JP2017076520A - 固体酸化物形燃料電池用の電極材料とこれを用いた固体酸化物形燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明により、SOFCの電極を形成するために用いる電極材料が提供される。この電極材料は、遷移金属成分粉末と、酸素イオン伝導性材料粉末と、を含む。酸素イオン伝導性材料粉末は、セリウム酸化物からなる第1粉末と、ジルコニウム酸化物からなる第2粉末と、を含む。そして第1粉末と第2粉末との合計に占める第1粉末の割合は、1体積%以上75体積%以下であることを特徴としている。
【選択図】図1
Description
遷移金属成分粉末は、遷移金属および遷移金属化合物からなる群から選択される少なくとも一つの遷移金属成分の粉末である。遷移金属成分としては、具体的には、元素周期律表の3族〜11族に属する遷移金属元素の単体(すなわち、遷移金属)や、当該遷移金属元素を主要構成成分とする化合物(すなわち、遷移金属化合物)であり得る。ここで、遷移金属化合物とは、当該遷移金属元素と他の金属元素および/または半金属元素からなる合金、固溶体、金属間化合物等の金属的性質を示す物質や当該遷移金属元素と非金属元素との化合物(典型的には、酸化物、窒化物等)を包含する。例えば、典型的には、チタン(Ti),バナジウム(V),クロム(Cr),マンガン(Mn),鉄(Fe),コバルト(Co),ニッケル(Ni),銅(Cu)等の3d遷移元素、ルテニウム(Ru),ロジウム(Rh),パラジウム(Pd),オスミウム(Os),イリジウム(Ir),白金(Pt),金(Au),銀(Ag)の貴金属元素等の金属、白金−パラジウム合金,白金−ロジウム合金等の合金、並びに、酸化コバルト(CoO,Co2O3,Co3O4),酸化銅(CuO,Cu2O),酸化銀(AgO,Ag2O),酸化タングステン(WO,W2O3,WO3,WO6)等の酸化物および窒化物等の遷移金属化合物が挙げられる。
なお、本明細書において、「平均粒子径」は、レーザ回折・散乱法に基づく粒度分布測定装置により測定された体積基準の粒度分布における積算値50%での粒径(50%体積平均粒子径)である。
ここに開示される技術において、酸素イオン伝導性材料粉末は、下記の(1)および(2)を満たすように構成されている。
(1)セリウム酸化物からなる第1粉末と、ジルコニウム酸化物からなる第2粉末と、を含む。
(2)第1粉末と第2粉末との合計に占める第1粉末の割合は、1体積%以上75体積%以下である。
このようなセリウム酸化物からなる第1粉末の平均粒子径は、特に限定されるものではないが、比較的小さいものであることが、三相界面の数を多量に導入できるために好ましい。第1粉末の平均粒子径は、例えば、0.01μm以上1.5μm以下が好ましく、0.05μm以上1μm以下がより好ましく、例えば0.1μm以上1μm以下であり得る。
このようなジルコニウム酸化物からなる第2粉末の平均粒子径は、特に限定されるものではないが、比較的小さいものであることが、三相界面の数を好適に増大できるために好ましい。第2粉末の平均粒子径は、例えば、0.01μm以上1.5μm以下が好ましく、0.05μm以上1μm以下がより好ましく、例えば0.1μm以上1μm以下であり得る。
(造孔材)
造孔材は、電極を多孔質構造に形成するために電極材料に配合される材料であって、電極作製時(焼成時)に消失する各種の材料を用いることができる。例えば、造孔材としては、天然有機粉体、粒状の合成樹脂材料、炭素粉末等が好ましい例として挙げられる。
天然有機粉体としては、例えば、澱粉を含む各種の植物のうち、澱粉を多く含む種子(胚乳)、塊根等の部位を粉末にしたものや、かかる部位か抽出した澱粉粉末であってよい。例えば、代表的には、もち米粉、米粉、大麦粉、小麦粉、オート(燕麦)粉、とうもろこし粉、えんどう豆粉、じゃがいも粉、さつまいも粉、キャッサバ粉、葛粉、サゴ粉、アマランス粉、バナナ粉、アロールート粉、カンナ粉などの食物粉、馬鈴薯澱粉、コーンスターチ、タピオカ粉等の澱粉粉末を例示することができる。
