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JP2014154537A - Method of producing fuel electrode of solid oxide fuel cell - Google Patents

Method of producing fuel electrode of solid oxide fuel cell Download PDF

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JP2014154537A
JP2014154537A JP2013026372A JP2013026372A JP2014154537A JP 2014154537 A JP2014154537 A JP 2014154537A JP 2013026372 A JP2013026372 A JP 2013026372A JP 2013026372 A JP2013026372 A JP 2013026372A JP 2014154537 A JP2014154537 A JP 2014154537A
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Japan
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polymer
fuel electrode
core material
powder
coating material
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JP2013026372A
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Japanese (ja)
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Shin Mimuro
伸 三室
Yasushi Nakajima
靖志 中島
Nobuhiro Matsushita
伸広 松下
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Nissan Motor Co Ltd
Tokyo Institute of Technology NUC
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Tokyo Institute of Technology NUC
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Abstract

【課題】粒子間の担持状態が均一で、一方の粒子の表面に他方の粒子が確実に被覆した状態の複合材料を燃料極材料を用いることにより、電極性能を向上させることができる固体酸化物型燃料電池用燃料極の製造方法と、このような方法によって製造された燃料極を備えた固体酸化物型燃料電池を提供する。
【解決手段】一方の粒子(芯材粉末)の表面に、他方の粒子(被覆材粒子)とは反対となる電荷のポリマーを担持させた状態で、他方の粒子と接触させることによって、一方の粒子の表面に他方の粒子を被覆する。
【選択図】図1
Solid oxide capable of improving electrode performance by using a fuel electrode material as a composite material in which the supported state between particles is uniform and the surface of one particle is reliably coated with the other particle A method for manufacturing a fuel electrode for a fuel cell and a solid oxide fuel cell including a fuel electrode manufactured by such a method are provided.
The surface of one particle (core powder) carries a charged polymer opposite to the other particle (coating material particle) and is brought into contact with the other particle by contacting the other particle (coating material particle). The surface of the particle is coated with the other particle.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池の製造技術に係り、複数の電極材料を低温度で、均一に複合化することができ、材料粉末の凝集を防止して、長期運転においても高性能を維持することができる燃料極の製造方法と、当該製造方法による燃料極を用いた固体酸化物型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a technology for manufacturing a solid oxide fuel cell, which can uniformly combine a plurality of electrode materials at a low temperature, prevent agglomeration of material powder, and achieve high performance even in long-term operation. The present invention relates to a method for producing a fuel electrode that can be maintained, and a solid oxide fuel cell using a fuel electrode produced by the production method.

固体酸化物型燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)は、酸化物イオン伝導性を備えたイットリア安定化ジルコニア(YSZ)などの固体酸化物から成る電解質の両側にガス透過性を備えた電極を配置した構造を備え、1000℃近くの高温で作動する燃料電池である。   A solid oxide fuel cell (SOFC) has electrodes having gas permeability on both sides of an electrolyte made of a solid oxide such as yttria-stabilized zirconia (YSZ) having oxide ion conductivity. It is a fuel cell that has an arranged structure and operates at a high temperature close to 1000 ° C.

このような固体酸化物型燃料電池における燃料極としては、Ni(ニッケル)や銅(Cu)、白金(Pt)などの金属とYSZ(イットリア安定化ジルコニア:Zr1−x)、SDC(サマリアドープトセリア:Ce1−xSm)、GDC(ガドリアドープトセリア:Ce1−xGd)などの酸化物イオン伝導体との焼結体(サーメット)が用いられる。
こうした燃料電池用電極においては、上記金属が製造時の焼成工程や、発電時に凝集し易く、金属が凝集した場合には、電極反応場となる三相界面が減少する結果、電極性能が低下することが指摘されている。
As a fuel electrode in such a solid oxide fuel cell, metals such as Ni (nickel), copper (Cu), platinum (Pt) and YSZ (yttria stabilized zirconia: Zr 1-x Y x O 2 ), A sintered body (cermet) with an oxide ion conductor such as SDC (Samaria doped ceria: Ce 1-x Sm x O 2 ), GDC (gadria doped ceria: Ce 1-x Gd x O 2 ), etc. Used.
In such a fuel cell electrode, the metal tends to aggregate during the firing process during power generation or during power generation, and when the metal aggregates, the electrode performance deteriorates as a result of the reduction of the three-phase interface serving as the electrode reaction field. It has been pointed out.

このような金属の凝集による性能低下を抑える観点から、特許文献1には、一方の粒子群が、他の種類の粒子群の表面に偏在した複合体粒子を構成粒子とする複合セラミックス粉末を噴霧熱分解法によって製造することが開示されている。さらに、このようにして得られた複合セラミックス粉末を固体酸化物型燃料電池の電極材料として使用することが記載されている。   From the viewpoint of suppressing performance degradation due to such metal aggregation, Patent Document 1 sprays a composite ceramic powder having composite particles in which one particle group is unevenly distributed on the surface of another type of particle group. It is disclosed to produce by a pyrolysis method. Further, it is described that the composite ceramic powder thus obtained is used as an electrode material for a solid oxide fuel cell.

