JP5410076B2 - Conductive laminate and method for producing conductive laminate - Google Patents
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Description
本発明は、無機下地と、導電層(導電膜)とを備えた新規な構成の導電性積層体およびその製造方法に関する。特に、固体酸化物形の燃料電池における集電体を形成するのに好適な導電性積層体およびその製造方法に係る発明である。 The present invention relates to a conductive laminate having a novel structure including an inorganic base and a conductive layer (conductive film) and a method for producing the same. In particular, the present invention relates to a conductive laminate suitable for forming a current collector in a solid oxide fuel cell and a method for manufacturing the same.
ここでは、燃料電池における集電体を例に採り説明するが、本発明の導電性積層体の適用はこれに限られるものではなく、同様な構成を有する電気化学リアクターには、勿論、他の導電性積層体構造を有する製品にも適用可能である。 Here, the current collector in the fuel cell will be described as an example, but the application of the conductive laminate of the present invention is not limited to this, and of course, other electrochemical reactors having the same configuration may have other configurations. The present invention can also be applied to products having a conductive laminate structure.
本明細書においては、特に断らない限り、「%」は「質量%」を、「部」は「質量部」をそれぞれ意味する。 In this specification, unless otherwise specified, “%” means “mass%” and “part” means “part by mass”.
従来、固体酸化物形の燃料電池(SOFC)における集電体(集電層)は、金属を含有する多孔質構造体で形成された導電膜で形成されていた(例えば、特許文献1・2等参照)。その理由は、下記の如くである。 Conventionally, a current collector (current collection layer) in a solid oxide fuel cell (SOFC) has been formed of a conductive film formed of a porous structure containing metal (for example, Patent Documents 1 and 2). Etc.). The reason is as follows.
上記のような燃料電池における電極の抵抗は、三相界面(電解質・ガス・電極)の電極反応で発生する電荷が界面を跨いで移動する過程で生ずる過電圧と電極の有効反応面積に依存する面内方向での抵抗が問題となる。 The resistance of the electrode in the fuel cell as described above depends on the overvoltage generated in the process in which the charge generated by the electrode reaction at the three-phase interface (electrolyte / gas / electrode) moves across the interface and the effective reaction area of the electrode. Inward resistance becomes a problem.
例えば、ハニカム型のインターコネクタが電極の端面にしか形成できない場合は遠い距離にある電子が走れず、IR損を生じ電流が流れ難くなる。 For example, when a honeycomb interconnector can be formed only on the end face of an electrode, electrons at a long distance cannot run, causing an IR loss and making it difficult for current to flow.
そして、多孔質構造体である導電膜を集電体として電極に積層し、該集電体をインターコネクタと結線しておけば、三相界面で発生する電荷を電極材に頼ることなく集電できる。 Then, if the conductive film, which is a porous structure, is stacked on the electrode as a current collector, and the current collector is connected to the interconnector, the current generated at the three-phase interface can be collected without relying on the electrode material. it can.
なお、アノード側(通常、燃料極)の電極材(例えば、酸化ニッケル)は発電時に還元されて金属となりその抵抗は小さくなるため、電極がある程度の厚みを有すればその省略も考えられる。しかし、カソード側(通常、空気極)の電極材は酸化物(例えば、ランタンマンガナイト)でありその抵抗は大きく、通常、集電体を積層する必要がある。 In addition, since the electrode material (for example, nickel oxide) on the anode side (usually the fuel electrode) is reduced during power generation to become a metal and its resistance is reduced, its omission may be considered if the electrode has a certain thickness. However, the electrode material on the cathode side (usually the air electrode) is an oxide (for example, lanthanum manganite), and its resistance is large, and usually a current collector needs to be laminated.
そして、SOFCにおける集電体は、下記のような特性が必要とされている。 And the current collector in SOFC is required to have the following characteristics.
1)空気(酸素)、若しくは燃料ガスの透過が容易でなければならない。即ち、良好なガス透過性が要求される。 1) Air (oxygen) or fuel gas permeation must be easy. That is, good gas permeability is required.
2)電極材と密着していなければならない。 2) It must be in close contact with the electrode material.
3)SOFCの運転温度(600〜800℃)に耐えられる耐熱性を有するものでなければならない
4)低コストで製造できること。
3) Must be heat resistant to withstand the operating temperature of SOFC (600-800 ° C)
4) It can be manufactured at low cost.
なお、特許文献3に、三次元網目構造(多孔質)の導電性構造体に関する下記技術が記載されている。 Patent Document 3 describes the following technique relating to a conductive structure having a three-dimensional network structure (porous).
当該導電性構造体は、白金等の貴金属を含み構成される三次元網目状の骨格を有し、且つ該骨格の横切断面の直径の最大長さが100nm以下である。その構造体は、貴金属を含み構成される第1の材料が、第2の材料に分散している膜を用意する第1の工程、及び前記膜中の前記第2の材料をドライエッチングにより除去する第2の工程を経て製造される。 The conductive structure has a three-dimensional network skeleton including a noble metal such as platinum, and the maximum length of the diameter of the transverse cut surface of the skeleton is 100 nm or less. The structure includes a first step of preparing a film in which a first material including a noble metal is dispersed in a second material, and removing the second material in the film by dry etching It is manufactured through the second step.
しかし、導電性構造体は、本発明のμmレベルの多孔質構造体ではなく、燃料電池における触媒能と電子導電性が要求されるnmレベルの膜電極への適用を予定している導電性微細構造体に係るものであり、異質である。 However, the conductive structure is not the μm level porous structure of the present invention, but the conductive fine structure scheduled to be applied to a nanometer level membrane electrode that requires catalytic performance and electronic conductivity in a fuel cell. It is related to the structure and is heterogeneous.
また、特許文献2には、粒子状銀化合物と樹脂バインダーを含む導電性組成物の発明が開示されている。該導電性組成物は、任意の対象物に塗布した後、加熱することで導電性被膜となる。 Patent Document 2 discloses an invention of a conductive composition containing a particulate silver compound and a resin binder. The conductive composition is applied to an arbitrary object and then heated to form a conductive film.
しかし、本発明の如く、連続三次元網状骨格を有する多孔質構造体を形成することを予定していない。
本発明は、上記にかんがみて、前記特許文献等に記載されていない燃料電池等における集電体(導電膜)を形成するのに好適な、即ち、生産性良好に製造できる新規な構成の導電性積層体及びその製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention is suitable for forming a current collector (conductive film) in a fuel cell or the like that is not described in the above-mentioned patent documents, that is, a conductive material having a novel structure that can be manufactured with good productivity. An object of the present invention is to provide a conductive laminate and a method for producing the same.
