KR101521508B1

KR101521508B1 - 고체 산화물형 연료 전지의 지지체를 겸하는 연료극 및 연료극 지지형 고체 산화물형 연료 전지

Info

Publication number: KR101521508B1
Application number: KR1020147013835A
Authority: KR
Inventors: 타카시 오카모토
Original assignee: 가부시끼가이샤 리켄
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2013-07-17
Publication date: 2015-05-19
Also published as: EP2884571A1; EP2884571A4; WO2014027442A1; US20140377684A1; CN103959525A; KR20140079859A

Abstract

본 발명은 환원분위기/산화분위기에 반복해서 드러나게 되어도 도전성 및 강도가 저하하기 어려운 고체 산화물형 연료 전지의 지지체를 겸하는 연료극을 제공한다. 본 발명의 고체 산화물형 연료 전지의 지지체를 겸하는 연료극은 10% 누적 입경이 5μm 이상 12μm 이하이며, 또, 90% 누적 입경이 84μm 이상 101μm 이하인 제1 산화물 입자로 이루어지는 다공질 구조체와, 상기 다공질 구조체의 공극 내 표면을 덮는, 제2 산화물 입자에 의해 표면의 10% 이상 70% 이하가 피복된 전극 촉매능을 가지는 전극 입자를 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

고체 산화물형 연료 전지의 지지체를 겸하는 연료극 및 연료극 지지형 고체 산화물형 연료 전지{FUEL ELECTRODE WHICH ALSO SERVES AS SUPPORTING BODY OF SOLID OXIDE FUEL CELL, AND FUEL ELECTRODE-SUPPORTED SOLID OXIDE FUEL CELL}

본 발명은 고체 산화물형 연료 전지의 지지체를 겸하는 연료극 및 연료극 지지형의 고체 산화물형 연료 전지, 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다.

연료극과 공기극을 고체 산화물 전해질로 분리하여 구성되는 연료 전지 셀에 수소 등의 가열성(可熱性) 가스와 산소를 포함하는 산화성 가스를 공급하여 발전을 실시하는 고체 산화물형 연료 전지(이하, 「SOFC」로 칭한다.)가 알려져 있다. 이 SOFC는 고온 동작인 것 때문에 발전 효율이 높고, 또한 순수한 수소 이외의 연료 가스로도 발전 가능한 것 때문에 차세대 연료 전지로서 기대되고 있다.

SOFC에는 주로 전해질을 두껍게 한 전해질 지지형 셀과, 연료극을 두껍게 한 연료극 지지형 셀이 있지만, 전해질은 발전시에 큰 내부 저항으로 되기 때문에, 전지 특성의 향상을 목적으로 전해질을 얇게 할 수 있는 연료극 지지형 셀이 보급되고 있다.

연료극 지지형 셀의 연소극으로서는 평균 입경이 1μm 정도인 산화니켈(NiO, 단 연료 전지 작동시에는 금속 Ni)과, 평균 입경이 0.5μm 정도인 지르코니아(ZrO₂) 미립자를 혼합하여 얻은 니켈-지르코니아 서멧이 알려져 있다.

또한 특허문헌 1에는 지르코니아 조립자(粗粒子)군과, 지르코니아 미립자군과, 니켈 내지 산화니켈 입자군과의 혼합물로 이루어지고, 상기 각 입자군의 입경이 지르코니아 조립자 > 니켈 내지 산화니켈 입자> 지르코니아 미립자의 관계를 충족하고, 상기 지르코니아 조립자와 상기 니켈 내지 산화니켈 입자와 상기 지르코니아 미립자의 중량비가 7~4 : 3~6 : 1인 것을 특징으로 하는 연료극 재료가 기재되어 있다.

그 외에, 입자의 충전이라고 하는 관점에서, 세립과 조립의 2 성분 혼합물이 충전 밀도에 미치는 잉여 공극의 영향에 대한 보고가 있다(비특허문헌 1).

또한, 산화니켈의 심입자 주위에 세리아를 피복하는 것으로 산화환원 내성을 향상시키는 기술이 제안되어 있다(특허문헌 2).

