JPH05270955A - 酸化物セラミックスへの被覆層の形成方法 - Google Patents

酸化物セラミックスへの被覆層の形成方法

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JPH05270955A
JPH05270955A JP4067125A JP6712592A JPH05270955A JP H05270955 A JPH05270955 A JP H05270955A JP 4067125 A JP4067125 A JP 4067125A JP 6712592 A JP6712592 A JP 6712592A JP H05270955 A JPH05270955 A JP H05270955A
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JP
Japan
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oxide
oxide ceramic
metal
electrode
ceramic
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Pending
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JP4067125A
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Zenichiro Takehara
善一郎 竹原
Zenhachi Okumi
善八 小久見
Yoshiharu Uchimoto
喜晴 内本
Shinji Takeuchi
伸二 竹内
Takashi Nojo
貴司 野条
Takanori Ogawa
貴則 小川
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Kansai Electric Power Co Inc
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Kansai Electric Power Co Inc
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/9041Metals or alloys
    • H01M4/905Metals or alloys specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
    • H01M4/9066Metals or alloys specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC of metal-ceramic composites or mixtures, e.g. cermets
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】電極材料粒子が微細であり、電極粒子同士が互
いに接触し、その表面が固体電解質であるセラミックス
材料により効果的に被覆されたサーメット電極を提供す
ること。 【構成】電極材料となる金属と固体電解質材料となる第
1の酸化物セラミックスとの混合物からなるサーメット
電極を製造するに際し、第1の酸化物セラミックスとは
異なる第2の酸化物セラミックスを形成し得る元素を含
むガスと該混合物とを接触させ、第1の酸化物セラミッ
クスのイオンまたは第1の金属酸化物セラミックスから
解離した酸素を金属表面の酸化被膜を通して輸送し、酸
化被膜上で上記酸化物セラミックスイオンまたは酸素と
上記ガスとを反応させて、金属上に第2の酸化物セラミ
ックス被覆層を形成させることを特徴とするサーメット
電極の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、酸化物セラミックスへ
の被覆層の形成方法に関し、さらに詳しくはサーメット
電極の製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】サーメット電極は、高温固体電解質燃料電
池などの固体電解質を用いる電気化学システムの電極と
して利用されている。
【0003】燃料電池において、固体電解質を使用する
場合には、液体電解質を使用する場合に比して、電気伝
導率が低いので、高温で駆動する必要がある。この様な
高温条件下では、サーメット電極が次第に焼結して、そ
の活性が低下し、電極の劣化を生ずる。従って、高性能
のサーメット電極を作製するためには、電極材料となる
金属粒子間に固体電解質材料となるセラミックスを分散
させる必要がある。
【0004】従来、サーメット電極の製造方法としてセ
ラミック法が知られている。この方法では、電極となる
金属或いはその酸化物の粉末とセラミックス粉末、例え
ば、イットリア安定化ジルコニア粉末(イットリア安定
化ジルコニアに代えてその原料となるイットリウム−ジ
ルコニウム粉末混合物を使用する場合もある)とを所定
の割合で混合し、成形し、酸素存在下に焼結することに
より、金属または金属酸化物とイットリア安定化ジルコ
ニアとからなるサーメット電極を製造する。
【0005】高性能のサーメット電極においては、電極
材料粒子が微細であり、電極粒子同士が互いに接触しな
がら、その表面が固体電解質であるセラミックス材料に
より有効に被覆されてその焼結による劣化が効果的に抑
制されており、且つ電極と固体電解質との接触面積の増
大により電極が活性化されている必要がある。
【0006】しかしながら、上記のような焼結法では、
