(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極とカソード電極との間に、金属化合物からなる電解質層を備える固体電解質形燃料電池において、
前記アノード電極および前記カソード電極の少なくとも一方の電極の触媒層が、金属化合物からなる電解質の多孔質焼結体と導電性ポリマーとから構成されていることを特徴とする固体電解質形燃料電池。
【請求項２】
前記少なくとも一方の電極の触媒層が、金属または金属酸化物の触媒を含有することを特徴とする請求項１に記載の固体電解質形燃料電池。
【請求項３】
前記触媒が、前記多孔質焼結体の表面に存在することを特徴とする請求項２に記載の固体電解質形燃料電池。
【請求項４】
前記少なくとも一方の電極の触媒層が、さらに、金属またはカーボンからなる導電性材料を含有することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の固体電解質形燃料電池。
【請求項５】
アノード電極とカソード電極との間に金属化合物からなる電解質層を備える固体電解質形燃料電池の少なくとも一方の電極の形成工程が、
金属化合物電解質の粉末および溶媒を混合してペーストを調製する工程、
前記電解質層上に、前記ペーストを塗布、乾燥、焼結して、前記電解質層上に多孔質焼結体層を形成する工程、
前記多孔質焼結体層中に、導電性ポリマーを含浸する工程、
からなることを特徴とする固体電解質形燃料電池の製造方法。
【請求項６】
前記ペーストを調製する工程において、前記金属化合物電解質の粉末および前記溶媒に加え、さらに、触媒、金属またはカーボンからなる導電性材料、および増孔剤の少なくとも何れかを混合することを特徴とする請求項５に記載の固体電解質形燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質形燃料電池およびその製造方法に関し、特に、その電極構造およびその形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一対の電極で電解質層を挟んで配置し、アノード側電極に水素を、カソード側に酸素を含有するガスを供給して発電を行う燃料電池において、その電極を構成する触媒層は、反応ガスの反応場として、触媒能、イオン伝導、反応ガス拡散、電子伝導の機能が要求される。
【０００３】
特許文献１には、固体電解質形燃料電池の燃料極と固体電解質膜とを同時焼成により形成し、燃料極を気孔率の高い多孔質体で構成することにより、燃料ガスの流通を促進することが記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、イオン伝導性を持つ固体酸化物と触媒作用を持つ金属との複合材料からなる基材の表面に金属や金属化合物の導電性物質をコーティングした表面電子導電体を電極に含有させることが記載されている。
【０００５】
一方、３００℃以下の運転温度で発電が可能なアニオン伝導塩基性酸化物形燃料電池の研究が進められている（非特許文献１）。
図７に、非特許文献１に記載のアニオン伝導塩基性酸化物形燃料電池セルの模式図を示す。電解質層１として、水酸化物イオン伝導性を有するＮaCo2O4が用いられ、アノード電極２とカソード電極３とでは次の反応が進行する。
【０００６】
アノード反応：    H2+2OH- →2H2O +2e-
カソード反応：    1/2O2+H2O +2e-→2OH-
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−５９６１０号公報
【特許文献２】特開２００９−１９３７６５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】竹口  竜弥、「平成20年度中間年報  固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発  次世代技術開発  アニオン伝導塩基性酸化物燃料電池の開発」、[online] 、2009年5月29日、独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構 成果報告書、管理番号100014171、[2009年11月10日検索]、インターネット<https://app5.infoc.nedo.go.jp/disclosure/Search>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
燃料電池の電極の触媒層は、反応ガスの反応場として、触媒能、イオン伝導、反応ガス拡散、電子伝導の機能が要求される。従来の金属化合物電解質を用いた固体電解質形燃料電池の触媒層は、微粉化した金属化合物電解質の粒子で形成されており、粒子同士の電子伝導性が小さい。また、特許文献２のように金属や金属化合物の導電性物質によるコーティングを施してもなお、粒子間の接触面積が小さいため導電経路が少なく、電池特性が十分に得られていなかった。
【００１０】