또한 금속 다공질체 위에 연료 전지 셀을 구성하는 방법(특허문헌 3)이나, 소실(消失) 다공화 재료 위에 전해질을 성막 후 소성하여, 다공부에 전극 재료를 함침하는 방법(특허 문헌 4)이 제안되어 있다.

특개 2009-224346호 공보 특개 2010-251141호 공보 특개 2005-174664호 공보 특개평 7-201341호 공보

J. CeramJpn, 101[11]1234-1238(1993)

SOFC의 작동시, 연료극에는 수소가 공급되기 때문에 연료극은 환원분위기 하에 있지만, 기동(起動) 정지시에는 연료극에는 공기가 도달해 버리기 때문에 연료극은 산화분위기로 된다. 그 때문에, SOFC의 작동과 정지를 반복하는 사용 과정에서, 연료극은 환원분위기/산화분위기에 번갈아 반복해서 드러나게 되어, 산화분위기하에서는 연료극의 전극 입자인 Ni가 산화된 NiO로 되어, 전극 입자의 체적이 팽창해 버린다. 이 전극 입자의 불가역적인 팽창이 연료극의 도전성이나 강도의 열화(劣化)를 초래하여, SOFC의 전지 특성이나 수명을 해치는 원인으로 되었다. 또한 환원분위기/산화분위기의 반복 과정에서 Ni 입자가 서서히 응집하는 것도 SOFC의 전지 특성을 열화시키는 원인이 되었다.

그 때문에, 환원분위기/산화분위기에 반복해서 드러나게 되어도 도전성이나 강도가 열화하지 않는 연료극이 요구되고 있다. 그러나, 본 발명자의 검토에 따르면, 종래의 니켈-지르코니아 서멧이나 특허문헌 1의 연료극 재료로 제작한 연료극에서는 이 요구를 충분하게는 충족하고 있지 않는 것을 판명하였다.

그래서, 본 발명은 상기 과제에 비추어, 환원분위기/산화분위기에 반복해서 드러나게 되어도 도전성 및 강도가 저하하기 어려운, 고체 산화물형 연료 전지의 지지체를 겸하는 연료극 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 연료극의 내사이클성을 향상한 장수명의 연료극 지지형 고체 산화물형 연료 전지 및 그의 제조 방법을 제공하는 것도 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하는 본 발명의 요지 구성은 이하와 같다.

(1) 10% 누적 입경이 5μm 이상 12μm 이하이고, 또 90% 누적 입경이 84μm 이상 101μm 이하인 제1 산화물 입자로 이루어진 다공질 구조체와,

상기 다공질 구조체의 공극 내 표면을 덮는, 제2 산화물 입자에 의해 표면의 10% 이상 70% 이하가 피복된 전극 촉매능을 가지는 전극 입자를 가지는 것을 특징으로 하는 고체 산화물형 연료 전지의 지지체를 겸하는 연료극.

(2) 상기 전극 재료가 상기 제2 고체 산화물에 의해 표면의 20% 이상 6０% 이하가 피복된 것인 상기 (1)에 기재된 연료극.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 연료극과, 상기 연료극 위에 형성된 고체 산화물 전해질 막과, 상기 고체 산화물 전해질 막 위에 형성된 공기극을 가지는 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 고체 산화물형 연료 전지.

(4) 10% 누적 입경이 5μm 이상 12μm 이하이고, 또 90% 누적 입경이 84μm 이상 101μm 이하인 제1 산화물 입자의 분말과, 전극 촉매능을 가지는 전극 입자의 분말과, 제2 산화물 입자를 포함하는 슬러리로부터 성형체를 얻은 후, 상기 성형체를 소성하여,

상기 제1 산화물 입자로 이루어진 다공질 구조체와, 상기 다공질 구조체의 공극 내 표면을 덮는, 상기 제2 산화물 입자에 의해 표면의 10% 이상 70% 이하가 피복된 상기 전극 입자를 가지는 연료극을 얻는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지의 지지체를 겸하는 연료극의 제조 방법.