電極粒子相互の接触が必ずしも十分ではなく、またセラ
ミックス材料によるその表面の被覆が不十分である場合
がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、電
極材料粒子が微細であり、電極粒子同士が互いに接触
し、その表面が固体電解質であるセラミックス材料によ
り効果的に被覆されたサーメット電極を提供することを
主な目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記のよう
な技術の現状に鑑みて鋭意研究を進めた結果、サーメッ
ト電極の電極材料となる金属粒子表面の酸化被膜とこれ
とは異なる第2の酸化物を形成し得る元素を含むガスと
を接触させる場合には、本発明の目的を達成し得ること
を見出した。
【0009】本発明は、この様な新規な知見を基いて完
成されたものであり、下記の方法を提供するものであ
る: 1.第1の酸化物セラミックスとこれとは異なる第2の
酸化物セラミックスを形成し得る元素を含むガスとを接
触させて、第1の酸化物セラミックスまたはこれと該ガ
スとの反応生成物上に第2の酸化物セラミックス層を形
成させることを特徴とする酸化物セラミックスへの被覆
層の形成方法(以下本願第1発明ということがある); 2.電極材料となる金属と固体電解質材料となる第1の
酸化物セラミックスとの混合物からなるサーメット電極
を製造するに際し、第1の酸化物セラミックスとは異な
る第2の酸化物セラミックスを形成し得る元素を含むガ
スと該混合物とを接触させ、第1の酸化物セラミックス
のイオンまたは第1の金属酸化物セラミックスから解離
した酸素を金属表面の酸化被膜を通して輸送し、酸化被
膜上で上記酸化物セラミックスイオンまたは酸素と上記
ガスとを反応させて、金属上に第2の酸化物セラミック
ス被覆層を形成させることを特徴とするサーメット電極
の製造方法(以下本願第2発明ということがある)。
【0010】(1)本願第1発明 まず、多孔質である第1の酸化物セラミックス基材上に
第2の酸化物セラミックス被覆層を形成する方法を例と
して、本願第1発明を詳細に説明する。
【0011】多孔質である第1の酸化物セラミックス基
材としては、酸化コバルト、酸化ニッケルなどが例示さ
れる。この様な基材上に例えばイットリア安定化ジルコ
ニア(YSZ)の被膜を形成させる場合には、基材の一
面側に四塩化ジルコニウム(ZrCl4 )の様なハロゲ
ン化ジルコニウムと三塩化イットリウム(YCl3 )の
様なハロゲン化イットリウムとの混合ガスを導入し、反
応させる。この際、混合ガスは、アルゴンなどのキャリ
ヤーガスにより希釈して使用する。反応条件は、使用す
る基材、導入するガスなどにより適宜定められ、特に限
定されるものではないが、温度400〜1200℃程
度、圧力0.01〜100torr程度の範囲内にある。
【0012】この状況において、イットリア安定化ジル
コニア(YSZ)の被膜を形成させる場合を例にとるな
らば、第1の酸化物セラミックスに由来する酸素ガス
は、四塩化ジルコニウムおよび三塩化イットリウムと反
応して、基材表面に金属酸化物であるYSZの薄膜が形
成される(CVD過程)。このYSZ膜が次第に成長す
ると、基材の細孔部が閉塞されて、酸素ガスは、最早基
材を通過し得なくなる。しかるに、形成されるYSZ薄
膜は、イオン伝導性を有するので、酸素ガス分子は、酸
化物イオン(O-2)の形態で薄膜内を移動することがで
きる。この際、生成された薄膜両側間の酸素分圧差に起
因する薄膜内でのO-2の濃度差が、イオン輸送の駆動力
となっている。従って、O-2は、生成した薄膜中を拡散
し続けて、四塩化ジルコニウムおよび三塩化イットリウ
ムの存在する面側に達して、薄膜の成長を持続させる
(EVD過程)。
【0013】反応が終了した時点では、YSZの被覆層
を備えた酸化物セラミックスが得られる。
【0014】被覆層を形成する酸化物セラミックスとし
ては、YSZ以外に、セリア安定化イットリア(CS
Z)、セリアなどが挙げられる。
【0015】(2)本願第2発明 本願第2発明においては、電極材料であるニッケルなど
の表面を酸化した後、形成された第1の金属酸化物被膜
に四塩化ジルコニウムと三塩化イットリウムとの混合ガ
スを接触させる。かくして、第1の金属酸化物被膜から
酸素が供給されて、電極材料表面に第2の金属酸化物で
あるYSZの薄膜が形成される(CVD過程)。第1の
金属酸化物とYSZとでは、密度が異なるので、当初の
YSZの薄膜は、多孔性となる。その結果、多孔性のY
SZ薄膜で被覆された金属酸化物被膜および電極材料表
面には、四塩化ジルコニウムと三塩化イットリウムとの
混合ガスがさらに接触し続け、金属酸化物からの酸素の
供給下に電極材料表面にには、非多孔性のYSZの薄膜
が形成される(EVD過程)。
【0016】かくして、電極材料となる金属と固体電解
質材料となる金属酸化物セラミックスとの混合物からな
るサーメット電極であって、金属表面上に第2の酸化物
セラミックスであるYSZの被覆層を形成させたものが
得られる。
【0017】本願第2発明においても、被覆層を形成す
る酸化物セラミックスとしては、YSZ以外に、セリア
安定化イットリア(CSZ)、セリアなどが挙げられ
る。
【0018】
【発明の効果】本発明による電気化学気相成長法を利用
してサーメット電極を製造する場合には、製作が容易と
なり、また、電極材料である金属表面の酸化物がセラミ
ックスに転換されるので、金属表面をセラミックスが均
一に被覆することになる。従って、電極活性が高く、電
極として使用中の焼結による劣化を抑制し得る高性能の
サーメット電極を製造することができる。
