JP2004327278A

JP2004327278A - 燃料電池用電極材料及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP2004327278A
Application number: JP2003121419A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Sugimoto; 博美杉本; Itaru Shibata; 格柴田; Mitsugi Yamanaka; 貢山中
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-04-25
Also published as: JP4534188B2

Abstract

【課題】電極材料の加熱時の凝集による性能劣化が少なく、多くの三相界面を有し、電極の気孔率・比表面積が大きく、安価に製造でき、構造制御が容易な燃料電池用電極材料、その製造方法及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池を提供すること。
【解決手段】構成成分が異なり粒子径が０．１〜１０μｍである粒子を結着して成り、第１粒子、第２粒子及び第３粒子の粒子径比Ｐ_１：Ｐ_２：Ｐ_３が１０〜１００：１〜１０：１〜１０で表される燃料電池用電極材料である。第１粒子がイオン導電性又は混合導電性を有する。
第２粒子及び第３粒子を予め混合した後に、第１粒子を混合して燃料電池用電極材料の製造する。
上記燃料電池用電極材料を用いた固体酸化物形燃料電池である。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用電極材料、その製造方法及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池に係り、更に詳細には、長時間高温で使用した場合でもシンタリングが発生しにくい燃料電池用電極材料、その製造方法及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来から、化学エネルギーを電気化学的な反応により電気エネルギーに変換する装置として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が知られている。このＳＯＦＣは、燃料極、固体電解質及び空気極の各層を互いに積層した３層を燃料電池の発電部とし、外部から燃料極には水素、炭化水素等の燃料ガスを供給し、空気極には空気等の酸化剤ガスを供給して電気を発生させる。
【０００３】
また、ＳＯＦＣにおいて、電極性能を向上させる技術として、粒子内の構造をミクロに制御したサーメット粉体の製造方法が提案されている。この製造方法は、２種類以上の微粒子で電極を構成し、このうち１種類を外周部に偏在させること、また、ミスト状の原料を乾燥させ熱分解により反応させること、を特徴とする（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−３０９７６８号公報
【０００５】
しかし、外周部の微粒子が１成分の金属材料から構成されている場合、高温にて長期間使用すると、シンタリングが進行し、電極性能が劣化するという問題点があった。
【０００６】
更に、多孔質酸化物粉体（ＹＳＺ等）に金属塩水溶液を含浸、熱処理し、表面に金属が担持された粒子を成型・焼成して電極とすることが提案されている。（例えば、特許文献２参照。）。
【０００７】
【特許文献２】
特開平１０−１４４３３７号公報
【０００８】
しかし、基体となる粉体表面を金属層が全て覆ってしまうので、ＳＯＦＣ用電極として用いた場合は、電極反応に重要な三相界面が少なくなるという問題点があった。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電極材料の加熱時の凝集による性能劣化が少なく、多くの三相界面を有し、電極の気孔率・比表面積が大きく、安価に製造でき、構造制御が容易な燃料電池用電極材料、その製造方法及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、主成分と成る第１粒子に２種以上の粒子を被覆することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池用電極材料について詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を示す。
【００１２】
上述の如く、本発明の燃料電池用電極材料は、構成成分が異なり且つ粒子径が０．１〜１０μｍである３種以上の粒子を結着して成る。また、上記粒子には、下記の粒子径比を満たす３つの粒子が含まれる。即ち、これらを第１粒子、第２粒子及び第３粒子としたとき、これらの粒子径比Ｐ_１：Ｐ_２：Ｐ_３は１０〜１００：１〜１０：１〜１０で表される。
なお、上記第１〜３粒子の粒子径は、レーザー粒度分布測定や遠心沈降法等の一般的な方法で測定できる。
【００１３】
このように第２粒子及び第３粒子の粒径を第１粒子と同等以下にすることで、第１粒子の表面には、２種以上の異種成分から成る粒子がそれぞれ分散状態で且つ適度な空孔率を保持しつつ被覆される。これより、耐熱衝撃性が向上する。また、本電極材料を用いた電極は、ＩＲ抵抗、反応抵抗が低減されるので、通電時の低温化及びシンタリング防止により電極の長期安定性が向上する。
また、第２粒子及び第３粒子の一方を金属成分とするときは、他方は焼結し難い成分とすることが望ましく、このときはシンタリングをより防止できる。更に、第２粒子、第３粒子のいずれか一方又は双方として、イオン導電性や混合導電性を有する酸化物を混在させるときは、それぞれの被覆成分で異なる電極反応機構が進行されるので、より電極性能が向上し易い。
【００１４】
また、上記第１粒子は、電極基体として機能するものを使用できる。例えば、ＳＯＦＣ等の高温で使用されるデバイスに使用するときは、電解質層と同質のもの又は熱膨張係数の近い酸化物などを適宜選択でき、このときは耐熱衝撃性が向上し得る。一方、上記第２粒子及び第３粒子は、電極基体を修飾する機能を有するものを使用できる。
【００１５】