(5) 상기 (4)에 기재된 연료극의 제조 방법에서의 공정에 더하여, 상기 연료극 위에 고체 산화물 전해질 막을 형성하는 공정과, 상기 고체 산화물 전해질 막 위에 공기극을 형성하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 고체 산화물형 연료 전지의 제조 방법.

(6) 상기 고체 산화물 전해질 막의 형성은 상기 성형체 위에 전해질 재료를 도포하고, 상기 성형체의 소성과 함께 상기 전해질 재료도 소성하는 것에 의해 이루어지는 것인 상기 (5)에 기재된 고체 산화물형 연료 전지의 제조 방법.

본 발명의 고체 산화물형 연료 전지의 지지체를 겸하는 연료극에 의하면, 환원분위기/산화분위기에 반복해서 드러나게 되어도 도전성 및 강도가 저하하기 어렵다. 또한, 본 발명의 연료극 지지형 고체 산화물형 연료 전지는 연료극의 내사이클 성이 향상되고 장수명을 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고체 산화물형 연료 전지의 미세 구조의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 원 R 부분의 확대도이다.

이하, 본 발명의 고체 산화물형 연료 전지의 지지체를 겸하는 연료극 및 연료극 지지형 고체 산화물형 연료 전지, 및 이들의 제조 방법의 실시 형태를 설명한다.

(연료극 및 그의 제조 방법)

우선, 본 발명의 일 실시 형태에 의한 연료극의 제조 방법을 설명한다. 이 제조 방법에서는 제1 산화물 입자로서의 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 입자의 분말과, 전극 촉매능을 가지는 전극 입자로서의 NiO 입자의 분말과, 제2 산화물 입자로서의 지르코니아 입자로부터 슬러리를 제작한다.

슬러리의 분산매는 예를 들어 유기 용제나 바인더라고 하는 것이 될 수 있다.

여기서 YSZ 입자는 10% 누적 입경이 5μm 이상 12μm 이하이고, 또 90% 누적 입경이 84μm 이상 101μm 이하인 것으로 한다. 또한 NiO 입자의 평균 입경은 0.5 ~ 5μm로 할 수 있다. 또한, 제2 산화물 입자로서의 지르코니아 입자는 졸의 형태로도 분말의 형태로도 좋다. 졸의 경우, 분산 지르코니아 입자의 평균 입경은 0.1μm 이하로 한다. 분말의 경우는 평균 입경을 0.2 ~ 1.0μm로 한다.

또한, 본 실시 형태에서 전극 입자는 연료극의 제조 공정 단계에서는 NiO이지만, SOFC에 의한 발전이 실시되는 단계에서는 원칙으로서 Ni로 되는 것이다. 다만, 이미 기술한 바와 같이 SOFC의 사용 과정에서 Ni가 NiO로 되는 불가역적인 산화 반응에 의한 팽창이 해결해야 할 문제로 되어 있다.

유기 용제로서는 에탄올, α-테르피네올, 부탄올 등, 또는 이들의 혼합액을 사용할 수 있다. 바인더로는 에틸셀룰로오스, 폴리비닐부티랄 등을 사용할 수 있다. 또한, 성형성을 높이기 위해 프탈산 디옥틸 등의 가소제나 계면활성제를 첨가하여도 좋다.

이 슬러리를 소정의 방법으로 성형하여, 성형체를 얻은 후, 이 성형체를 소성하여 연료극을 얻을 수 있다.

이 제조 방법에 의해 얻을 수 있는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연료극(10)을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다. 연료극(10)은 제1 산화물 입자로서의 지르코니아 입자(11)로 이루어지는 다공질 구조체와, 다공질 구조체의 공극 내 표면을 덮는 전극 촉매능을 가지는 전극 입자로서의 Ni 입자(13)를 포함한다.

