JP2009211830A - 固体酸化物型電気化学セル、およびその製造方法 - Google Patents

固体酸化物型電気化学セル、およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
触媒活性が高く耐久性の高い水素極を用いた、安定で出力性能に優れる電気化学セルの提供。
【解決手段】 酸素イオン導電性を有する電解質の表面に、表面部にＮｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＣｕより選ばれる少なくとも１種の粒子を有し、かつ表面全体もしくは一部を混合導電性の膜で覆われた酸化物焼結体と、イオン導電性を有する焼結体との混合相により燃料極を作製する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）および固体電解質高温水蒸気電解セル（ＳＯＥＣ）等の固体酸化物型電気化学セル用、そのセル用水素極材料およびその製造方法に関する。
固体酸化物型電気化学セルは、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）および高温水蒸気電解セル（ＳＯＥＣ）等であるが、固体酸化物型電気化学セルはその高い作動温度（７００〜１０００℃）から、ＳＯＦＣとして発電効率が高くＣＯ２の発生も少ない次世代のクリーンな発電システムとして期待されており、またＳＯＥＣとして一段階で高純度の水素を製造することのできる高効率水素製造法として期待されている。
固体酸化物型電気化学セルの水素極材料としては、一般的にはイオン導電性を有するセラミックス粒子と電子導電性を有する金属粒子を混合する方法が、また、より高性能化を目的として電子と酸化物イオンの混合導電性を有するＳＤＣ（Ｓｍ２Ｏ３をドープしたＣｅＯ２）粒子を用い、その表面にＮｉの微粒子を高分散担持させる方法などが開示されている（非特許文献１参照）。
ＳＤＣ混合導電体を用いる方法では、ＳＤＣのネットワークで構成した多孔質体中に金属塩水溶液等の含浸法によりＮｉ粒子を形成させる。これによりＮｉ粒子のサイズを１桁以上小さくすること、およびより少ないＮｉ添加量にて高い触媒活性を得て、さらに電極内の完全な電子ネットワークを形成することに成功している。また、ＳＤＣは電子導電性も併せ持つため、原理的には微細なＮｉ粒子とＳＤＣの境界面すべてが三相界面ということになる。Ｎｉ−ＳＤＣ間の結合性は比較的良いとされるが、Ｎｉ粒子は溶液含浸、焼成、還元によって作製されるため、時間とともに粒子のサイズが変化し、また焼成過程で粒子同士の焼結が起こって不均一な組織になる。
Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１４１，［２］，３４２−３４６，１９９４．
水素極における過電圧を小さくし触媒の活性を上げるには、触媒である金属粒子（Ｎｉなど）を微細にして活性点を増やすことが必要であるが、高温還元性雰囲気下では容易に金属粒子の移動、成長、凝集が起こる。また、熱膨張係数の違いもありＮｉ粒子を必要以上に導入することは困難である。さらに、急激な酸化が起こった場合に、酸化物の生成により体積が膨張し、セルの破壊を引き起こす恐れもある。
Ni粒子のサイズを小さくし触媒活性を向上させ、触媒のシンタリングを抑え、かつ電極内の熱膨張係数を合わせる方法として、これまでにNi-Al系複合酸化物固溶体からの還元析出法による触媒製造法を提案してきた。しかし、析出させた金属微粒子同士は連続的形成されていなく、かつ還元析出後に絶縁体であるアルミニウム酸化物が形成されるため、同時に導電性粒子を混在させて導電パスを作製する必要があった。したがって、すべての析出粒子を導電性粒子と接触させるのは困難で、この部分が電気的な抵抗の一部となっていた。従って、固体酸化物型電気化学セルの実現に必要な、高活性を達成することができなかった。
本発明の請求項１にかかる固体酸化物型電気化学セルは、イオン導電性を有する固体酸化物電解質層を挟み、一方の面に水素極と、この一方の面に対向する他方の面に酸素極とを有する固体酸化物型電気化学セルにおいて、前記水素極は、表面に金属微粒子を有しかつ表面に混合導電性の膜で覆われた酸化物焼結体と、イオン導電性を有する焼結体とにより構成されることを特徴とする。また、前記イオン導電性を有する焼結体には、イオン導電性のみでなく電子導電も有する混合導電性を示してもかまわない。
