燃料電池用電極材料、これを含む燃料電池及びその製造方法
【課題】本発明は、燃料電池用電極材料、これを含む燃料電池及びその製造方法に関する。
【解決手段】本発明による燃料電池用電極材料は、電極母材と、熱処理によって前記電極母材に気孔を形成する球形のポリスチレン粒子と、を含む。本発明による電極材料は、球形のポリスチレン粒子の平均粒径及び含量を調節することにより、電極母材の焼結体に均一なサイズの気孔を形成することができ、気孔率の制御が容易になる。
【解決手段】本発明による燃料電池用電極材料は、電極母材と、熱処理によって前記電極母材に気孔を形成する球形のポリスチレン粒子と、を含む。本発明による電極材料は、球形のポリスチレン粒子の平均粒径及び含量を調節することにより、電極母材の焼結体に均一なサイズの気孔を形成することができ、気孔率の制御が容易になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電極材料、これを含む燃料電池及びその製造方法に関し、より具体的には、燃料電池の効率を高めることができる燃料電池用電極材料、これを含む燃料電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料（水素）の化学エネルギーが電気エネルギーに直接変換されて電流を生産する能力を有する電池（Ｃｅｌｌ）に定義される。燃料電池は、酸化物電解質を介して酸化剤（例えば、酸素）と気相燃料（例えば、水素）を電気化学的に反応させることによって電気を生産するエネルギー転換装置であり、従来の電池とは異なって、外部から燃料と空気が供給されて連続的に電気を生産する特徴を有する。
【０００３】
燃料電池の種類は、用いられる電解質または燃料の種類によって区分されることができる。また、用いられる電解質によって燃料電池の作動温度及び構成部品の材質が変わることができる。
【０００４】
燃料電池の種類には、高温で作動する溶融炭酸塩燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＭＣＦＣ）、固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＳＯＦＣ）及び比較的低い温度で作動するリン酸型燃料電池（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＡＦＣ）、高分子電解質燃料電池（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌs、ＤＥＭＦＣ）などがある。
【０００５】
固体酸化物燃料電池は、固相構造を有し、多重燃料に対する適応性及び高温作動性を有する。このような特徴により、固体酸化物燃料電池は高性能かつ効率的な電源になり得る潜在力を有し、多様な電力発生用途として開発されている。
【０００６】
固体酸化物燃料電池は、一般的に燃料電極（アノード；ａｎｏｄｅ）と空気電極（カソード；ｃａｔｈｏｄｅ）との間に挟まれた電解質膜を単位電池とし、上記単位電池が積層されたスタック構造を有する。
【０００７】
固体酸化物燃料電池の効率を高めるためには、電解質膜の両面に位置する燃料電極及び空気電極の気孔率及びガス透過率を高めることが重要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、燃料電池の効率を高めることができる燃料電池用電極材料、これを含む燃料電池及びその製造方法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】
【０００９】
本発明によると、電極母材と、熱処理によって上記電極母材に気孔を形成する球形のポリスチレン粒子と、を含む燃料電池用電極材料が提供される。
【００１０】
上記ポリスチレン粒子の平均粒径は２〜２０μｍであることができる。
【００１１】
上記ポリスチレン粒子の含量は、上記電極母材１００重量部に対して５〜１５重量部であることができる。
【００１２】
上記電極母材は固体酸化物燃料電池の電極材料であることができる。
【００１３】
上記電極母材は金属−セラミックイオン伝導体の複合体であることができる。
【００１４】
上記電極母材は、ストロンチウムドープのランタンマンガナイト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｍａｎｇａｎｉｔｅ、ＬＳＭ）、ニッケルオキサイド（Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｉｄｅ、ＮｉＯ）とイットリア安定化ジルコニア（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ；ＹＳＺ）が混合されたＮｉ−ＹＳＺサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）、Ｃｕ−ＹＳＺサーメット、ＬＳＭ−ＹＳＺサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）、ニッケルオキサイド（Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｉｄｅ、ＮｉＯ）とスカンジア安定化ジルコニア（ｓｃａｎｄｉａ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｚｉｒｃｏｎｉａ、ＳｃＳＺ）が混合されたＮｉ−ＳｃＳＺサーメット、Ｃｕ−ＳｃＳＺ、ニッケルオキサイドとガドリニウムドープセリア（Ｇｄ ｄｏｐｅｄ ｃｅｒｉａ（ＣｅＯ２）、ＧＤＣ）が混合されたＮｉ−ＧＤＣサーメット、Ｃｕ−ＧＤＣサーメット、及びランタンストロンチウムコバルト鉄複合酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｃｏｂａｌｔ Ｆｅｒｒｉｔｅ、ＬＳＣＦ）からなる群から選択される一つ以上であることができる。
【００１５】
上記電極母材は粉末形態であることができる。
【００１６】
上記電極材料はバインダ樹脂をさらに含むことができる。
【００１７】
本発明によると、電解質膜と、上記電解質膜の一面及び他面に夫々形成されるアノード電極及びカソード電極と、を含み、上記アノード電極及び上記カソード電極のうち少なくとも一つの電極は、球形のポリスチレン粒子の燃焼によって形成された多数の気孔を有する電極母材の焼結体である燃料電池が提供される。
【００１８】
上記気孔の平均粒径は２〜２０μｍであることができる。
【００１９】
上記焼結体の気孔率は１５〜５０％であることができる。
【００２０】
上記電極母材は固体酸化物燃料電池の電極材料であることができる。
【００２１】
上記電極母材は金属−セラミックイオン伝導体の複合体であることができる。
【００２２】
本発明によると、電極母材及び球形のポリスチレン粒子を含む電極材料でスラリーを製造する段階と、上記スラリーで電極シートを製造する段階と、上記電極シートを焼成して、上記球形のポリスチレン粒子の燃焼によって形成された気孔を有する電極母材の焼結体を形成する段階と、上記電極母材の焼結体を電解質膜の一面及び他面のうち少なくとも一面に形成してアノード電極またはカソード電極として配置する段階と、を含む燃料電池の製造方法が提供される。
【００２３】
上記ポリスチレン粒子の平均粒径は２〜２０μｍであることができる。
【００２４】
上記ポリスチレン粒子の含量は上記電極母材１００重量部に対して５〜１５重量部であることができる。
【００２５】
上記電極母材は固体酸化物燃料電池の電極材料であることができる。
【００２６】
上記電極母材は金属−セラミックスイオン伝導体の複合体であることができる。
【００２７】
上記電極母材は粉末形態であることができる。
【００２８】
上記電極材料はバインダ樹脂をさらに含むことができる。
【００２９】
上記電極シートの焼成は１，０００℃以上で行われることができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明による燃料電池用電極材料は電極母材及び球形のポリスチレン粒子を含む。上記球形のポリスチレン粒子は電極母材の焼成過程で除去される。即ち、電極母材とともに熱処理される過程で、上記球形のポリスチレン粒子は電極母材の焼結体に気孔を残して燃焼される。
【００３１】
ポリスチレン樹脂は多様なサイズの粒子に製造されることができ、平均粒径の制御が容易であるため、これを気孔材として利用した電極材料は電極の気孔率及び気孔のサイズを容易に制御することができる。即ち、球形のポリスチレン粒子の平均粒径及び含量を調節することにより、電極母材の焼結体に均一なサイズの気孔を形成することができ、気孔率の制御が容易になる。
【００３２】
