JP5546560B2 - 固体酸化物形燃料電池用電極およびその製造方法 - Google Patents
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Description
以下、各工程をさらに詳細に説明する。なお、以下では主として本発明を燃料極の製造に適用する場合を例として説明するが、これに限定することを意図したものではない。本発明は燃料極に限らず空気極にも適用することができる。
ステップS10のグリーンシート10を用意する工程は、図2に示すように、燃料極材料と澱粉粒子とを含有するグリーンシート10を用意する工程である。
上記燃料極の材料には、従来からSOFCセルに用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。例えば、Ni等の金属の酸化物(NiO等)と、ジルコニア系セラミック(好ましくはイットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)等の安定化ジルコニア)、セリア及び酸化マンガン等のセラミックとのサーメットなどにより形成することができる。各種の金属、及び金属とセラミックとの混合物などを用いてもよい。金属としては、Ru、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Rh、Ni、Co、Cu及びFe等の金属又は2種以上の金属を含有する合金が例示される。また、金属とセラミックとのサーメットとしては、これらの金属又は合金と、ジルコニア系セラミック(好ましくはYSZ等の安定化ジルコニア)とのサーメットが挙げられる。中でも、酸化ニッケルと、ジルコニア系セラミックとのサーメットが好ましく、ジルコニア系セラミックがYSZまたはScSZであることがより好ましい。かかる燃料極の材料粉末の平均粒径としては特に制限されないが、平均粒径0.1μm〜10μm程度の粉末の使用が好ましい。
本実施形態で用いられる澱粉粒子としては、上記燃料極の材料に対して強い接着作用(粘着力)を示す澱粉粒子であることが好ましい。また、焼成工程において燃料極を構築するために設定される焼成温度(例えば、800℃〜1500℃、好ましくは1000℃〜1500℃、より好ましくは1200℃〜1400℃)において揮発する澱粉粒子を用いることが好ましい。さらに、後述するグリーンシートを形成するためのスラリー状組成物において該組成物をシート状に成形し易い粘度に調整し得る澱粉粒子であることが好ましい。このような条件を満たす澱粉粒子を特に制限なく用いることができる。かかる澱粉粒子としては、例えば、米、もち米、とうもろこし(コーン)、芋、タピオカ、小麦、サゴ等の原料から製造されるものが挙げられる。中でも米澱粉、コーン澱粉、芋澱粉、タピオカ澱粉の使用が好ましい。これらの澱粉は、燃料極材料(例えばYSZ及びNiOなどの導電性セラミック)に対して強い接着作用(粘着力)を示すため、本発明の目的に適した澱粉粒子として好適に使用し得る。これらの澱粉は一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
澱粉粒子の形状は特に制限されない。製造容易性等の観点から、通常は、略球形の澱粉粒子を好ましく使用し得る。また、澱粉粒子のサイズ(平均粒径)は、燃料極材料(例えば導電性セラミック)粉末の平均粒径と同程度か、それよりも大きいことが好ましい。例えば、平均粒径が凡そ2μm以上の澱粉粒子の使用が好ましく、より好ましくは凡そ5μm以上であり、特に好ましくは10μm以上である。澱粉粒子の平均粒径が小さすぎると、焼成後に得られた燃料極中の細孔の細孔径が小さくなりすぎるので、該燃料極のガス透過性が悪化することがある。一方、澱粉粒子の平均粒径が大きすぎると、燃料極中の細孔径が大きくなりすぎて機械的強度及び耐久性が低下するため、通常は、平均粒径が凡そ50μm以下(好ましくは40μm以下、特に好ましくは30μm以下)の澱粉粒子を用いることが好ましい。澱粉粒子の平均粒径は当該分野で公知の方法、例えばレーザ回折散乱法に基づく測定によって求めることができる。