本発明の請求項２にかかる固体酸化物型電気化学セルは、請求項１において、前記水素極が、酸化物焼結体がAl系酸化物もしくはMg系酸化物であり、前記金属微粒子がNi, Co, Fe, Cuのうちの少なくとも一種から選ばれる金属であることを特徴とする。
本発明の請求項３にかかる固体酸化物型電気化学セルは、請求項１において、前記水素極が、前記イオン導電性を有する焼結体がY2O3もしくはSc2O3で安定化させたZrO2系材料、Sm2O3をドープしたCeO2(SDC)、Gd2O3ドープしたCeO2(GDC)、Y2O3ドープしたCeO2(YDC)より選ばれる少なくとも一種であり、かつ前記混合導電性の膜がSDC、GDC、YDCより選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする。
本発明の請求項４にかかる固体酸化物型電気化学セルは、請求項１において、前記水素極が、集電材を接触させる面に、前記酸素イオン導電性焼結体を含むNi, Co, Fe, Cu成分からなる網目状の配線印刷を施し、前記配線印刷部と集電体とを接触させてなることを特徴とする。
本発明の請求項５にかかる固体酸化物型電気化学セルは、請求項１において、前記酸素極が、Ln1-xAxBO３-TM（Lnは希土類元素、AはSr, Ca, Ba、BはCr, Mn, Fe, Niから選ばれる）で表される複合酸化物、もしくは前記複合酸化物とSDC, GDC, YDCより選ばれる少なくとも一種の混合層からなる事を特徴とする。
本発明の請求項６にかかる固体酸化物型電気化学セルの製造方法は、イオン導電性を有する固体酸化物電解質層を挟み、一方の面に形成された酸素極と、この一方の面に対向する他方の面に形成され、表面に金属微粒子を有しかつ表面を混合導電性の膜で覆われた酸化物焼結体とイオン導電性を有する焼結体とにより構成される水素極とを有する固体酸化物型電気化学セルの製造方法において、酸化物固溶体、金属塩、および前記イオン導電性を有する焼結体の混合物を前記固体酸化物電解質層に積層する工程と、その後、この状態で焼結させることにより前記酸化物固溶体の表面および前記イオン導電性を有する焼結体の表面に前記金属塩の酸化物からなる前記混合導電性膜を形成する工程と、さらに800〜1000℃で還元することで前記酸化物固溶体を前記金属微粒子が表面に露出した前記酸化物焼結体に改変する工程とを具備することを特徴とする。
本発明の請求項７にかかる固体酸化物型電気化学セルの製造方法は、イオン導電性を有する固体酸化物電解質層を挟み、一方の面に形成された酸素極と、この一方の面に対向する他方の面に形成され、表面に金属微粒子を有しかつ表面を混合導電性の膜で覆われた酸化物焼結体とイオン導電性を有する焼結体とにより構成される水素極とを有する固体酸化物型電気化学セルの製造方法において、酸化物固溶体と金属塩の混合物を焼結することにより前記酸化物固溶体の表面に混合導電性被膜を形成する工程と、その後前記酸化物固溶体と前記イオン導電性を有する焼結体との混合物を前記固体酸化物電解質層に積層する工程と、その後、この状態で焼結させ、さらに800〜1000℃で還元することで前記酸化物固溶体を前記金属微粒子が表面に露出した前記酸化物焼結体に改変する工程とを具備することを特徴とする。
本発明によれば、上記構成によって、固体酸化物型電気化学セルの実現に必要な、高活性を達成することができる。
以下、本発明による固体酸化物型電気化学セル用水素極材料及び水素極の製造方法について説明するが、本発明は以下の実施の形態や実施例に限定されるものではない。また、以下の説明で参照する模式図は、各構成の位置関係を示す図であり、粒子の大きさや各層の厚さの比等は実際のものと必ずしも一致するものではない。
本発明の実施形態は、水素極とこれを用いた固体酸化物型電気化学セルに関する。
まず固体酸化物型電気化学セルのＳＯＦＣモードを例にとって、図１および２の断面模式図を参照しつつ本実施形態を説明する。電気化学セルは、固体酸化物電解質板１１を挟んで、その一方の面に水素極材料１２を、もう一方の面に酸素極材料１３を積層して成る。
