空気極2を形成しているが、燃料極3または空気極2を支持基板としたもの、別個の多孔性支持基板を準備し、これに電池が支持されたもの等、種々の構成が可能である。いずれの場合でも、燃料極の表面に、上述した燃料極用集電材を適用することができる。   As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, a various change is possible for this invention, unless it deviates from the meaning. For example, in the battery, the electrolyte 1 is used as a support substrate, and the fuel electrode 3 and the air electrode 2 are formed on both surfaces thereof. However, the fuel electrode 3 or the air electrode 2 is used as a support substrate, or a separate porous support substrate. Various configurations are possible, such as a battery having a battery supported thereon. In any case, the above-described fuel electrode current collector can be applied to the surface of the fuel electrode.

次に、本発明の実施例について説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Next, examples of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the following examples.

まず、図1の燃料電池を作成する。材料は以下の通りである。   First, the fuel cell of FIG. 1 is created. The materials are as follows.

電解質基板
まず、GDC(Ce:Gd:O=0.9:0.1:1.9)粉末(粒径範囲0.1-〜3μm、平均粒径:1μm)を耐圧容器に入れ、一軸プレス機にて1t/cm2の圧力で成形後、これを真空パックで包装し、静水圧プレス機にて2t/cm2の圧力で再度成形した。その後、焼結(1450℃、10時間)を行い、電解質基板を作製した。なお、平均粒径は、例えば、JISZ8901にしたがって計測することができる。
Electrolyte substrate First, GDC (Ce: Gd: O = 0.9: 0.1: 1.9) powder (particle size range 0.1--3μm, average particle size: 1μm) is put in a pressure-resistant container, and pressure is 1t / cm2 with a uniaxial press. After molding, the product was packaged in a vacuum pack and molded again with a hydrostatic pressure press at a pressure of 2 t / cm2. Then, sintering (1450 degreeC, 10 hours) was performed, and the electrolyte substrate was produced. In addition, an average particle diameter can be measured according to JISZ8901, for example.

燃料極用ペースト
エチルカルピト−ルに、NiO粉末(平均粒径:1μm)及びGDC(Ce:Gd:O=0.9:0.1:1.9)を加え、更にバインダ−としてエチルセルロ−スを質量比が80:20となるようにを加えた後、これらをロールで混合して燃料極層を形成するための燃料極ペ−スト(粘度:5×105mPa・s)を調整した。
Paste for fuel electrode NiO powder (average particle size: 1μm) and GDC (Ce: Gd: O = 0.9: 0.1: 1.9) are added to ethyl carbitol, and ethyl cellulose as a binder is added by mass ratio. Was added so as to be 80:20, and these were mixed by a roll to adjust a fuel electrode paste (viscosity: 5 × 10 5 mPa · s) for forming a fuel electrode layer.

空気極用ペースト
エチルカルピト−ルに、(La, Sr)(Fe,Co)O3粉末(平均粒径:0.52μm)を加え、更にバインダ−としてエチルセルロ−スを質量比が85:15となるようにを加えた後、これらをロールで混合して空気極層を形成するための空気極ペ−スト(粘度:5×105mPa・s)を調整した。なお、平均粒径は、例えば、JISZ8901にしたがって計測することができる。
Air electrode paste (La, Sr) (Fe, Co) O 3 powder (average particle size: 0.52 μm) was added to ethyl carbitol, and ethyl cellulose as a binder was added at a mass ratio of 85: Then, the air electrode paste (viscosity: 5 × 10 5 mPa · s) for forming an air electrode layer was adjusted by mixing with a roll. In addition, an average particle diameter can be measured according to JISZ8901, for example.

空気極用集電材
部分酸化活性材として金を用いた。ガラスフリットとしてホウケイ酸鉛系フリットを添加した金ペーストを使用した。ガラスフリットの添加量としては20〜60重量%が好ましい。
Current collector for air electrode Gold was used as a partial oxidation active material. A gold paste to which a lead borosilicate frit was added was used as the glass frit. The amount of glass frit added is preferably 20 to 60% by weight.

