JPH07262819A - 多孔質性導電材料粉末とその製造方法及びそれを用いた多孔質電極 - Google Patents

多孔質性導電材料粉末とその製造方法及びそれを用いた多孔質電極

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JPH07262819A
JPH07262819A JP6048191A JP4819194A JPH07262819A JP H07262819 A JPH07262819 A JP H07262819A JP 6048191 A JP6048191 A JP 6048191A JP 4819194 A JP4819194 A JP 4819194A JP H07262819 A JPH07262819 A JP H07262819A
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powder
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Sadaaki Sakamoto
禎章 坂本
Hiroshi Takagi
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  • Conductive Materials (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 粒子の大きな電極材を用いず、電極材の粒子
が小さくとも、焼き付け時に粒子が凝集せず縮むことが
ない電極材を提供すること、また、気孔を作るため、電
極材に有機高分子を加えても、焼き付け時に粒子が凝集
せず縮むことがない電極材を提供すること、そしてこれ
により、電極と固体電解質の界面に応力が発生すること
がなく、電極が固体電解質から剥離したり、電極内部に
亀裂が生じることのない、より高性能な多孔質電極を提
供すること。 【構成】 粒子径が5μm以下の導電性材料粉末と有機
高分子を混ぜて焼成し、多孔質性の導電性材料粉末を得
る。その粉末は粒子径が5μm以下で粒子が凝集し、か
つ、気孔を有するものであり、このような粉末は固体電
解質型燃料電池の多孔質電極として用いることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、多孔質性の導電性材料
粉末とその製法及びそれを用いた多孔質電極に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】例えば、燃料の化学的なエネルギーを電
気化学的な手段によって、直接電気エネルギーに変換す
る燃料電池のうち、1000℃程度の高温で運転される
固体電解質型燃料電池がある。この燃料電池は、電気を
発生させる発電部に、固体電解質を挟んで互いに対向し
あう燃料極及び空気極があり、これらの電極には多孔質
のセラミック膜が用いられている。そして、このような
多孔質電極の一般的な製造方法として、多孔質性の電極
ペーストを、セラミック基板であるYSZ(イットリア
安定化ジルコニア)のような固体電解質の焼結体に塗布
して焼き付ける方法がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】燃料電池の多孔質電極
としては、見掛けの電極面積に占める電極反応面積が大
きいことが必要である。この条件を満たすためには、多
孔質電極内部の電極の表面積を大きくしなければなら
ず、このため一般に、電極材の粒子はより小さく、5μ
m以下であることが必要とされている。
【0004】しかし、多孔質電極を作製する場合、セラ
ミック基板である固体電解質の焼結体に、このような粒
子の小さい電極材のペーストを塗布して焼き付けると、
粒子が小さいために、これが凝集して縮みやすくなる。
縮みが起こると電極と固体電解質の界面に応力が発生す
るため、電極が固体電解質から剥離したり、電極内部に
亀裂が生じるという問題がある。
【0005】一方、焼き付けのときに粒子が縮まないよ
うにするため、粒子の大きな電極材を使うと、見掛けの
電極面積に占める電極反応面積が小さくなり、性能が低
下するという問題がある。
【0006】また、より高性能な多孔質電極であるため
には、電極内部に適当量の気孔を有することも必要であ
るが、気孔を作るために加える有機高分子の量が増える
に従い、電極の焼き付け時に電極材の粒子が凝集して、
より縮みやすくなる。縮みが起こると電極と固体電解質
の界面で応力が発生するため、この場合も電極が固体電
解質から剥離したり、電極内部に亀裂が生じるという問
題がある。
【0007】そこで本発明の目的は、粒子の大きな電極
材を用いず、電極材の粒子が小さくとも、焼き付け時に
粒子が凝集せず縮むことがない電極材を提供すること、
また、気孔を作るため、電極材に有機高分子を加えて
も、焼き付け時に粒子が凝集せず縮むことがない電極材
を提供すること、そしてこれにより、電極と固体電解質
の界面に応力が発生することがなく、電極が固体電解質
から剥離したり、電極内部に亀裂が生じることのない、