そして、上記特許文献1の実施例の欄には、酢酸ニッケルの水溶液中にYSZゾルを分散させた原材料液を製造装置1の霧化室2に導入して超音波によりミスト状態とし、これをキャリヤーガス(空気)により、200〜1000℃に加熱された石英管5内に導入することによって粉末化する。そして、この粉末を電気集塵器8により捕集し、1000℃にて4時間仮焼し、再結晶化した後、軽く解きほぐすことによって、NiO粒子群の表面がYSZ粒子群で覆われた複合セラミックス粉末を得ることが記載されている。   And in the column of the Example of the said patent document 1, the raw material liquid which disperse | distributed YSZ sol in the aqueous solution of nickel acetate is introduce | transduced into the atomization chamber 2 of the manufacturing apparatus 1, and is made into a mist state with an ultrasonic wave, It is pulverized by introducing it into a quartz tube 5 heated to 200 to 1000 ° C. with a carrier gas (air). The powder is collected by the electric dust collector 8, calcined at 1000 ° C. for 4 hours, recrystallized, and then gently unraveled, whereby the surface of the NiO particle group is covered with the YSZ particle group. Obtaining ceramic powder is described.

特開平09−309768号公報JP 09-309768 A

しかしながら、上記特許文献1に記載の方法では、NiO粒子とYSZ粒子の接触は確率に依存することから、担持状態を制御することができない。したがって、必ずしもYSZ粒子によってNiO粒子が被覆されるとは限らず、担持状態が不均一になり易い。また、両粒子の複合化に大きな熱エネルギが必要となり、焼成が高温化するため、同種の粒子同士が凝集し、肥大化する結果、燃料電池に適用した場合、三相界面が減少して、長期に亘って電極性能を維持することができないという問題がある。   However, in the method described in Patent Document 1, the contact state between the NiO particles and the YSZ particles depends on the probability, so that the supported state cannot be controlled. Therefore, the NiO particles are not necessarily covered with the YSZ particles, and the carrying state tends to be uneven. In addition, a large amount of heat energy is required for the composite of both particles, and since the firing is performed at a high temperature, the same kind of particles aggregate and enlarge, and as a result, when applied to a fuel cell, the three-phase interface decreases, There is a problem that electrode performance cannot be maintained over a long period of time.

本発明は、固体酸化物型燃料電池における燃料極の製造に際して必要となる異種粒子の複合化技術に関する上記課題を解決すべくなされたものである。そして、その目的とするところは、異種粒子間の担持状態が良好で、一方の粒子の表面に他方の粒子を確実に被覆させた燃料極材料を用いることにより、電極性能を向上させることができる固体酸化物型燃料電池用燃料極の製造方法を提供することにある。さらに、このような方法によって製造された燃料極を備えることにより、耐久性を向上させた固体酸化物型燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems related to the composite technology of different kinds of particles required for manufacturing a fuel electrode in a solid oxide fuel cell. And the purpose is that the electrode performance can be improved by using a fuel electrode material in which the support state between different kinds of particles is good and the surface of one particle is reliably coated with the other particle. An object of the present invention is to provide a method for producing a fuel electrode for a solid oxide fuel cell. It is another object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell with improved durability by including a fuel electrode manufactured by such a method.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、一方の粒子の表面に他方の粒子を被覆するに際して、一方の粒子(すなわち、芯材粉末)の表面に、他方の粒子(すなわち、被覆材粒子)とは反対となる電荷のポリマーを予め担持させることによって、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have coated the other particle on the surface of one particle, and the other particle on the surface of one particle (that is, the core powder). The inventors have found that the above object can be achieved by previously supporting a polymer having a charge opposite to that of the coating material particles (that is, the coating material particles), and have completed the present invention.

本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の固体酸化物型燃料電池の燃料極製造方法は、芯材粉末の表面に、該芯材粉末に被覆する被覆材粒子と反対電荷のポリマーを担持するポリマー担持工程と、被覆材粒子が分散した分散液中で、上記ポリマーが担持された芯材粉末に被覆材粒子を被覆する被覆工程と、上記被覆材粒子が被覆された芯材粉末を焼成する焼成工程とを含む工程によって複合化された芯材粉末と被覆材粒子から成る燃料極材料を用いるようにしたことを特徴としている。   The present invention is based on the above knowledge, and the method for producing a fuel electrode of a solid oxide fuel cell according to the present invention comprises a polymer having a charge opposite to the coating material particles coated on the core powder on the surface of the core powder. A polymer carrying step for carrying the coating material, a coating step for coating the core material powder carrying the polymer with the coating material particles in a dispersion in which the coating material particles are dispersed, and a core material powder coated with the coating material particles A fuel electrode material comprising a core material powder and a coating material particle combined by a process including a firing process for firing is used.

そして、本発明の固体酸化物型燃料電池は、上記方法によって製造された燃料極を備えたことを特徴とする。   A solid oxide fuel cell according to the present invention includes a fuel electrode manufactured by the above method.

本発明によれば、被覆材粒子と反対電荷のポリマーを芯材粉末の表面に担持させた上で、被覆材粒子が分散した分散液中で、ポリマー担持芯材粉末に被覆材粒子を被覆するようにしているので、静電的吸引力によって、芯材粉末の表面に、被覆材粒子を確実に、且つ均一に被覆することができる。また、芯材粉末表面が被覆材粒子によって均一に覆われていることから、このような複合材料を用いて燃料極を製造することによって、燃料電池の運転時における芯材粉末同士の凝集を防止することができ、三相界面を確保して、燃料電池の耐久性を向上させることができる。   According to the present invention, a polymer having a charge opposite to that of the coating material particles is supported on the surface of the core material powder, and then the coating material particles are coated on the polymer-supported core material powder in a dispersion in which the coating material particles are dispersed. Thus, the coating material particles can be reliably and uniformly coated on the surface of the core powder by the electrostatic attraction force. In addition, since the core powder surface is uniformly covered with the coating material particles, the fuel electrode is manufactured using such a composite material, thereby preventing aggregation of the core powder during the operation of the fuel cell. The three-phase interface can be secured and the durability of the fuel cell can be improved.