酸素極１３は混合導電性を示す酸化物であり一般式Ｌｎ１−ｘＡｘＢＯ３−TM（Ｌｎ＝希土類元素；Ａ＝Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ；Ｂ＝Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも１種）で表される複合酸化物からなる。これらの複合酸化物は酸素を効率よく解離すると同時に電子導電性を有している。また、前記複合酸化物で若干不足するイオン導電性を、イオン導電性酸化物を併せて添加することにより補うことも可能である。このイオン導電性酸化物としては、Ｓｍ２Ｏ３をドープしたＣｅＯ２、もしくはＧｄ２Ｏ３をドープしたＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３をドープしたＣｅＯ２のいずれか一つを用いる。これらは還元性雰囲気では混合導電性を示すが、酸素含有雰囲気中では高いイオン導電性を示すものであり、かつ前記混合導電性を示す酸化物と反応をしないものである。
酸素極１３にて解離された酸化物イオン（Ｏ２−）は固体酸化物電解質１１を通って水素極１２へと移動し、水素と反応して水を生成する。このときに生成する電子を外部回路として取り出し発電に供する。
酸素極側での酸素の解離および水素極側での水素と酸素イオンとの反応は、いずれも電極内の電子−イオン−反応ガスが共に介する三相界面において起こる。そのため、これら三相界面をいかに多く形成するかが重要な課題となる。
これまでにNi-Al系の複合酸化物固溶体からの還元析出法による触媒製造法を提案し、この触媒と、イオン導電性もしくは電子−イオン混合導電性を有する粒子との混合電極の性能を実証してきた。この方法ではAl系酸化物基体上に金属微粒子を形成することができ、少量の金属触媒量で大きな触媒表面積を得ることができている。また、還元時に固溶体からの析出物として金属粒子を作製するため基材に固定化されており、高温還元性雰囲気下で金属粒子の焼結が起こりにくくなる。しかし、析出金属微粒子体積に比べ絶縁体基体の体積が大きいため、電極化時には電極層内のオーム抵抗が大きくなる。また、基体表面上の全ての金属微粒子触媒がイオン導電体もしくは電子−イオン混合導電体と接触していないと考えられるため、析出触媒を有効に利用できていないと考えられる。
そこで、絶縁体基体の表面に電子−イオン混合導電性の被膜１８を施すことで、絶縁体表面に電子−イオン導電性を付与し、また基体上の金属触媒の多くを三相界面とすることを提案する。この混合導電性被膜１８には少量の貴金属粒子を含んでもかまわない。第１の実施の形態における燃料極１２は、イオン導電性酸化物１５もしくは混合導電性酸化物１６と、表面部にＮｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＣｕより選ばれる少なくとも１種の粒子を担持してなるＡｌ系酸化物１７の表面全体もしくは一部を混合導電体酸化物の被膜１８で覆われた粒子との混合相（電極層）により形成されている。また、この水素極１２は、電極層の表層部に形成された、電極層より電子導電性の高い材料を含む配線１９と、配線１９に電気接続する集電体１４を備えてもよい。
図３は、水素極１２の三相界面の模式図である。この図は、Ａｌ系酸化物から析出させた触媒（Ｎｉ）、混合導電体（ＳＤＣ）、及び供給ガスＨ２が存在する界面において生じる反応を模式的に示している。
このようなＮｉ−Ａｌ系酸化物および混合導電体ＳＤＣを用い、混合導電性被膜１８にはＳＤＣを用いた水素極１２を例にとって、その製造方法を以下に説明する。
本実施形態における製造工程の一例を図４に、電極構造模式図を図１および５に示す。
まず、ＮｉＯ粉末とＡｌ２Ｏ３粉末を混合焼成してＮｉＡｌ２Ｏ４で表されるニッケルアルミニウム複合酸化物固溶体を作製し、これを粉砕して粒子２０にして用いる。粉砕後の粒子径は０．１〜数μｍほどが好ましい。次に、このようにして作製した複合酸化物固溶体粒子２０と電子―イオン混合導電性粒子１６とを混合し、水または混合導電性被膜２１の目的の組成に調製した硝酸塩等の金属塩水溶液を加えてペースト化する。混合導電性被膜２１および混合導電性粒子１６の例としては、Ｓｍ２Ｏ３をドープしたＣｅＯ２もしくはＧｄ２Ｏ３をドープしたＣｅＯ２、もしくはＹ２Ｏ３をドープしたＣｅＯ２を用いるが、これに限定されず、４００℃以上１０００℃以下において高い酸素イオン導電性と電子導電性を有しているものであれば良い。