本発明に係る導電性積層体は、無機下地と、導電膜とを備えた導電性積層体において、前記導電膜が、該無機下地に直接的に密着された膜厚10〜1000μmの多孔質構造体であって、該多孔質構造体は、表面側から前記無機下地に連通する空隙を有する連続三次元網状骨格を備えていることを特徴とする。 The conductive laminate according to the present invention is a conductive laminate comprising an inorganic base and a conductive film, wherein the conductive film is in direct contact with the inorganic base and has a porous structure with a thickness of 10 to 1000 μm. The porous structure includes a continuous three-dimensional network skeleton having voids communicating with the inorganic base from the surface side.
本発明における導電性積層体における導電膜は、表面側から前記無機下地に連通する空隙を有する連続三次元網状骨格を備えている多孔質構造体であるため、該導電膜で無機下地の表面の一部又は全部を覆ったとしても、気体又は液体は該導電膜を透過することができる。 The conductive film in the conductive laminate in the present invention is a porous structure having a continuous three-dimensional network skeleton having voids communicating with the inorganic base from the surface side. Even if a part or the whole is covered, the gas or liquid can pass through the conductive film.
本発明に係る導電性積層体は、1)無機下地を、固体酸化物形の燃料電池において固体電解質上に形成される燃料極及び/又は空気極とし、前記導電膜を集電体とした構成としたり、2)無機下地を、固体酸化物形の電気化学リアクターにおいて固体電解質上に形成された酸化電極及び/又は還元電極とし、前記導電膜を集電体又は配電体とした構成としたりすることができる。 The conductive laminate according to the present invention has a structure in which 1) an inorganic base is a fuel electrode and / or an air electrode formed on a solid electrolyte in a solid oxide fuel cell, and the conductive film is a current collector. 2) The inorganic base is an oxidation electrode and / or a reduction electrode formed on a solid electrolyte in a solid oxide electrochemical reactor, and the conductive film is a current collector or a power distribution body. be able to.
なお、上記集電体や配電体は、燃料極又は空気極(酸化電極又は還元電極)に接合されており、これらの電極に電子を配る機能、又は電子を集める機能を有していなければならない。また、前記集電体や配電体は、それらの電極に供給される気体、又はそれらの電極で発生する気体を透過するものでなくてはならない。本発明における導電膜は前記した集電体に必要な機能を備えている。 In addition, the said electrical power collector and electric power distribution body are joined to the fuel electrode or the air electrode (oxidation electrode or reduction electrode), and must have the function to distribute an electron to these electrodes, or the function to collect an electron. . Further, the current collector and the power distribution body must be capable of transmitting the gas supplied to these electrodes or the gas generated at these electrodes. The conductive film in the present invention has a function necessary for the current collector.
前記導電膜が含有する導電性金属として、銀、白金、ニッケルから選択される1種類、又は2種類以上の金属及び/又は合金を含んだものとすることが望ましい。これらの金属は、導電性や耐蝕性に優れているためである。 It is desirable that the conductive metal contained in the conductive film contains one kind or two or more kinds of metals and / or alloys selected from silver, platinum, and nickel. This is because these metals are excellent in conductivity and corrosion resistance.
また、本願に係る導電性積層体の導電膜が、表層に幅10〜500μm(望ましくは20〜300μm、さらに望ましくは50〜200μm)の複数のクラックを有するものとすることが望ましい。導電膜の表層がクラックとなる部分は、クラックでない部分より層の厚みが薄くなり、気体を透過しやすくなって、導電膜は気体透過性に優れたものとなる。 Moreover, it is desirable that the conductive film of the conductive laminate according to the present application has a plurality of cracks having a width of 10 to 500 μm (desirably 20 to 300 μm, more desirably 50 to 200 μm) on the surface layer. In the portion where the surface layer of the conductive film is cracked, the thickness of the layer is thinner than the portion where the crack is not cracked, gas is easily transmitted, and the conductive film is excellent in gas permeability.
即ち、クラックを有する導電膜を前記集電体や配電体とした場合、ガス透過性が良好となって、燃料電池の発電反応や電気化学リアクターの酸化還元反応が促進される。 That is, when the conductive film having cracks is used as the current collector or power distribution body, gas permeability is improved, and the power generation reaction of the fuel cell and the oxidation-reduction reaction of the electrochemical reactor are promoted.
なお、クラックの幅が小さ過ぎると、導電膜は気体透過性に劣るものとなりやすく、逆にクラックの幅が大き過ぎると、導電膜の連続性が損なわれ導電性が低下する。 If the width of the crack is too small, the conductive film tends to be inferior in gas permeability. Conversely, if the width of the crack is too large, the continuity of the conductive film is impaired and the conductivity is lowered.
導電膜の表面積(クラック部分の面積も含む)におけるクラック部分の面積比率は、5〜60%であることが望ましい。さらに望ましくは10〜50%、最適には15〜45%とする。クラック部分の面積比率が過少であるとクラックによる効果が十分ではなく、過多であると十分な導電性が得られないおそれがある。 The area ratio of the crack portion in the surface area of the conductive film (including the area of the crack portion) is desirably 5 to 60%. More preferably, it is 10 to 50%, optimally 15 to 45%. If the area ratio of the crack portion is too small, the effect of the crack is not sufficient, and if it is excessive, sufficient conductivity may not be obtained.
なお、クラックは導電膜の表層に発生するものであって、導電膜は深層部において連続性を保っているため、導電膜がクラックを有するものであっても導電性積層体の導電性は損なわれない。 Note that cracks are generated in the surface layer of the conductive film, and the conductive film maintains continuity in the deep layer portion. Therefore, even if the conductive film has cracks, the conductivity of the conductive laminate is impaired. I can't.
前記導電性積層体の製造方法は、1)導電性金属粒子及び有機高分子を溶媒中に分散させて含有するスラリー組成物を準備する工程と、2)該スラリー組成物を無機下地に塗布して塗膜を形成する工程と、3)該塗膜を加熱又は焼成して前記と塗膜中の有機高分子を消失させる工程と、を有することを特徴とするものである。この製造方法によれば、導電性金属を含有し、連続する三次元網状の骨格からなる多孔質な導電膜の形成と、該導電膜の無機下地への接合とを同時に行うことができる。なお、前記の方法で形成された導電性積層体の導電膜は、有機高分子を含まず、導電性金属及び有機高分子が加熱分解されて生じた無機成分などの無機成分のみで形成されている。 The method for producing the conductive laminate includes 1) a step of preparing a slurry composition containing conductive metal particles and an organic polymer dispersed in a solvent; and 2) applying the slurry composition to an inorganic base. Forming a coating film, and 3) heating or baking the coating film to eliminate the organic polymer in the coating film. According to this manufacturing method, it is possible to simultaneously form a porous conductive film containing a conductive metal and having a continuous three-dimensional network skeleton and bonding the conductive film to an inorganic base. In addition, the conductive film of the conductive laminate formed by the above method does not include an organic polymer, and is formed only of an inorganic component such as an inorganic component generated by thermally decomposing a conductive metal and an organic polymer. Yes.