기존의 연료극인 니켈-지르코니아 서멧에서는 평균 입경이 1μm 정도인 산화 니켈과, 평균 입경이 0.5μm 정도인 지르코니아 미립자를 발포제와 함께 슬러리 형태로 하여, 성형하여 소성함으로써 다공체를 얻었다. 그러나, 이 연료극은 강고한 골격 구조를 가지고 있지 않고, 지르코니아 미립자/NiO 간의 결합도 강고하지 않다. 이 때문에, 연료극이 환원분위기/산화분위기에 번갈아 반복해서 드러나게 되어, 산화분위기하에서는 Ni가 산화된 NiO로 되어, 전극 입자의 체적이 불가역적으로 팽창하면, 이미 기술한 대로 연료극의 강도가 열화하여 크랙이 발생하고, 환원분위기에서는 전극 입자의 응집이 진행되어 도전성의 저하를 초래했다.

여기서, 본 실시 형태의 연료극(10)에서는 제1 산화물 입자로서의 지르코니아 입자(11)에 의해, 내부에 공극(기공)을 가지는 골격이 형성되어 있다. 이 지르코니아(11)는 산화 환원하지 않은 고체 산화물 전해질 막(20)(후술)의 재료와 동일한 열팽창 계수를 가진다.

또한, 그 공극 내 표면에는 도 2에 나타낸 바와 같은 제2 산화물 입자로서의 지르코니아 미립자(12)에 의해 표면의 소정 비율이 피복된 Ni 입자(13)가 연결성을 가지고 배치되어 있다. 이 Ni 입자(13)는 산화 환원에 수반하여 체적 변화가 생기지만, 도 1, 도 2에 나타낸 구조에서 알 수 있는 바와 같이, Ni 분말(13)의 체적이 변화해도 골격에 미치는 영향은 작다.

즉, 연료극(10)에서는 환원분위기로 변화시켜도 쉽게 환원되지 않는 제1 산화물 입자끼리가 결합되어 골격을 형성하고, 이 골격 주위에 전극 입자가 결합하고 있다. 이 때문에, 전극 입자의 산화 환원에 수반하는 체적 변화가 골격에 미치는 영향은 경미하다. 또한, 제2 고체 산화물은 전극 입자의 주위에 존재하기 때문에, 전극 입자의 응집을 억제하는 작용도 발휘한다. 본 실시 형태의 연료극(10)은 이러한 작용에 기반하여 환원분위기/산화분위기에 반복해서 드러나게 되어도 도전성 및 강도가 저하하기 어렵다고 하는 효과를 얻을 수 있는 것으로 생각된다.

그리고 본 실시 형태의 제1의 특징적 구성으로서, 골격을 형성하는 지르코니아 입자(11)는 10% 누적 입경이 5μm 이상 12μm 이하이고, 또, 90% 누적 입경이 84μm 이상 101μm 이하의 입경 분포를 가진다. 제1 고체 산화물은 전극 재료의 골격이 되기 때문에, 10% 누적 입경은 전극 재료의 평균 입경보다 큰 것이 바람직하므로, 5μm 이상으로 했다. 90% 누적 입경은 101μm를 초과하면 골격 재료가 차지하는 비율이 증가하기 때문에 도전의 방해가 된다. 또한 10% 누적 입경이 12μm 초과의 경우 및 90% 누적 입경이 84μm 미만의 경우, 입도 분포의 범위가 작아지고 골격의 강도가 저하한다. 상기의 입도 분포를 가지는 것으로, 연속적으로 연결성을 가지는 제1 고체 산화물에 의한 강고한 골격이 형성된다. 또한, 입경 분포의 조정은 정법(定法)에 의한다.

본 실시 형태의 제2의 특징적인 구성으로서, Ni 입자(13)는 지르코니아 미립 자(12)에 의해 표면의 10% 이상 70% 이하가 피복되어 있다. 이하, 이 지표를 「피복율」이라고 한다. 이것에 의해, 전극 입자의 활성을 저하시키지 않고 산화 환원에 수반하는 전극 입자의 응집을 억제할 수 있다. 즉, 피복율이 10% 미만에서는 전극 입자의 응집을 충분히 억제할 수 없고, 70% 초과에서는 도전 경로 형성에 방해가 된다. 피복율은 20% 이상 60% 이하로 하는 것이 바람직하다.