上記の粉末状の電極材料は、そのまま圧縮成形する等して電極構造に成形してもよいし、あるいは、粉末状の電極材料を分散媒中に分散したペースト(インク、スラリー、サスペンションなどを包含する)の形態に調製して用いるようにしても良い。このとき用いる分散媒としては、上記の遷移金属成分粉末および酸素イオン伝導性材料粉末を良好に分散し得るものであればよく、従来のこの種のペーストに用いられている各種の分散媒を特に制限なく使用することができる。典型的には、かかる分散媒としては、ビヒクルと、粘度調整のための有機溶媒との混合物を考慮することができる。
有機溶媒としては、例えば、エチレングリコールおよびジエチレングリコール誘導体(グリコールエーテル系溶剤)、トルエン、キシレン、ブチルカルビトール(BC)、ターピネオール等の高沸点有機溶剤の1種を単独で、または、2種以上を組み合わせて使用することができる。
上記のようにして準備した電極材料の成形体(いわゆるグリーンシート)は、従来のこの種の構成部材と同様に焼成することができる。この場合の焼成温度は、例えば1000℃〜1400℃程度とすることができる。なお、この焼成をSOFCの他の構成部材の焼成と同時に行う場合等には、焼成条件を適宜変更することができる。これにより、例えば、SOFCの燃料極等の燃料電池構成部材を作製することができる。
[実施態様1]
ここに開示される技術により提供される固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、本質的には、燃料極(アノード)と固体電解質と空気極(カソード)とが備えられている。ここでSOFCは、例えば、従来公知の平板型(Planar),MOLB型、縦縞円筒型(Tubular)、あるいは円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒型(Flat tubular)、一体積層型等の種々の構造のSOFCであってよい。また、ここに開示される電極材料を用いた電極(典型的には燃料極)は、形状やサイズは特に限定されない。SOFCを支持する支持体(基材)についても特に制限なく、例えば燃料極(アノード支持型)、空気極(カソード支持型)、固体電解質(固体電解質支持型)等であり得る。
かかるSOFC10に電流を印加すると、空気極20において、酸素含有ガス(典型的には空気)中の酸素がイオン化されて、酸素イオン(O2−)となる。この酸素イオンは、空気極20から固体電解質30を介して燃料極40に供給される。そして該燃料極40において、燃料ガスと反応して水(H2O)を生成し、電子を放出することにより、発電が行われる。
かかる実施態様における固体酸化物形燃料電池(SOFC)システムは、SOFCのスタックセル100を備えている。図2に、スタックセル100の一形態の分解斜視図を模式的に示す。このスタックセル100は、SOFC(単セル)10A,10Bが、インターコネクタ50(50A)を介して複数層積み重なったスタックとして構成されている。単セル10A,10Bは、層状の固体電解質30の両面が、それぞれ層状の燃料極(アノード)40と空気極(カソード)20とで挟まれたサンドイッチ構造を備えている。図面中央に配されるインターコネクタ50Aは、その両面を二つの単セル10A,10Bで挟まれており、一方のセル対向面52がセル10Aの空気極20と対向(隣接)し、他方のセル対向面54がセル10Bの燃料極40と対向(隣接)している。かかる燃料極40は、ここに開示される電極材料から構成されている。また、インターコネクタ50は、例えば、SUS430等の耐熱合金,Crofer(ティッセンクルップ),ZMG(日立金属)等の金属材料や、LaCrO3系のセラミックス材料を使用して構成することができる。インターコネクタ50の、セル対向面52には複数の溝が形成されており、供給された酸素含有ガス(典型的には空気)が流れる空気流路53を構成している。同様に、反対側のセル対向面54にも複数の溝が形成されており、供給された燃料ガス(典型的にはH2ガス)が流れるための燃料ガス流路55を構成している。かかる形態のインターコネクタ50では、典型的には空気流路53と燃料ガス流路55とが互いに直交するように形成されている。一般的な動作においては、酸素(O2)含有ガス中のO2ガスが空気極20で還元されてO2−アニオンとなり、固体電解質を通って燃料極40に移動し、H2ガス燃料を酸化する。そしてかかる酸化反応に伴い、電気エネルギーを発生させている。