そこで、本発明は、電極を構成する金属化合物電解質粒子間の導電経路を増加させ、電子伝導性を向上させた固体電解質形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本願発明においては、アノード電極とカソード電極との間に、金属化合物からなる電解質層を備える固体電解質形燃料電池において、前記アノード電極および前記カソード電極の少なくとも一方の電極の触媒層が、金属化合物からなる電解質の多孔質焼結体と導電性ポリマーとから構成されているものとした。
【００１２】
また、前記少なくとも一方の電極の触媒層に金属または金属酸化物の触媒、および/または、金属またはカーボンからなる導電性材料を含有させることとした。
また、本発明の固体電解質形燃料電池の電極は、金属化合物電解質の粉末および溶媒を混合してペーストを調製する工程、前記電解質層上に前記ペーストを塗布、乾燥、焼結して、前記電解質層上に多孔質焼結体層を形成する工程、前記多孔質焼結体層中に導電性ポリマーを含浸する工程、により形成することとした。
【００１３】
さらに、上記の前記ペーストを調製する工程において、前記金属化合物電解質の粉末および前記溶媒に加え、さらに、触媒、金属またはカーボンからなる導電性材料、および増孔剤の少なくとも何れかを混合することとした。
【発明の効果】
【００１４】
上記の本発明の構成とすれば、固体電解質形燃料電池の触媒層における電子伝導性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の電極構成図
【図２】本発明の第二の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の電極構成図
【図３】本発明の第三の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の電極構成図
【図４】本発明の第四の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の電極構成図
【図５】本発明の第五の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の電極構成図
【図６】実施例と比較例の固体電解質形燃料電池の特性を示す図
【図７】アニオン伝導塩基性酸化物形燃料電池セルの模式図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の固体電解質形燃料電池は、触媒層を金属化合物電解質と導電性ポリマーとから構成することを特徴とし、さらに、触媒層に用いられる導電性ポリマーの融点より低い温度においてイオン導電性を有する金属化合物を電解質層および触媒層に用いる。このような金属化合物として、ＮａＣｏ2Ｏ4、ＬａＦｅ3Ｓｒ3Ｏ10、Ｂｉ4Ｓｒ14Ｆｅ24Ｏ56を用いることができる。
【００１７】
また、触媒層に用いられる導電性ポリマーとしては、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセチレン等を用いることができる。
図１は、本発明の第一の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の電解質層４と一方の電極を表している。電極は、触媒層５と集電材６とから構成される。
【００１８】
触媒層５の製作にあたっては、まず、上記の金属化合物電解質の粉末と溶媒とを混合して調製したペーストを、緻密な金属化合質電解質板上にスクリーン印刷を用いて塗布、乾燥したのち、焼結した。これにより緻密な電解質層４上に金属化合物電解質焼結体７を形成した。
【００１９】
次に、導電性ポリマーと溶媒とを混合した溶液を金属化合物電解質焼結体７の上面に滴下することにより、金属化合物電解質焼結体７の空隙中に導電性ポリマー８を含浸させる。これを乾燥することにより、電解質層４と触媒層５の接合体を得た。
【００２０】
そして、電解質層４の触媒層５と反対側の面（不図示）にも同様にして触媒層を形成後、各々の触媒層に接するように集電材６を配置して固体電解質形燃料電池を形成した。
図２は、本発明の第二の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の模式構造図である。本実施形態は、触媒層５を金属化合物電解質焼結体７および導電性ポリマー８に加え、触媒９を用いて構成する。これにより、第一の実施形態に比べ、触媒能を向上させることができ、高い電池電圧を得ることができる。触媒としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ等の遷移金属やＳｎＯ2等の金属酸化物を用いることができる。
【００２１】
触媒９は触媒層５の金属化合物電解質表面に微粒子として担持することで、触媒と電解質の接触面積が増加し、高い電池特性を得ることができる。なお、触媒の金属化合物電解質表面への担持は、金属化合物電解質の粉末化の前後のどちらでも良い。
【００２２】