より高性能な多孔質電極を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、請求項1にお
いて、多孔質性の導電性材料粉末は、粒子径が5μm以
下の粒子が凝集し、かつ、気孔を有することを特徴とす
るものである。
【0009】また、請求項2において、多孔質性の導電
性材料粉末の製造方法は、粒子径が5μm以下の導電性
材料粉末と有機高分子を混ぜて焼成することを特徴とす
るものである。
【0010】また、請求項3において、多孔質電極は、
粒子径が5μm以下の粒子が凝集し、かつ、気孔を有す
ることを特徴とするものである。
【0011】
【作用】本発明の請求項1によれば、導電性材料粉末
は、粒子径が5μm以下の粒子が凝集し、かつ、気孔を
有することにより、多孔質性となる。この多孔質導電性
材料粉末を電極ペーストに調製する際には、すでに多孔
質性を備えているところから、気孔を作るために加える
有機高分子は少量でよい。例えば、これを固体電解質基
板に塗布して焼き付けると、導電性材料粉末はすでにか
なり凝集しており、加えた有機高分子も少量であるた
め、凝集による縮み量は従来より低く抑えることができ
る。このため、電極と固体電解質の界面に応力が発生し
にくく、電極の剥離や亀裂がほとんど起こらなくなる。
【0012】また、請求項2によれば、粒子径が5μm
以下の導電性材料粉末と有機高分子を混ぜて焼成するこ
とにより、粒子径の小さな導電性材料粉末が凝集して、
電極ペーストを焼き付けする前の段階で多孔質性の導電
性材料粉末が得られ、焼き付けによる更なる凝縮を防ぐ
ことができる。
【0013】また、請求項3によれば、多孔質電極は、
粒子径が5μm以下の粒子が凝集し、かつ、気孔を有す
ることにより、例えば、燃料電池においては、電極の見
掛けの面積当たりの電極反応の起こる反応面積が大きく
なり、燃料電池の性能が向上する。
【0014】
【実施例】以下、本発明の実施例につき、図面を参照し
て説明する。
【0015】(実施例1)まず、本発明を固体電解質型
燃料電池の空気極に実施した。
【0016】空気極材である粒径約0.5μmのLaM
nO3 (ランタンマンガナイト)粉末に対し、有機高分
子である粒径約1μmの球状セルロース粉末を、20〜
40wt%加えてボールミルで混合し、これを1100
℃で焼成して多孔質性の導電性材料粉末を得た。
【0017】これにポリビニルブチラール系の結合材と
エタノールとトルエンとを混合した溶剤、及び気孔を作
るための有機高分子である粒径約1μmの球状セルロー
ス粉末を、導電性材料粉末に対し5〜15wt%加えて
空気極ペーストとした。
【0018】これを電解質であるYSZ(イットリア安
定化ジルコニア)基板の一方の面に塗布して、1200
℃で焼き付けて空気極とした。そして、この基板の反対
側の面には、多孔質性のPt(白金)ペ−ストを塗布
し、1000℃で焼き付けて燃料極とした。
【0019】そして、電極を焼き付けた状態を、目視と
走査型電子顕微鏡により確認したが、電極が固体電解質
から剥離しておらず、また、電極内部に亀裂も生じてい
なかった。
【0020】(比較例1)次に、実施例1との比較を行
うべく、空気極材である粒径約0.5μmのLaMnO
3 (ランタンマンガナイト)粉末に、ポリビニルブチラ
ール系の結合材とエタノールとトルエンとを混合した溶
剤、及び気孔を作るための有機高分子である粒径約1μ
mの球状セルロース粉末を、導電性材料粉末に対し5〜
15wt%加えて空気極ペーストとした。これをYSZ
(イットリア安定化ジルコニア)基板に塗布し、120
0℃で焼き付けて空気極とした。そして、この基板の反
対側の面には実施例1と同様に、燃料極として多孔質性
のPt(白金)ペーストを塗布して、1000℃で焼き
付けたものを準備した。
【0021】実施例1と比較例1で得られた試料を水銀
ポロシメータで測定して、空気極の気孔率(空気極の体
積に占める気孔体積の割合)が30%で、気孔径分布が
同じである実施例1と比較例1の各試料について、10
00℃で発電を行った。なお、気孔率30%は多孔質体
が最良特性を示す値として一般に知られているものであ
る。
【0022】図1は実施例1と比較例1について、各試
料の電流密度と端子電圧を測定した装置の回路図であ
る。燃料極1と空気極3が固体電解質膜2を挟んで発電
部4を構成し、前記各極から燃料電池の運転温度に耐え
るPt線5を引き出して、電圧計6及び可変抵抗器7を
接続した電流計8に、それぞれ接続した。Pt線5と発
電部4の各極が接続されている箇所は、運転温度で耐熱
気密性に優れたアルミナ管9で覆っている。
【0023】図2はこれにより測定した電流密度と端子
電圧の比較特性図である。そして、この電流密度と端子
電圧の特性の比較から、本発明により空気極の性能が改
善されて、発電能力が向上したことがわかる。
【0024】(実施例2)次に、本発明を固体電解質型
燃料電池の燃料極に実施した。
【0025】燃料極材である粒径約0.5μmのNiO
(酸化ニッケル)粉末及び粒径約0.5μmのYSZ