これを利用した燃料電池は、酸素と水素が透過する電極の気孔率が高くなり、気孔の均一度に優れて燃料電池の効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池を概略的に示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態による電極材料の焼結温度による気孔形成の比率を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態による電極材料で形成された電極のガス透過度を示すグラフである。
【図４】（ａ）は実施例による電極の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真であり、（ｂ）は比較例による電極の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。但し、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は当業界で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさ等はより明確な説明のために誇張されることがあり、図面上において同一の符号で表される要素は同一の要素である。
【００３５】
図１は本発明の一実施形態による燃料電池を概略的に示す模式図である。
【００３６】
本実施形態による燃料電池は、電解質膜１１０と、上記電解質膜の一面及び他面に夫々形成されたアノード電極１２０と、カソード電極１３０とを含む。
【００３７】
本発明の一実施形態による燃料電池の種類は、溶融炭酸塩燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＭＣＦＣ）、固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＳＯＦＣ）及びリン酸型燃料電池（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＡＦＣ）、高分子電解質燃料電池（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌs、ＤＥＭＦＣ）などがあり、以下では固体酸化物燃料電池を例にとって説明する。
【００３８】
上記燃料電池は、一つの電解質膜１１０と、上記電解質膜の両面に夫々形成されたアノード電極１２０と、カソード電極１３０とを単位電池とし、上記単位電池が複数個積層されたスタック構造であることができる。
【００３９】
上記電解質膜１１０は燃料電池の種類によって選択されることができ、固体酸化物燃料電池ではこれに制限されるものではないが、例えばイットリア安定化ジルコニア（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ、ＹＳＺ）であることができる。
【００４０】
上記電解質膜１１０の厚さはこれに制限されるものではないが、例えば１〜５μｍであることができる。
【００４１】
電解質膜は、厚さが薄膜化されるほど電解質の内部で酸素イオンの移動距離が減少してオーム抵抗と分極抵抗が減少し、電解質膜とアノード電極の接触性と反応性を向上させることにより、単位電池の性能を向上させることができる。
【００４２】
上記アノード電極１２０及び/またはカソード電極１３０は多孔性構造体であることができる。より具体的には、電極母材の焼結による焼結体であり、上記電極母材の焼結体には、ポリスチレン粒子の燃焼によって形成された多数の気孔が存在することができる。上記ポリスチレン粒子は球形の形態を有するものであり、熱処理によって除去されながら電極母材の焼結体に球形の気孔を残したものである。
【００４３】
上記アノード電極１２０及び/または上記カソード電極１３０は、本発明の一実施形態による燃料電池用電極材料によって形成されることができる。これに対するより具体的な説明は後述する。
【００４４】
上記カソード電極（または「空気極」という、１３０）に酸素が透過されて電解質膜１１０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電解質膜を介してアノード電極（または「燃料極」という、１２０）に移動する。酸素イオンはアノード電極に供給された水素と反応して水を生成するようになる。この際、アノード電極では電子が生成され、カソード電極では電子が消耗されることにより、電気が流れるようになる。
【００４５】
燃料電池の効率を高めるためには、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、ガス透過率を高めることが重要である。
【００４６】
本発明の一実施形態によるアノード電極１２０及びカソード電極１３０は多孔性の構造体であり、気孔の平均粒径は２〜２０μｍであることができる。また、上記焼結体の気孔率は１５〜５０％であることができる。
【００４７】
上記気孔の平均粒径が２μｍ未満であるとイオン伝導率が低下する恐れがあり、上記気孔の平均粒径が２０μｍを超過すると電極構造体の強度が低下する恐れがある。
【００４８】
上記アノード電極１２０及び上記カソード電極１３０は本発明の一実施形態による燃料電池用電極材料によって形成されることができる。以下、本発明の一実施形態による燃料電池用電極材料について説明する。
【００４９】
本発明の燃料電池用電極材料は、電極母材と、熱処理によって上記電極母材の焼結体に気孔を形成する球形のポリスチレン粒子とを含むことができる。
【００５０】
上述したように、本発明の一実施形態による燃料電池用電極材料は固体酸化物燃料電池の電極を製造するのに用いられることができる。
【００５１】
即ち、これに制限されるものではないが、溶融炭酸塩燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＭＣＦＣ）、固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＳＯＦＣ）及びリン酸型燃料電池（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＡＦＣ）、高分子電解質燃料電池（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌs、ＤＥＭＦＣ）などの電極を製造するのに用いられることができる。
【００５２】
本発明の一実施形態による電極母材は燃料電池の電極材料として用いられるものであれば特に制限されない。
【００５３】
より具体的には、上記電極母材は固体酸化物燃料電池のアノード電極またはカソード電極として用いられる物質を用いることができ、金属−セラミックイオン伝導体の複合体を用いることができる。
【００５４】
上記電極母材はこれに制限されるものではないが、ストロンチウムドープのランタンマンガナイト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｍａｎｇａｎｉｔｅ、ＬＳＭ）、ニッケルオキサイド（Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｉｄｅ、ＮｉＯ）とイットリア安定化ジルコニア（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ、ＹＳＺ）が混合されたＮｉ−ＹＳＺサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）、Ｃｕ−ＹＳＺサーメット、ＬＳＭ−ＹＳＺサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）、ニッケルオキサイド（Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｉｄｅ、ＮｉＯ）とスカンジア安定化ジルコニア（ｓｃａｎｄｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ、ＳｃＳＺ）が混合されたＮｉ−ＳｃＳＺサーメット、Ｃｕ−ＳｃＳＺ、ニッケルオキサイドとガドリニウムドープセリア（Ｇｄ ｄｏｐｅｄ ｃｅｒｉａ（ＣｅＯ２）、ＧＤＣ）が混合されたＮｉ−ＧＤＣサーメット、Ｃｕ−ＧＤＣサーメット、ランタンストロンチウムコバルト鉄複合酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｃoｂａlｔ Ｆｅｒｒｉｔｅ、ＬＳＣＦ）などであることができる。
【００５５】
これに制限されるものではないが、ＬＳＭはＬａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３の化学式を有し、ＬＳＣＦはＬａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３の化学式を有することができる。
【００５６】
ＬＳＭは優れた機械的信頼性及び酸化／還元サイクルで非常に安定的な特性を有している。