また、前記導電性積層体の他の製造方法は、1)導電性金属粒子及び有機高分子を溶媒中に分散させて含有するスラリー組成物を準備する工程と、2)該スラリー組成物を無機下地に塗布して塗膜を形成する工程と、3)該塗膜を乾燥して、スラリー組成物の乾燥塗膜を得る工程と、4)該乾燥塗膜を加熱又は焼成して前記有機高分子を消失させる工程と、を有するとともに、前記有機高分子を、加熱又は焼成時にクラック発生可能な造膜性の高いものとして該乾燥塗膜にクラックを発生させることを特徴とするものである。 In addition, another method for producing the conductive laminate includes 1) a step of preparing a slurry composition containing conductive metal particles and an organic polymer dispersed in a solvent, and 2) an inorganic slurry composition. A step of coating the substrate to form a coating film; 3) a step of drying the coating film to obtain a dry coating film of the slurry composition; and 4) heating or baking the dried coating film to form the organic coating. And a step of causing the molecules to disappear, and the organic polymer is cracked in the dry coating film as having high film-forming properties capable of generating cracks during heating or firing.
ここで、造膜性とは、前記スラリー組成物の塗膜を乾燥や加熱させたとき、該有機高分子の成分相互が融着した均一相(膜)を形成する特性をいう。 Here, the film-forming property refers to the property of forming a uniform phase (film) in which the components of the organic polymer are fused when the coating film of the slurry composition is dried or heated.
また、前記スラリー組成物に含有される導電性金属として、銀、白金、ニッケルから選択される1種類又は2種類以上の金属及び/又は合金を用いることによって、導電性や耐蝕性に優れた導電膜を有する導電性積層体を形成方法することができる。また、前記金属及び/又は合金として、平均粒子径が1〜200μm、純度85%以上の銀粒子を用いれば、導電膜は、特に導電性に優れたものとなる。 In addition, by using one or two or more kinds of metals and / or alloys selected from silver, platinum and nickel as the conductive metal contained in the slurry composition, the conductivity is excellent in conductivity and corrosion resistance. A conductive laminate having a film can be formed. Further, when silver particles having an average particle diameter of 1 to 200 μm and a purity of 85% or more are used as the metal and / or alloy, the conductive film is particularly excellent in conductivity.
また、前記スラリー組成物に無機バインダーを含有させることによって、導電膜と無機下地の密着が強固なものとなる。 Moreover, the adhesion between the conductive film and the inorganic base becomes strong by including an inorganic binder in the slurry composition.
本発明によれば、無機下地に多孔質な導電膜が直接的に接合して積層された導電性積層体、及び、多孔質な導電膜の形成と該導電膜の無機下地への接合とを同時に行うことができる導電性積層体の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, a conductive laminate in which a porous conductive film is directly bonded to and laminated on an inorganic base, and formation of the porous conductive film and bonding of the conductive film to the inorganic base are performed. The manufacturing method of the electroconductive laminated body which can be performed simultaneously can be provided.
本発明の導電性積層体は、無機下地と、導電性金属を含有する導電膜とを備えた導電性積層体において、前記導電膜が、該無機下地に直接的に密着された膜厚10〜1000μmの多孔質構造体であって、該多孔質構造体は、表面側から前記無機下地に連通する空隙を有する連続三次元網状骨格を備えているものである。 The conductive laminate of the present invention is a conductive laminate comprising an inorganic base and a conductive film containing a conductive metal, wherein the conductive film is in direct contact with the inorganic base. A porous structure having a thickness of 1000 μm is provided with a continuous three-dimensional network skeleton having voids communicating with the inorganic base from the surface side.
本発明者は、無機下地としてのセラミック板の表面に、導電性金属としての銀を含有し、幅30mm×長さ50mm×厚み100μm程度の大きさの導電膜を積層させた導電性積層体を作製した。該導電膜は導電性を有しており、セラミック板に直接的に接合されたものであった。また、該導電膜を顕微鏡によって100倍に拡大して観察したところ、該多孔質体の形状は、連続する三次元網状の骨格を有する多孔質体であった。なお、前記セラミック板は、セラミック粉末としてのジルコニアを焼成して形成した板状の焼結体であった。 The inventor of the present invention provides a conductive laminate in which a conductive plate having a width of 30 mm × length of 50 mm × thickness of about 100 μm is laminated on the surface of a ceramic plate as an inorganic base. Produced. The conductive film had conductivity and was directly bonded to the ceramic plate. Further, when the conductive film was observed with a microscope and magnified 100 times, the shape of the porous body was a porous body having a continuous three-dimensional network skeleton. The ceramic plate was a plate-like sintered body formed by firing zirconia as a ceramic powder.
前記導電膜は、厚み100μm程度で形成したが、その厚みは特に限定されるものではなく、通常、上記10〜1000μm、望ましくは20〜500μmの範囲とする。 The conductive film is formed with a thickness of about 100 μm, but the thickness is not particularly limited, and is usually in the range of 10 to 1000 μm, preferably 20 to 500 μm.
しかし、導電膜の厚みが薄すぎると、三次元網状の骨格の連続性が保てず、所要の導電性が得がたくなる。導電膜の厚みが厚すぎると、三次元網状の骨格が気体の透過の抵抗になって、十分な気体の透過性を得がたくなる。 However, if the thickness of the conductive film is too thin, the continuity of the three-dimensional network skeleton cannot be maintained, and the required conductivity is difficult to obtain. If the thickness of the conductive film is too thick, the three-dimensional network skeleton becomes a resistance to gas permeation, making it difficult to obtain sufficient gas permeability.
前記導電膜に含有される導電性金属は、銀に限定されるものではなく、銀、白金、金、銅、パラジウム、イリジウム、アルミニウム 、クロム、インジウム、ニッケル、銅、鉄、亜鉛などの各種金属、各種金属を含有する合金があげられる。その中でも、導電性や耐蝕性を考慮すると、銀、白金、ニッケルから選択される金属、又は、銀、白金、ニッケルから選択される金属を含有する合金であることが好ましい。さらに、その中でも、特に導電性に優れていることを考慮すると、銀又は銀を含有する合金であることが特に好ましい。また、導電膜中には、導電性の見地から、導電性金属を90%以上(さらには95%以上)含有していることが好ましい。 The conductive metal contained in the conductive film is not limited to silver, but various metals such as silver, platinum, gold, copper, palladium, iridium, aluminum, chromium, indium, nickel, copper, iron, and zinc. And alloys containing various metals. Among these, in consideration of conductivity and corrosion resistance, a metal selected from silver, platinum and nickel, or an alloy containing a metal selected from silver, platinum and nickel is preferable. Further, among them, silver or an alloy containing silver is particularly preferable in consideration of excellent conductivity. The conductive film preferably contains 90% or more (more preferably 95% or more) of a conductive metal from the viewpoint of conductivity.