本発明の製造方法によってニッケル粉末の表面にYSZ粒子を被覆して成る燃料極材料のTEM(透過型電子顕微鏡)画像である。It is a TEM (transmission electron microscope) image of the fuel electrode material formed by coating the surface of nickel powder with YSZ particles by the production method of the present invention.

以下に、本発明の固体酸化物型燃料電池の燃料極の製造方法について、さらに詳細、且つ具体的に説明する。なお、本明細書において、「%」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。   Below, the manufacturing method of the fuel electrode of the solid oxide fuel cell of the present invention will be described in more detail and specifically. In the present specification, “%” represents mass percentage unless otherwise specified.

本発明の固体酸化物型燃料電池用燃料極の製造方法において、燃料極の製造に用いられる芯材粉末と被覆材粒子から成る燃料極材料は、上記したように、
(1)芯材粉末の表面に、この芯材粉末に被覆する被覆材粒子と反対電荷のポリマーを担持するポリマー担持工程、
(2)被覆材粒子が分散した分散液中で、上記(1)の工程によって表面にポリマーが担持された芯材粉末に被覆材粒子を被覆する被覆工程、
(3)上記(2)の工程によって被覆材粒子が被覆された芯材粉末を焼成する焼成工程、
を含む工程によって複合化される。
In the method for producing a fuel electrode for a solid oxide fuel cell according to the present invention, the fuel electrode material comprising the core material powder and the coating material particles used in the production of the fuel electrode is as described above.
(1) A polymer supporting step for supporting a polymer having a charge opposite to that of the coating material particles coated on the core material powder on the surface of the core material powder;
(2) A coating step of coating the coating material particles on the core powder having the polymer supported on the surface by the step (1) in a dispersion in which the coating material particles are dispersed;
(3) A firing step of firing the core material powder coated with the coating material particles by the step (2),
Are combined by a process including:

上記ポリマー担持工程は、芯材となる材料に、被覆材とは反対電荷のポリマーを担持にすることによって、芯材の表面に被覆材とは反対の電荷を帯びさせて、芯材粉末の表面に被覆材粒子が付着し易いように加工する工程である。
具体的には、芯材粉末と、芯材粉末を被覆する被覆材粒子と反対電荷を持つポリマーを含む原料液を調整する工程1と、芯材粉末とポリマーを含む上記原料液を攪拌することによって、芯材粉末の表面にポリマーを担持させて、ポリマー担持芯材を形成する工程2と、上記ポリマー担持芯材を含む原料液からポリマー担持芯材粉末を分離する工程3とがこの順に実施される。
In the polymer loading step, the core material is loaded with a polymer having a charge opposite to that of the coating material, so that the surface of the core material is charged with the charge opposite to that of the coating material. It is the process processed so that coating | covering material particle may adhere easily.
Specifically, Step 1 of preparing a core material powder and a raw material liquid containing a polymer having a charge opposite to the coating material particles covering the core material powder, and stirring the raw material liquid containing the core material powder and the polymer Step 2 of forming a polymer-supported core material by supporting the polymer on the surface of the core material powder and step 3 of separating the polymer-supported core material powder from the raw material liquid containing the polymer-supported core material are performed in this order. Is done.

すなわち、工程1において、芯材粉末をポリマー含有溶液中に混合して、溶液中に分散させた原料液を調整する。次いで、工程2において、この原料液を攪拌することにより、原料液中でポリマー担持芯材を得たのち、工程3において、原料液からポリマー担持芯材を粉末として分離する。つまり、ポリマーが担持された芯材粉末が分散した原料液を静置したのち、上澄み液を除去し、沈澱物を蒸留水により洗浄したのち(必要に応じて、洗浄を繰り返す)、乾燥することによって、原料液から粉末状態のポリマー担持芯材粉末が得られる。   That is, in Step 1, the core material powder is mixed into the polymer-containing solution to prepare a raw material liquid dispersed in the solution. Next, in step 2, the raw material liquid is stirred to obtain a polymer-supporting core material in the raw material liquid. In step 3, the polymer-supporting core material is separated from the raw material liquid as a powder. In other words, after leaving the raw material liquid in which the core powder carrying the polymer is dispersed, the supernatant liquid is removed, the precipitate is washed with distilled water (washing is repeated as necessary), and then dried. Thus, a polymer-supported core material powder in a powder state is obtained from the raw material liquid.

被覆工程は、芯材粉末に被覆材粒子を被覆するために、被覆材粒子の分散液中に、ポリマー担持工程で得られたポリマー担持芯材粉末を混合する工程である。
そして、具体的には、ポリマー担持工程で得られたポリマー担持芯材粉末を被覆材粒子の分散液中に混合する工程4と、被覆材粒子とポリマー担持芯材粉末の混合分散液を攪拌して、ポリマー担持芯材粉末の表面に被覆材粒子を被覆する工程5と、混合分散液から被覆材粒子で被覆したポリマー担持芯材粉末を得る工程6とがこの順に実施される。
The coating step is a step of mixing the polymer-carrying core material powder obtained in the polymer-carrying step in a dispersion of the coating material particles in order to coat the core material powder with the coating material particles.
Specifically, the step 4 of mixing the polymer-supported core material powder obtained in the polymer-supporting step into the dispersion of the coating material particles, and the stirring of the mixed dispersion of the coating material particles and the polymer-supporting core material powder are performed. The step 5 of coating the surface of the polymer-supporting core material powder with the coating material particles and the step 6 of obtaining the polymer-supporting core material powder coated with the coating material particles from the mixed dispersion are performed in this order.

