JP5228456B2 - 固体酸化物型燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Description
(発電時)には金属(Ni等)に還元される。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、電解質層と少なくとも一方の電極層が一体型となり、かつ電解質層の薄膜化を可能にする固体酸化物型燃料電池及びその製造方法を提供する。
さらに、本発明の製造方法によれば、電解質層が薄膜で形成可能であり、電解質における酸素イオン伝導の抵抗を大幅に減少させることができる。
ることがある。このような場合も含めて、本発明においては「結晶粒界が実質的にない」膜といい、SEM観察によれば、結晶粒界が残った部分は全表面の20%以下であった。また、ガスや液が膜を透過しなければ結晶粒界が実質的にないと判断することができる。
なかでも、金属源として金属塩または有機金属化合物が溶解した金属酸化物膜形成用溶液と、金属酸化物膜形成温度以上の温度まで加熱した母材とを接触させることにより、基材上に金属酸化物膜を得る金属酸化物膜の製造方法が好ましい。この手法で作製した膜は密着性、凹凸追従性が良く、柔軟な膜だからである。
さらに、セラミック膜としては金属酸化物膜が最も好ましい。これは、金属酸化物は高温環境下で安定して触媒として機能するからである。
金属酸化物膜形成温度は、以下の方法により測定することができる。すなわち、実際に所望の金属源を含有する金属酸化物膜形成用溶液を用意し、基材の加熱温度を変化させて接触させることにより、金属酸化物膜を形成することができる最低の基材加熱温度を測定する。この最低の基材加熱温度を本発明における金属酸化物膜形成温度とする。
以下、本発明の金属酸化物膜(触媒)の製造方法について、詳細に説明する。
本発明において、多孔質母材は固体酸化物型燃料電池の電解質層や電極層を構成するものである。したがって、酸化物イオン伝導材料であることが好ましい。特に、蛍石型、ペロブスカイト型の結晶構造を有するものが好ましい。蛍石型の結晶構造を有する酸化物イオン伝導体としては、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等を挙げることができる。
また、上記ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物イオン伝導体としては、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。
%である。また、その厚みは5〜50μmが好ましい。また、上記多孔質母材内の気孔は、平均径が0.1μm以上100μm以下であることが好ましく、0.1μm以上10μm以下がより好ましい。上記気孔の平均径が0.1μm未満の場合、上記一方の多孔質電極層のガス透過性が低下する。一方、上記気孔の平均径が、100μmを超える場合、上記一方の多孔質電極層の強度が低下する。
本発明において、多孔質母材の少なくとも一方の面を加熱して緻密化することができれば、いかなる加熱方法を用いてもよいが、レーザー照射やプラズマジェットを照射することが好ましい。これは、多孔質母材への熱負荷を最小限にしながらも、表面が溶解するような温度まで瞬間的に加熱することができるからである。
プラズマジェットの発生方法も特に限定されないが、陰極と陽極間に電圧をかけ直流アークを発生させ、後方から送給されるガス(アルゴンなど)を電離させるプラズマ発生方式、いわゆるアーク放電形式が好ましい。これは、電子温度が低いにもかかわらず、電子密度が高いためである。中でも安定したアークが得られることから、乱流タイプのプラズマより「層流タイプ」のプラズマを用いることが好ましい。これにより基板へのダメージを最小限に防ぐ事ができる。
加熱して緻密化した電解質層の厚みは、10nm以上100μm以下であり、好ましくは10nm以上50μm以下であり、さらに好ましくは100nm以上10μm以下であり、最も好ましくは、100nm以上1μm以下である。
上記厚みが10nm未満の場合、上記一対の多孔質電極層同士が接触するおそれがある。一方、上記厚みが100μmを超えると、上記電解質層の酸化物イオン伝導性が低下する。
本発明において、多孔質母材の加熱後、残る多孔質部分(他方の面)に付与する触媒は、燃料極用の触媒であっても空気極用の触媒であっても良い。燃料極用の触媒としては、一般的に燃料極材料として用いられる物質でよく、例えば、酸化ニッケル、酸化鉄、酸化コバルト等や、貴金属(白金、ルテニウム、パラジウム等)等を含むものを使用してもよい。
