(57)【要約】      （修正有）【課題】気孔のサイズと気孔率を正確に制御し、母材と同一物質の気孔体を使用した固体酸化物燃料電池を提供する。【解決手段】比較的高温でも気孔サイズ及び気孔率を含む形状を実質的に維持する中空型気孔体３１、３２が含有された支持体を使用することにより、母材との混合の後、支持体形成工程の後にも工程前と同様な気孔サイズ及び気孔率を得る。中空型気孔体のサイズ及び添加量を調節するので、全体的な気孔特性を所望程度に制御することができる。【選択図】図１
2011023327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空型気孔体が含有された支持体を含むことを特徴とする固体酸化物燃料電池。
【請求項２】
前記中空型気孔体はセラミック中空体であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項３】
前記中空型気孔体は支持体母材と同一物質から形成されることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項４】
前記中空型気孔体は支持体母材と同一セラミック物質から形成されることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項５】
前記中空型気孔体は相異なるサイズの球体で構成されることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項６】
前記支持体はその表面に形成されたコーティング層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項７】
前記中空型気孔体が前記コーティング層の母材と同一物質から形成されることを特徴とする請求項６に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項８】
前記中空型気孔体が前記コーティング層の母材と同一セラミック物質から形成されることを特徴とする請求項６に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項９】
前記中空型気孔体が前記コーティング層の母材及び支持体母材と同一物質から形成されることを特徴とする請求項６に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１０】
前記中空型気孔体が前記コーティング層の母材及び支持体母材と同一セラミック物質から形成されることを特徴とする請求項６に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１１】
前記支持体が支持体母材及び前記中空型気孔体を混合成形して製造されるものであることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１２】
前記支持体は燃料極用支持体であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１３】
前記支持体は空気極用支持体であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体酸化物燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、酸素または水素イオン伝導性を有する固体酸化物を電解質として使用して、燃料電池の中でも最高温度（７００〜１０００℃）で作動し、すべての構成要素が固体でなっている。そのため、固体酸化物燃料電池は、他の燃料電池に比べ、構造が簡単であり、電解質の損失及び補充と腐食の問題がないし、貴金属触媒が要らなく、直接内部改質による燃料供給が容易である。また、固体酸化物燃料電池は、高温のガスを排出するので、廃熱を利用する熱複合発電が可能であるという利点も持っている。
【０００３】
このような利点のため、固体酸化物燃料電池に関する研究は、２１世紀初に商業化を目標としてアメリカ、日本などの先進国を中心に活発に行われている。
【０００４】
一般的な固体酸化物燃料電池は、酸素イオン伝導性の緻密な電解質層とその両面に位置する多孔性の空気極（ｃａｔｈｏｄｅ）及び燃料極（ａｎｏｄｅ）の層でなっている。
【０００５】
固体酸化物燃料電池の作動原理は、多孔性の空気極では酸素が透過して電解質面に至り、酸素の還元反応によって生成された酸素イオンが緻密な電解質を通して燃料極に移動し、さらに多孔性の燃料極に供給された水素と反応することで水を生成することになる。この際、燃料極では電子が生成され、空気極では電子が消耗されるので、両電極を互いに連結すれば電気が流れることになるものである。
【０００６】
このような燃料電池は、酸素と水素が透過する多孔性の空気極と燃料極の気孔率を向上させてガス透過率を高めて燃料電池の効率を高めることが重要である。
【０００７】
通常に、多孔性の空気極と燃料極を製造するために、カーボンブラック（ｃａｒｂｏｎ  ｂｌａｃｋ）のような気孔体を熱処理して酸化（ｂｕｒｎ  ｏｕｔ）させることで多孔性の電極層を製造する工程が一般的である。しかしながら、このようなカーボン系気孔体の使用は環境に有害であるだけでなく、気孔のサイズ及び気孔率を正確に制御しにくいという欠点がある。
【０００８】