すなわち、工程4においては、被覆材粒子の分散液を調製し、この中にポリマー担持工程で得られたポリマー担持芯材粉末を混合する。ついで、工程5においては、この混合分散液を攪拌することによって、ポリマー担持芯材粉末の表面が被覆材粒子によって被覆される。そして、工程6において、静置した混合分散液の上澄みを除去し、残留物を乾燥することによって、被覆材粒子で被覆したポリマー担持芯材粉末が得られる。
なお、工程4における被覆材粒子の分散媒としては、例えばクロロホルム、ヘキサン、ベンゼン、トルエンなどの無極性溶媒が用いられる。
That is, in step 4, a dispersion of coating material particles is prepared, and the polymer-supported core material powder obtained in the polymer-supporting step is mixed therein. Next, in step 5, the surface of the polymer-supporting core material powder is coated with the coating material particles by stirring the mixed dispersion. In Step 6, the supernatant of the mixed dispersion that has been allowed to stand is removed, and the residue is dried, whereby a polymer-supported core material powder coated with the coating material particles is obtained.
In addition, as a dispersion medium of the covering material particle | grains in the process 4, nonpolar solvents, such as chloroform, hexane, benzene, toluene, are used, for example.

上記焼成工程は、被覆工程によって得られた被覆材粒子により被覆されたポリマー担持芯材粉末に含まれる有機物、つまり上記ポリマーや、被覆材粒子の分散を促進させるために用いられる界面活性剤などを熱処理によって除去すると同時に、芯材と被覆材とを接合するための工程である。
具体的には、被覆材粒子で被覆したポリマー担持芯材粉末を熱処理し、この粉末に含まれる有機成分を除去する工程7を含み、上記被覆工程の後に実施される。なお、このときの熱処理温度としては、通常、大気中、500〜800℃で行われる。
The firing step includes an organic substance contained in the polymer-supported core powder coated with the coating material particles obtained in the coating step, that is, the polymer and a surfactant used to promote dispersion of the coating material particles. This is a process for joining the core material and the covering material at the same time as the removal by the heat treatment.
Specifically, this is performed after the coating step, including the step 7 of heat-treating the polymer-supporting core material powder coated with the coating material particles and removing the organic components contained in the powder. In addition, as heat processing temperature at this time, it is normally performed at 500-800 degreeC in air | atmosphere.

本発明の燃料極製造方法においては、上記した焼成工程の後に、必要に応じて、還元処理工程、すなわち、焼成工程によって得られた被覆材粒子で被覆した芯材粉末に還元処理を施すことができる。
すなわち、芯材粉末が酸化物であって、固体酸化物型燃料電池の燃料極の製造プロセスにおいて、予め還元が必要な場合に実施される。一方、プロセス上、酸化物のままでも差し支えない場合には、芯材粉末に還元処理を施さなくても、セル化した後の発電時に還元されることになる。
In the fuel electrode manufacturing method of the present invention, after the above-described firing step, if necessary, the core material powder coated with the coating material particles obtained by the reduction treatment step, that is, the firing step, may be subjected to a reduction treatment. it can.
That is, it is performed when the core powder is an oxide and reduction is required in advance in the manufacturing process of the fuel electrode of the solid oxide fuel cell. On the other hand, when the oxide can be used in the process, it is reduced during power generation after being made into a cell, even if the core material powder is not subjected to a reduction treatment.

本発明の燃料極製造方法に用いる被覆材粒子としては、1nm〜10nmの粒径のものを好適に使用することができる。
すなわち、このようなナノレベル粒子を用いることによって、その高い表面エネルギーと比表面積を活用することができ、芯材粉末と被覆材粒子の接着が促進され、プロセスの低温下が可能になる。
As the coating material particles used in the fuel electrode manufacturing method of the present invention, particles having a particle diameter of 1 nm to 10 nm can be suitably used.
That is, by using such nano-level particles, the high surface energy and specific surface area can be utilized, adhesion between the core material powder and the coating material particles is promoted, and the process can be performed at a low temperature.

また、上記被覆材粒子の表面には、当該被覆材分散液の調製に際して、被覆材粒子の分散媒への分散を促進する成分で予め被覆しておくことが望ましく、こうすることによって、被覆材粒子が凝集することなく、分散媒中に分散するため、被覆材粒子の芯材への均一被覆、ナノ粒径維持に有効である。
このような分散促進成分としては、例えば、オレイン酸塩を挙げることができる。
Further, it is desirable that the surface of the coating material particles is previously coated with a component that promotes dispersion of the coating material particles in the dispersion medium when the coating material dispersion is prepared. Since the particles are dispersed in the dispersion medium without agglomeration, it is effective for uniformly covering the core material with the coating material particles and maintaining the nano particle size.
Examples of such a dispersion promoting component include oleate.