이하 본 명세서에서, 피복율은 전극 입자를 전자 현미경으로 가속 전압 25kV 10000배의 배율로 확대하여, 에너지 분산으로 정량분석을 수행했을 때의, 제2 산화물 농도/(전극 재료 농도 + 제2 산화물 농도), 예를 들면 Zr 농도/(Ni 농도 + Zr 농도)로 결정된다. 또한 피복율의 조정은 원료 단계에서의 전극 입자 및 제 2 산화물의 첨가량을 조정하는 것에 의해 실시한다.

또한, 본 발명의 연료극은 20% 이상 60% 이하의 기공도(氣孔度)를 가지는 것이 바람직하다. 이 범위 내의 기공도를 가지면, 가스 전극으로서의 가스 확산성이 보유된다. 20% 미만에서는 가스 공급이 부족하게 되고, 60% 초과에서는 기계적 강도가 저하된다.

연료극(10)의 두께는 연료극을 SOFC의 지지체로서 사용할 수 있는 정도이면 특히 제한되지 않지만, 0.2 ~ 5mm로 하는 것이 바람직하다. 0.2mm 이상으로 하면, 연료극을 지지체로서 확실하게 사용할 수 있고, 5mm 이하로 하면, 연료 가스를 과부족 없이 전해질 표면까지 공급할 수 있기 때문이다.

이하, 본 실시 형태의 바람직한 조건을 더 설명한다.

제1 산화물 및 제2 산화물은 지르코니아, 알루미나, 실리카, 및 세리아로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 사용할 수 있으나, 어쨌든 안정화 지르코니아인 것이 바람직하다. 안정화 지르코니아로서는, 예를 들어 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 칼시아 안정화 지르코니아, 마그네시아 안정화 지르코니아를 들 수 있다. 입경은 이미 기술한 바와 같다. 전극 입자는 예를 들어 니켈 또는 산화니켈 분말이 사용 가능하다. NiO 입자에 구리나 코발트를 첨가한 입자를 이용해도 상관없다. 입경은 이미 기술한 바와 같다.

슬러리에서 성형체를 얻는 방법은 습식법을 들 수 있다. 슬러리를 소정의 틀에 주조하는 방법이나, 점도를 조정하여 압출 성형하는 방법이나, 골격 구조를 전사하는 것과 같은 그물눈 구조를 가지는 우레탄이나 PVA 등으로 만든 스폰지에 상기 슬러리를 함침하는 방법에 의해, 목적하는 형상으로 마무리할 수 있다.

성형체의 소성은 예를 들어 대기 중 1300 ~ 1500℃의 온도에서 1 ~ 10 시간의 조건으로 실시한다. 이것에 의해, 성형체 및 슬러리 중의 세라믹 성분이 소결하고, 최종적인 연료극이 완성된다.

또한, 본 명세서에서 「평균 입경」은, 슬러리 중에 포함되는 산화물 입자의 분말이나 전극 입자의 분말에 관해서는 레이저 회절 · 산란법으로 구한 입도 분포에 있어서의 누적 값 50%에서의 입경(50% 누적 입경: D50)을 의미하고, 졸에 관해서는, 사용하는 시판품의 메이커 표시에 따르는 것으로 한다.

(고체 산화물형 연료 전지 및 그의 제조 방법)

다음으로, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 산화물형 연료 전지(SOFC) 및 그의 제조 방법을 설명한다. 이 제조 방법에서는 지금까지 설명한 본 발명에 따른 연료극(10)의 제조 방법에서의 공정에 더하여, 연료극(10) 위에 고체 산화물 전해질 막(20)을 형성하는 공정과, 상기 고체 산화물 전해질 막(20) 위에 공기극(30)을 형성하는 공정을 실시한다. 이 제조 방법에 의해, 도 1에 나타낸, 연료극(10)과, 연료극(10) 위에 형성된 고체 산화물 전해질 막(20)과, 이 고체 산화물 전해질 막(20) 위에 형성된 공기극(30)을 가지는 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 SOFC(100)를 얻을 수 있다. 이 SOFC(100)는 이미 기술한 바와 같이 연료극(10)의 내사이클성이 향상되고, 장수명을 실현할 수 있다.