前記無機下地は、前記導電膜を設置する基盤となるものであって、前記ジルコニア焼結体のセラミック板に限定されるものではない。例えば、アルミナ、ムライト、コージェライトなどの酸化物系セラミック、窒化ケイ素、窒化アルミ、窒化ホウ素などの窒化物系セラミック、又は炭化ケイ素に代表される炭化物系セラミックなどを用いたセラミック組成物等の焼結体で形成したセラミック板、さらには、セラミック構造体を挙げることができる。さらには、ガラス、金属、または、セメント、石膏、ガラス、金属等を無機結合材として含有する無機組成物で形成した無機板や無機構造体あってもよい。 The inorganic base serves as a base on which the conductive film is installed, and is not limited to the ceramic plate of the zirconia sintered body. For example, firing ceramic compositions using oxide ceramics such as alumina, mullite and cordierite, nitride ceramics such as silicon nitride, aluminum nitride and boron nitride, or carbide ceramics represented by silicon carbide. Examples thereof include a ceramic plate formed by ligation and a ceramic structure. Furthermore, there may be an inorganic plate or an inorganic structure formed of an inorganic composition containing glass, metal, cement, gypsum, glass, metal or the like as an inorganic binder.
また、前記導電膜は、例えば、固体酸化物形燃料電池(SOFC)の固体電解質上に形成された燃料極又は空気極の表面、又は電気化学リアクターにおいて固体電解質上に形成された酸化電極又は還元電極の表面に設置してもよい。 The conductive film may be, for example, a surface of a fuel electrode or an air electrode formed on a solid electrolyte of a solid oxide fuel cell (SOFC), or an oxidation electrode or reduction formed on a solid electrolyte in an electrochemical reactor. You may install in the surface of an electrode.
SOFCとは、固体電解質を挟んで一方の側に燃料極を備え、他方の側に空気極を備え、燃料極側には燃料ガスを、空気極側には酸化剤ガスを供給し、電解質を介して燃料と酸化剤を電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。燃料極側には燃料ガスを、空気極側には酸化剤ガスを供給し、燃料極と空気極を電気回路で接続することで、該電気回路に電流が流れる。 The SOFC has a fuel electrode on one side with a solid electrolyte in between, an air electrode on the other side, fuel gas on the fuel electrode side, oxidant gas on the air electrode side, and electrolyte A power generator that generates electricity by electrochemically reacting a fuel and an oxidant. A fuel gas is supplied to the fuel electrode side, an oxidant gas is supplied to the air electrode side, and the fuel electrode and the air electrode are connected by an electric circuit, whereby a current flows through the electric circuit.
例えば、前記燃料ガスとして水素、前記酸化剤ガスとして酸素を用いて発電すると、燃料極と空気極では次のような反応が起こる。 For example, when power is generated using hydrogen as the fuel gas and oxygen as the oxidant gas, the following reaction occurs between the fuel electrode and the air electrode.
燃料極 H2+O2−→ H2O+2e−
空気極 1/2O2+2e− → O2−
この反応において、燃料極で発生した電子(e−)は、電気回路を通って空気極に移動し、空気極での反応に使われる。また、空気極で発生した酸素イオン(O2−)は固体電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極での反応に使われる。こうして電気回路に電子が流れて発電が行われる。空気極や燃料極は、前記の反応の触媒となる物質からなる層である。
Fuel electrode H 2 + O 2− → H 2 O + 2e −
Air electrode 1 / 2O 2 + 2e − → O 2−
In this reaction, electrons (e − ) generated at the fuel electrode move to the air electrode through the electric circuit and are used for the reaction at the air electrode. Further, oxygen ions (O 2− ) generated at the air electrode permeate the solid electrolyte and move to the fuel electrode, and are used for the reaction at the fuel electrode. In this way, electrons flow through the electric circuit to generate electricity. The air electrode and the fuel electrode are layers made of a substance that serves as a catalyst for the reaction.
前記の燃料極及び空気極での反応は、触媒と固体電解質とガスとの3種類の物質の界面で行われる。この反応は、燃料極と空気極の層を設けた部分の面全体で行われるものであるから、燃料電池の発電の効率を高めるためには、燃料極で発生した電子を集め、空気極全体に電子を配る必要がある。そこで、燃料極や空気極の表面に集電体と呼ばれる導電体を配置することがある。集電体を設置することで、燃料極層の各所で発生した電子は、集電体を通って集められ、電子回路を通過した後、集電体を通って空気極層全体に配られる。これによって、燃料電池の発電効率を高めることができる。ただし、集電体は燃料極及や空気極の表面を覆うように設置されるため、燃料極や空気極への燃料ガスや酸化剤ガスの供給を妨げず、また、燃料極で発生した気体の排出を妨げるものであってはならない。本発明の導電性積層体における導電膜は、導電性を有する層を燃料極や空気極の表面に形成することができ、かつ、気体の透過性に優れたものであるので、固体酸化物形燃料電池における集電体として用いるのに適している。このため、固体酸化物形燃料電池の燃料極又は空気極を下地として、導電膜を接合させることによって、導電性を有し、気体の透過性に優れた集電体を得ることができる。 The reaction at the fuel electrode and the air electrode is performed at the interface of three kinds of substances, that is, a catalyst, a solid electrolyte, and a gas. Since this reaction is performed on the entire surface of the portion where the fuel electrode and air electrode layers are provided, in order to increase the power generation efficiency of the fuel cell, the electrons generated at the fuel electrode are collected and the entire air electrode is collected. Need to distribute electrons. Therefore, a conductor called a current collector may be disposed on the surface of the fuel electrode or the air electrode. By installing the current collector, electrons generated at various locations in the fuel electrode layer are collected through the current collector, pass through the electronic circuit, and then distributed to the entire air electrode layer through the current collector. Thereby, the power generation efficiency of the fuel cell can be increased. However, since the current collector is installed so as to cover the fuel electrode and the surface of the air electrode, it does not interfere with the supply of fuel gas and oxidant gas to the fuel electrode and air electrode, and the gas generated at the fuel electrode Should not interfere with the discharge of water. The conductive film in the conductive laminate of the present invention can form a conductive layer on the surface of the fuel electrode or the air electrode, and is excellent in gas permeability. Suitable for use as a current collector in a fuel cell. For this reason, it is possible to obtain a current collector having conductivity and excellent gas permeability by joining the conductive film with the fuel electrode or air electrode of the solid oxide fuel cell as a base.
無機下地としての燃料極及び空気極上に集電体としての導電膜が積層された固体酸化物形燃料電池(SOFC)5の断面の概略の一例を図1に示す。 FIG. 1 shows an example of a schematic cross section of a solid oxide fuel cell (SOFC) 5 in which a conductive film as a current collector is stacked on a fuel electrode as an inorganic base and an air electrode.