次に、このペースト化した混合粉末を固体電解質板１１の表面にスクリーン印刷し、両者の接着強度が高まる温度まで昇温して焼成する。一般には１２００℃以上１４００℃以下の範囲で焼成することが好ましい。混合導電性粒子１６と複合酸化物固溶体粒子２０および混合導電性被膜を形成する方法はこれに限定されるものではない。混合粉末をスラリー化して塗布、ディッピング、あるいはスプレーコーティング法により作製しても、シート化し積層形成しても構わない。また、混合導電性被膜は目的の組成に調製した硝酸塩等の金属塩水溶液を用いて予め複合酸化物固溶対粒子２０表面に塗布、ディッピング、あるいはスプレーコーティング法により形成させ、熱分解し、作製しても構わない。（図４−２）
図１および５には分かりやすいように粒子１６，２０，被膜２１を誇張して表現しているが、実際には焼結によりそれぞれの粒子が結合・一体化し、ネットワークを形成している。また、電極中のガス拡散性を考慮すると、電極層は多孔質であることが好ましく、あらかじめ焼成時に焼失して気孔を形成する気孔形成材を混合しておいても構わない。気孔形成材の例としては有機系のもので、例えばアクリル系の球状粒子などがある。
さらに、本実施形態の特徴である集電効率を上げるための処理を行う。最終的な材料構成において触媒であり電子伝導性を有する金属粒子が微細で孤立分散しているため集電体１４との接触を十分に取るのに工夫が必要である。通常、金属メッシュなど集電材なるものを電極に押し付けて接触を取るが、本実施形態においては、電極上に電極より高い電子伝導性を有する材料で網目状の配線２１を施し、これと集電材１４とを接触させることで集電を取る（図５（ｂ−１）、（ｂ−２））。
この配線１９は、線幅３０μｍ程度、配線間隔５００μｍほどでよく、燃料の拡散にはほとんど影響を与えないものである。線幅、配線間隔はこれには限定されないが、配線部の占有面積としては電極面全体の４０％以下にすることが好ましい。配線印刷に用いる材料としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅなどで、同時に電極に用いる混合導電性を有するＳＤＣあるいはＧＤＣ材を混合しペースト化して用いる。混合比は全体に対して前記金属の比率を４０〜９０ｖｏｌ％とするのが好ましい。こうすることで電極との密着性、接合性を良くするとともにそれ自身の触媒的作用も期待できるからである。
配線印刷部を焼成後、燃料極を８００℃以上１０００℃以下の還元性雰囲気下にて還元処理する。通常ＮｉＯの還元処理では必要以上に温度を上げないよう９００℃程度で行うが、ＮｉＡｌ２Ｏ４を主成分とする本実施形態ではＮｉの析出を十分に起こさせるため、９００℃以上で還元することがより好ましい。還元時間は特に限定されないが１０分程度もあればよい。
還元によりＮｉＡｌ２Ｏ４の部分は、固溶していたＮｉ成分が表面へ析出して基材はアルミニウム酸化物（おもにＡｌ２Ｏ３）となる。すなわち、Ｎｉ粒子担持Ａｌ２Ｏ３１７が形成される。このようにして形成される金属微粒子の大きさは一般には数十ｎｍである。活性な触媒機能を果たすには、金属微粒子の大きさは５ｎｍ以上５００ｎｍ以下程度であることが好ましい。５ｎｍ以下のサイズのものは現実的に作製が困難であるし、５００ｎｍ以上となると隣接粒子同士が結合してしまって従来のＮｉＯを還元して用いるのと同じ問題を抱えてしまう恐れがある。触媒としてより好ましいサイズは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度である。このサイズは従来の電極触媒サイズの１〜２桁小さい値のため触媒活性の向上が期待される。このため、添加するＮｉＡｌ２Ｏ４の量としては電極を構成する材料全体の５重量％以上８０重量％以下の範囲内が良い。より好ましくは１０重量％以上５０重量％以下である。
本実施形態によれば、触媒量を少なくすることができるため、混合導電体部分を大きくとることが可能になり、固体電解質との熱膨張的な差や整合ミスマッチによる差を小さく抑えることができる。
また、この析出金属粒子は、基材であるＡｌ２Ｏ３の表面部に一層だけ存在し、基材との整合性が良く、強い結合を有している。したがって、高温還元性雰囲気にさらされても容易に移動することが無いという特徴も有している。
さらに、金属粒子が微細で孤立して存在するため、急激な酸化に対しても体積膨張が局所的に抑えられ、破壊に至りにくいという利点もある。