図３は、本発明の第三の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の模式構造図である。本実施形態においては、触媒層５を形成する金属化合物電解質粉末と溶媒とを調製する際に、さらに増孔剤を添加する。増孔剤としては、金属化合物電解質焼結体７の焼結時に熱消失する炭酸アンモニウム、ポリ乳酸、カーボン等を用いることができる。
【００２３】
これにより、触媒層５に増孔剤の消失後に形成される細孔によって、反応ガス拡散性を高めることができる。
図４は、本発明の第四の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の模式構造図である。本実施形態においては、触媒層５の導電性ポリマー８中に導電性材料１１を混在させる。導電性材料１１としては、金属やカーボンブラック，炭素繊維等を用いることができる。
【００２４】
触媒層５への導電性ポリマー８の含有率を上げると、触媒層５の気孔率が低下して反応ガスの拡散性が低下するが、導電性材料１１を混在させることで、電子伝導性とガス拡散性の両方を確保することができる。
【００２５】
上記の本発明の実施形態について、次に実施例で説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。尚、以下の実施例および比較例においては、電解質層４として何れも緻密なＮａＣｏ2Ｏ4からなる電解質板を用いた。
【実施例１】
【００２６】
まず、金属化合物電解質としてＮａＣｏ2Ｏ4粉末１０ｇとイソプロピルアルコール溶液１００ｇとを混合して電解質ペーストを調製した。これを緻密な電解質層４（図１）上へ、ＮａＣｏ2Ｏ4の重量が１ｍｇ／ｃｍ2となるようにスクリーン印刷により塗布した後、乾燥し、焼結して、緻密な電解質層上にＮａＣｏ2Ｏ4からなる金属化合物電解質焼結体を形成した。
【００２７】
次に、ポリチオフェン２０wt％含有イソプロピルアルコール溶液５ｇを金属化合物電解質焼結体７の表面に滴下し、これを乾燥して図１に示す触媒層５を作製した。
【実施例２】
【００２８】
ＮａＣｏ2Ｏ4粉末１０ｇを水３００ｇに加え、超音波ホモジナイザにて５分間分散させた。次に、塩化白金酸溶液５ｇを加え、超音波ホモジナイザにて２０分間分散させた。次に、炭酸ナトリウム水溶液をｐＨが１になるまで加え、超音波ホモジナイザにて１０分間分散させた。最後に、蟻酸水溶液を滴下してＮａＣｏ2Ｏ4上に白金を析出させた。白金（触媒）を析出させたＮａＣｏ2Ｏ4粉末を用いて、実施例１と同様の方法により、図２に示す触媒層５を製作した。
【実施例３】
【００２９】
金属化合物電解質としてＮａＣｏ2Ｏ4粉末１０ｇとイソプロピルアルコール溶液１００ｇと炭酸アンモニウム粒子４ｇを混合して触媒ペーストを作製し、これを緻密な電解質層４（図３）上にスクリーン印刷を用いてＮａＣｏ2Ｏ4重量が１ｍｇ／ｃｍ2となるように塗布、５０℃で乾燥処理を行った後に、１４０℃の熱処理を行って、炭酸アンモニウム粒子を除去して、金属化合物電解質焼結体７を形成した。
【００３０】
次に、ポリチオフェン２０ｗｔ％含有イソプロピルアルコール溶液５ｇを金属化合物電解質焼結体７に滴下、乾燥して図３に示す触媒層５を製作した。
【実施例４】
【００３１】
金属化合物電解質としてＮａＣｏ2Ｏ4粉末１０ｇとイソプロピルアルコール溶液１００ｇとカーボンブラックを４ｇ混合して触媒ペーストを作製し、これを緻密な電解質層４（図４）上にスクリーン印刷を用いてＮａＣｏ2Ｏ4重量が１ｍｇ／ｃｍ2となるように塗布、５０℃で乾燥処理を行った後に、９００℃の熱処理を行って、金属化合物電解質焼結体７を形成した。
【００３２】
次に、ポリチオフェン２０wt%含有イソプロピルアルコール溶液５ｇを金属化合物電解質焼結体７に滴下、乾燥して図４に示す触媒層５を製作した。
【比較例】
【００３３】
ＮａＣｏ2Ｏ4粉末をポリチオフェン含有イソプロピルアルコールに分散して調製したペーストを、スクリーン印刷を用いてＮａＣｏ2Ｏ4重量が１ｍｇ／ｃｍ2となるように集電材となるカーボン多孔質基材上に塗布した後、乾燥して、集電材６／触媒層５の一体化電極を作製した（図５）。次に、集電材６／触媒層５の一体化電極を電解質層４の両側に各々配置して比較例の固体電解質形燃料電池を製作した。
【００３４】
尚、比較例の触媒層５は、導電性ポリマー８中にＮａＣｏ2Ｏ4粉末が、金属化合物電解質粒子１２として存在しており、焼結体ではない点で実施例のものとは相違している。
実施例１から４と比較例の固体電解質形燃料電池の電池特性を図６に示す。
【符号の説明】
【００３５】
１、４  電解質層
２  アノード電極
３  カソード電極
５  触媒層
６  集電材
７  金属化合物電解質焼結体
８  導電性ポリマー
９  触媒
１０  空孔
１１  導電性材料
１２  金属化合物電解質粒子
【図１】
0005381639.tif 000002
【図２】
0005381639.tif 000003
【図３】
0005381639.tif 000004
【図４】
0005381639.tif 000005
【図５】
0005381639.tif 000006
【図６】
0005381639.tif 000007
【図７】
0005381639.tif 000008