【００５７】
ＬＳＣＦは高い混合イオン／電気伝導度を有するため、中・低温での運転が可能である。例えば、上記ＬＳＣＦは８００℃で０．０１のイオン伝導度と２００Ｓ／ｃｍ２以上の電気伝導度を有する。上記ＬＳＣＦは高い熱的、化学的安全性を有し、酸素還元のための高い触媒反応性を有する。
【００５８】
上記ＬＳＣＦはゾル−ゲル法または燃焼噴霧熱分解法（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｓｐｒａｙ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ）を利用して形成されることができる。
【００５９】
上記電極母材は粉末形態であることができ、粉末の平均粒径は５〜２０ｎｍであることができる。上記電極母材の比表面積は１００〜２００ｍ２／ｇであることができる。
【００６０】
本発明の一実施形態による燃料電池用電極材料は球形のポリスチレン粒子を含む。上記ポリスチレン粒子は上記電極母材の焼成過程で除去される。即ち、電極母材とともに熱処理される過程で、上記球形のポリスチレン粒子は電極母材の焼結体に気孔を残して燃焼される。
【００６１】
燃料電池の効率を高めるためには、酸素と水素が透過する電極の気孔率を高め、気孔の均一度を制御することが重要である。
【００６２】
従来はカーボン系を気孔材として用いたが、カーボン系の気孔材は熱処理条件によって燃焼特性が変わるため、気孔のサイズ及び気孔率を制御しにくいという問題がある。カーボンブラックは含量が増加するにつれて収縮率が増加するため、気孔率を制御しにくいという問題がある。また、カーボン系は環境的に有害であるという短所がある。
【００６３】
本発明の一実施形態による燃料電池用電極材料は球形のポリスチレンを気孔材として用いたものである。ポリスチレン樹脂は多様なサイズの粒子に製造されることができ、平均粒径の制御が容易であるため、これを利用すると電極の気孔率及び気孔サイズを容易に制御することができる。
【００６４】
球形のポリスチレン粒子の平均粒径及び含量を調節することにより電極母材の焼結体に均一なサイズの気孔を形成することができ、気孔率の制御を容易にすることができる。
【００６５】
これに制限されるものではないが、上記球形のポリスチレン粒子の平均粒径は２〜２０μｍであることができる。上記球形のポリスチレン粒子の平均粒径が２μｍ未満であると電極母材の焼結体に気孔を形成することが困難になり、上記球形のポリスチレン粒子の平均粒径が２０μｍを超過すると気孔が大きくなりすぎて焼結体の強度が低下する恐れがある。
【００６６】
また、これに制限されるものではないが、上記球形のポリスチレン粒子の含量は電極母材１００重量部に対して５〜１５重量部であることができる。
【００６７】
上記含量の範囲内でポリスチレン粒子の気孔率は線形に増加する特性を示す。これを利用して、設計目的に応じて電極内の気孔率を調節することができる。
【００６８】
また、本発明の一実施形態による燃料電池用電極材料はバインダ樹脂を含むことができる。上記バインダ樹脂は電極母材を結合させて焼結体形成を助けることができる。
【００６９】
上記バインダ樹脂の含量は上記電極母材１００重量部に対して５〜３０重量部であることができる。
【００７０】
上記バインダ樹脂としては水素イオン伝導性を有する高分子樹脂を用いることができる。例えば、側鎖にスルホン酸基、カルボキシル酸基、リン酸基、ホスホン酸基及びこれらの誘導体からなる群から選択される陽イオン交換基を有する高分子樹脂を用いることができる。
【００７１】
例えば、フッ素系高分子、ベンズイミダゾール系高分子、ポリイミド系高分子、ポリエーテルイミド系高分子、ポリフェニレンスルフィド系高分子、ポリスルホン系高分子、ポリエーテルスルホン系高分子、ポリエーテルケトン系高分子、ポリエーテル−エーテルケトン系高分子、またはポリフェニルキノキサリン系高分子を用いることができる。
【００７２】
以下、本発明の一実施形態による燃料電池用電極材料を利用した燃料電池の製造方法を説明する。
【００７３】
まず、電極母材及び球形のポリスチレン粒子を含む燃料電池用電極材料を準備する。上記燃料電池用電極材料は本発明の一実施形態によるものである。
【００７４】
上記電極母材はこれに制限されるものではないが、金属−セラミックイオン伝導体を用いることができる。
【００７５】
上記電極母材はこれに制限されるものではないが、例えば、ストロンチウムドープのランタンマンガナイト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｍａｎｇａｎｉｔｅ、ＬＳＭ）、ニッケルオキサイド（Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｉｄｅ、ＮｉＯ）とイットリア安定化ジルコニア（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ、ＹＳＺ）が混合されたＮｉ−ＹＳＺサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）、Ｃｕ−ＹＳＺサーメット、ＬＳＭ−ＹＳＺサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）、ニッケルオキサイド（Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｉｄｅ、ＮｉＯ）とスカンジア安定化ジルコニア（ｓｃａｎｄｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ、ＳｃＳＺ）が混合されたＮｉ−ＳｃＳＺサーメット、Ｃｕ−ＳｃＳＺ、ニッケルオキサイドとガドリニウムドープセリア（Ｇｄ ｄｏｐｅｄ ｃｅｒｉａ（ＣｅＯ２）、ＧＤＣ）が混合されたＮｉ−ＧＤＣサーメット、Ｃｕ−ＧＤＣサーメット、ランタンストロンチウムコバルト鉄複合酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｃｏｂａｌｔ Ｆｅｒｒｉｔｅ、ＬＳＣＦ）などであることができる。
【００７６】
上記電極母材と球形のポリスチレン粒子を混合してスラリーを形成することができる。上記球形のポリスチレン粒子は気孔材として用いられるものであり、上記電極母材１００重量部に対して５〜１５重量部含まれることができる。
【００７７】
上記スラリーには溶媒及びバインダ樹脂が添加されることができ、上記スラリーはボールミルを利用して混合されることができる。
【００７８】
また、上記スラリーの形成時、電極母材粒子の凝集を防止するために、超音波を印加することができる。
【００７９】
上記スラリーはテープキャスティング法によって電極シートとして形成されることができる。この際、電極シートの厚さは３５〜４５μｍであることができる。
【００８０】
上記電極シートを電解質シートの一面または両面に積層することにより、積層体を形成することができる。上記電極シートは燃料電池のアノード電極またはカソード電極になることができる。
【００８１】
上記電解質シートはＹＳＺ粒子を含むスラリーを製造し、上記スラリーをテープキャスティングすることによって１〜５μｍの厚さに形成されることができる。
【００８２】
また、電解質シートの製造方法はこれに制限されず、当業界に公知された多様な方法によって製造されることができる。
【００８３】
その後、積層体を焼成して焼結体を形成することができる。焼成段階はスラリーに含まれた各成分の特性に応じて段階別に進行されることができる。例えば、低温で溶媒及びバインダ樹脂を除去し、高温で電極母材の焼結を行って、上記ポリスチレン粒子を除去することができる。
【００８４】
上記焼成段階で電極母材は焼結体を形成し、上記ポリスチレン粒子は上記焼結体に気孔を残して燃焼される。
【００８５】
上記焼成段階はこれに制限されるものではないが、１，０００℃以上で行われることができ、より好ましくは１，３００〜１，６００℃で行われることができる。
【００８６】
上記焼成温度が１，０００℃未満であると焼結が完全に行われないため焼結体に破損が発生しやすく、上記焼成温度が１，６００℃を超えると焼成段階で上記積層体の反りが発生する恐れがある。
【００８７】
上記焼成段階で積層体に反りやクラックのような欠陥が発生することを防止するために、上記積層体に所定の荷重を加えて加圧状態で焼結が行われることができる。
【００８８】
例えば、上記積層体の上下部に一定のサイズと重量を有する加圧体を配置して加圧することができる。上記加圧体は、上記焼成段階で上記積層体と化学的に反応しないように安定的であり、かつ物理的または化学的に変形が発生しない材質で形成されることができる。また、上記加圧体は、上記積層体を均一に加圧することができるように、上記積層体と対応する平板またはブロックの形態を有することができる。