以上説明したように、本実施形態により作製される水素極によれば、微細なＮｉ粒子を基材固定化することが可能で、しかも少ないＮｉ添加量により高い活性と長時間安定性を提供可能である。この水素極を用いれば、酸素極に適当な電極触媒と組み合わせることにより、平板型セルに限らず円筒型や電極支持型など、安価で高出力なセルの実現が可能になる。
一方、水素極として触媒作用効果のある貴金属系の微粒子を微量添加しても構わない。このような貴金属粒子には、Pt、Au、Ag、Rh、Ir、Ru、Pdなどがある。
また、ＮｉＡｌ２Ｏ４を還元して作製するＮｉ粒子担持Ａｌ２Ｏ３は、メタンなど炭化水素系燃料の改質触媒としても用いられる。すなわち、多様な燃料にも対応が可能になる。
以上の手段によって、本発明によれば、安価な溶液法を用いて導電性を付与した触媒を調製することができ、安定で出力性能に優れる固体酸化物型電気化学セルの実現に必要な、高活性な水素極を提供することができる。また、電極調製プロセスにおいてもスクリーン印刷、スプレーコーティングなど安価な製法が適用でき、低コストで作製可能である。
本実施の形態について実施例によってさらに詳細に説明する。本発明で考えられる電極構成材料の組み合わせを金属粒子がＮｉの場合を例にとって表１に示す。
電極に用いるイオン導電性を有する焼結体および混合導電性の膜としてＳｍ２Ｏ３をドープしたＣｅＯ２を、酸化物固溶体としてＮｉＡｌ２O4を例に挙げて説明する。また、用いた粉末の粒径等はこれらに限定されるものではない。
＜酸化物固溶体の調製＞
平均粒径約１μｍのＮｉＯ粉末と平均粒径約０．４μｍのＡｌ２Ｏ３粉末をモル比で１：１になるように秤量し乳鉢にて混合した。混合粉末をプレス成形してアルゴン中、１３００℃で５時間焼結を行った。得られた酸化物固溶体の構成相をＸ線回折法により測定した。次に前記酸化物固溶体を粉砕し、４０μｍメッシュのふるいを通して出発粉末とした。
＜混合導電性被膜用金属塩水溶液の調製および酸化物固溶体表面への混合導電性被膜の形成＞
混合導電性膜には目的の組成のＳＤＣと同量になるようＣｅおよびＳｍの硝酸塩水溶液を混合し、ＳＤＣとして０．４ Ｍになるように水溶液を調製し、混合導電性被膜用金属塩水溶液とした。
粉砕した酸化物固溶体粒子を調整したＣｅ，Ｓｍ硝酸塩水溶液中に浸し、余計な水溶液を吸引濾過で取り除いた後、室温で一晩乾燥させ、１０００℃で３０分間熱処理を行った。これにより、混合導電性被膜付き酸化物固溶体を調製した。この被膜付き酸化物固溶体を１０００℃で１０分間の水素還元処理を行い、前記酸化物固溶体から金属を析出させ、表面に金属微粒子を有する酸化物焼結体とした。
（実施例１）
＜混合導電性の膜で覆われた酸化物固溶体を用いた固体酸化物電気化学セルの作製＞
固体酸化物電解質にはφ１５〜１８ ｍｍ、厚さ５００μｍに加工したＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３で安定化させたＺｒＯ２）を用い、酸素極には多孔質Ｐｔ電極を、電解質側面に参照極として多孔質Ｐｔ電極を用いた。
＜酸化物固溶体の調製＞で作製した酸化物固溶体と、イオン導電性を有する焼結体として平均粒径０．３μｍのＳＤＣ（Ｓｍ０．２Ｃｅ０．８Ｏ２）粒子とを、粉砕粒子の重量比で２０：８０重量比になるようにそれぞれ混合粉を秤量した。これに混合導電性被膜用金属塩水溶液を混合粉末に対して約３０重量％加えて高速回転混合機によりペースト化した。このペーストをスクリーン印刷機で、固体酸化物電解質の中央にφ６ｍｍの大きさで印刷した。印刷後、大気炉に入れ、それぞれを１３００℃にて２時間焼成を行った。次に、反対面にＰｔ電極を同様に印刷して酸素極とし、また電解質側面にＰｔ参照極を塗って、９６０℃で３０分間焼成した。その後、ＹＳＺ粉末を混合したＮｉペースト（Ｎｉ：ＹＳＺが重量比で８２：１８になるように混合）を、線幅３０μｍ程度、配線間隔５００μｍほどの配線状になるように作製したスクリーンメッシュを通して、作製した電極表層部に網目状配線印刷を施した。その後、アルゴン雰囲気中、１０００℃で３０分間の熱処理を施し、網目状配線を電極表面に固定化した。
（比較例１）