既存の燃料電池支持体（Ａｎｏｄｅ  Ｓｕｐｐｏｒｔ及びＣａｔｈｏｄｅ  Ｓｕｐｐｏｒｔ）の製造方式は、母材（ｍａｔｒｉｘ  ｍａｔｅｒｉａｌ、（ｅｘ）ＮｉＯ−ＹＳＺまたはＬＳＭ、ＬＳＣＦ）と、バインダー、添加剤及びカーボンブラック気孔体を混合して成形した後、熱処理によって高温で気孔体を酸化（ｂｕｒｎ  ｏｕｔ）させることにより燃料電池支持体内に気孔を形成する方法を利用している。
【０００９】
このような方法は、支持体の気孔体としてカーボン系を使用しているので環境的に有害であり、成形工程で成形圧力のような外部の条件に大きく影響を受けて気孔のサイズ及び気孔率の制御が難しいという欠点がある。また、熱処理の条件によって酸化して、気孔を形成する工程に大きく影響されるので所望の気孔率を得にくい欠点がある。すなわち、成形条件及び熱処理条件によって工程が複雑にかつ長くなる欠点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明は前述したような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、本発明の目的は、高温でも気孔体の形状が維持されるようにして、付加の酸化工程なしに気孔体の添加量とサイズを調節することだけでも気孔のサイズと気孔率を正確に制御することができる固体酸化物燃料電池を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、既存のカーボン気孔体のような高温での酸化工程を要求しない環境に優しい気孔体を利用した固体酸化物燃料電池を提供することである。
【００１２】
本発明のさらに他の目的は、母材と同一物質でなる気孔体を使用することができる固体酸化物燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の好適な実施形態によれば、中空型気孔体が含有された支持体を含むことを特徴とする固体酸化物燃料電池が提供される。
【００１４】
前記中空型気孔体はセラミック中空体であってもよい。
【００１５】
前記中空型気孔体は支持体母材（ｍａｔｒｉｘ  ｍａｔｅｒｉａｌ）と同一物質から形成されることができる。
【００１６】
前記中空型気孔体は支持体母材と同一セラミック物質から形成されることができる。
【００１７】
前記中空型気孔体は相異なるサイズの球体で構成されることができる。
【００１８】
前記支持体はその表面に形成されたコーティング層をさらに含むことができる。
【００１９】
前記中空型気孔体は前記コーティング層の母材と同一物質から形成されることができる。
【００２０】
前記中空型気孔体は前記コーティング層の母材と同一セラミック物質から形成されることができる。
【００２１】
前記中空型気孔体は前記コーティング層の母材及び支持体母材と同一物質から形成されることができる。
【００２２】
前記中空型気孔体は前記コーティング層の母材及び支持体母材と同一セラミック物質から形成されることができる。
【００２３】
前記支持体は支持体母材及び前記中空型気孔体を混合成形して製造されるものであってもよい。
【００２４】
前記支持体は燃料極用支持体であってもよい。
【００２５】
前記支持体は空気極用支持体であってもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明による固体酸化物燃料電池は、高温でも気孔体の形状を維持することができる中空型気孔体を利用して気孔のサイズ及び気孔率を正確に制御することで、ガスの透過性を向上させ、燃料利用及びイオン電導効率を高めて燃料電池の性能を大きく向上させることができる。
【００２７】
また、本発明による固体酸化物燃料電池は、母材と同一材料を使用することができるので、カーボンのような環境に有害な物質を取り替え、工程を環境に優しく改善することができ、カーボン気孔体とともに高温で長期間維持して酸化させるための工程が不要であるので、熱処理工程を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の好適な一実施形態による固体酸化物燃料電池用支持体の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明に使用可能な中空型気孔体の製造方法の一例を説明するために概略的に示す図である。
【図３】本発明の好適な一実施形態によって得られた中空型気孔体の構造を示すＳＥＭ写真（×２００００）である。
【図４】図３で得られた中空型気孔体の表面を拡大して示すＳＥＭ写真（×１０００００）である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の特徴及び利点は添付図面に基づく以後の詳細な説明によって一層明らかになる。
【００３０】
本発明の説明に先立ち、本明細書及び請求範囲に使用される用語や単語は通常的で辞書的な意味に解釈されてはいけなく、発明者が自分の発明を最良の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則にしたがって本発明の技術的思想に合う意味と概念に解釈されなければならない。
【００３１】
添付図面の全般にわたって、同一ないし類似の構成要素は同一ないし類似の図面符号で指示し、重複の説明は省略する。また、本発明の説明において、発明の特徴部を明確にするとともに説明の便宜さのために、その他の公知技術についての具体的な説明は省略することができる。本明細書において、“第１”、“第２”などの用語は一つの構成要素を他の構成要素と区別するために使用されるもので、構成要素が前記用語によって制限されるものではない。