また、空気極用の触媒としては電子と酸素イオンが伝導する混合伝導性材料が好ましく、例えば、(Sm,Sr)CoO3、(La,Sr)MnO3、(La,Sr)CoO3、(La,Sr)(Fe,Co)O3、(La,Sr)(Fe,Co,Ni)O3などの酸化物が挙げられ、好ましくは、(Sm,Sr)CoO3である。
本発明に用いられる金属酸化物膜形成用溶液は、金属源を含有する金属酸化物膜形成用溶液を、加熱した基材に接触させることにより、金属酸化物膜を得る。
本発明に用いられる金属源は、通常、金属塩または有機金属化合物である。
本発明においては、前記金属酸化物膜形成用溶液に用いられる金属源がMg、Al、Si、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Ag、In、Sn、Ce、Sm、Pb、La、Hf、Sc、Gd、Ta、Ca、Cr、Ga、Sr、Nb、Mo、Pd、Sb、Te、Ba、およびWからなる群から選択される少なくとも一つの金属元素を含有することが好ましい。これらの化合物はセラミック膜を形成し易いためである。
上記金属塩としては、金属酸化物膜を形成することができるものであれば特に限定されないが、例えば、上記金属元素を含む塩化物、硝酸塩、硫酸塩、過塩素酸塩、酢酸塩、リン酸塩、臭素酸塩等を挙げることができる。なかでも、本発明においては、塩化物、硝酸塩、酢酸塩を使用することが好ましい。これらの化合物は汎用品として入手が容易である。
本発明に用いられる溶媒は、上記金属源等を溶解することができるものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、水;メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、プロパノール、ブタノール等の総炭素数が5以下の低級アルコール;トルエン;アセ
チルアセトン、ジアセチル、ベンゾイルアセトン等のジケトン類;アセト酢酸エチル、ピルビン酸エチル、ベンゾイル酢酸エチル、ベンゾイル蟻酸エチル等のケトエステル類;およびこれらの混合溶媒等を挙げることができる。
本発明に用いられる金属酸化物膜形成用溶液は、セラミックス微粒子、補助イオン源、および界面活性剤等の添加剤を含有しても良い。
セラミックス微粒子を用いることにより、セラミックス微粒子を取り囲むように多孔質金属酸化物膜が形成され、異種セラミックスの混合膜を得ることや多孔質金属酸化物膜の体積増加を図ることができる。なお、上記セラミックス微粒子の含有量は、使用する部材の特徴に合わせて適宜選択されることが好ましい。
補助イオン源は、還元剤の熱分解等により生じる電子と反応し水酸化物イオンを発生するものである。補助イオン源を用いることにより、多孔質金属酸化物膜形成用溶液のpHを上昇させ、プールベ線図における金属酸化物領域あるいは金属水酸化物領域へ誘導し、多孔質金属酸化物膜の発生しやすい環境とし、より低い基材加熱温度で多孔質金属酸化物膜を得ることができる。なお、上記補助イオン源の使用量は、使用する金属源や還元剤に合わせて適宜選択して使用することが好ましい。
本発明における基材と金属酸化物膜形成用溶液との接触方法としては、基材と金属酸化物膜形成用溶液とを接触させる方法であれば特に限定されないが、金属酸化物膜形成用溶液と基材を接触させた際に、基材の温度を低下させない方法が好ましい。基材の温度が低下すると成膜反応が起こらず所望の金属酸化物膜を得ることができない。
基材の温度を低下させない方法としては、例えば、金属酸化物膜形成用溶液を液滴として基材に接触させる方法等が挙げられ、なかでも上記液滴の径が小さいことが好ましい。
液滴の径が小さければ、金属酸化物膜形成用溶液の溶媒が瞬時に蒸発し、基材温度の低下をより抑制することができ、さらに液滴の径が小さいことで、均一な膜厚の金属酸化物
膜を得ることができる。
また、上記スプレー装置の噴射ガスとしては、金属酸化物膜の形成を阻害しない限り特に限定されないが、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素等を挙げることができ、なかでも不活性な気体である窒素、アルゴン、ヘリウムが好ましい。
金属酸化物膜形成温度は、金属塩、有機金属化合物といった金属源の種類、溶媒等の金属酸化物膜形成用溶液の組成によって異なるが、一般的には150〜600℃の範囲内とすることができ、なかでも250〜400℃の範囲であることが好ましい。
さらに、上記金属酸化物膜を、金属源としての金属塩または有機金属化合物が溶解した金属酸化物膜形成用溶液を母材に塗布し、その後に金属酸化物膜形成温度以上の温度まで加熱することにより、前記母材上に設けることもできる。