なお、以上のSOFCシステムの製造方法は、従来公知の製造方法に準じればよく特別な処理を必要としないため、詳細な説明は省略する。
[電極材料の用意]
遷移金属成分粉末として、平均粒子径が0.5μmの酸化ニッケル(NiO)粉末を用意した。酸素イオン伝導性材料粉末として、平均粒子径が0.5μmの10%ガドリニウムドープセリア(GDC)と、平均粒子径が0.5μmの8%イットリウム安定化ジルコニア(YSZ)とを用意した。GDCとYSZとは、下記表1に示す体積比で混合し、例1〜9の酸素イオン伝導性材料粉末とした。そして、遷移金属成分粉末と酸素イオン伝導性材料粉末とを、同体積(50体積%ずつ)で混合し、例1〜9の電極材料とした。
また、上記で用意した各例の電子伝導性材料をSOFCの燃料極用材料として用い、以下の手順で、評価用のSOFCセルを作製した。
まず、酸化ニッケル(NiO,平均粒子径0.5μm)粉末と、8%イットリア安定化ジルコニア(8%YSZ,平均粒子径0.5μm)粉末とを、60:40の質量比で混合することで、燃料極支持体用材料を用意した。そして、この燃料極支持体用材料と、造孔材(炭素成分)、バインダ(ポリビニルブチラール;PVB)、可塑剤および分散媒(コールとトルエンの混合溶剤)とを、順に58:5:8.5:4.5:24の質量比で混練することにより、ペースト状の燃料極支持体形成用組成物を調製した。次いで、この燃料極支持体形成用組成物をキャリアシート上にドクターブレード法によりシート状に塗布し、乾燥させることで、厚みが0.5〜1.0mmの燃料極支持体グリーンシートを形成した。
このようにして用意した積層グリーンシートを円形に切り抜き、1350℃で共焼成することで、燃料極支持体,燃料極層,固体電解質層および反応防止層が順に一体的に積層されたSOFCのハーフセルを得た。なお、焼成後のハーフセルの形状は、直径20mmの円形であった。
そして、このように得られた評価用のSOFCについて、三層界面数,リークの有無および発電性能を以下に示す手順で調べ、燃料極およびSOFCについて評価した。
上記で用意した評価用のSOFCの燃料極の断面を切り出し、その断面を走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)にて観察することで、所定面積(本例では10μm四方)当たりの三相界面の数を測定した。具体的には、燃料極断面のFE−SEM像(5000倍)をピクセルデータとして取得し、画像を三値化することで、画像領域を遷移金属成分粉末,酸素イオン伝導性材料粉末,空孔(pore)部分とに区分けした。そしてこれらの遷移金属成分粉末,酸素イオン伝導性材料粉末および空孔が接する点を三相界面とし、その数を測定した。SEM画像の解析には、画像解析ソフト(日本ローパー社製、Image-Pro Plus)を用いた。得られた三相界面の数を、表1の「三相界面数」の欄に示した。
各例のSOFCを下記の環境条件においたときの開回路電圧を測定することで、固体電解質層と燃料極層との間のリークの有無を評価した。本実施形態で作製したSOFCの起電力は約1.23Vである。そこで、各例のSOFCについて測定された開回路電圧が1V未満の場合は、固体電解質層と燃料極層との間のリークが発生したとして「×」を、開回路電圧が1V以上1.1V未満の場合は、固体電解質層と燃料極層との間に僅かにリークが発生したとして「△」を、開回路電圧が1.1V以上1.2V未満の場合はSOFCが良好に作動し得るとして「○」を、開回路電圧が1.2V以上の場合は固体電解質層と燃料極層との間の接合が極めて良好であるとして「◎」を、表1の「リークの有無」の欄に示した。
燃料極供給ガス:水素ガス(50ml/min)
空気極供給ガス:空気(100ml/min)
運転温度:700℃