고체 산화물 전해질 막 및 공기극의 제작은 통상적인 방법에 의해 실시할 수 있다. 전형적으로는, YSZ 등의 세라믹 재료를 전해질 재료로 하고, 그 슬러리를 연료극(10) 위에 도포하고, 소성하면 된다. 또한 공기극의 경우는 (La₀ _.8Sr₀ _.2)MnO₃를 공기극 재료로 하고, 그 슬러리를 소성 후의 고체 산화물 전해질 막(20) 위에 도포, 소성하면 된다. 본 실시 형태는 연료극 지지형이기 때문에, 고체 산화물 전해질 막(20)의 두께는 5 ~ 50μm 정도로 할 수 있다.

여기서, 성형체 및 전해질 재료는 공소성하는 것이 바람직하다. 즉, 성형체의 소성 전에 성형체 위에 전해질 재료를 도포하고, 성형체 및 전해질 재료를 함께 소성하는 것으로, 연료극(10) 및 고체 산화물 전해질 막(20)을 동시에 얻는다. 이 결과, 성형체와 전해질 재료와의 수축 차이를 작게 해서, 크랙의 발생을 억제할 수 있다.

실시예

(연료 전지 셀의 제작)

연료극 슬러리의 제작: 지르코니아 졸 용액(지르코니아 농도 : 30 질량%, 평균 입경 : 63nm, 닛산화학공업 주식회사제 ZR-30BS)을 마련했다. 50% 누적 입경(D50)이 0.5μm인 YSZ 분말과 D50이 5μm인 산화니켈을 소정의 질량비로 혼합했다. 그 혼합 분말과 상기 용액을 질량비 8:1로 혼합하고, 유성밀로 교반을 하여, 슬러리를 얻었다. YSZ 분말과 산화니켈의 혼합비를 조정하여, 표 1의 피복율이 되도록 했다. 이 슬러리에 10% 누적 입경(D10)과 90% 누적 입경(D90)이 표 1인 YSZ 입자를, 산화니켈과 동일한 질량으로 첨가하고, 계속해서 교반하여 연료극 슬러리를 제작하였다.

이 연료극 슬러리를 건조시킨 후, 대기 중에서 500℃에서 1시간 열처리를 실시했다. 얻어진 분말을 파쇄 후, 그 파쇄한 분말과, 조공재(造孔材)(10μm PMMA 입자, 소켄화학주식회사제 MX1000)와, 10% 폴리비닐부티랄의 α-테르피네올을 질량비 10:1:1로 막자사발로 혼합하고, 테이프 성형법으로 연료극 시트를 제작하여 성형체(두께: 1mm)를 얻었다.

전해질 슬러리의 제작: 이소프로필 알코올 100cc에 대해 폴리비닐부티랄 5g, 프탈산 디옥틸 6g, D50이 0.5μm인 YSZ 분말 100g을 혼합하여 전해질 슬러리를 제작하였다.

상기 성형체에 전해질 슬러리를 도포하고, 두께 50μm로 성막했다. 그 후 성형체를 대기 중 1400℃에서 5시간 소성하여, 연료극 및 고체 산화물 전해질 막을 한꺼번에 완성시켰다.

공기극 슬러리의 제작: 이소프로필알코올 100cc에 대해 폴리비닐부티랄 10g, 프탈산 디옥틸 6g, (La₀ _.8Sr₀ _.2)MnO₃ 50g, 이트리아 안정화 지르코니아 50g을 혼합하여, 공기극 슬러리를 제작했다.

상기 고체 산화물 전해질 막 위에 공기극 슬러리를 두께 100μm로 성막했다. 그 후, 대기 중 1100℃에서 3시간 소성하여, 단일 셀을 얻었다.