【００８９】
上記焼成段階により、電解質膜及び上記電解質膜の一面及び他面に形成されたアノード電極及びカソード電極を有する燃料電池が形成されることができる。
【００９０】
上述したように、電解質シートと電極シートを積層した後、同時に焼成することにより単位電池を製造することができる。
【００９１】
または、電解質シートと電極シートを夫々焼成した後、結合することにより単位電池を製造することもできる。
【００９２】
図２は本発明の一実施形態による電極材料の焼成温度による気孔形成の比率を示すグラフである。
【００９３】
より具体的には、電極母材としてＮｉ−ＹＳＺサーメットを用いて、球形のポリスチレン粒子の含量を変化させながら、焼結温度が夫々１，４００℃、１，４５０℃、１，５００℃の場合の電極焼結体の気孔形成の比率を測定した。
【００９４】
図２を参照すると、球形のポリスチレン粒子は含量が増加するにつれて気孔率が直線的に増加して、電極焼結体の気孔率制御が容易になることが分かった。
【００９５】
これに対し、カーボンブラックの場合、含量が増加しても高温の焼結工程で収縮率が増加するため、気孔率が低下する傾向があり、気孔率の制御が困難になる。
【００９６】
図３は本発明の一実施形態による電極材料で形成された電極のガス透過度を示すグラフである。
【００９７】
より具体的には、実施例では電極母材としてＮｉ−ＹＳＺサーメットを用い、上記電極母材１００重量部に対して７．５重量部の球形のポリスチレン粒子を含む電極材料で電極を形成し、そのガス透過度を測定した。比較例では電極母材としてＮｉ−ＹＳＺサーメットを用い、上記電極母材１００重量部に対して７．５重量部のカーボンブラックを含む電極材料で電極を形成し、ガス透過度を測定した。
【００９８】
図３を参照すると、実施例による電極は比較例による電極に比べて３００ｐｓｉａ以下では同一の圧力下でガス透過度が３〜４倍程度向上されたことが分かる。
【００９９】
図４の（ａ）は実施例による電極の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真であり、図４の（ｂ）は比較例による電極の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真である。
【０１００】
図４の（ａ）及び図４の（ｂ）を参照すると、実施例は比較例に比べて気孔のサイズ及び分布が均一であることが分かる。
【０１０１】
本発明による電極材料は、ポリスチレン粒子を気孔材として用いるため電極の気孔率の制御が容易であり、気孔の分布及びサイズが均一に形成されることができる。これにより、電極のガス透過性及びイオン伝導率が向上される。
【０１０２】
本発明は、上述の実施形態及び添付の図面により限定されず、添付の請求範囲により限定される。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で当技術分野の通常の知識を有する者によって様々な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これもまた本発明の範囲に属するというべきであろう。
【符号の説明】
【０１０３】
１１０ 電解質膜
１２０ アノード電極
１３０ カソード電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電極材料、これを含む燃料電池及びその製造方法に関し、より具体的には、燃料電池の効率を高めることができる燃料電池用電極材料、これを含む燃料電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料（水素）の化学エネルギーが電気エネルギーに直接変換されて電流を生産する能力を有する電池（Ｃｅｌｌ）に定義される。燃料電池は、酸化物電解質を介して酸化剤（例えば、酸素）と気相燃料（例えば、水素）を電気化学的に反応させることによって電気を生産するエネルギー転換装置であり、従来の電池とは異なって、外部から燃料と空気が供給されて連続的に電気を生産する特徴を有する。
【０００３】
燃料電池の種類は、用いられる電解質または燃料の種類によって区分されることができる。また、用いられる電解質によって燃料電池の作動温度及び構成部品の材質が変わることができる。
【０００４】
燃料電池の種類には、高温で作動する溶融炭酸塩燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＭＣＦＣ）、固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＳＯＦＣ）及び比較的低い温度で作動するリン酸型燃料電池（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＡＦＣ）、高分子電解質燃料電池（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌs、ＤＥＭＦＣ）などがある。
【０００５】
固体酸化物燃料電池は、固相構造を有し、多重燃料に対する適応性及び高温作動性を有する。このような特徴により、固体酸化物燃料電池は高性能かつ効率的な電源になり得る潜在力を有し、多様な電力発生用途として開発されている。
【０００６】
固体酸化物燃料電池は、一般的に燃料電極（アノード；ａｎｏｄｅ）と空気電極（カソード；ｃａｔｈｏｄｅ）との間に挟まれた電解質膜を単位電池とし、上記単位電池が積層されたスタック構造を有する。
【０００７】
固体酸化物燃料電池の効率を高めるためには、電解質膜の両面に位置する燃料電極及び空気電極の気孔率及びガス透過率を高めることが重要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、燃料電池の効率を高めることができる燃料電池用電極材料、これを含む燃料電池及びその製造方法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】
【０００９】
本発明によると、電極母材と、熱処理によって上記電極母材に気孔を形成する球形のポリスチレン粒子と、を含む燃料電池用電極材料が提供される。
【００１０】
上記ポリスチレン粒子の平均粒径は２〜２０μｍであることができる。
【００１１】
上記ポリスチレン粒子の含量は、上記電極母材１００重量部に対して５〜１５重量部であることができる。
【００１２】
上記電極母材は固体酸化物燃料電池の電極材料であることができる。
【００１３】
上記電極母材は金属−セラミックイオン伝導体の複合体であることができる。
【００１４】
上記電極母材は、ストロンチウムドープのランタンマンガナイト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｍａｎｇａｎｉｔｅ、ＬＳＭ）、ニッケルオキサイド（Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｉｄｅ、ＮｉＯ）とイットリア安定化ジルコニア（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ；ＹＳＺ）が混合されたＮｉ−ＹＳＺサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）、Ｃｕ−ＹＳＺサーメット、ＬＳＭ−ＹＳＺサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）、ニッケルオキサイド（Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｉｄｅ、ＮｉＯ）とスカンジア安定化ジルコニア（ｓｃａｎｄｉａ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｚｉｒｃｏｎｉａ、ＳｃＳＺ）が混合されたＮｉ−ＳｃＳＺサーメット、Ｃｕ−ＳｃＳＺ、ニッケルオキサイドとガドリニウムドープセリア（Ｇｄ ｄｏｐｅｄ ｃｅｒｉａ（ＣｅＯ２）、ＧＤＣ）が混合されたＮｉ−ＧＤＣサーメット、Ｃｕ−ＧＤＣサーメット、及びランタンストロンチウムコバルト鉄複合酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｃｏｂａｌｔ Ｆｅｒｒｉｔｅ、ＬＳＣＦ）からなる群から選択される一つ以上であることができる。
【００１５】
上記電極母材は粉末形態であることができる。
【００１６】
上記電極材料はバインダ樹脂をさらに含むことができる。
【００１７】
本発明によると、電解質膜と、上記電解質膜の一面及び他面に夫々形成されるアノード電極及びカソード電極と、を含み、上記アノード電極及び上記カソード電極のうち少なくとも一つの電極は、球形のポリスチレン粒子の燃焼によって形成された多数の気孔を有する電極母材の焼結体である燃料電池が提供される。
【００１８】