各例のSOFCを下記の条件で運転し、電流密度0.5A/cm2における出力密度(W/cm2)を測定し、発電性能とした。その結果を、表1の「発電性能」の欄に示した。
燃料極供給ガス:水素ガス(50ml/min)
空気極供給ガス:空気(100ml/min)
運転温度:700℃
表1に示されるように、燃料極材料における酸素イオン伝導性材料をYSZのみにすると、0.35W/cm2程度の発電性能が得られる。これに対し、YSZにGDCを少しでも加えることで、燃料極における気相,酸素イオン伝導性材料および遷移金属成分粉末(電子伝導性材料)との三相界面の数が増大し、発電性能が向上されることがわかった。三相界面の数は、酸素イオン伝導性材料に占めるGDCの割合が増えるほど増大することがわかった。しかしながら、発電性能はGDCの割合が75体積%を超えて80体積%になると急激に低下する傾向が見られた。また、このときセルの開回路電圧が大きく低下することもわかった。以上の結果と、セリウム酸化物は難焼結性で熱膨張係数が低いことから、GDCの割合が80体積%に至ると、焼成の際に固体電解質層との界面に熱応力が発生して、固体電解質層に割れ(貫通孔)が発生し、燃料ガスのリークが生じたものと考えられる。なお、本実施形態におけるSOFCの起電力は1.1V以上であれば十分であると判断できたので、酸素イオン伝導性材料におけるセリウム酸化物の割合は、20体積%〜70体積%程度であるのがより好ましく、50体積%〜70体積%程度であるのが特に好ましいと考えられる。
次いで、遷移金属成分粉末としては上記例1〜9と同じNiO粉末を用い、酸素イオン伝導性材料粉末として、平均粒子径を下記の表2に示すように変化させた10%ガドリニウムドープセリア(GDC)と8%イットリウム安定化ジルコニア(YSZ)とを用い、これらを混合して例10〜14の電極材料とした。なお、GDCとYSZとは、これらの合計に占めるGDCの割合が70体積%となるように配合し、遷移金属成分粉末と酸素イオン伝導性材料粉末とは同体積(50体積%ずつ)ずつ混合した。
そしてこの例10〜14の電極材料を燃料極形成用材料として用い、その他は上記例1〜9と同様にして、例10〜14の評価用のSOFCセルを作製した。また、得られた例10〜14の評価用のSOFCについて、三層界面数,リークの有無および発電性能を上記と同様にして調べ、その結果を表2に示した。なお、参考のために、表1で示した例4のデータも併せて示した。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
20 空気極(カソード)
30 固体電解質
40 燃料極(アノード)
50,50A インターコネクタ
52 ,54 セル対向面
53 空気流路
55 燃料ガス流路
100 スタックセル
Claims (5)
- 固体酸化物形燃料電池の電極を形成するために用いる電極材料であって、
遷移金属成分粉末と、酸素イオン伝導性材料粉末と、を含み、
前記酸素イオン伝導性材料粉末は、
セリウム酸化物からなる第1粉末と、
ジルコニウム酸化物からなる第2粉末と、を含み、
前記第1粉末と前記第2粉末との合計に占める前記第1粉末の割合は、1体積%以上75体積%以下である、電極材料。 - 前記セリウム酸化物は、ガドリニウムドープセリアおよびサマリウムドープセリアから選択される少なくとも1種である、請求項1に記載の電極材料。
- 前記ジルコニウム酸化物は、イットリア安定化ジルコニアである、請求項1または2に記載の電極材料。
- 少なくとも1種の分散媒を含み、ペースト状に調製された、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電極材料。
- 燃料極と、固体電解質と、空気極と、を備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記燃料極が請求項1〜4のいずれか1項に記載の電極材料の焼成物からなる、固体酸化物形燃料電池。
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