【００３２】
以下、本発明を添付図面に基づいてより具体的に説明する。
【００３３】
図１は本発明の好適な一実施形態による固体酸化物燃料電池用支持体の構成を概略的に示す断面図、図２は本発明に使用可能な中空型気孔体の製造方法の一例を説明するために概略的に示す図、図３は本発明の好適な一実施形態によって得られた中空型気孔体の構造を示すＳＥＭ写真（×２００００）、図４は前記図３で得られた中空型気孔体の表面を拡大して示すＳＥＭ写真（×１０００００）である。
【００３４】
本発明の好適な一実施形態による固体酸化物燃料電池は中空型気孔体を含む支持体を含む。
【００３５】
前記中空型気孔体はセラミック中空体であることができ、通常支持体として使用される母材と同一物質、好ましくは母材と同一セラミック物質で形成できる。前記セラミック物質は、例えばＮｉＯ−ＹＳＺ、ＬａＳｒＭｎＯ３、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ３、ＬａＳｒＧａＭｎＯ、ＳｍＣｅＯ２、ＧｄＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＳｃＳＺ、ＳｃＣｅＳＺ  ＧｄＣｅＯ２、ＬａＣｒＯ３、ＬａＣｏＯ３などが含まれるが、特にこれに限定されなく、当該分野で固体酸化物燃料電池用支持体母材として知られた物質であれば制限なしに使用可能である。
【００３６】
また、前記中空型気孔体は相異なるサイズの多様な球体で構成できる。
【００３７】
このように、前記中空型気孔体が多様なサイズの球体で構成されることにより、燃料電池支持体内に含有される中空型気孔体のサイズ及び含量を調節して支持体内の気孔のサイズと気孔率を正確に制御することができる。また、このような利点は、本発明で使用される中空型気孔体が通常の固体酸化物燃料電池工程で適用される比較的高温でも気孔体の形状を維持することができる点から得られる。
【００３８】
図１を参照すれば、支持体母材２１、２２、２３と中空型気孔体３１，３２を適用目的によって適切な組成で混合した後、通常の高温の支持体成形工程を行うことで、支持体内に中空型気孔体３１，３２を所望の含量で含ませることができる。
【００３９】
カーボン系気孔体など、その他の既存の気孔体の場合には、母材と混合した後、酸化工程、発泡工程など、気孔体の形成のための付加の工程がさらに行われなければならなく、このような付加の工程によって最終的に酸化及び／または発泡される程度によって気孔サイズ及び気孔率が決まるので、複雑な工程の実行などの問題のみならず、最終的に得られる支持体内に存在する気孔サイズ及び気孔率を精密に制御しにくいという問題点があった。
【００４０】
これに対し、本発明においては、通常の固体酸化物燃料電池工程に適用される比較的高温でも気孔サイズ及び気孔率を含む形状を実質的に維持する中空型気孔体を使用することにより、母材との混合の後、支持体形成工程の後にも工程前と同様な気孔サイズ及び気孔率を得ることができるので、単純に母材に混合される中空型気孔体のサイズ及び添加量を調節することによっても全体的な気孔特性を所望程度に制御することができる。
【００４１】
以下、図２を参照して本発明の一実施形態による中空型気孔体の製造方法を説明するが、本発明が特にこれに限定されるものではない。
【００４２】
まず、球状の前駆体１１を準備する。前記前駆体１１として、例えば固体テンプレートまたは高分子前駆体などをあげることができる。
【００４３】
ついで、前記前駆体１１の表面に中空型気孔体の母材１２を塗布する。この際、中空型気孔体の母材１２の塗布前に選択的にシリコンなどのような粘着性物質を塗布することができる。前記中空型気孔体の母材１２としては、前述したようなセラミック物質、例えばＮｉＯ−ＹＳＺ、ＬａＳｒＭｎＯ３、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ３、ＬａＳｒＧａＭｎＯ、ＳｍＣｅＯ２、ＧｄＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＳｃＳＺ、ＳｃＣｅＳＺ  ＧｄＣｅＯ２、ＬａＣｒＯ３、ＬａＣｏＯ３などが使用できるが、特にこれに限定されるものではない。また、前記中空型気孔体母材１２の塗布はスリップコーティングまたはプラズマスプレーコーティング法などを利用してコーティングした後、加熱過程の実行によって行うことができるが、特にこれに限定されるものではない。
【００４４】
最後に、前記前駆体１１を除去するための工程、例えば高温の熱処理などを行うことで中が空いている中空型気孔体１２ａを得ることができる。
【００４５】
図３に前述した方法によって得られる中空型気孔体のＳＥＭ写真（×２００００）を示す。
【００４６】
図３を参照すれば、内部に形成されている前駆体が球体の外に抜けて気孔が形成され、究極に球体の中が空いている中空型気孔体が形成されていることが分かる。
【００４７】
図４は前記図３で得られた中空型気孔体の表面を拡大して示すＳＥＭ写真（×１０００００）であり、高温の熱処理過程によって堅固な結合構造が形成され、さらに気孔が多様な形態に形成されていることが分かる。
【００４８】