燃料極用集電材
部分酸化活性材として白金を用い、電子導電材としてニッケルを用い、その酸化物体として酸化ニッケルを用いた。ガラスフリットとしてホウケイ酸鉛系フリットを添加した白金ペースト中に、NiO(平均粒径1μm)とエチルカルピトールとを質量比80:20の割合で調整したペーストを、白金ペーストに対し以下の重量%で添加した。この際、燃料極用集電材は、5種類作成した。すなわち、白金の含有率(重量%)が100%,80%,70%,60%,及び50%の燃料極用集電材を作成した。このときの酸化ニッケルの含有率は、それぞれ0%,20%,30%,40%,50%である。なお、平均粒径は、例えば、JISZ8901にしたがって計測することができる。ガラスフリットの添加量としては20〜60重量%が好ましい。
製造方法
電解質基板の一方面に、膜厚約40μmで燃料極用ペーストをスクリーン印刷で塗布し、130℃で15分乾燥した後、1450℃で1時間焼結し、燃料極を形成する。続いて、その後、電解質の他方面に膜厚約40μmで空気極用ペーストをスクリーン印刷で塗布し、130℃で15分乾燥した後、燃料極上に燃料極用集電材を印刷にて塗布、1200℃で1時間空気極と燃料極用集電材を共に焼結する。これに続いて、空気極上に空気極用集電材を印刷にて塗布、1000℃にて1時間焼成する。
評価試験
上記のように作成した燃料電池を作動させた。すなわち、メタン及び空気の混合ガスを600℃、ガス総流量300cc/minで供給した。そして、このときの起電力、燃料極用集電材の剥がれの有無を検討した。また、集電材の剥がれについても検討した。図2及び図3は、それぞれ白金の含有率が80%、及び50%の集電体のSEM写真である。結果は、以下の通りである。
Platinum was used as the fuel electrode current collector partial oxidation active material, nickel was used as the electronic conductive material, and nickel oxide was used as the oxide body. In a platinum paste to which a lead borosilicate frit is added as a glass frit, a paste prepared by adjusting NiO (average particle size 1 μm) and ethyl carbitol at a mass ratio of 80:20 is as follows: Added at. At this time, five types of current collectors for the fuel electrode were prepared. That is, current collectors for fuel electrodes having platinum content (% by weight) of 100%, 80%, 70%, 60%, and 50% were prepared. The nickel oxide content at this time is 0%, 20%, 30%, 40%, and 50%, respectively. In addition, an average particle diameter can be measured according to JISZ8901, for example. The amount of glass frit added is preferably 20 to 60% by weight.
Manufacturing Method A fuel electrode paste having a film thickness of about 40 μm is applied to one surface of an electrolyte substrate by screen printing, dried at 130 ° C. for 15 minutes, and then sintered at 1450 ° C. for 1 hour to form a fuel electrode. Subsequently, an air electrode paste with a film thickness of about 40 μm is applied to the other surface of the electrolyte by screen printing, dried at 130 ° C. for 15 minutes, and then a fuel electrode current collector is applied to the fuel electrode by printing. Sinter the air electrode and the fuel electrode current collector together at 1 ° C. for 1 hour. Subsequently, a current collector for the air electrode is applied on the air electrode by printing and baked at 1000 ° C. for 1 hour.
Evaluation Test The fuel cell prepared as described above was operated. That is, a mixed gas of methane and air was supplied at 600 ° C. and a total gas flow rate of 300 cc / min. And the electromotive force at this time and the presence or absence of peeling of the collector material for fuel electrodes were examined. In addition, peeling of the current collector was also examined. 2 and 3 are SEM photographs of current collectors with platinum content of 80% and 50%, respectively. The results are as follows.

上記評価試験によれば、白金の含有率が80%以上になると、図2に示すように、集電材の一部の剥がれが確認された。一方、70%以下では集電材の剥がれは確認できなかった。図3は、白金の含有率が50%の集電材を示しているが、剥がれは確認できなかった。また、起電力については、白金の含有率が50%以下になると、急激に低下することが確認された。以上より、白金の含有率は、60〜70%であることが好ましい。 According to the evaluation test, when the platinum content was 80% or more, as shown in FIG. 2, part of the current collector was peeled off. On the other hand, peeling of the current collector could not be confirmed at 70% or less. FIG. 3 shows a current collector with a platinum content of 50%, but peeling was not confirmed. Moreover, about the electromotive force, when the content rate of platinum became 50% or less, it was confirmed that it falls rapidly. As mentioned above, it is preferable that the content rate of platinum is 60 to 70%.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention. 白金の含有率が80%の集電材のSEM写真である。It is a SEM photograph of a current collector with a platinum content of 80%. 白金の含有率が50%の集電材のSEM写真である。It is a SEM photograph of a current collector with a platinum content of 50%.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質
2 空気極
3 燃料極
4 燃料極用集電材
5 空気極用集電材
1 Electrolyte 2 Air electrode 3 Fuel electrode 4 Current collector for fuel electrode 5 Current collector for air electrode