燃料電池5は、固体電解質の平板6の一方の側に燃料極7が形成され、他方の側に空気極8が形成されており、前記燃料極7及び空気極8の上には導電膜2が積層されている。そして、前記した燃料極7上の導電膜2と空気極8上の導電膜2は、電気回路9に接続されている。図符号「9」は、電気回路である。なお、図1においては、燃料極7と空気極8の双方に導電膜2を積層しているが、燃料極7と空気極8の片方にのみ導電膜2を積層したものであってもよい。また、前記固体電解質の形状は適宜設定されるものであって、平板に限定されるものではなく、例えば、曲面を有する板であってもよく、筒型、ハニカム型などの構造体であってもよい。 In the fuel cell 5, a fuel electrode 7 is formed on one side of a solid electrolyte flat plate 6, and an air electrode 8 is formed on the other side. The conductive film 2 is formed on the fuel electrode 7 and the air electrode 8. Are stacked. The conductive film 2 on the fuel electrode 7 and the conductive film 2 on the air electrode 8 are connected to an electric circuit 9. Reference numeral “9” denotes an electric circuit. In FIG. 1, the conductive film 2 is laminated on both the fuel electrode 7 and the air electrode 8, but the conductive film 2 may be laminated only on one of the fuel electrode 7 and the air electrode 8. . Further, the shape of the solid electrolyte is appropriately set and is not limited to a flat plate, and may be, for example, a plate having a curved surface, or a structure such as a cylinder type or a honeycomb type. Also good.
電気化学リアクターとは、固体酸化物形燃料電池と同じ構造からなるものであって、固体電解質を挟んで一方の側に酸化電極を備え、他方の側に還元電極を備えたものである。なお、前記酸化電極とは、固体酸化物形燃料電池における燃料極に相当し、前記還元電極とは、固体酸化物形燃料電池における空気極に相当するものであって、電気化学リアクターと固体酸化物形燃料電池の呼び名が変わったものである。固体酸化物形燃料電池が発電に用いられるのに対し、電気化学リアクターは、外部の電源によって、酸化電極と還元電極とに電圧を加えて使用する。 An electrochemical reactor has the same structure as a solid oxide fuel cell, and has an oxidation electrode on one side and a reduction electrode on the other side with a solid electrolyte in between. The oxidation electrode corresponds to a fuel electrode in a solid oxide fuel cell, and the reduction electrode corresponds to an air electrode in a solid oxide fuel cell. The name of the physical fuel cell has changed. A solid oxide fuel cell is used for power generation, while an electrochemical reactor is used by applying voltage to an oxidation electrode and a reduction electrode by an external power source.
電気化学リアクターは、ディーゼル排ガスの浄化などへの利用が研究されている。例えば、電気化学リアクターを、NOXと固体炭素系化合物が含まれる排ガスの中に設置し、該電気化学リアクターの酸化電極と還元電極とに、外部電源によって電圧を加えると、酸化電極と還元電極では次のような反応が起こる。 Electrochemical reactors have been studied for use in purification of diesel exhaust. For example, when an electrochemical reactor is installed in an exhaust gas containing NOX and a solid carbon-based compound and a voltage is applied to the oxidation electrode and the reduction electrode of the electrochemical reactor by an external power source, the oxidation electrode and the reduction electrode The following reactions occur:
酸化電極 C+2O2− → CO2+4e−
還元電極 2NO+4e− → N2+2O2−
酸化電極と還元電極とに電圧を加えることによって電流が生じ、酸化電極で発生した電子(e−)は前記外部電源に移動し、還元電極には外部電源から電子が供給される。また、還元電極で発生した酸素イオン(O2−)は固体電解質を透過して酸化電極に移動し、酸化電極での反応に使われる。この反応によって、排ガスからNOXと固体炭素系化合物を除去することができる。酸化電極と還元電極は、前記の反応の触媒となる物質からなる層である。
Oxidation electrode C + 2O 2− → CO 2 + 4e −
Reduction electrode 2NO + 4e − → N 2 + 2O 2−
A current is generated by applying a voltage to the oxidation electrode and the reduction electrode, and electrons (e − ) generated at the oxidation electrode move to the external power source, and electrons are supplied to the reduction electrode from the external power source. Also, oxygen ions (O 2− ) generated at the reduction electrode permeate the solid electrolyte and move to the oxidation electrode, and are used for the reaction at the oxidation electrode. By this reaction, NOX and solid carbon compounds can be removed from the exhaust gas. The oxidation electrode and the reduction electrode are layers made of a substance that serves as a catalyst for the reaction.
前記の酸化電極及び還元電極での反応において、酸化電極で発生した電子を集め、還元電極全体に電子を配るために、酸化電極と還元電極の表面に集電体又は配電体と呼ばれる導電体を配置することがある。前記集電体又は配電体は、固体酸化物形燃料電池における集電体にあたるものであって、固体酸化物形燃料電池における集電体と同様に、導電性を有すると共に、酸化電極及び還元電極への排ガスの供給を妨げないものでなくてはならない。本発明の導電性積層体における導電膜は、導電性を有する層を酸化電極や還元電極の表面に形成することができ、気体の透過性に優れたものであるので、電気化学リアクターにおける集電体又は配電体として用いるのに適している。このため、電気化学リアクターの酸化電極又は還元電極を下地として、導電膜を接合させることによって、導電性を有し、気体の透過性に優れた集電体又は配電体を得ることができる。 In the reaction at the oxidation electrode and the reduction electrode, in order to collect electrons generated at the oxidation electrode and distribute the electrons to the entire reduction electrode, a conductor called a current collector or a power distribution body is provided on the surfaces of the oxidation electrode and the reduction electrode. May be placed. The current collector or power distribution body corresponds to a current collector in a solid oxide fuel cell, and has conductivity, as well as an oxidation electrode and a reduction electrode, like the current collector in a solid oxide fuel cell. It must not interfere with the supply of exhaust gas to. The conductive film in the conductive laminate of the present invention can form a conductive layer on the surface of the oxidation electrode or reduction electrode and has excellent gas permeability. Suitable for use as a body or power distribution body. For this reason, a current collector or a power distributor having conductivity and excellent gas permeability can be obtained by bonding the conductive film using the oxidation electrode or the reduction electrode of the electrochemical reactor as a base.