なお、被覆材粒子として、例えば、オレイン酸水熱法で合成された粒子を用いることによって、当該粒子に残存するオレイン酸塩を分散媒への分散促進成分として利用することができる。
また、上記オレイン酸水熱法は、ナノレベル粒子の均一合成にも有効である。
For example, by using particles synthesized by the oleic acid hydrothermal method as the coating material particles, the oleate remaining in the particles can be used as a component for promoting dispersion in the dispersion medium.
The oleic acid hydrothermal method is also effective for uniform synthesis of nano-level particles.

本発明の固体酸化物型燃料電池の燃料極製造方法においては、芯材粉末として電子伝導体から成るものを用い、被覆材粒子としては酸化物イオン伝導体から成るものを使用することが望ましい。
すなわち、電子伝導性材料を酸化物イオン伝導性材料で被覆することによって、固体酸化物型燃料電池の燃料極として、三相界面の効果的形成、電子伝導性材料の凝集防止が可能になる。
In the method for producing a fuel electrode of a solid oxide fuel cell according to the present invention, it is desirable to use a core powder made of an electronic conductor and a coating material particle made of an oxide ion conductor.
That is, by coating the electron conductive material with an oxide ion conductive material, it is possible to effectively form a three-phase interface and prevent aggregation of the electron conductive material as a fuel electrode of a solid oxide fuel cell.

ここで、芯材粉末を構成する電子伝導体としては、ニッケル(Ni)を用いることができ、特に繊維状のニッケルであることが望ましい。
ニッケルを繊維状とすることによって、同体積の粒状あるいは球状の粒子に較べて、電子伝導パスが直線的となって電池の内部抵抗が低減すると共に、表面積が拡大して、三相界面の増大を図ることができる。
Here, nickel (Ni) can be used as the electronic conductor constituting the core powder, and fibrous nickel is particularly desirable.
By making nickel into a fibrous form, the electron conduction path is linear compared to granular or spherical particles of the same volume, reducing the internal resistance of the battery, increasing the surface area, and increasing the three-phase interface. Can be achieved.

一方、被覆材粒子を構成する酸化物イオン伝導体としては、希土類元素がドープされた酸化ジルコニウム(ジルコニア:ZrO)や、希土類元素がドープされた酸化セリウム(セリア:CeO)を単独で、あるいは混合して用いることができる。
具体的には、例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(SSZ)、ガドリニウムドープトセリア(GDC)、サマリウムドープトセリア(SDC)などを挙げることができる。
On the other hand, as the oxide ion conductor constituting the coating material particles, zirconium oxide doped with a rare earth element (zirconia: ZrO 2 ) or cerium oxide doped with a rare earth element (ceria: CeO 2 ) is used alone. Or it can mix and use.
Specific examples include yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (SSZ), gadolinium-doped ceria (GDC), and samarium-doped ceria (SDC).

本発明の燃料極製造方法において、芯材粉末の表面に担持する被覆材粒子と反対電荷のポリマーとしては、ニッケルから成る芯材粉末にYSZ粒子を被覆するには溶液中でYSZ粒子がアニオン性の電荷を示すため、カチオン性のポリマーが好適に用いられる。
このようなカチオン性のポリマーとしては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリ塩化ジアリルジメチルアンモニウム(PDDA)、ポリエチレンイミン(PEI)、ポリアリルアミン塩酸塩(PAH)などを用いることができる。
In the fuel electrode manufacturing method of the present invention, as the polymer having the opposite charge to the coating material particles supported on the surface of the core material powder, the YSZ particles are anionic in the solution in order to coat the core material powder made of nickel with the YSZ particles. A cationic polymer is preferably used.
Such a cationic polymer is not particularly limited, and for example, polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA), polyethyleneimine (PEI), polyallylamine hydrochloride (PAH) and the like can be used.

上記した一連の工程によって得られた複合材料は、芯材粉末の表面に被覆材粒子が確実に、しかも均一に被覆されており、このような材料を燃料極の製造に用いることによって、運転時における芯材粉末同士の凝集を防止することができ、燃料極における三相界面を効率的に形成して、電極反応場を確保することができる。したがって、このようにして製造された燃料極を備えた固体酸化物型燃料電池においては、その性能や耐久性が向上することになる。   In the composite material obtained by the above-described series of processes, the coating material particles are reliably and uniformly coated on the surface of the core material powder. By using such a material for the production of the fuel electrode, Aggregation of the core powders in can be prevented, a three-phase interface in the fuel electrode can be efficiently formed, and an electrode reaction field can be secured. Therefore, the performance and durability of the solid oxide fuel cell having the fuel electrode manufactured as described above are improved.

芯材粉末と被覆材粒子とが複合化された上記燃料極材料は、バインダ(例えば、エチルセルロースなど)、分散剤(例えば、酢酸ブチルなど)、必要に応じて造孔剤と共に混合されて、燃料極ペーストとした上で、YSZ、SSZ、GDC、SDCなどから成る電解質の上、若しくは高Cr鋼やNi鋼等の金属基板の上などに塗布したのち、焼成することによって、燃料極となる。   The fuel electrode material in which the core material powder and the coating material particles are combined is mixed with a binder (for example, ethyl cellulose), a dispersant (for example, butyl acetate), and a pore-forming agent as necessary. After forming an electrode paste, it is applied onto an electrolyte made of YSZ, SSZ, GDC, SDC or the like, or a metal substrate such as high Cr steel or Ni steel, and then fired to form a fuel electrode.