本発明の金属酸化物膜の製造方法においては、上述した接触方法等により得られた金属酸化物膜の洗浄を行っても良い。上記多孔質金属酸化物膜の洗浄は、金属酸化物膜の表面等に存在する不純物を取り除くために行われるものであって、例えば、金属酸化物膜形成用溶液に使用した溶媒を用いて洗浄する方法等を挙げることができる。
本発明により得られる固体酸化物型燃料電池について説明する。本発明の固体酸化物型燃料電池は、電解質層を挟持する一対の多孔質電極層を有する固体酸化物型燃料電池であって、前記一対の多孔質電極層の少なくとも一方は電解質層と一体で、かつ多孔質電極層の骨格を構成し、前記骨格壁面に沿って付着していることを特徴とする。これはSEMによって確認することができる。また、本発明によれば、電解質層と電極が一体となっていることから、酸素イオンがスムーズに通過することができ、抵抗の少ない固体酸化物型燃料電池を得ることができる。
本実施例では、まず、YSZ粉末(粒径範囲:0.01〜10μm、平均粒径:1μm)とアセチレンブラックを、質量比(YSZ:アセチレンブラック)が95:5となるようにエタノールに加え、これらをエタノール中で粉砕しながら混合した。次に、これらを乾燥して充分にエタノールを揮発させた後、一軸プレスにて成形し、セラミックスカッターにより5mm角の寸法に切断(トリミング)した。そして、これを1400℃で5時間焼結して、多孔質母材(厚み:0.5mm)を作製した。
次に、前記多孔質母材に対して、アーク放電プラズマジェット(株式会社エアロプラズマ社製)を照射した。このとき、ノズル−基板距離は30cm、照射時間は5秒、陰極ガスはアルゴン(1.5l/min)と炭酸ガス(4.5l/min)、2つの陽極を流れるガスはアルゴン(0.8l/min)で、電力は65Aの125Vであった。このように照射した結果、図1に示すような緻密電解質層と、残る多孔質部分とを有する構造体を得ることができた。
本比較例においては、プラズマジェットにより多孔質母材を加熱するのに代えて、焼成炉によって加熱した。加熱方法以外は、実施例1と同様に行った。
マッフル炉によって1450℃で10時間焼成(昇温速度100℃/min)したところ、図2に示す写真のように、多孔質母材の一方の面を緻密化することができなかった。
Claims (9)
- 電解質層を挟持する一対の多孔質電極層のうち少なくとも一方は、前記電解質層と一体である固体酸化物型燃料電池の製造方法であって、多孔質母材の一方の面を加熱して緻密な電解質層とし、残る多孔質部分に触媒を付与して多孔質電極層とすることを特徴とする固体酸化物型燃料電池の製造方法。
- 前記加熱が、プラズマジェットの照射によることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 前記加熱が、レーザーの照射によることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 前記触媒を、金属源としての金属塩または有機金属化合物が溶解した金属酸化物膜形成用溶液と、金属酸化物膜形成温度以上の温度まで加熱した多孔質母材とを接触させることにより、前記母材上に付与することを特徴とする請求項1〜3に記載の製造方法。
- 前記金属酸化物膜形成用溶液を噴霧することにより、前記金属酸化物膜形成用溶液と前記多孔質母材とを接触させることを特徴とする請求項4に記載の製造方法。
- 前記触媒を、金属源としての金属塩または有機金属化合物が溶解した金属酸化物膜形成用溶液を塗布し、その後に金属酸化物膜形成温度以上の温度まで加熱することにより、前記多孔質部分に付与することを特徴とする請求項1〜3に記載の製造方法。
- 前記金属源が、Mg、Al、Si、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Ag、In、Sn、Ce、Sm、Pb、La、Hf、Sc、Gd、Ta、Ca、Cr、Ga、Sr、Nb、Mo、Pd、Sb、Te、Ba、およびWからなる群から選択される少なくとも一つの金属元素を含有することを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の製造方法。
- 前記一対の多孔質電極層は、燃料極層及び空気極層である請求項1〜7のいずれかに記載の製造方法。
- 請求項1〜8のいずれかに記載の製造方法により製造された固体酸化物型燃料電池。
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