更に、上記第１粒子としては、イオン導電性又は混合導電性を有する酸化物を使用できる。これより、電極性能を向上できるとともに電極の構造をより強化できる材料が得られる。例えば、酸素イオン伝導性などを有する従来公知の電解質材料、具体的には、酸化ネオウジム（Ｎｄ_２Ｏ_３）、酸化サマリウム（Ｓｍ_２Ｏ_３）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）及び酸化ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_３）などを固溶した安定化ジルコニアや、セリア（ＣｅＯ_２）系固溶体、酸化ビスマス固溶体及びランタンガリウム（ＬａＧａ）固溶体ぺロブスカイト、ランタンコバルト系酸化物、ランタンマンガン系酸化物等空気極材料などが挙げられる。
なお、この場合は、第２粒子及び第３粒子の少なくとも一方は、金属、金属酸化物のいずれか一方又は双方を含有することが望ましい。これより、電極に触媒活性及び導電性を付与し、電極性能を向上させ得る。また、かかる金属材料として貴金属を用いる場合は、所望の機能層を薄く配設できるので、原料の使用量及びコストを低減できる。
ここで、上記「混合導電性」とは、電子・正孔とイオン導電性を同時に有するものをいう。電極材料が混合導電性であるときは、電極反応に必要な電子・イオンを同時に供給することができるため、接触部位に三相界面を形成し易い。また、「導電性」とは、固体内で電子やイオン等の電気的キャリアとなる物質を運ぶ性質をいい、特に作動温度域で１０^−７Ｓ・ｃｍ^−１以上の導電率を持つものを「導電体」という。
【００１６】
更に、上記第１粒子としては、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）又はモリブデン（Ｍｏ）、及びこれらを任意に組合せた金属、並びにその酸化物を使用することができ、これらは単独での使用に限られず、２種以上を混合して使用できる。このときは、電気デバイスに必須である集電機能を向上させ得るので、形成される電極全体のＩＲ抵抗を低減させ得る。
但し、一般に、金属電極を用いた燃料電池を長時間高温下で運転すると、シンタリングが発生し、電極反応成分との接触面積が減少し、電極機能の低下を引き起こすことがある。そこで、かかる第１粒子を被覆する第２粒子及び第３粒子には、シンタリングを防止する観点から、焼結性の異なる微粒子を使用することが望ましい。
【００１７】
一方、上記第２粒子、第３粒子のいずれか一方又は双方は、混合導電性を有する材料であることが好適である。例えば、混合伝導性を有する従来公知の電解質材料、具体的にはジルコニア系固溶体、セリア（ＣｅＯ_２）系固溶体、酸化ビスマス固溶体、ランタンガリウム（ＬａＧａ）固溶体、ランタンコバルト系酸化物、ランタンマンガン系酸化物、サマリウムコバルト系酸化物又はサマリウムマンガン系酸化物、及びこれらを任意に組合わせたものを使用することができる。
これより、ＳＯＦＣにおいては、被覆成分の１つが混合導電性を有することで、主成分（第１粒子）の表面に電極反応に必要な三相界面を効率良く均一に分布させることができ、反応サイトが増加するので電極性能が向上し得る。
【００１８】
次に、本発明の燃料電池用電極材料の製造方法について詳細に説明する。
かかる製造方法は、上記第２粒子及び３粒子を予め混合しておき、その後に第１粒子を混合して燃料電池用電極材料を得ることを特徴とする。
具体的には、例えば、
（１）第２粒子として０．２〜０．４μｍの平均粒子径を有するＳＤＣ粉末を２０％用意し、第３粒子として０．５〜０．８μｍの平均粒子径を有するＮｉＯ粉末を８０％用意し、これらを混合し、平均粒子径が１．０〜１．５μｍとなるように調整した造粒体を作成する。
（２）次いで、得られた造粒体に１〜２μｍの平均粒子径を有する８ＹＳＺ粉末を、上記第２粒子及び第３粒子の含有量が６０〜９０％となるように添加して混同し、成形する。
（３）更に、得られた成形体を１１００〜１３００℃の温度範囲で焼成して、燃料電池用電極材料を得る。
このように、被覆成分である第２粒子及び第３粒子を予め混合させることで、第１粒子の表面に均一に多種成分が分散される。
【００１９】
次に、本発明の固体酸化物形燃料電池について詳細に説明する。
かかる固体酸化物形燃料電池は、上述の燃料電池用電極材料を用いることにより、電池の長期安定性、高出力化が図られ、また低温作動型のＳＯＦＣの設計が可能となる。また、三相界面が多数点在することより電極反応が大幅に向上する。更に、第１〜３粒子の粒径比を任意に変更することで、粒子間の空隙を増加させガス拡散律速による反応抵抗を低減させることができる。例えば、図４に示すような燃料電池スタックが挙げられる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２１】
（実施例１）
第２粒子としてＮｉＯ、第３粒子としてＳｍ添加セリア（以下「ＳＤＣ」とする）を予めボールミルによりアルコール中で混合した。その後、第１粒子としてＹ添加安定化ジルコニア（以下「ＹＳＺ」とする）を同様に混合し、金属成分が重量比の３〜７割になるようにした。また、粒径は第１粒子が１μｍ、第２粒子が０．５μｍ、第３粒子が０．３μｍとなるようにした。
得られた混合粉末をペースト状にし、電解質上に塗布し、所定温度・時間で焼成して、本例の電極材料を得た。この電極材料の構成を表１に、概略図を図１に示す。
【００２２】
（実施例２）
第１粒子として粒径５μｍのニッケル、第２粒子として粒径０．３μｍのＹＳＺ、第３粒子として粒径０．３μｍのＳＤＣを用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の電極材料を得た。この電極材料の構成を表１に、概略図を図２に示す。
【００２３】
（実施例３）
第２粒子として粒径０．２μｍのＬａ、Ｓｒ添加コバルト酸化物（ＬＳＣ）、第３粒子として粒径０．２μｍのＰｔを用いたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の電極材料を得た。この電極材料の構成を表１に、概略図を図１に示す。
【００２４】
（比較例１）
第１粒子として粒径１μｍのＹＳＺ、第２粒子として粒径０．５μｍのＮｉＯを用い、実施例１と同様の操作により第１粒子上に第２粒子を被覆して、本例の電極材料を得た。この電極材料の構成を表１に、概略図を図３に示す。
【００２５】
【表１】