【0019】また、本発明方法は、酸化物セラミックス
の表面に異なる第2の酸化物層を備えた酸化物セラミッ
クス複合体の製造にも、利用できる。
【0020】
【実施例】以下に実施例を示し、本発明の特徴とすると
ころをより一層明確にする。
【0021】実施例1 図1に本発明方法で使用する製造装置の一例の概要を模
式的に示す。この装置を使用して、電子伝導性の金属基
板上にイオン伝導性薄膜であるYSZを形成することが
できる。
【0022】反応容器6は、気密構造となっており、試
料2(10mm×10mm)が配置されている。試料2は、
YSZ基板の片面にストロンチウムをドープしたランタ
ンマンガネートを焼結させるとともに、他の片面にニッ
ケル粒子を焼結させ、その表面を酸化被膜で覆った構造
を有している。試料2は、装置の作動時には電気炉1に
より加熱される。
【0023】反応容器6の内部は、排気ポンプ5によ
り、例えば1Torrに保持され、試料2は、例えば100
℃に加熱保持される。
【0024】反応容器6内には、四塩化ジルコニウムが
アルゴンをキャリヤーガスとしてガス導入口8を経て電
気炉4で例えば250℃に加熱されて導入されるととも
に、三塩化イットリウムがアルゴンをキャリヤーガスと
してガス導入口7を経て電気炉3により例えば720℃
に加熱されて導入される。但し、電気炉3および4から
試料2が配置された位置に至るまでの間に、ガスが凝縮
しないように、ガスは電気炉(図示せず)により加熱さ
れる。
【0025】CVD過程は、試料2の酸化ニッケル層部
分で進行する。即ち、試料2の酸化ニッケル層部分に到
達した四塩化ジルコニウムおよび三塩化イットリウム
は、酸化ニッケルの表面で酸素と反応し、YSZからな
る薄膜が形成される。
【0026】上記のYSZ薄膜形成過程は、YSZ薄膜
がニッケル層を覆った時点で完了するが、酸化ニッケル
中に残存する酸素は、すでに形成されているYSZ中を
2-イオンの形態でYSZ薄膜表面側に移動し、四塩化
ジルコニウムおよび三塩化イットリウムと反応して、さ
らにYSZを生成する。酸化ニッケル中の全ての酸素
が、四塩化ジルコニウムおよび三塩化イットリウムと反
応した時点で、EVD過程が終了する。
【0027】かくして、電子伝導性を有するニッケルの
表面をイオン伝導性を有するYSZで覆ったサーメット
電極を製造することができる。
【0028】因みに、従来のスラリー法により得られた
ニッケルとYSZとからなるサーメット電極を使用する
固体電解質電池において、過電圧0.1Vで120mA/
cm2の電流密度が得られたのに対し、本実施例によるサ
ーメット電極を使用する固体電解質電池においては、過
電圧0.1Vで220mA/cm2 と約2倍の電流密度が得
られた。
【0029】また、従来のスラリー法により得られたサ
ーメット電極を使用する固体電解質電池においては、2
50時間運転後に電流密度が90mA/cm2 に低下してい
たのに対し、本実施例によるサーメット電極を使用する
固体電解質電池においては、400時間運転後において
も、電流密度は190mA/cm2 とあまり低下しておら
ず、電極の劣化が抑制されていることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法で使用する製造装置の一例の概要を
模式的に示すフロー図である。
【符号の説明】
1…電気炉 2…試料 3…電気炉 4…電気炉 5…排気ポンプ 6…反応容器 7…三塩化イットリウムガス導入口 8…四塩化ジルコニウムガス導入口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C23C 8/10 7516−4K H01M 4/88 T 4/90 M 8/12 9062−4K (72)発明者 野条 貴司 大阪府大阪市北区中之島3丁目3−22 関 西電力株式会社内 (72)発明者 小川 貴則 大阪府大阪市北区中之島3丁目3−22 関 西電力株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1の酸化物セラミックスとこれとは異な
    る第2の酸化物セラミックスを形成し得る元素を含むガ
    スとを接触させて、第1の酸化物セラミックスまたはこ
    れと該ガスとの反応生成物上に第2の酸化物セラミック
    ス層を形成させることを特徴とする酸化物セラミックス
    への被覆層の形成方法。
  2. 【請求項2】電極材料となる金属と固体電解質材料とな
    る第1の酸化物セラミックスとの混合物からなるサーメ
    ット電極を製造するに際し、第1の酸化物セラミックス
    とは異なる第2の酸化物セラミックスを形成し得る元素
    を含むガスと混合物とを接触させ、第1の酸化物セラミ
    ックスのイオンまたは第1の金属酸化物セラミックスか
    ら解離した酸素を金属表面の酸化被膜を通して輸送し、
    酸化被膜上で上記酸化物セラミックスイオンまたは酸素
    と上記ガスとを反応させて、金属上に第2の酸化物セラ
    ミックス被覆層を形成させることを特徴とするサーメッ
    ト電極の製造方法。
JP4067125A 1992-03-25 1992-03-25 酸化物セラミックスへの被覆層の形成方法 Pending JPH05270955A (ja)

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Cited By (2)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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