実施例１と同様に、＜酸化物固溶体の調製＞で作製した酸化物固溶体と、イオン導電性を有する焼結体として平均粒径０．３μｍのＳＤＣ（Ｓｍ０．２Ｃｅ０．８Ｏ２）粒子とを、粉砕粒子の重量比で２０：８０重量比になるようにそれぞれ混合粉を秤量した。これに純水を混合粉末に対して約４０重量％加えて高速回転混合機によりペースト化した。このペーストをスクリーン印刷機で、固体酸化物電解質の中央にφ６ｍｍの大きさで印刷した。印刷後、大気炉に入れ、それぞれを１３００℃にて２時間焼成を行った。次に、反対面にＰｔ電極を同様に印刷して酸素極とし、また電解質側面にＰｔ参照極を塗って、９６０℃で３０分間焼成した。その後、ＹＳＺ粉末を混合したＮｉペースト（Ｎｉに対して重量比で８２：１８になるように混合）を、線幅３０μｍ程度、配線間隔５００μｍほどの配線状になるように作製したスクリーンメッシュを通して、作製した電極表層部に網目状配線印刷を施した。その後、アルゴン雰囲気中、１０００℃で３０分間の熱処理を施し、網目状配線を電極表面に固定化した。
（実施例２）
実施例１と同様に、＜酸化物固溶体の調製＞で作製した酸化物固溶体と、イオン導電性を有する焼結体として平均粒径０．３μｍのＹＳＺ［（Ｙ２Ｏ３）０．８（ＺｒＯ２）０．９２］粒子とを、粉砕粒子の重量比で８０：２０重量比になるようにそれぞれ混合粉を秤量した。これに混合導電性被膜用金属塩水溶液を混合粉末に対して約３０重量％加えて高速回転混合機によりペースト化した。このペーストをスクリーン印刷機で、固体酸化物電解質の中央にφ６ｍｍの大きさで印刷した。印刷後、大気炉に入れ、それぞれを１３００℃にて２時間焼成を行った。次に、反対面にＰｔ電極を同様に印刷して酸素極とし、また電解質側面にＰｔ参照極を塗って、９６０℃で３０分間焼成した。その後、ＹＳＺ粉末を混合したＮｉペースト（Ｎｉ：ＹＳＺが重量比で８２：１８になるように混合）を、線幅３０μｍ程度、配線間隔５００μｍほどの配線状になるように作製したスクリーンメッシュを通して、作製した電極表層部に網目状配線印刷を施した。その後、アルゴン雰囲気中、１０００℃で３０分間の熱処理を施し、網目状配線を電極表面に固定化した。
（比較例２）
実施例１と同様に、＜酸化物固溶体の調製＞で作製した酸化物固溶体と、イオン導電性を有する焼結体として平均粒径０．３μｍのＹＳＺ［（Ｙ２Ｏ３）０．８（ＺｒＯ２）０．９２］粒子とを、粉砕粒子の重量比で２０：８０重量比になるようにそれぞれ混合粉を秤量した。これに純水を混合粉末に対して約４０重量％加えて高速回転混合機によりペースト化した。このペーストをスクリーン印刷機で、固体酸化物電解質板の中央にφ６ｍｍの大きさで印刷した。印刷後、大気炉に入れ、それぞれを１３００℃にて２時間焼成を行った。次に、反対面にＰｔ電極を同様に印刷して酸素極とし、また電解質側面にＰｔ参照極を塗って、９６０℃で３０分間焼成した。その後、ＹＳＺ粉末を混合したＮｉペースト（Ｎｉ：ＹＳＺが重量比で８２：１８になるように混合）を、線幅３０μｍ程度、配線間隔５００μｍほどの配線状になるように作製したスクリーンメッシュを通して、作製した電極表層部に網目状配線印刷を施した。その後、アルゴン雰囲気中、１０００℃で３０分間の熱処理を施し、網目状配線を電極表面に固定化した。
＜セル特性評価試験１＞
実施例１で作製した平板型固体酸化物電気化学セルと比較例１で作製した同セルを出力特性評価装置にセットし、水素極側、酸素極側それぞれをパイレックス（Ｒ）ガラス材によりシールした。電解質側面にφ０．１ｍｍのＰｔ線を付け参照極とした。Ａｒ雰囲気中で昇温したのち、水素極に水素を導入して還元処理を行った。水素還元時間は１０００℃で１０分間とした。
次に、水素極に５０ｍＬ／ｍｉｎのＨ２＋Ｈ２Ｏを、酸素極に３０ｍＬ／ｍｉｎのドライ空気を導入し、セル出力特性を評価した。また、カレントインターラプト法によるＩＲ分離も行った。
＜セル特性評価試験２＞
実施例２で作製した平板型固体酸化物電気化学セルと比較例２で作製した同セルを出力特性評価装置にセットし、水素極側、をパイレックス（Ｒ）ガラス材によりシールした。電解質側面にφ０．５ｍｍのＰｔ線を付け参照極とした。Ｎ２雰囲気中で昇温したのち、水素極に水素を導入して還元処理を行った。水素還元時間は１０００℃で３０分間とした。
次に、水素極に５０ｍＬ／ｍｉｎのＨ２＋Ｈ２Ｏを、酸素極に５０ｍＬ／ｍｉｎのドライ空気を導入し、セル出力特性を評価した。また、カレントインターラプト法によるＩＲ分離も行った。
以下、＜酸化物固溶体の調製＞で調整した酸化物固溶体および＜セル特性評価試験１，２＞について説明する。