上記気孔の平均粒径は２〜２０μｍであることができる。
【００１９】
上記焼結体の気孔率は１５〜５０％であることができる。
【００２０】
上記電極母材は固体酸化物燃料電池の電極材料であることができる。
【００２１】
上記電極母材は金属−セラミックイオン伝導体の複合体であることができる。
【００２２】
本発明によると、電極母材及び球形のポリスチレン粒子を含む電極材料でスラリーを製造する段階と、上記スラリーで電極シートを製造する段階と、上記電極シートを焼成して、上記球形のポリスチレン粒子の燃焼によって形成された気孔を有する電極母材の焼結体を形成する段階と、上記電極母材の焼結体を電解質膜の一面及び他面のうち少なくとも一面に形成してアノード電極またはカソード電極として配置する段階と、を含む燃料電池の製造方法が提供される。
【００２３】
上記ポリスチレン粒子の平均粒径は２〜２０μｍであることができる。
【００２４】
上記ポリスチレン粒子の含量は上記電極母材１００重量部に対して５〜１５重量部であることができる。
【００２５】
上記電極母材は固体酸化物燃料電池の電極材料であることができる。
【００２６】
上記電極母材は金属−セラミックスイオン伝導体の複合体であることができる。
【００２７】
上記電極母材は粉末形態であることができる。
【００２８】
上記電極材料はバインダ樹脂をさらに含むことができる。
【００２９】
上記電極シートの焼成は１，０００℃以上で行われることができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明による燃料電池用電極材料は電極母材及び球形のポリスチレン粒子を含む。上記球形のポリスチレン粒子は電極母材の焼成過程で除去される。即ち、電極母材とともに熱処理される過程で、上記球形のポリスチレン粒子は電極母材の焼結体に気孔を残して燃焼される。
【００３１】
ポリスチレン樹脂は多様なサイズの粒子に製造されることができ、平均粒径の制御が容易であるため、これを気孔材として利用した電極材料は電極の気孔率及び気孔のサイズを容易に制御することができる。即ち、球形のポリスチレン粒子の平均粒径及び含量を調節することにより、電極母材の焼結体に均一なサイズの気孔を形成することができ、気孔率の制御が容易になる。
【００３２】
これを利用した燃料電池は、酸素と水素が透過する電極の気孔率が高くなり、気孔の均一度に優れて燃料電池の効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池を概略的に示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態による電極材料の焼結温度による気孔形成の比率を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態による電極材料で形成された電極のガス透過度を示すグラフである。
【図４】（ａ）は実施例による電極の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真であり、（ｂ）は比較例による電極の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。但し、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は当業界で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさ等はより明確な説明のために誇張されることがあり、図面上において同一の符号で表される要素は同一の要素である。
【００３５】
図１は本発明の一実施形態による燃料電池を概略的に示す模式図である。
【００３６】
本実施形態による燃料電池は、電解質膜１１０と、上記電解質膜の一面及び他面に夫々形成されたアノード電極１２０と、カソード電極１３０とを含む。
【００３７】
本発明の一実施形態による燃料電池の種類は、溶融炭酸塩燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＭＣＦＣ）、固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＳＯＦＣ）及びリン酸型燃料電池（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＡＦＣ）、高分子電解質燃料電池（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌs、ＤＥＭＦＣ）などがあり、以下では固体酸化物燃料電池を例にとって説明する。
【００３８】
上記燃料電池は、一つの電解質膜１１０と、上記電解質膜の両面に夫々形成されたアノード電極１２０と、カソード電極１３０とを単位電池とし、上記単位電池が複数個積層されたスタック構造であることができる。
【００３９】
上記電解質膜１１０は燃料電池の種類によって選択されることができ、固体酸化物燃料電池ではこれに制限されるものではないが、例えばイットリア安定化ジルコニア（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ、ＹＳＺ）であることができる。
【００４０】
上記電解質膜１１０の厚さはこれに制限されるものではないが、例えば１〜５μｍであることができる。
【００４１】
電解質膜は、厚さが薄膜化されるほど電解質の内部で酸素イオンの移動距離が減少してオーム抵抗と分極抵抗が減少し、電解質膜とアノード電極の接触性と反応性を向上させることにより、単位電池の性能を向上させることができる。
【００４２】
上記アノード電極１２０及び/またはカソード電極１３０は多孔性構造体であることができる。より具体的には、電極母材の焼結による焼結体であり、上記電極母材の焼結体には、ポリスチレン粒子の燃焼によって形成された多数の気孔が存在することができる。上記ポリスチレン粒子は球形の形態を有するものであり、熱処理によって除去されながら電極母材の焼結体に球形の気孔を残したものである。
【００４３】
上記アノード電極１２０及び/または上記カソード電極１３０は、本発明の一実施形態による燃料電池用電極材料によって形成されることができる。これに対するより具体的な説明は後述する。
【００４４】
上記カソード電極（または「空気極」という、１３０）に酸素が透過されて電解質膜１１０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電解質膜を介してアノード電極（または「燃料極」という、１２０）に移動する。酸素イオンはアノード電極に供給された水素と反応して水を生成するようになる。この際、アノード電極では電子が生成され、カソード電極では電子が消耗されることにより、電気が流れるようになる。
【００４５】
燃料電池の効率を高めるためには、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、ガス透過率を高めることが重要である。
【００４６】
本発明の一実施形態によるアノード電極１２０及びカソード電極１３０は多孔性の構造体であり、気孔の平均粒径は２〜２０μｍであることができる。また、上記焼結体の気孔率は１５〜５０％であることができる。
【００４７】
上記気孔の平均粒径が２μｍ未満であるとイオン伝導率が低下する恐れがあり、上記気孔の平均粒径が２０μｍを超過すると電極構造体の強度が低下する恐れがある。
【００４８】
上記アノード電極１２０及び上記カソード電極１３０は本発明の一実施形態による燃料電池用電極材料によって形成されることができる。以下、本発明の一実施形態による燃料電池用電極材料について説明する。
【００４９】
本発明の燃料電池用電極材料は、電極母材と、熱処理によって上記電極母材の焼結体に気孔を形成する球形のポリスチレン粒子とを含むことができる。
【００５０】
上述したように、本発明の一実施形態による燃料電池用電極材料は固体酸化物燃料電池の電極を製造するのに用いられることができる。
【００５１】
即ち、これに制限されるものではないが、溶融炭酸塩燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＭＣＦＣ）、固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＳＯＦＣ）及びリン酸型燃料電池（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＡＦＣ）、高分子電解質燃料電池（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌs、ＤＥＭＦＣ）などの電極を製造するのに用いられることができる。
【００５２】
本発明の一実施形態による電極母材は燃料電池の電極材料として用いられるものであれば特に制限されない。
【００５３】