【００２６】
＜評価試験方法＞
実施例１〜３及び比較例１で得られた電極材料を３０ｍｍφ、２ｍｍｔのディスク状に成型し、その上面に電解質、電極を塗布して試験片とした。この試験片に０．５Ａ／ｃｍ^２の電流密度で通電しながら、９００℃に保温した炉内に、１０時間保持することにより耐久試験を行った。
【００２７】
実施例１〜３で得られた電極材料は、第１粒子に性状の異なる２種類の粒子を混合し被覆したものであるため、電極として長時間高温で使用した場合でもシンタリングが発生しにくいことが明らかである。特に、実施例１では、微粒子となったＳＤＣはシンタリングし易いが、第２粒子としてＮｉＯを混合することで、粒子表面でのシンタリングを防止できることがわかる。また、実施例２では、Ｎｉは長時間高温下でシンタリングし易いが、第２粒子及び第３粒子に互いに焼結性の異なる微粒子を用いて第１粒子を被覆することでシンタリングを防止できることがわかる。
一方、比較例１で得られた電極材料は、電極として長期間加熱されるとＮｉＯの焼結が進行することがわかる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、主成分と成る第１粒子に２種以上の粒子を被覆することとしたため、電極材料の加熱時の凝集による性能劣化が少なく、多くの三相界面を有し、電極の気孔率・比表面積が大きく、安価に製造でき、構造制御が容易な燃料電池用電極材料、その製造方法及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１及び実施例３で得られた電極材料を示す概略図である。
【図２】実施例２で得られた電極材料を示す概略図である。
【図３】比較例１で得られた電極材料を示す概略図である。
【図４】燃料電池スタックの一例を示す概略図である。
【図５】従来の電極材料の一例を示す概略図である。
【図６】従来の電極材料の他の例を示す概略図である。

Claims

構成成分が異なり且つ粒子径が０．１〜１０μｍである３種以上の粒子を結着して成る燃料電池用電極材料であって、
上記粒子のうちの３つを第１粒子、第２粒子及び第３粒子としたとき、これらの粒子径比Ｐ_１：Ｐ_２：Ｐ_３が１０〜１００：１〜１０：１〜１０で表されることを特徴とする燃料電池用電極材料。
上記第１粒子がイオン導電性又は混合導電性を有する酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極材料。
上記第１粒子が、銀、鉄、クロム、ニッケル、銅、タングステン、白金、パラジウム、ルテニウム及びモリブデンから成る群より選ばれた少なくとも１種の金属並びに／又はその酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極材料。
上記第２粒子及び／又は第３粒子が混合導電性を有する材料であって、ジルコニア系固溶体、セリア系固溶体、酸化ビスマス固溶体、ランタンガリウム固溶体、ランタンコバルト系酸化物、ランタンマンガン系酸化物、サマリウムコバルト系酸化物及びサマリウムマンガン系酸化物から成る群より選ばれた少なくとも１種のものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の燃料電池用電極材料。
請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の燃料電池用電極材料を製造するに当たり、
上記第２粒子及び第３粒子を予め混合した後に、第１粒子を混合することを特徴とする燃料電池用電極材料の製造方法。
請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の燃料電池用電極材料を用いたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。