前述した中空型気孔体を含む支持体は、目的によって燃料極用支持体または空気極用支持体などとして使用することができる。
【００４９】
通常、固体酸化物燃料電池は、電解質層を介在して一側に形成される燃料極層と他側に形成される空気極層、及び燃料極層及び空気極層を含む電極層を支持し、必要なガス（燃料または空気）を供給するための支持体を持つ。また、必要に応じて、支持体を補完するために、支持体と電極層の間にコーティング層をさらに含むことができる。
【００５０】
前記燃料極層は、支持体を透過した燃料を受けて電流を発生させる。その後、発生した電流は集電されて外部回路に電気エネルギーを供給する。燃料極層は、セラミック物質、例えばＮｉＯ−ＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ  ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  Ｚｉｒｃｏｎｉａ）をスリップコーティングまたはプラズマスプレーコーティング法などでコーティングした後、約１２００℃〜１３００℃に加熱することで形成することができるが、特にこれに限定されるものではない。
【００５１】
前記電解質層は、燃料極層と空気極層の間に形成される。電解質層は電流を通過させない。例えば水素を燃料として使用した場合、水素イオンだけ空気極層に通過させる。電解質層は、例えばＹＳＺまたはＳｃＳＺ（Ｓｃａｎｄｉｕｍ  ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  Ｚｉｒｃｏｎｉａ）、ＧＤＣ、ＬＤＣなどをスリップコーティングまたはプラズマスプレーコーティング法などでコーティングした後、約１３００℃〜１５００℃で焼結して形成することができるが、特にこれに限定されるものではない。
【００５２】
前記空気極層では、電解質層から受けた水素イオン、外部回路を介して伝達された電子、及び空気中の酸素が結合して水が生成される。空気極層は、例えばＬＳＭ（Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｄｏｐｅｄ  Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｍａｎｇａｎｉｔｅ）、ＬＳＣＦ（（Ｌａ、Ｓｒ）（Ｃｏ、Ｆｅ）Ｏ３）などの組成物をスリップコーティングまたはプラズマスプレーコーティング法などでコーティングした後、約１２００℃〜１３００℃で焼結して形成することができるが、特にこれに限定されるものではない。
【００５３】
一方、前記コーティング層は、燃料極層をより安定に支持する役目をし、支持体と電極層の間に形成される。コーティング層も気体を透過させる多孔性性質を持たなければならないし、前述した支持体と同一母材で構成できる。また、前述した中空型気孔体は前記コーティング層の母材と同一物質で形成できる。
【００５４】
好ましくは、前記コーティング層は、セラミック物質、例えばＮｉＯ−ＹＳＺ、ＬａＳｒＭｎＯ３、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ３、ＬａＳｒＧａＭｎＯ、ＳｍＣｅＯ２、ＧｄＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＳｃＳＺ、ＳｃＣｅＳＺ、ＧｄＣｅＯ２、ＬａＣｒＯ３、ＬａＣｏＯ３などの母材で形成できるが、特にこれに限定されないし、当該分野で固体酸化物燃料電池用支持体コーティング層の母材として知られた物質であれば制限なしに使用可能である。
【００５５】
前述したように、本発明は、既存に炭素系気孔体を使用する方式とは異なり、高温でも気孔体の形状を維持することができる中空型気孔体を使用することにより、支持体母材と混合される中空型気孔体の添加量とサイズを調節して支持体内の気孔のサイズと気孔率を正確に制御することができる。
【００５６】
また、母材と同一材質の気孔体を使用することができて環境に優しく、カーボン系気孔体とは異なり、酸化工程が不要であって熱処理工程の時間と手間を減らすことができる利点がある。
【００５７】
以上、本発明を具体的な実施例に基づいて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのもので、本発明による固体酸化物燃料電池はこれに限定されなく、本発明の技術的思想内で当該分野の通常の知識を持った者によって多様な変形及び改良が可能であろう。本発明の単純な変形ないし変更はいずれも本発明の範疇内に属するもので、本発明の具体的な保護範囲は特許請求範囲によって明らかに決まるであろう。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、気孔のサイズと気孔率を正確に制御し、高温での酸化工程ない環境に優しいな気孔体を利用し、母材と同一物質でなる気孔体を使用する固体酸化物燃料電池に適用可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１１：前駆体、１２：中空型気孔体母材、１２ａ：中空型気孔体、２１、２２、２３：支持体母材、３１、３２：中空型気孔体。
【図１】
2011023327.tif 000003
【図２】
2011023327.tif 000004
【図３】
2011023327.tif 000005
【図４】
2011023327.tif 000006