より具体的には、上記電極母材は固体酸化物燃料電池のアノード電極またはカソード電極として用いられる物質を用いることができ、金属−セラミックイオン伝導体の複合体を用いることができる。
【００５４】
上記電極母材はこれに制限されるものではないが、ストロンチウムドープのランタンマンガナイト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｍａｎｇａｎｉｔｅ、ＬＳＭ）、ニッケルオキサイド（Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｉｄｅ、ＮｉＯ）とイットリア安定化ジルコニア（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ、ＹＳＺ）が混合されたＮｉ−ＹＳＺサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）、Ｃｕ−ＹＳＺサーメット、ＬＳＭ−ＹＳＺサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）、ニッケルオキサイド（Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｉｄｅ、ＮｉＯ）とスカンジア安定化ジルコニア（ｓｃａｎｄｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ、ＳｃＳＺ）が混合されたＮｉ−ＳｃＳＺサーメット、Ｃｕ−ＳｃＳＺ、ニッケルオキサイドとガドリニウムドープセリア（Ｇｄ ｄｏｐｅｄ ｃｅｒｉａ（ＣｅＯ２）、ＧＤＣ）が混合されたＮｉ−ＧＤＣサーメット、Ｃｕ−ＧＤＣサーメット、ランタンストロンチウムコバルト鉄複合酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｃoｂａlｔ Ｆｅｒｒｉｔｅ、ＬＳＣＦ）などであることができる。
【００５５】
これに制限されるものではないが、ＬＳＭはＬａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３の化学式を有し、ＬＳＣＦはＬａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３の化学式を有することができる。
【００５６】
ＬＳＭは優れた機械的信頼性及び酸化／還元サイクルで非常に安定的な特性を有している。
【００５７】
ＬＳＣＦは高い混合イオン／電気伝導度を有するため、中・低温での運転が可能である。例えば、上記ＬＳＣＦは８００℃で０．０１のイオン伝導度と２００Ｓ／ｃｍ２以上の電気伝導度を有する。上記ＬＳＣＦは高い熱的、化学的安全性を有し、酸素還元のための高い触媒反応性を有する。
【００５８】
上記ＬＳＣＦはゾル−ゲル法または燃焼噴霧熱分解法（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｓｐｒａｙ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ）を利用して形成されることができる。
【００５９】
上記電極母材は粉末形態であることができ、粉末の平均粒径は５〜２０ｎｍであることができる。上記電極母材の比表面積は１００〜２００ｍ２／ｇであることができる。
【００６０】
本発明の一実施形態による燃料電池用電極材料は球形のポリスチレン粒子を含む。上記ポリスチレン粒子は上記電極母材の焼成過程で除去される。即ち、電極母材とともに熱処理される過程で、上記球形のポリスチレン粒子は電極母材の焼結体に気孔を残して燃焼される。
【００６１】
燃料電池の効率を高めるためには、酸素と水素が透過する電極の気孔率を高め、気孔の均一度を制御することが重要である。
【００６２】
従来はカーボン系を気孔材として用いたが、カーボン系の気孔材は熱処理条件によって燃焼特性が変わるため、気孔のサイズ及び気孔率を制御しにくいという問題がある。カーボンブラックは含量が増加するにつれて収縮率が増加するため、気孔率を制御しにくいという問題がある。また、カーボン系は環境的に有害であるという短所がある。
【００６３】
本発明の一実施形態による燃料電池用電極材料は球形のポリスチレンを気孔材として用いたものである。ポリスチレン樹脂は多様なサイズの粒子に製造されることができ、平均粒径の制御が容易であるため、これを利用すると電極の気孔率及び気孔サイズを容易に制御することができる。
【００６４】
球形のポリスチレン粒子の平均粒径及び含量を調節することにより電極母材の焼結体に均一なサイズの気孔を形成することができ、気孔率の制御を容易にすることができる。
【００６５】
これに制限されるものではないが、上記球形のポリスチレン粒子の平均粒径は２〜２０μｍであることができる。上記球形のポリスチレン粒子の平均粒径が２μｍ未満であると電極母材の焼結体に気孔を形成することが困難になり、上記球形のポリスチレン粒子の平均粒径が２０μｍを超過すると気孔が大きくなりすぎて焼結体の強度が低下する恐れがある。
【００６６】
また、これに制限されるものではないが、上記球形のポリスチレン粒子の含量は電極母材１００重量部に対して５〜１５重量部であることができる。
【００６７】
上記含量の範囲内でポリスチレン粒子の気孔率は線形に増加する特性を示す。これを利用して、設計目的に応じて電極内の気孔率を調節することができる。
【００６８】
また、本発明の一実施形態による燃料電池用電極材料はバインダ樹脂を含むことができる。上記バインダ樹脂は電極母材を結合させて焼結体形成を助けることができる。
【００６９】
上記バインダ樹脂の含量は上記電極母材１００重量部に対して５〜３０重量部であることができる。
【００７０】
上記バインダ樹脂としては水素イオン伝導性を有する高分子樹脂を用いることができる。例えば、側鎖にスルホン酸基、カルボキシル酸基、リン酸基、ホスホン酸基及びこれらの誘導体からなる群から選択される陽イオン交換基を有する高分子樹脂を用いることができる。
【００７１】
例えば、フッ素系高分子、ベンズイミダゾール系高分子、ポリイミド系高分子、ポリエーテルイミド系高分子、ポリフェニレンスルフィド系高分子、ポリスルホン系高分子、ポリエーテルスルホン系高分子、ポリエーテルケトン系高分子、ポリエーテル−エーテルケトン系高分子、またはポリフェニルキノキサリン系高分子を用いることができる。
【００７２】
以下、本発明の一実施形態による燃料電池用電極材料を利用した燃料電池の製造方法を説明する。
【００７３】
まず、電極母材及び球形のポリスチレン粒子を含む燃料電池用電極材料を準備する。上記燃料電池用電極材料は本発明の一実施形態によるものである。
【００７４】
上記電極母材はこれに制限されるものではないが、金属−セラミックイオン伝導体を用いることができる。
【００７５】
上記電極母材はこれに制限されるものではないが、例えば、ストロンチウムドープのランタンマンガナイト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｍａｎｇａｎｉｔｅ、ＬＳＭ）、ニッケルオキサイド（Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｉｄｅ、ＮｉＯ）とイットリア安定化ジルコニア（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ、ＹＳＺ）が混合されたＮｉ−ＹＳＺサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）、Ｃｕ−ＹＳＺサーメット、ＬＳＭ−ＹＳＺサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）、ニッケルオキサイド（Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｉｄｅ、ＮｉＯ）とスカンジア安定化ジルコニア（ｓｃａｎｄｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ、ＳｃＳＺ）が混合されたＮｉ−ＳｃＳＺサーメット、Ｃｕ−ＳｃＳＺ、ニッケルオキサイドとガドリニウムドープセリア（Ｇｄ ｄｏｐｅｄ ｃｅｒｉａ（ＣｅＯ２）、ＧＤＣ）が混合されたＮｉ−ＧＤＣサーメット、Ｃｕ−ＧＤＣサーメット、ランタンストロンチウムコバルト鉄複合酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｃｏｂａｌｔ Ｆｅｒｒｉｔｅ、ＬＳＣＦ）などであることができる。
【００７６】
上記電極母材と球形のポリスチレン粒子を混合してスラリーを形成することができる。上記球形のポリスチレン粒子は気孔材として用いられるものであり、上記電極母材１００重量部に対して５〜１５重量部含まれることができる。
【００７７】