無機下地としての酸化電極又は還元電極上に集電体又は配電体としての導電膜を積層された電気化学リアクターの断面の概略の一例を図2に示す。電気化学リアクター10は、固体電解質の平板6の一方の側に酸化電極11が形成され、他方の側に還元電極12が形成されており、前記酸化電極11及び還元電極12の上には導電膜2が積層されている。そして、前記した酸化電極11上の導電膜2と還元電極12上の導電膜2は、電源装置13に接続されている。図中「13」は、電源装置である。なお、図2においては、酸化電極11と還元電極12の双方に導電膜2を積層しているが、酸化電極11と還元電極12の片方にのみ導電膜2を積層したものであってもよい。また、前記固体電解質の形状は適宜設定されるものであって、前記燃料電池の場合と同様、平板に限定されるものではなく、構造体であってもよい。 FIG. 2 shows an example of a schematic cross section of an electrochemical reactor in which a conductive film as a current collector or a current distributor is laminated on an oxidation electrode or a reduction electrode as an inorganic base. The electrochemical reactor 10 has an oxidation electrode 11 formed on one side of a flat plate 6 of solid electrolyte, and a reduction electrode 12 formed on the other side. A conductive film is formed on the oxidation electrode 11 and the reduction electrode 12. 2 are stacked. The conductive film 2 on the oxidation electrode 11 and the conductive film 2 on the reduction electrode 12 are connected to the power supply device 13. In the figure, “13” is a power supply device. In FIG. 2, the conductive film 2 is laminated on both the oxidation electrode 11 and the reduction electrode 12, but the conductive film 2 may be laminated only on one of the oxidation electrode 11 and the reduction electrode 12. . Further, the shape of the solid electrolyte is appropriately set, and is not limited to a flat plate as in the case of the fuel cell, but may be a structure.
また、固体酸化物形燃料電池もしくは電気化学リアクターに形成された導電性積層体の導電膜が、複数のクラックを有するものであれば、この導電膜の表層がクラックとなる部分は,電極材などの被塗装面が露出すことになるため、この部分を通して燃料ガスや酸素ガスなどの気体が送込まれるため,集電抵抗を下げながら、かつ電池反応を妨げることなく高効率で燃料電池の発電反応やリアクターの酸化還元反応を促進させることができる。また、該導電膜のクラックでない部分が樹枝状に枝分れした三次元網状の骨格からなる多孔質体となることで、該導電膜中の金属が、微細に分散しているのではなく、凝集力により該枝状部分に巨大集団として集合することとなり、全体の表面積は小さくてすみ、該導電膜中の金属が熱などを原因として拡散する現象や、ポーラスな被塗面である電極内に進入する現象が起こりにくくなる。このため、固体酸化物形燃料電池もしくは電気化学リアクターの長時間運転時に発生しやすい電池反応の効率を低下する現象を抑制することができる。 Further, if the conductive film of the conductive laminate formed in the solid oxide fuel cell or electrochemical reactor has a plurality of cracks, the portion where the surface layer of the conductive film becomes a crack is an electrode material, etc. Since the surface to be coated is exposed, gas such as fuel gas or oxygen gas is sent through this part. Therefore, the power generation of the fuel cell is highly efficient while reducing the current collecting resistance and without interfering with the cell reaction. Reactions and reactor redox reactions can be promoted. In addition, the metal in the conductive film is not finely dispersed by becoming a porous body composed of a three-dimensional network skeleton in which the non-cracked portion of the conductive film is branched in a dendritic manner, As a result of the cohesive force, the branches form a large group, and the entire surface area is small, and the metal in the conductive film diffuses due to heat, etc. The phenomenon of entering into is less likely to occur. For this reason, it is possible to suppress the phenomenon of reducing the efficiency of the cell reaction that is likely to occur during the long-time operation of the solid oxide fuel cell or the electrochemical reactor.
次に、導電性積層体の製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of an electroconductive laminated body is demonstrated.
導電性積層体は、1)導電性金属粒子及び有機高分子を溶媒中に分散させて含有するスラリー組成物を準備する工程と、2)該スラリー組成物を無機下地に塗布して塗膜を形成する工程と、3)該塗膜を加熱又は焼成して有機高分子を消失させる工程を経て製造する。なお、上記2)の工程と3)の工程との間に、塗膜を乾燥して乾燥塗膜を形成する工程を入れてもよい。乾燥塗膜を更に加熱乃至焼成することにより、クラックが発生し易くなる。 The conductive laminate includes 1) a step of preparing a slurry composition containing conductive metal particles and an organic polymer dispersed in a solvent, and 2) applying the slurry composition to an inorganic base to form a coating film. It is manufactured through a step of forming and a step of 3) heating or baking the coating film to eliminate the organic polymer. In addition, a step of drying the coating film to form a dry coating film may be inserted between the steps 2) and 3). By further heating or baking the dried coating film, cracks are likely to occur.
加熱(焼成)することで、加熱(焼成)によって消失しない無機成分のみが残り、スラリー組成物(又はスラリー組成物の乾燥体)の中に存在した気泡と有機高分子の消失跡が空隙として残る。このため、無機下地3上の導電膜2は、表面側から無機下地に連通する空隙を有する連続三次元網状の骨格を有する多孔質体となる。 By heating (baking), only inorganic components that do not disappear by heating (baking) remain, and bubbles and organic polymer disappearance traces remaining in the slurry composition (or dried slurry composition) remain as voids. . For this reason, the conductive film 2 on the inorganic base 3 is a porous body having a continuous three-dimensional network skeleton having voids communicating with the inorganic base from the surface side.
前記導電性金属粒子は、前述の導電性金属の粒子を使用することができる。その中でも、純度85%以上の銀粒子であることが好ましい。なお、銀粒子の純度は、銀と不純物からなる金属において、銀/該金属の質量比である。また、不純物とは、銅、パラジウム、亜鉛などの銀以外の金属である。また、前記金属及び/又は合金は、平均粒子径が1〜200μm(さらには、10〜100μm)であることが好ましい。前記平均粒子径が上記範囲内であれば、スラリー組成物を加熱又は焼成することによって連続三次元網状の骨格を有し、クラックを有する多孔質体を形成し易くなる。 As the conductive metal particles, the conductive metal particles described above can be used. Among these, silver particles having a purity of 85% or more are preferable. The purity of silver particles is the mass ratio of silver / metal in a metal composed of silver and impurities. Moreover, impurities are metals other than silver, such as copper, palladium, and zinc. The metal and / or alloy preferably has an average particle diameter of 1 to 200 μm (more preferably 10 to 100 μm). When the average particle diameter is within the above range, it is easy to form a porous body having a continuous three-dimensional network skeleton and cracks by heating or firing the slurry composition.
スラリー組成物に含有される有機高分子としては、熱可塑性(非架橋性)又は熱硬化性(架橋性)を問わない。例えば、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、澱粉、水溶性セルロース類(メチルセルロース:MC 、ヒドロキシセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース 、カルボキシメチルセルロース等)などの水溶性高分子;ポリ酢酸ビニル系、アクリル樹脂系、ポリウレタン系、ポリエステル系、エポキシ樹脂系、フッ素樹脂系等の各種熱可塑性・熱硬化性合成樹脂、さらには、木粉、天然繊維、合成繊維などを挙げることができる。 The organic polymer contained in the slurry composition may be thermoplastic (non-crosslinkable) or thermosetting (crosslinkable). For example, water-soluble polymers such as polyvinyl alcohol, polyacrylamide, starch, and water-soluble celluloses (methyl cellulose: MC, hydroxycellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, carboxymethylcellulose, etc.); polyvinyl acetate, acrylic resin, Various thermoplastic / thermosetting synthetic resins such as polyurethane-based, polyester-based, epoxy-resin-based, and fluororesin-based resins, and wood flour, natural fibers, synthetic fibers, and the like can be given.