Claims (14)

固体酸化物形燃料電池の燃料極に取り付けられる集電材であって、
前記燃料極に含有される電子導電材と、部分酸化活性材とを含有している、燃料極用集電材。
A current collector attached to a fuel electrode of a solid oxide fuel cell,
A current collector for a fuel electrode, comprising an electronic conductive material contained in the fuel electrode and a partial oxidation active material.
前記燃料極に含有される電子導電材は、鉄族から選択された少なくとも1つの元素から構成されている、請求項1に記載の燃料極用集電材。   The current collector for a fuel electrode according to claim 1, wherein the electronic conductive material contained in the fuel electrode is composed of at least one element selected from an iron group. 前記電子導電材は、ニッケルである請求項2に記載の燃料極用集電材。   The current collector for a fuel electrode according to claim 2, wherein the electronic conductive material is nickel. 前記部分酸化活性材は、白金族元素、バナジウム族元素から選択された少なくとも1つの元素から構成されている、請求項1から3のいずれかに記載の燃料極用集電材。   The current collector for a fuel electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the partial oxidation active material is composed of at least one element selected from a platinum group element and a vanadium group element. 前記部分酸化活性材は、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、ニオブ、タンタルから選択された少なくとも1つの元素から構成されている、請求項1から4のいずれかに記載の燃料極用集電材。   The current collector for a fuel electrode according to any one of claims 1 to 4, wherein the partial oxidation active material is composed of at least one element selected from platinum, ruthenium, rhodium, palladium, vanadium, niobium, and tantalum. . 前記部分酸化活性材が、60〜70重量%含有されている、請求項1から5のいずれかに記載の燃料極用集電材。   The current collector for a fuel electrode according to any one of claims 1 to 5, wherein the partial oxidation active material is contained in an amount of 60 to 70% by weight. 前記部分酸化活性材には、さらにガラスフリットが添加されている、請求項1から6に記載のいずれかに記載の燃料極用集電材。   The current collector for a fuel electrode according to any one of claims 1 to 6, wherein a glass frit is further added to the partially oxidized active material. 前記ガラスフリットは、ホウケイ酸鉛系、ホウケイ酸ビスマス系、酸化鉛系、酸化ビスマス系、または酸化ケイ素系の少なくとも一つにより構成されているなることを特徴とする請求項7に記載の燃料極用集電材。   The fuel electrode according to claim 7, wherein the glass frit is made of at least one of lead borosilicate, bismuth borosilicate, lead oxide, bismuth oxide, or silicon oxide. Current collector. 電解質と、
前記電解質の表面に配置された燃料極と、
前記電解質の表面に、前記燃料極とは離間して配置された空気極と、
前記燃料極上に配置された請求項1から8のいずれかに記載の燃料極用集電材と、
を備えている、固体酸化物形燃料電池。
Electrolyte,
A fuel electrode disposed on the surface of the electrolyte;
An air electrode disposed on the surface of the electrolyte and spaced apart from the fuel electrode;
The current collector for a fuel electrode according to any one of claims 1 to 8, which is disposed on the fuel electrode,
A solid oxide fuel cell.
前記燃料極用集電材は、印刷形成後、焼結することにより形成され、ガス透過性を有する多孔性である、請求項9に記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 9, wherein the fuel electrode current collector is formed by sintering after printing and is porous having gas permeability. 前記燃料極用集電材は、気孔率が5%以上である、請求項9または10に記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 9 or 10, wherein the anode current collector has a porosity of 5% or more. 前記燃料極の少なくとも一部が外部に露出するように、当該燃料極上に、前記燃料極用集電材が印刷形成されている請求項9から11のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 9, wherein the fuel electrode current collector is printed on the fuel electrode so that at least a part of the fuel electrode is exposed to the outside. 前記燃料極用集電材が、規則性を持つパターンで形成される請求項9から12のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 9, wherein the fuel electrode current collector is formed in a pattern having regularity. 前記燃料極用集電材の厚みが、50μm以下であることを特徴とする請求項9から13のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。   14. The solid oxide fuel cell according to claim 9, wherein the fuel electrode current collector has a thickness of 50 μm or less.
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