＜酸化物固溶体の調製＞で調整し、実施例１〜２および比較例１，２で用いた酸化物固溶体のＸ線回折測定を行ったところ、ＮｉＡｌ２Ｏ４のピークが主であるが、わずかではあるがＳＤＣとＮｉのピークも観測された。一方、酸化物固溶体を還元した後の金属微粒子を表面に有する酸化物焼結体ではＮｉおよびＡｌ２Ｏ３のピークが検出され、ＮｉＡｌ２Ｏ４のピークが消滅していることから、すべてのＮｉＡｌ２Ｏ４が十分に還元されたと考えられる。
酸化物固溶体の水素中還元における重量変化を熱重量分析装置（ＴＧ）により測定したところ、８００℃あたりから重量減少、すなわちＮｉの析出が始まり、１０００℃でおよそ７％の重量減少があった。ＮｉＡｌ２Ｏ４が高温で還元されるとＮｉとＡｌ２Ｏ３になりＯ１つ分の重量減少が起こる。１０００℃で６％の重量減少は、すべてのＮｉＡｌ２Ｏ４がＮｉとＡｌ２Ｏ３になったときの理論重量減少量に良く一致することから、１０００℃での還元で完全にＮｉの析出が可能であることを確認した。また、特性評価試験では、１０００℃の高温で金属粒子を析出させ、それよりも低い温度で使用するため、より安定的に使えるということを意味している。
また、還元処理後の、ＮｉＡｌ２Ｏ４のＳＥＭ観察を行った。還元後のＳＤＣ被膜付きＮｉＡｌ２Ｏ４のＳＥＭ観察結果を図７に示す。ＳＥＭ観察結果から、析出Ｎｉは数１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒径で、Ａｌ２Ｏ３上に重なり無く高度に分散していた。また、ＳＤＣの被膜はＡｌ２Ｏ３基体の周りにかげのように確認することができる。これにより、酸化物固溶体表面上にＳＤＣの混合導電性被膜を形成することができていることを確認した。
続いて、実施例１および比較例１のセルの電気化学特性評価結果を比較する。はじめに、両セルの最大出力密度を比較すると、実施例１の出力密度は、比較例１の出力密度にくらべ、約５％の出力向上が見られた。次に、水素極内のオーム抵抗を同様に比較する。水素極側の電極内オーム抵抗は、端子間のセル抵抗から使用しているＹＳＺ電解質の理論電解質抵抗を引くことで、水素極の電極抵抗とした。ここで、酸素極はＰｔを使用しているため、酸素極側の接触抵抗、電極内抵抗は十分低いとみなした。両セルの水素極内オーム抵抗の算出結果を比較すると、実施例１では、比較例１にくらべ約１５％オーム抵抗を低く抑えることができている。以上、セル出力密度、水素極内オーム抵抗の比較結果から、実施例１のセルの方が比較例１よりも特性が高く、ＳＤＣコートの効果が示されている。
また、実施例２および比較例２のセルの電気化学特性評価結果を同様に比較すると、両セルの最大出力密度は、実施例２では比較例２の出力密度にくらべ、約６０％の出力向上が見られた。さらにセルのオーム抵抗を同様に比較すると、実施例２では、比較例２にくらべ約３０％オーム抵抗を低く抑えることができている。以上、セル出力密度、オーム抵抗の比較結果から、実施例２のセルの方が比較例２よりも特性が高く、ＳＤＣコートの効果が示されている。
これらの混合導電性膜の効果は、金属粒子がＮｉだけでなくＣｏ，Ｆｅ，Ｃｕおよびこれら金属の二種類以上を含む合金であっても同程度の効果が期待される。また、表１に示した実施例３から１４についても同程度の効果が期待できる。
（実施例１５）
実施例１で使用したＮｉＡｌ２Ｏ４のかわりに、０．２ ｍｏｌ％のＳｃ２Ｏ３を微量の添加物として加えた（Ｎｉ）０．３３（Ｍｇ）０．６７Ｏを酸化物固溶体として用い、実施例１と同様に固体酸化物電気化学セルを作製した。その後、実施例１，２、比較例１，２と同様にセル試験を行い、ＳＤＣコートの効果が示された。Ｍｇ系酸化物固溶体に添加する微量の添加物にはＳｃ２Ｏ３だけでなくＡｌ２Ｏ３やＣｒ２Ｏ３でもかまわない。また、金属粒子がＮｉだけでなくＣｏ，Ｆｅおよびこれら金属の二種類以上を含む合金であっても同程度の効果が期待される。さらにイオン導電性を有する焼結体がＳＤＣだけでなくＧＤＣ，ＹＤＣ，ＹＳＺ，ＳｃＳＺであっても同様の効果が期待できる。
本発明の第１の実施形態に係る固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）水素極の断面構造模式図 本発明の第１の実施形態に係るＳＯＦＣの断面構造模式図 第１の実施形態に係る燃料極の三相界面を説明する断面模式図 第１の実施形態に係る燃料極の製造工程を示す図 第１の実施形態に係る燃料極の製造過程における断面及び平面模式図 第１の実施形態における実施例のＮｉＡｌ２Ｏ４の水素還元時の重量変化を示す図 第１の実施形態における実施例のＳＤＣ被膜付きＮｉＡｌ２Ｏ４の水素還元後のＳＥＭ観察写真