一方、固体酸化物型燃料電池の空気極としては、LSM(La1−xSrMnO)、LSCF(La1−xSrCo1−yFe)、LSC(La1−xSrCoO)、SSC(SmSr1−xCoO)、LSF(LaSr1−xFeO)、BSCF(BaSr1−xCoFe1−y)、LNF(LaNi1−xFe)、SSC(SmSr1−xCoO)などのぺロブスカイト系化合物や、LaNiO、(LaSr)(CoFe)O等の酸化物から成る多孔質材料が用いられる。
なお、電解質として、YSZを適用した場合には、空気極との反応を防止するために、これらの間に中間層を設けることが必要となる。このような中間層としては、SDC、YDC、GDCのようなセリア系の材料が用いられる。
On the other hand, as the air electrode of a solid oxide fuel cell, LSM (La 1-x Sr x MnO 3), LSCF (La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3), LSC (La 1-x Sr x CoO 3 ), SSC (Sm x Sr 1-x CoO 3 ), LSF (La x Sr 1-x FeO 3 ), BSCF (Ba x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 ), LNF ( LaNi 1-x Fe x O 3 ), SSC (Sm x Sr 1-x CoO 3) and perovskite compounds such as, La 2 NiO 4, perforated consisting (LaSr) 2 (CoFe) O oxides such 4 A quality material is used.
In addition, when YSZ is applied as an electrolyte, it is necessary to provide an intermediate layer between them in order to prevent reaction with the air electrode. For such an intermediate layer, a ceria-based material such as SDC, YDC, or GDC is used.

以下、本発明を実施例に基づいて、具体的に説明するが、本発明はこのような実施例によって何ら限定されないことは言うまでもない。
この実施例においては、針状をなす酸化ニッケル(NiO)を芯材粉末として用い、この表面に、以下の手順によってYSZ(被覆材)粒子を被覆した。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, it cannot be overemphasized that this invention is not limited at all by such an Example.
In this example, acicular nickel oxide (NiO) was used as a core powder, and this surface was coated with YSZ (coating material) particles by the following procedure.

〔ポリマー担持工程〕
(工程1:原料液の調製)
カチオン性のポリマー、ポリ塩化ジアリルジメチルアンモニウム(PDDA)の1%水溶液4.5mL(pH=9)中に、1mmolの針状酸化ニッケル(径:25〜600nm、長さ:2.5〜10mm)を芯材粉末として加えることによって原料液とした。
ここで、上記の針状酸化ニッケルとしては、蓚酸ニッケルを熱処理することによって得られたものを使用した。なお、この他に、エレクトロスピニング法、テンプレート法などによるものを使用することもでき、製法については特に限定されない。
[Polymer loading process]
(Step 1: Preparation of raw material liquid)
1 mmol of acicular nickel oxide (diameter: 25-600 nm, length: 2.5-10 mm) in 4.5 mL (pH = 9) of 1% aqueous solution of cationic polymer, poly (diallyldimethylammonium chloride) (PDDA) Was added as a core powder to obtain a raw material liquid.
Here, as said acicular nickel oxide, what was obtained by heat-processing nickel oxalate was used. In addition to this, an electrospinning method, a template method, or the like can be used, and the manufacturing method is not particularly limited.

(工程2:ポリマー担持)
PDDAとNiOを含む上記原料液を室温で、ガラス棒によって、10〜20回程度攪拌することによって、NiO芯材の表面にPDDAを担持させた。
(Step 2: Polymer loading)
PDDA was supported on the surface of the NiO core material by stirring the raw material liquid containing PDDA and NiO at room temperature with a glass rod about 10 to 20 times.

(工程3:ポリマー担持芯材粉末の分取)
攪拌後の原料液を室温に6時間静置することによって、原料液中のポリマー担持芯材を容器の底部に沈澱させたのち、上澄み液を除去し、4.5mLの蒸留水を加えて、沈澱したポリマー担持芯材を洗浄した。
次に、洗浄後の上澄み液を除去し、容器底部の沈澱物(ポリマー担持芯材)を80℃の乾燥器中で、粉末状態となるまで、10分間乾燥し、ポリマー担持芯材粉末を得た。
(Step 3: Preparation of polymer-supported core powder)
After the raw material liquid after stirring is allowed to stand at room temperature for 6 hours, the polymer-supporting core material in the raw material liquid is precipitated at the bottom of the container, and then the supernatant liquid is removed, and 4.5 mL of distilled water is added, The precipitated polymer-supported core material was washed.
Next, the supernatant liquid after washing is removed, and the precipitate (polymer-supporting core material) at the bottom of the container is dried for 10 minutes in a drier at 80 ° C. until it becomes a powder state to obtain a polymer-supporting core material powder. It was.

〔被覆工程〕
(工程4:被覆材分散液の調製、混合)
オレイン酸水熱法によって合成したYSZ粒子(粒径:4〜10nm)3mmolを、4.5mLのシクロヘキサン中に分散させた。なお、上記YSZ粒子は、オレイン酸水熱法によって合成されていることから、残存したオレイン酸塩によって、粒子の表面が被覆されている。
次に、この分散液中に、工程3で得られたポリマー担持芯材粉末(NiO+PDDA)を混合した。
[Coating process]
(Step 4: Preparation and mixing of coating material dispersion)
3 mmol of YSZ particles (particle size: 4 to 10 nm) synthesized by the oleic acid hydrothermal method were dispersed in 4.5 mL of cyclohexane. Since the YSZ particles are synthesized by the oleic acid hydrothermal method, the surfaces of the particles are covered with the remaining oleate.
Next, the polymer-supported core material powder (NiO + PDDA) obtained in step 3 was mixed in this dispersion.