上記スラリーには溶媒及びバインダ樹脂が添加されることができ、上記スラリーはボールミルを利用して混合されることができる。
【００７８】
また、上記スラリーの形成時、電極母材粒子の凝集を防止するために、超音波を印加することができる。
【００７９】
上記スラリーはテープキャスティング法によって電極シートとして形成されることができる。この際、電極シートの厚さは３５〜４５μｍであることができる。
【００８０】
上記電極シートを電解質シートの一面または両面に積層することにより、積層体を形成することができる。上記電極シートは燃料電池のアノード電極またはカソード電極になることができる。
【００８１】
上記電解質シートはＹＳＺ粒子を含むスラリーを製造し、上記スラリーをテープキャスティングすることによって１〜５μｍの厚さに形成されることができる。
【００８２】
また、電解質シートの製造方法はこれに制限されず、当業界に公知された多様な方法によって製造されることができる。
【００８３】
その後、積層体を焼成して焼結体を形成することができる。焼成段階はスラリーに含まれた各成分の特性に応じて段階別に進行されることができる。例えば、低温で溶媒及びバインダ樹脂を除去し、高温で電極母材の焼結を行って、上記ポリスチレン粒子を除去することができる。
【００８４】
上記焼成段階で電極母材は焼結体を形成し、上記ポリスチレン粒子は上記焼結体に気孔を残して燃焼される。
【００８５】
上記焼成段階はこれに制限されるものではないが、１，０００℃以上で行われることができ、より好ましくは１，３００〜１，６００℃で行われることができる。
【００８６】
上記焼成温度が１，０００℃未満であると焼結が完全に行われないため焼結体に破損が発生しやすく、上記焼成温度が１，６００℃を超えると焼成段階で上記積層体の反りが発生する恐れがある。
【００８７】
上記焼成段階で積層体に反りやクラックのような欠陥が発生することを防止するために、上記積層体に所定の荷重を加えて加圧状態で焼結が行われることができる。
【００８８】
例えば、上記積層体の上下部に一定のサイズと重量を有する加圧体を配置して加圧することができる。上記加圧体は、上記焼成段階で上記積層体と化学的に反応しないように安定的であり、かつ物理的または化学的に変形が発生しない材質で形成されることができる。また、上記加圧体は、上記積層体を均一に加圧することができるように、上記積層体と対応する平板またはブロックの形態を有することができる。
【００８９】
上記焼成段階により、電解質膜及び上記電解質膜の一面及び他面に形成されたアノード電極及びカソード電極を有する燃料電池が形成されることができる。
【００９０】
上述したように、電解質シートと電極シートを積層した後、同時に焼成することにより単位電池を製造することができる。
【００９１】
または、電解質シートと電極シートを夫々焼成した後、結合することにより単位電池を製造することもできる。
【００９２】
図２は本発明の一実施形態による電極材料の焼成温度による気孔形成の比率を示すグラフである。
【００９３】
より具体的には、電極母材としてＮｉ−ＹＳＺサーメットを用いて、球形のポリスチレン粒子の含量を変化させながら、焼結温度が夫々１，４００℃、１，４５０℃、１，５００℃の場合の電極焼結体の気孔形成の比率を測定した。
【００９４】
図２を参照すると、球形のポリスチレン粒子は含量が増加するにつれて気孔率が直線的に増加して、電極焼結体の気孔率制御が容易になることが分かった。
【００９５】
これに対し、カーボンブラックの場合、含量が増加しても高温の焼結工程で収縮率が増加するため、気孔率が低下する傾向があり、気孔率の制御が困難になる。
【００９６】
図３は本発明の一実施形態による電極材料で形成された電極のガス透過度を示すグラフである。
【００９７】
より具体的には、実施例では電極母材としてＮｉ−ＹＳＺサーメットを用い、上記電極母材１００重量部に対して７．５重量部の球形のポリスチレン粒子を含む電極材料で電極を形成し、そのガス透過度を測定した。比較例では電極母材としてＮｉ−ＹＳＺサーメットを用い、上記電極母材１００重量部に対して７．５重量部のカーボンブラックを含む電極材料で電極を形成し、ガス透過度を測定した。
【００９８】
図３を参照すると、実施例による電極は比較例による電極に比べて３００ｐｓｉａ以下では同一の圧力下でガス透過度が３〜４倍程度向上されたことが分かる。
【００９９】
図４の（ａ）は実施例による電極の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真であり、図４の（ｂ）は比較例による電極の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真である。
【０１００】
図４の（ａ）及び図４の（ｂ）を参照すると、実施例は比較例に比べて気孔のサイズ及び分布が均一であることが分かる。
【０１０１】
本発明による電極材料は、ポリスチレン粒子を気孔材として用いるため電極の気孔率の制御が容易であり、気孔の分布及びサイズが均一に形成されることができる。これにより、電極のガス透過性及びイオン伝導率が向上される。
【０１０２】
本発明は、上述の実施形態及び添付の図面により限定されず、添付の請求範囲により限定される。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で当技術分野の通常の知識を有する者によって様々な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これもまた本発明の範囲に属するというべきであろう。
【符号の説明】
【０１０３】
１１０ 電解質膜
１２０ アノード電極
１３０ カソード電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極母材と、
熱処理によって前記電極母材に気孔を形成する球形のポリスチレン粒子と、
を含む燃料電池用電極材料。
【請求項２】
前記ポリスチレン粒子の平均粒径は２〜２０μｍである請求項１に記載の燃料電池用電極材料。
【請求項３】
前記ポリスチレン粒子の含量は、前記電極母材１００重量部に対して５〜１５重量部である請求項１に記載の燃料電池用電極材料。
【請求項４】
前記電極母材は固体酸化物燃料電池の電極材料である請求項１に記載の燃料電池用電極材料。
【請求項５】
前記電極母材は金属−セラミックイオン伝導体の複合体である請求項１に記載の燃料電池用電極材料。
【請求項６】
前記電極母材は、ストロンチウムドープのランタンマンガナイト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｍａｎｇａｎｉｔｅ、ＬＳＭ）、ニッケルオキサイド（Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｉｄｅ、ＮｉＯ）とイットリア安定化ジルコニア（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ；ＹＳＺ）が混合されたＮｉ−ＹＳＺサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）、Ｃｕ−ＹＳＺサーメット、ＬＳＭ−ＹＳＺサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）、ニッケルオキサイド（Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｉｄｅ、ＮｉＯ）とスカンジア安定化ジルコニア（ｓｃａｎｄｉａ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｚｉｒｃｏｎｉａ、ＳｃＳＺ）が混合されたＮｉ−ＳｃＳＺサーメット、Ｃｕ−ＳｃＳＺ、ニッケルオキサイドとガドリニウムドープセリア（Ｇｄ ｄｏｐｅｄ ｃｅｒｉａ（ＣｅＯ２）、ＧＤＣ）が混合されたＮｉ−ＧＤＣサーメット、Ｃｕ−ＧＤＣサーメット、及びランタンストロンチウムコバルト鉄複合酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｃｏｂａｌｔ Ｆｅｒｒｉｔｅ、ＬＳＣＦ）からなる群から選択される一つ以上である請求項１に記載の燃料電池用電極材料。
【請求項７】
前記電極母材は粉末形態である請求項１に記載の燃料電池用電極材料。
【請求項８】
バインダ樹脂をさらに含む請求項１に記載の燃料電池用電極材料。
【請求項９】
電解質膜と、
前記電解質膜の一面及び他面に夫々形成されるアノード電極及びカソード電極と、を含み、
前記アノード電極及び前記カソード電極のうち少なくとも一つの電極は、球形のポリスチレン粒子の燃焼によって形成された多数の気孔を有する電極母材の焼結体である燃料電池。
【請求項１０】