符号の説明
１１・・・固体電解質板
１２・・・水素極
１３・・・酸素極
１４・・・集電体
１５・・・イオン導電体酸化物
１６・・・混合導電性酸化物
１７・・・金属粒子担持アルミニウム複合酸化物
１８・・・混合導電体被膜
１９・・・網目状配線印刷
２０・・・複合酸化物固溶体粒子

Claims (7)

  1. イオン導電性を有する固体酸化物電解質層を挟み、一方の面に水素極と、この一方の面に対向する他方の面に酸素極とを有する固体酸化物型電気化学セルにおいて、前記水素極は、表面に金属微粒子を有しかつ表面に混合導電性の膜で覆われた酸化物焼結体と、イオン導電性を有する焼結体とを具備することを特徴とする固体酸化物型電気化学セル。
  2. 前記酸化物焼結体がAl系酸化物もしくはMg系酸化物であり、前記金属微粒子がNi, Co, Fe, Cuのうちの少なくとも一種から選ばれる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型電気化学セル。
  3. 前記イオン導電性を有する焼結体がY2O3もしくはSc2O3で安定化させたZrO2系材料、Sm2O3をドープしたCeO2(SDC)、Gd2O3ドープしたCeO2(GDC)、Y2O3ドープしたCeO2(YDC)より選ばれる少なくとも一種であり、かつ前記混合導電性の膜がSDC、GDC、YDCより選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型電気化学セル。
  4. 前記水素極の集電材を接触させる面に、前記酸素イオン導電性焼結体を含むNi, Co, Fe, Cu成分からなる網目状の配線印刷を施し、前記配線印刷部と集電体とを接触させてなることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型電気化学セル。
  5. 前記酸素極は、Ln1-xAxBO３-TM（Lnは希土類元素、AはSr, Ca, Ba、BはCr, Mn, Fe, Niから選ばれる）で表される複合酸化物、もしくは前記複合酸化物とSDC, GDC, YDCより選ばれる少なくとも一種の混合層からなる事を特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型電気化学セル。
  6. イオン導電性を有する固体酸化物電解質層を挟み、一方の面に形成された酸素極と、この一方の面に対向する他方の面に形成され、表面に金属微粒子を有しかつ表面を混合導電性の膜で覆われた酸化物焼結体とイオン導電性を有する焼結体とを具備する水素極とを有する固体酸化物型電気化学セルの製造方法において、酸化物固溶体、金属塩、および前記イオン導電性を有する焼結体の混合物を前記固体酸化物電解質層に積層する工程と、その後、この状態で焼結させることにより前記酸化物固溶体の表面および前記イオン導電性を有する焼結体の表面に前記金属塩の酸化物からなる前記混合導電性膜を形成する工程と、さらに800〜1000℃で還元することで前記酸化物固溶体を前記金属微粒子が表面に露出した前記酸化物焼結体に改変する工程とを具備することを特徴とする固体酸化物型電気化学セルの製造方法。
  7. イオン導電性を有する固体酸化物電解質層を挟み、一方の面に形成された酸素極と、この一方の面に対向する他方の面に形成され、表面に金属微粒子を有しかつ表面を混合導電性の膜で覆われた酸化物焼結体とイオン導電性を有する焼結体とを具備する水素極とを有する固体酸化物型電気化学セルの製造方法において、酸化物固溶体と金属塩の混合物を焼結することにより前記酸化物固溶体の表面に混合導電性被膜を形成する工程と、その後前記酸化物固溶体と前記イオン導電性を有する焼結体との混合物を前記固体酸化物電解質層に積層する工程と、その後、この状態で焼結させ、さらに800〜1000℃で還元することで前記酸化物固溶体を前記金属微粒子が表面に露出した前記酸化物焼結体に改変する工程とを具備することを特徴とする固体酸化物型電気化学セルの製造方法。
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