(工程5:被覆材の被覆)
工程4で得られたポリマー担持芯材粉末とYSZ粒子との混合分散液を室温で、ガラス棒により、10〜20回程度攪拌することによって、ポリマー担持芯材粉末の表面をYSZ粒子で被覆した。
(Process 5: Coating of coating material)
The surface of the polymer-supported core material powder was coated with YSZ particles by stirring the mixed dispersion of the polymer-supported core material powder obtained in Step 4 and the YSZ particles with a glass rod at room temperature about 10 to 20 times. .

(工程6:複合材料の分取)
攪拌後の混合分散液を室温で、6時間静置することによって、YSZ粒子で被覆された状態のポリマー担持芯材粉末を分散液中に沈澱させたのち、上澄み液を除去し、3分程度静置して、分散媒であるシクロヘキサンを蒸発させることにより、YSZ被覆ポリマー担持芯材粉末を得た。
(Process 6: Sorting of composite material)
The polymer dispersion core powder coated with YSZ particles is allowed to settle in the dispersion by allowing the mixed dispersion after stirring to stand at room temperature for 6 hours, and then the supernatant is removed for about 3 minutes. By allowing to stand and evaporating cyclohexane as a dispersion medium, a YSZ-coated polymer-supported core material powder was obtained.

〔焼成工程〕
(工程7:熱処理)
工程6により得られたYSZ被覆ポリマー担持芯材粉末を500℃の大気中で、30分間焼成し、これによって、粉末中に残存するシクロヘキサンやオレイン酸塩、PDDAなどの有機成分を分解、除去することにより、酸化ニッケル粉末の表面にYSZ粒子が被覆された状態に複合化された燃料極材料を得た。
[Baking process]
(Step 7: Heat treatment)
The YSZ-coated polymer-supported core powder obtained in step 6 is baked in the atmosphere at 500 ° C. for 30 minutes, thereby decomposing and removing organic components such as cyclohexane, oleate, and PDDA remaining in the powder. As a result, a fuel electrode material composited in a state where the surface of the nickel oxide powder was coated with YSZ particles was obtained.

(工程8:還元処理)
工程7によって得られた複合化燃料極材料、すなわちYSZ被覆NiO粉末を800℃の3%水素雰囲気中において、2時間還元処理することによって、芯材のNiOを還元し、金属ニッケルの粉末の表面にYSZ粒子が被覆された状態の燃料極材料とした。
なお、還元処理条件については、時間をかければ、さらに低温化することができ、例えば600℃、4時間の処理条件でも差し支えない。
(Step 8: Reduction treatment)
The composite fuel electrode material obtained in step 7, ie, YSZ-coated NiO powder, is reduced in 800% 3% hydrogen atmosphere for 2 hours to reduce NiO of the core material, and the surface of the metallic nickel powder The fuel electrode material was coated with YSZ particles.
In addition, about reduction process conditions, if time is taken, it can further reduce in temperature, For example, the process conditions of 600 degreeC and 4 hours may be sufficient.

図1は、このように複合化された燃料極材料のTEM(透過型電子顕微鏡)画像であって、ニッケル粉末の表面に、YSZ粒子が均一且つ緻密に被覆されていることが認められる。   FIG. 1 is a TEM (transmission electron microscope) image of the fuel electrode material thus compounded, and it is recognized that the surface of the nickel powder is uniformly and densely coated with YSZ particles.

得られた燃料極材料は、例えば、エチルセルロース(バインダ)と、酢酸ブチル(分散剤)などと混合された燃料極ペーストとして、燃料極の製造に用いられる。
また、水溶性のアクリル系バインダとポリエチレングリコール(造孔剤)などを加えたグリーンシートとして、燃料電池の燃料極の製造に適用される。
The obtained fuel electrode material is used for manufacturing a fuel electrode, for example, as a fuel electrode paste mixed with ethyl cellulose (binder) and butyl acetate (dispersant).
Further, it is applied to the production of a fuel electrode of a fuel cell as a green sheet to which a water-soluble acrylic binder and polyethylene glycol (pore forming agent) are added.

このようにして製造された固体酸化物型燃料電池の燃料極においては、ニッケル粉末の表面がYSZ粒子により均一に覆われていることから、焼成過程や発電中にもニッケル粉末が凝集することがなく、三相界面の減少を防止して、優れた電極性能を長期に亘って発揮するものとなる。   In the fuel electrode of the solid oxide fuel cell manufactured in this way, the surface of the nickel powder is uniformly covered with YSZ particles, so that the nickel powder may agglomerate during the firing process and power generation. In addition, the reduction of the three-phase interface is prevented, and excellent electrode performance is exhibited over a long period of time.