グリーンシートの全固形分を100質量%としたときの澱粉粒子の含有量は、概ね2質量%〜30質量%である。澱粉粒子の含有量が少なすぎると、接着強度が不足してシート間に剥離が生じることがあり、また、焼成後に得られた燃料極の気孔率が低下するため、燃料極のガス透過性の確保ができない場合がある。一方、澱粉粒子の含有量が多すぎると、燃料極の気孔率が増大しすぎるため、燃料極の機械的強度及び耐久性が低下することがある。接着強度、ガス透過性及び機械的強度の全てを満足させる観点からは、澱粉粒子の含有量は概ね2質量%〜30質量%が適当であり、より好ましくは5質量%〜15質量%であり、特に好ましくは5質量%〜10質量%である。このような澱粉粒子の含有量の範囲内であると、各シート間の十分な接着強度を維持しつつ、多孔質支持体として好適な気孔率を有する燃料極を安定して容易に得ることができる。
グリーンシート10は、上述した燃料極材料および澱粉粒子の他に、一般的なSOFCセルにおいて燃料極の構成成分として使用され得る一種または二種以上の材料を必要に応じて含有することができる。そのような材料の例として、上記燃料極材料の結着剤(バインダー)として機能し得る各種の材料が挙げられる。該バインダーとしてはポリビニルブチラール(PVB)やポリビニルアルコール(PVA)等のポリマー材料が好ましく用いられる。その他、燃料極の成分として使用され得る材料としては、分散剤や可塑剤が挙げられる。分散剤としてはアクリル酸系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリカルボン酸系樹脂等の材料が好ましく用いられる。可塑剤としてはグリセリンやフタル酸エステル等の材料が好ましく用いられる。
このようにしてグリーンシートを用意(製造)したら、ステップS20の積層工程を実行する。積層工程では、図3に示すように、複数(ここでは5枚)のグリーンシート10を、該グリーンシート10中の澱粉粒子の接着作用(粘着力)により貼り合わせてグリーンシート積層体20を形成する。このように、複数のグリーンシート10を澱粉粒子(特にシート表面に露出している澱粉粒子)の接着作用により貼り合わせることにより、低温かつ無加圧に近い状態(すなわち加圧されていない大気圧とほぼ等しい無加圧状態)で各シートを容易に接合できる。
このようにして、グリーンシート積層体20を形成したら、焼成工程を実行する。焼成工程では、図4に示すように、グリーンシート積層体20を焼成して多孔質構造の燃料極30を得る。
μm以下(典型的には0.5μm〜2.0μm)が好ましい。
以下、上述した方法を適用して製造された燃料極30を用いて構築されるアノード支持形SOFCの一実施形態につき、図5に示す模式図を参照しつつ説明する。
上記アノード支持形SOFC100が備える固体電解質層40は、酸化物イオン伝導体により構成されている。固体電解質は、上記燃料極30上に積層されており、該燃料極30の形状に応じてその形状を適宜変更することができる。例えば、図5に示すように、シート状の燃料極30の上に積層されている固体電解質層40は、燃料極30と同様にシート状に形成され得る。
上記アノード支持形SOFCが備える空気極50は、一般的なSOFCと同様に、酸化雰囲気でも高耐久性の材料から構成されることが好ましい。例えば、ランタンコバルテート(LaCoO3)系、ランタンマンガネート(LaMnO3)系、ランタンフェライト(LaFeO3)系、またはランタンニッケラート(LaNiO3)系のペロブスカイト型酸化物、あるいはサマリウムコバルテート(SmCoO3)系ペロブスカイト型酸化物等の多孔質体から構成されることが好ましい。
(1)グリーンシート積層体
8mol%イットリア安定化ジルコニア(YSZ)粉末(平均粒径:約1μm)および酸化ニッケル(NiO)粉末を6:4の質量比で混合した混合粉末に、澱粉粒子としての米澱粉A(アミロペクチン量50質量%、平均粒径5μmのものを使用した。)、バインダーとしてのPVB、分散剤としてのポリカルボン酸系樹脂、可塑剤としてのフタル酸ジブチル、および溶媒(ここでは2−プロパノールとトルエンとを質量比4:1で混合したものを使用した。)を添加して混練した。次いで、この混練物(スラリー状組成物)をドクターブレード法によりシート状に成形(塗布・乾燥)し、厚み0.1mmのグリーンシートを2枚作製した。この2枚のグリーンシートを所定サイズに切断して相互に重ね合わせ、積層方向の上下から熱板式の加熱ユニットで挟み込み、無加圧に近い状態で加熱することにより、2枚のグリーンシートが貼り合わされてなるグリーンシート積層体を形成した。なお、本例では、グリーンシートの全固形分に対して澱粉粒子の含有量を5質量%とした。また、上記加熱ユニットによる加熱を、40℃、50℃、60℃、70℃の異なる温度で行った。
本例では、米澱粉Aの含有量を10質量%としたこと以外は実施例1と同様にしてグリーンシート積層体を作製した。