また、水系塗料分野において樹脂バインダーとして一般的に使用されている合成樹脂エマルション・サスペンションさらには合成樹脂溶液などを用いてスラリー組成物を調製することもできる。 In addition, a slurry composition can be prepared by using a synthetic resin emulsion / suspension generally used as a resin binder in the field of water-based paints, or a synthetic resin solution.
なお、上記有機高分子は、有機高分子中に造膜性を有するものを高比率(例えば、70%以上、望ましくは75%以上)で含有するものを使用することが望ましい。 In addition, it is desirable to use the organic polymer containing a high proportion (for example, 70% or more, desirably 75% or more) of an organic polymer having film-forming properties.
有機高分子としてそのようなものを使用することにより、塗膜厚みの均一で導電性金属粒子を良好に保持した乾燥塗膜を形成し易くなり、結果的に、厚みが均一な導電膜を容易に得ることができる。更に、乾燥後の加熱乃至焼成によりクラックを形成しやすくなる。 By using such an organic polymer, it becomes easy to form a dry coating film having a uniform coating thickness and good holding of conductive metal particles, and as a result, a conductive film having a uniform thickness can be easily formed. Can get to. Furthermore, it becomes easy to form a crack by heating or baking after drying.
熱可塑性合成樹脂の場合、溶媒に溶ければ乃至加熱溶融させれば、造膜性を有するが、溶媒に溶解しなかったり加熱溶融しなければ造膜性を有しない。したがって、溶媒として水を使用する場合(有機溶剤のような環境問題を発生しない)には、造膜性を有する有機高分子としては、前記水溶性高分子が望ましい。 In the case of a thermoplastic synthetic resin, if it is dissolved in a solvent or heated and melted, it has a film-forming property. However, if it is not dissolved in a solvent or heated and melted, it does not have a film-forming property. Therefore, when water is used as a solvent (which does not cause environmental problems like an organic solvent), the water-soluble polymer is desirable as the organic polymer having film-forming properties.
また、熱硬化性合成樹脂は、未硬化のもの(モノマーまたはオリゴマー)を使用すれば、反応硬化や湿気硬化により造膜して造膜性を有するが、硬化後のものを使用すれば、造膜性を有しない。 In addition, if an uncured synthetic resin (monomer or oligomer) is used as a thermosetting synthetic resin, it has a film-forming property by reaction curing or moisture curing. Does not have membrane properties.
前記溶媒としては、前記の如く、水が望ましい。それ以外にも、有機溶剤、アルコール、動植物油などを用いてもよい。これらは、単独で用いてもよく、2種類以上を混合して用いてもよい。 As the solvent, water is desirable as described above. In addition, organic solvents, alcohol, animal and vegetable oils, and the like may be used. These may be used alone or in combination of two or more.
また、スラリー組成物には、前記の成分以外に、無機バインダーを添加することもできる。無機バインダーを添加することで、無機下地に塗装したスラリー組成物を加熱した後に冷却して、導電性積層体を得る過程において、前記無機バインダーが、一度軟化した後に再び硬化して、導電膜と無機下地とが強固に接着(固着)される。無機バインダーとしては、非晶質であって、ガラス転移点が導電性金属の融点以下の無機材を用いることが望ましく、ガラス転移点が900℃以下の無機材を用いることがより望ましい。ガラス転移点が導電性金属の融点以下の無機バインダーを添加すれば、スラリー組成物を該無機バインダーのガラス転移点以上の温度で加熱することで導電膜を形成することができる。このため、無機バインダーを添加しない場合に比して、低い加熱温度で導電膜を形成することができる。そして、ガラス転移点900℃以下であれば、より低い加熱温度での導電膜の形成が可能となる。このような無機バインダーとしては、硼珪酸系ガラス、ジルコンフリット、SiO2−Al2O3−CaO−Na2O、SiO2−Al2O3−B2O3−CaO−Na2O、SiO2−Al2O3−B2O3−CaO−F2、SiO2−Al2O3−B2O3−ZrO2−F2などがあげられる。該無機バインダーの含有量は、導電性金属の特性により若干異なるが、導電性金属粒子100部に対して1〜9部であることが望ましく、1〜5部であることがより望ましい。前記含有量が少なすぎると、密着に対する効果があまり期待できない。また、前記含有量が多すぎると、導電膜の導電性が損なわれる。そして、前記含有量が前記導電性金属粒子100部に対して1〜5部であれば、優れた密着性と優れた導電性をもった導電膜が得られる。 In addition to the above components, an inorganic binder can also be added to the slurry composition. By adding an inorganic binder, in the process of heating and cooling the slurry composition coated on the inorganic base to obtain a conductive laminate, the inorganic binder is once softened and then cured again, and the conductive film and The inorganic base is firmly bonded (fixed). As the inorganic binder, it is preferable to use an inorganic material that is amorphous and has a glass transition point equal to or lower than the melting point of the conductive metal, and more preferably an inorganic material whose glass transition point is 900 ° C. or lower. If an inorganic binder having a glass transition point equal to or lower than the melting point of the conductive metal is added, the conductive film can be formed by heating the slurry composition at a temperature equal to or higher than the glass transition point of the inorganic binder. For this reason, compared with the case where an inorganic binder is not added, a conductive film can be formed at a low heating temperature. When the glass transition point is 900 ° C. or lower, the conductive film can be formed at a lower heating temperature. As such an inorganic binder, borosilicate glass, zircon frit, SiO 2 —Al 2 O 3 —CaO—Na 2 O, SiO 2 —Al 2 O 3 —B 2 O 3 —CaO—Na 2 O, SiO 2 -Al 2 O 3 -B 2 O 3 -CaO-F 2, etc. SiO 2 -Al 2 O 3 -B 2 O 3 -ZrO 2 -F 2 and the like. The content of the inorganic binder is slightly different depending on the characteristics of the conductive metal, but is preferably 1 to 9 parts, more preferably 1 to 5 parts with respect to 100 parts of the conductive metal particles. When the content is too small, an effect on adhesion cannot be expected. Moreover, when there is too much said content, the electroconductivity of an electrically conductive film will be impaired. And if the said content is 1-5 parts with respect to 100 parts of said electroconductive metal particles, the electrically conductive film with the outstanding adhesiveness and the outstanding electroconductivity will be obtained.