Claims (14)

芯材粉末の表面に、該芯材粉末に被覆する被覆材粒子と反対電荷のポリマーを担持するポリマー担持工程と、
被覆材粒子が分散した分散液中で、上記ポリマーが担持された芯材粉末に被覆材粒子を被覆する被覆工程と、
上記被覆材粒子が被覆された芯材粉末を焼成する焼成工程と、
を含む工程によって複合化した燃料極材料を用いることを特徴とする固体酸化物型燃料電池の燃料極製造方法。
A polymer carrying step of carrying on the surface of the core material powder a polymer having a charge opposite to that of the coating material particles coated on the core material powder;
In a dispersion in which the coating material particles are dispersed, a coating step of coating the coating material particles on the core material powder carrying the polymer;
A firing step of firing the core material powder coated with the coating material particles;
A fuel electrode manufacturing method for a solid oxide fuel cell, wherein a fuel electrode material combined by a process including
上記ポリマー担持工程が、
芯材粉末と、芯材粉末を被覆する被覆材粒子と反対電荷を持つポリマーを含む原料液を調整する工程1と、
上記工程1の後に実施され、芯材粉末とポリマーを含む上記原料液を攪拌して、芯材粉末の表面にポリマーを担持させて、ポリマー担持芯材を形成する工程2と、
上記工程2の後に実施され、上記ポリマー担持芯材を含む原料液からポリマー担持芯材粉末を分離する工程3と、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の燃料極製造方法。
The polymer supporting step is
Step 1 of preparing a core material powder and a raw material liquid containing a polymer having a charge opposite to that of the coating material particles covering the core material powder;
Step 2 is carried out after Step 1 above, and the raw material liquid containing the core material powder and the polymer is stirred to support the polymer on the surface of the core material powder to form a polymer-supported core material;
Step 3 is performed after Step 2, and the polymer-supported core material powder is separated from the raw material liquid containing the polymer-supported core material;
The fuel electrode manufacturing method according to claim 1, comprising:
上記被覆工程が、
ポリマー担持工程の後に実施され、被覆材粒子の分散液中に、上記ポリマー担持工程で得られたポリマー担持芯材粉末を混合する工程4と、
工程4の後に実施され、被覆材粒子とポリマー担持芯材粉末の混合分散液を攪拌して、ポリマー担持芯材粉末の表面に被覆材粒子を被覆する工程5と、
工程5の後に実施され、上記混合分散液から被覆材粒子で被覆したポリマー担持芯材粉末を得る工程6と、
を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料極製造方法。
The coating step is
Step 4 is performed after the polymer supporting step, and the polymer supporting core material powder obtained in the polymer supporting step is mixed in the dispersion of the coating material particles.
Step 5 is carried out after Step 4 and agitating the mixed dispersion of the coating material particles and the polymer-supporting core material powder to coat the surface of the polymer-supporting core material powder with the coating material particles;
Step 6 which is performed after Step 5 and obtains a polymer-supported core material powder coated with coating material particles from the mixed dispersion;
The fuel electrode manufacturing method according to claim 1, wherein
上記焼成工程が、
被覆工程の後に実施され、被覆材粒子で被覆したポリマー担持芯材粉末を熱処理し、当該粉末に含まれる有機成分を除去する工程7を含む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極製造方法。
The firing step is
4. The method according to claim 1, further comprising a step 7 of heat-treating the polymer-supported core material powder coated with the coating material particles after the coating step and removing an organic component contained in the powder. The fuel electrode manufacturing method according to one of the items.
上記焼成工程の後に実施され、被覆材粒子で被覆した芯材粉末を還元処理する工程を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の燃料極製造方法。   The method for producing a fuel electrode according to any one of claims 1 to 4, further comprising a step of reducing the core powder coated with the coating material particles after the firing step. 上記被覆材粒子の粒径が1〜10nmであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の燃料極製造方法。   The fuel electrode manufacturing method according to any one of claims 1 to 5, wherein a particle diameter of the covering material particles is 1 to 10 nm. 上記被覆材粒子の表面に分散媒に対する分散促進成分を被覆することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の燃料極製造方法。   The fuel electrode manufacturing method according to any one of claims 1 to 6, wherein a surface of the coating material particles is coated with a dispersion promoting component for a dispersion medium. 上記分散促進成分がオレイン酸塩であることを特徴とする請求項7に記載の燃料極製造方法。   The fuel electrode manufacturing method according to claim 7, wherein the dispersion promoting component is oleate. 上記芯材粉末が電子伝導体から成り、上記被覆材粒子が酸化物イオン伝導体から成ることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つの項に記載の燃料極製造方法。   The fuel electrode manufacturing method according to any one of claims 1 to 8, wherein the core material powder is made of an electron conductor, and the coating material particles are made of an oxide ion conductor. 上記芯材粉末を構成する電子伝導体がニッケルであることを特徴とする請求項9に記載の燃料極製造方法。   The method for producing a fuel electrode according to claim 9, wherein the electron conductor constituting the core powder is nickel. 上記ニッケルが繊維状であることを特徴とする請求項10に記載の燃料極製造方法。   The method for producing a fuel electrode according to claim 10, wherein the nickel is fibrous. 上記被覆材粒子を構成する酸化物イオン伝導体が希土類元素がドープされた酸化ジルコニウム及び/又は酸化セリウムであることを特徴とする請求項9〜11のいずれか1つの項に記載の燃料極製造方法。   The anode production according to any one of claims 9 to 11, wherein the oxide ion conductor constituting the coating material particles is zirconium oxide and / or cerium oxide doped with a rare earth element. Method. 上記ポリマーがカチオン性のポリマーであることを特徴とする請求項12に記載の燃料極製造方法。   The method for producing a fuel electrode according to claim 12, wherein the polymer is a cationic polymer. 請求項1〜13のいずれか1つの項に記載の方法により製造された燃料極を備えていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。   A solid oxide fuel cell comprising a fuel electrode manufactured by the method according to any one of claims 1 to 13.
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