本例では、澱粉粒子として米澱粉B(アミロペクチン量25質量%、平均粒径5μm)を使用し、かつ米澱粉Bの含有量を15質量%としたこと以外は実施例1と同様にしてグリーンシート積層体を作製した。
本例では、澱粉粒子としてコーン粉(アミロペクチン量20質量%、平均粒径15μm)を使用し、かつコーン粉の含有量を10質量%としたこと以外は実施例1と同様にしてグリーンシート積層体を作製した。
本例では、澱粉粒子としてもち米粉(アミロペクチン量80質量%以上、平均粒径5.0μm)を使用し、かつもち米粉の含有量を10質量%としたこと以外は実施例1と同様にしてグリーンシート積層体を作製した。
本例では、澱粉粒子の代わりにカーボン(造孔材)を使用し、かつカーボンの含有量を10質量%としたこと以外は実施例1と同様にしてグリーンシート積層体を作製した。
本例では、澱粉粒子を使用しなかったこと以外は実施例1と同様にしてグリーンシート積層体を作製した。
さらに、上記各例の60℃で接合したグリーンシート積層体を用いて燃料極を作製した。具体的には、各例のグリーンシート積層体を大気中において1400℃まで昇温し、1時間保持して焼結体(燃料極)を得た。かかる燃料極の気孔率を測定したところ、実施例1〜5及び比較例1に係る燃料極は、気孔率がそれぞれ21%,27%,33%,29%,30%,25%であり、多孔質支持体として好適であった。一方、造孔材を用いなかった比較例2に係る燃料極は、気孔率が5%であり、多孔質支持体として不適であった。
20 グリーンシート積層体
30 燃料極(電極)
40 固体電解質層
50 空気極
100 アノード支持形SOFC(固体酸化物形燃料電池)
Claims (12)
- 多孔質構造の固体酸化物形燃料電池用電極を製造する方法であって、
電極材料と澱粉粒子とを含有する複数のグリーンシートであって厚みが0.05mm〜0.5mmである複数のグリーンシートを用意する工程と、
前記複数のグリーンシートを前記澱粉粒子の接着作用により貼り合わせてグリーンシート積層体を形成する積層工程と、
前記グリーンシート積層体を焼成して多孔質構造の電極を得る焼成工程と
を包含し、
ここで澱粉粒子中のアミロペクチンの含有量が、25質量%〜60質量%である、固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法。 - 前記焼成工程では、前記グリーンシート中の澱粉粒子を焼失させることにより前記電極中に気孔を形成する、請求項1に記載の電極製造方法。
- 前記積層工程では、前記複数のグリーンシートを40℃〜60℃の温度域で加熱しつつ貼り合わせる、請求項1または2に記載の電極製造方法。
- 前記積層工程では、前記複数のグリーンシートを1MPa以下の圧力条件下において貼り合わせる、請求項1〜3の何れか一つに記載の電極製造方法。
- 前記グリーンシートの全固形分を100質量%としたときの前記澱粉粒子の含有量が、2質量%〜30質量%である、請求項1〜4の何れか一つに記載の電極製造方法。
- 前記澱粉粒子として、米澱粉を使用する、請求項1〜5の何れか一つに記載の電極製造方法。
- 前記グリーンシートの全固形分を100質量%としたときの前記澱粉粒子の含有量が10質量%以下であり、かつ、
前記澱粉粒子中のアミロペクチンの含有量が、30質量%〜50質量%である、請求項1〜6の何れか一つに記載の電極製造方法。 - 前記澱粉粒子のレーザ散乱法に基づく平均粒径が、2μm〜50μmである、請求項1〜7の何れか一つに記載の電極製造方法。
- 多孔質構造の燃料極と、酸化物イオン伝導体からなる固体電解質と、多孔質構造の空気極とを備える固体酸化物形燃料電池であって、
前記燃料極として、請求項1〜8の何れかに記載の製造方法により製造された電極を備える、固体酸化物形燃料電池。 - 多孔質構造の固体酸化物形燃料電池用電極を形成するために用いられるグリーンシート積層体であって、電極材料と澱粉粒子とを含有する複数のグリーンシートであって厚みが0.05mm〜0.5mmである複数のグリーンシートを前記澱粉粒子の接着作用により貼り合わせて構成されており、該澱粉粒子中のアミロペクチンの含有量が25質量%〜60質量%である、グリーンシート積層体。
- 前記グリーンシートの全固形分を100質量%としたときの前記澱粉粒子の含有量が2質量%〜30質量%である、請求項10に記載のグリーンシート積層体。
- 前記澱粉粒子は、米澱粉である、請求項10または11に記載のグリーンシート積層体。
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