<내사이클성의 평가>

이렇게 해서 얻어진 각각의 단일 셀에 대하여, 이하의 산화 환원 사이클 시험을 실시했다. 즉, 800℃로 유지한 발전 시험 장치에서, 연료극 측을 99.9% H₂의 환원분위기에서 30분간 유지하고, 그 후 질소 치환하여 공기의 산화분위기에서 30분간 유지하고, 이 1사이클을 50회 반복했다. 사이클 시험 전후에서, 각 단일 셀에 대하여 4단자법에 의한 도전율의 측정과 3점 굽힘 강도의 측정을 실시했다. 또한 사이클 시험 전후에서 도전율 유지율과 강도 유지율을 계산했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

사이클 시험 후에, 도전율이 300S/cm 이상, 바람직하게는 500S/cm 이상인 것, 그리고 3점 굽힘 강도가 50MPa 이상인 것이라고 하는 조건으로 평가하고, 본 발명의 구성을 얻었다.

또한, 표 1의 No. 18, No. 24의 비교예는 피복율 80%이지만, 상기 평가 기준을 만족하고 있다. 그러나 피복율 80%의 다른 데이터는 어느 것도 평가 기준을 충족하지 않아서, 본 발명에서는 평가 기준을 충족하는 범위를 좀 적게 잡아서, 피복율 80%는 제외했다.

본 발명은 고체 산화물형 연료 전지 산업 및 이를 적용할 수 있는 각종 산업에 대해 유용하다.

10 지지체를 겸하는 연료극
11 지르코니아 입자(제 1 산화물 입자)
12 지르코니아 미립자(제 2 산화물 입자)
13 Ni 입자(전극 입자)
20 고체 산화물 전해질 막
30 공기극
100 고체 산화물형 연료 전지

Claims

10% 누적 입경이 5μm 이상 12μm 이하이며, 90% 누적 입경이 84μm 이상 101μm 이하인 제1 산화물 입자로서의 YSZ로 이루어진 다공질 구조체와,
상기 다공질 구조체의 공극 내 표면을 덮는, 제2 산화물 입자로서의 YSZ에 의해 표면의 10% 이상 70% 이하가 피복된, NiO로 이루어진 전극 입자를 가지는 것을 특징으로 하는 고체 산화물형 연료 전지의 지지체를 겸하는 연료극.

제1항에 있어서,
상기 전극 입자가 상기 제2 산화물 입자에 의해 표면의 20% 이상 60% 이하가 피복된 것인 연료극.

제1항 또는 제2항에 기재된 연료극과, 상기 연료극 위에 형성된 고체 산화물 전해질 막과, 상기 고체 산화물 전해질 막 위에 형성된 공기극을 가지는 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 고체 산화물형 연료 전지.

10% 누적 입경이 5μm 이상 12μm 이하이며, 90% 누적 입경이 84μm 이상 101μm 이하인 제1 산화물 입자로서의 YSZ 분말과, NiO로 이루어지는 전극 입자의 분말과, 제2 산화물 입자로서의 YSZ를 포함하는 슬러리로부터 성형체를 얻은 후, 상기 성형체를 소성해서,
상기 제1 산화물 입자로서의 YSZ로 이루어진 다공질 구조체와, 상기 다공질 구조체의 공극 내 표면을 덮는, 상기 제2 산화물 입자로서의 YSZ에 의해 표면의 10% 이상 70% 이하가 피복된 상기 전극 입자를 가지는 연료극을 얻는 것을 특징으로 하는 고체 산화물형 연료 전지의 지지체를 겸하는 연료극의 제조방법.

제4항에 기재된 연료극의 제조방법에서의 공정에 더하여, 상기 연료극 위에 고체 산화물 전해질 막을 형성하는 공정과, 상기 고체 산화 전해질 막 위에 공기극을 형성하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 연료극 지지형 고체 산화물형 연료 전지의 제조 방법.

제5항에 있어서,
상기 고체 산화물 전해질 막의 형성은 상기 성형체 위에 전해질 재료를 도포하고, 상기 성형체의 소성과 함께 상기 전해질 재료도 소성하는 것에 의해 이루어지는 것인 고체 산화물형 연료 전지의 제조방법.