(イットリア安定化ジルコニア)粉末に対し、有機高分
子である粒径約1μmの球状セルロース粉末を、20〜
40wt%加えてボールミルで混合し、これを900℃
で焼成して、多孔質性の導電性材料粉末を得た。
【0026】これにポリビニルブチラール系の結合材と
エタノールとトルエンとを混合した溶剤、及び気孔を作
るための有機高分子である粒径約1μmの球状セルロー
ス粉末を、導電性材料粉末に対し5〜15wt%加えて
燃料極ペーストとした。
【0027】これを電解質であるYSZ(イットリア安
定化ジルコニア)基板の一方の面に塗布して1400℃
で焼き付けた。そして、この基板の反対側の面には、多
孔質性のPt(白金)ペ−ストを塗布し、1000℃で
焼き付けて空気極とした。
【0028】そして、電極を焼き付けた状態を、目視と
走査型電子顕微鏡により確認したが、電極が固体電解質
から剥離しておらず、また、電極内部に亀裂も生じてい
なかった。
【0029】(比較例2)次に、実施例2との比較を行
うべく、燃料極材である粒径約0.5μmのNiO(酸
化ニッケル)粉末及び粒径約0.5μmのYSZ(イッ
トリア安定化ジルコニア)粉末に、ポリビニルブチラー
ル系の結合材とエタノールとトルエンとを混合した溶
剤、及び気孔を作るための有機高分子である粒径約1μ
mの球状セルロース粉末を、導電性材料粉末に対して5
〜15wt%加えて燃料極ペーストとした。これをYS
Z(イットリア安定化ジルコニア)基板に塗布して14
00℃で焼き付け、これに実施例2と同様に、空気極と
して多孔質性のPt(白金)ペーストを塗布して、10
00℃で焼き付けたものを準備した。
【0030】実施例2と比較例2で得られた試料を水銀
ポロシメータで測定し、燃料極の気孔率が30%で気孔
径分布が同じである実施例2と比較例2の各試料につい
て、1000℃で発電を行った。
【0031】図1の測定回路にて、実施例2と比較例2
の各試料の電流密度と端子電圧を測定し、図3に測定し
た電流密度と端子電圧の比較特性図を示した。
【0032】そして、この電流密度と端子電圧の特性の
比較から、本発明により、空気極の性能が改善されてお
り、発電能力が向上したことがわかる。
【0033】
【発明の効果】本発明によれば、粒子径5μm以下の粒
子が凝集した、気孔を有する多孔質性の導電性材料粉末
が容易に得られ、例えば、これを調製して固体電解質に
焼き付けた多孔質電極は、電極が固体電解質から剥離し
たり、電極内部に亀裂が生じることもない。また、粒子
の小さい電極材を用いるため、電極の見掛けの面積当た
りの電極反応の起こる反応面積が大きくなり、例えば、
電流・電圧特性が改善されて燃料電池の性能が向上する
という効果を奏するものである。
【0034】そして、本発明を固体電解質型燃料電池の
空気極と燃料極に用いて発電能力が向上したように、例
えば、ガスセンサー、湿度センサー等の多孔質体構造の
電極に用いることによっても、その性能を向上させるこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1,2及び比較例1,2で得ら
れた各試料の電流密度と端子電圧の測定回路図。
【図2】本発明の実施例1と比較例1で得られた各試料
の電流密度と端子電圧の特性図。
【図3】本発明の実施例2と比較例2で得られた各試料
の電流密度と端子電圧の特性図。
【符号の説明】
1 燃料極 2 固体電解質 3 空気極 4 発電部 5 Pt(白金)線 6 電圧計 7 可変抵抗器 8 電流計 9 アルミナ管

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 粒子径が5μm以下の粒子が凝集し、か
    つ、気孔を有することを特徴とする多孔質性の導電性材
    料粉末。
  2. 【請求項2】 粒子径が5μm以下の導電性材料粉末と
    有機高分子を混ぜて焼成することを特徴とする多孔質性
    の導電性材料粉末の製造方法。
  3. 【請求項3】 粒子径が5μm以下の粒子が凝集してお
    り、かつ、気孔を有することを特徴とする多孔質電極。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006046624A1 (ja) * 2004-10-29 2006-05-04 The Tokyo Electric Power Company, Incorporated 粉末状の金属酸化物母粒子、粉末状の金属酸化物子粒子、粉末状の金属酸化物粒子の製造方法、粉末状の複合粒子及び固体酸化物形燃料電池用電極
JP2006127951A (ja) * 2004-10-29 2006-05-18 Tokyo Electric Power Co Inc:The 粉末状の複合粒子及びその製造方法
JP2011514644A (ja) * 2008-03-18 2011-05-06 テクニカル ユニヴァーシティー オブ デンマーク 全セラミックス固体酸化物形電池

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