前記気孔の平均粒径は２〜２０μｍである請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記焼結体の気孔率は１５〜５０％である請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記電極母材は固体酸化物燃料電池の電極材料である請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記電極母材は金属−セラミックイオン伝導体の複合体である請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１４】
電極母材及び球形のポリスチレン粒子を含む電極材料でスラリーを製造する段階と、
前記スラリーで電極シートを製造する段階と、
前記電極シートを焼成して、前記球形のポリスチレン粒子の燃焼によって形成された気孔を有する電極母材の焼結体を形成する段階と、
前記電極母材の焼結体を電解質膜の一面及び他面のうち少なくとも一面に形成してアノード電極またはカソード電極として配置する段階と、
を含む燃料電池の製造方法。
【請求項１５】
前記ポリスチレン粒子の平均粒径は２〜２０μｍである請求項１４に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１６】
前記ポリスチレン粒子の含量は前記電極母材１００重量部に対して５〜１５重量部である請求項１４に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１７】
前記電極母材は固体酸化物燃料電池の電極材料である請求項１４に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１８】
前記電極母材は金属−セラミックイオン伝導体の複合体である請求項１４に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１９】
前記電極母材は粉末形態である請求項１４に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２０】
前記電極材料はバインダ樹脂をさらに含む請求項１４に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２１】
前記電極シートの焼成は１，０００℃以上で行われる請求項１４に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１】
電極母材と、
熱処理によって前記電極母材に気孔を形成する球形のポリスチレン粒子と、
を含む燃料電池用電極材料。
【請求項２】
前記ポリスチレン粒子の平均粒径は２〜２０μｍである請求項１に記載の燃料電池用電極材料。
【請求項３】
前記ポリスチレン粒子の含量は、前記電極母材１００重量部に対して５〜１５重量部である請求項１に記載の燃料電池用電極材料。
【請求項４】
前記電極母材は固体酸化物燃料電池の電極材料である請求項１に記載の燃料電池用電極材料。
【請求項５】
前記電極母材は金属−セラミックイオン伝導体の複合体である請求項１に記載の燃料電池用電極材料。
【請求項６】
前記電極母材は、ストロンチウムドープのランタンマンガナイト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｍａｎｇａｎｉｔｅ、ＬＳＭ）、ニッケルオキサイド（Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｉｄｅ、ＮｉＯ）とイットリア安定化ジルコニア（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ；ＹＳＺ）が混合されたＮｉ−ＹＳＺサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）、Ｃｕ−ＹＳＺサーメット、ＬＳＭ−ＹＳＺサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）、ニッケルオキサイド（Ｎｉｃｋｅｌ Ｏｘｉｄｅ、ＮｉＯ）とスカンジア安定化ジルコニア（ｓｃａｎｄｉａ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｚｉｒｃｏｎｉａ、ＳｃＳＺ）が混合されたＮｉ−ＳｃＳＺサーメット、Ｃｕ−ＳｃＳＺ、ニッケルオキサイドとガドリニウムドープセリア（Ｇｄ ｄｏｐｅｄ ｃｅｒｉａ（ＣｅＯ２）、ＧＤＣ）が混合されたＮｉ−ＧＤＣサーメット、Ｃｕ−ＧＤＣサーメット、及びランタンストロンチウムコバルト鉄複合酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｃｏｂａｌｔ Ｆｅｒｒｉｔｅ、ＬＳＣＦ）からなる群から選択される一つ以上である請求項１に記載の燃料電池用電極材料。
【請求項７】
前記電極母材は粉末形態である請求項１に記載の燃料電池用電極材料。
【請求項８】
バインダ樹脂をさらに含む請求項１に記載の燃料電池用電極材料。
【請求項９】
電解質膜と、
前記電解質膜の一面及び他面に夫々形成されるアノード電極及びカソード電極と、を含み、
前記アノード電極及び前記カソード電極のうち少なくとも一つの電極は、球形のポリスチレン粒子の燃焼によって形成された多数の気孔を有する電極母材の焼結体である燃料電池。
【請求項１０】
前記気孔の平均粒径は２〜２０μｍである請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記焼結体の気孔率は１５〜５０％である請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記電極母材は固体酸化物燃料電池の電極材料である請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記電極母材は金属−セラミックイオン伝導体の複合体である請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１４】
電極母材及び球形のポリスチレン粒子を含む電極材料でスラリーを製造する段階と、
前記スラリーで電極シートを製造する段階と、
前記電極シートを焼成して、前記球形のポリスチレン粒子の燃焼によって形成された気孔を有する電極母材の焼結体を形成する段階と、
前記電極母材の焼結体を電解質膜の一面及び他面のうち少なくとも一面に形成してアノード電極またはカソード電極として配置する段階と、
を含む燃料電池の製造方法。
【請求項１５】
前記ポリスチレン粒子の平均粒径は２〜２０μｍである請求項１４に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１６】
前記ポリスチレン粒子の含量は前記電極母材１００重量部に対して５〜１５重量部である請求項１４に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１７】
前記電極母材は固体酸化物燃料電池の電極材料である請求項１４に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１８】
前記電極母材は金属−セラミックイオン伝導体の複合体である請求項１４に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１９】
前記電極母材は粉末形態である請求項１４に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２０】
前記電極材料はバインダ樹脂をさらに含む請求項１４に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２１】
前記電極シートの焼成は１，０００℃以上で行われる請求項１４に記載の燃料電池の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１１９３１６（Ｐ２０１２−１１９３１６Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６３３７２（Ｐ２０１１−２６３３７２）
【出願日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【出願人】（５９４０２３７２２）サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド． (1,585)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【出願人】（５９４０２３７２２）サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド． (1,585)
【Ｆターム（参考）】
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