また、前記スラリー組成物には、上記成分以外に、界面活性剤、湿潤剤、消泡剤などの添加剤を添加することができる。界面活性剤、湿潤剤、消泡剤などの添加剤の種類は特に限定されるものではない。スラリー組成物の性状安定や塗装作業性の向上などの目的に応じて、それらを適宜選択し、添加量を適宜に設定する。 In addition to the above components, additives such as surfactants, wetting agents and antifoaming agents can be added to the slurry composition. The types of additives such as surfactants, wetting agents and antifoaming agents are not particularly limited. They are appropriately selected according to purposes such as stability of properties of the slurry composition and improvement of coating workability, and the addition amount is appropriately set.
また、前記塗膜(スラリー組成物)の乾燥・加熱温度、乾燥・加熱・焼成時間などの条件は、使用するスラリー組成物の組成、及び無機下地の組成や形状などに合わせて適宜に設定するものである。例えば、乾燥温度は、10〜80℃、加熱(焼成)温度は、700〜1300℃とする。 In addition, conditions such as drying / heating temperature and drying / heating / firing time of the coating film (slurry composition) are appropriately set according to the composition of the slurry composition to be used and the composition and shape of the inorganic base. Is. For example, the drying temperature is 10 to 80 ° C., and the heating (firing) temperature is 700 to 1300 ° C.
次に、導電膜の表層に複数のクラックを有する導電性積層体の形成方法について説明する。 Next, a method for forming a conductive laminate having a plurality of cracks in the surface layer of the conductive film will be described.
前記した導電性積層体1の形成方法において、下記の配合のスラリー組成物を用いることで、複数のクラック4を有する導電膜を形成することができる。なお、下記の配合における%とは、スラリー組成物全量を100%とした場合における各配合物の配合量である。 In the method for forming the conductive laminate 1 described above, a conductive film having a plurality of cracks 4 can be formed by using a slurry composition having the following composition. In addition,% in the following mixing | blending is a compounding quantity of each compounding when a slurry composition whole quantity is 100%.
導電性金属粒子 35〜70%(望ましくは45〜65%)
有機高分子 10〜25%(望ましくは12〜20%)
溶媒 15〜50%(望ましくは20〜40%)
無機バインダー 1〜 3%(望ましくは1.5〜2.5%)
添加剤 0〜 3%(望ましくは0.3〜2.5%)
導電性積層体の導電膜の表層に複数のクラックを発生させるためには、該スラリー組成物中における各配合物の含有量は、前記した範囲であることが望ましい。
Conductive metal particles 35-70% (desirably 45-65%)
Organic polymer 10-25% (preferably 12-20%)
Solvent 15-50% (desirably 20-40%)
Inorganic binder 1-3% (desirably 1.5-2.5%)
Additive 0-3% (desirably 0.3-2.5%)
In order to generate a plurality of cracks in the surface layer of the conductive film of the conductive laminate, the content of each compound in the slurry composition is preferably in the above-described range.
前記導電性金属の含有量が過少であると、導電膜の連続性が損なわれて十分な導電性が得られない場合がある。また、前記導電性金属の含有量が過多であると、クラックが発生しない場合がある。 If the content of the conductive metal is too small, the continuity of the conductive film may be impaired and sufficient conductivity may not be obtained. Further, if the content of the conductive metal is excessive, cracks may not occur.
前記有機高分子中に造膜性を有するものの比率が過少(例えば、70%未満)であると、クラックが発生しない場合がある。また、前記有機塗膜形成成分の含有量が過多であると、クラックは発生しない場合がある。 If the ratio of the organic polymer having film-forming properties is too small (for example, less than 70%), cracks may not occur. If the content of the organic coating film forming component is excessive, cracks may not occur.
前記溶媒の含有量が過少であると、クラックが発生しない場合がある。また、前記溶媒の含有量が過多であると、導電膜の連続性が損なわれて十分な導電性が得られず、また、クラックも発生しない場合がある。 If the content of the solvent is too small, cracks may not occur. On the other hand, if the content of the solvent is excessive, the continuity of the conductive film is impaired and sufficient conductivity cannot be obtained, and cracks may not occur.
前記無機バインダーの含有量が過少であると、無機下地との十分な密着性が得られない場合がある。また、前記無機バインダー含有量が過多であると、導電膜の電気抵抗が大きくなって十分な導電性が得られない場合があり、また、クラックが発生しない場合がある。 If the content of the inorganic binder is too small, sufficient adhesion to the inorganic base may not be obtained. On the other hand, if the content of the inorganic binder is excessive, the electric resistance of the conductive film may increase, and sufficient conductivity may not be obtained, and cracks may not occur.
以下、本発明を、実施例に基づいて、更に詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples.
なお、各実施例で使用した各材料は、次の通りである。 In addition, each material used in each Example is as follows.
無機下地(基材)・・・アルミナ及びジルコニアを焼成して形成したセラミック板、
導電性金属粒子・・・(実施例1・2)純度93%、平均粒径75μmの銀粒子;(実施例3〜18)純度90%、表示の平均粒径の銀粒子、
無機バインダー・・・SiO2−Al2O3−CaO−Na2O(実施例1・2)、硼珪酸系ガラス(実施例3〜18)
添加剤・・・アニオン系界面活性剤
<実施例1>
まず、下記組成のスラリー組成物を準備した。なお、本実施例の有機高分子中の造膜性有機高分子の比率は、約64%である。
Inorganic substrate (base material): Ceramic plate formed by firing alumina and zirconia,
Conductive metal particles (Examples 1 and 2) Silver particles having a purity of 93% and an average particle size of 75 μm; (Examples 3 to 18) Silver particles having a purity of 90% and the indicated average particle size,
Inorganic binder: SiO 2 —Al 2 O 3 —CaO—Na 2 O (Examples 1 and 2), borosilicate glass (Examples 3 to 18)
Additive ... Anionic surfactant <Example 1>
First, a slurry composition having the following composition was prepared. In addition, the ratio of the film-forming organic polymer in the organic polymer of this example is about 64%.
銀粒子 60部
MC(水溶性高分子) 9部
熱可塑性アクリル樹脂粉末 5部
無機バインダー 2部
添加剤 0.5部
水(溶媒) 20部
次に、前記スラリー組成物を、セラミック板の表面の幅30mm×長さ50mmの部分に、塗装して厚みが250μm程度の塗膜を得た。該塗膜を、温度20℃、湿度65%の環境下で24時間静置して乾燥(常温乾燥)した。
Silver particle 60 parts MC (water-soluble polymer) 9 parts Thermoplastic acrylic resin powder 5 parts Inorganic binder 2 parts Additive 0.5 parts Water (solvent) 20 parts Next, the slurry composition is applied to the surface of the ceramic plate. A coating film having a thickness of about 250 μm was obtained by coating on a portion of 30 mm width × 50 mm length. The coating film was allowed to stand for 24 hours in an environment of a temperature of 20 ° C. and a humidity of 65% and dried (room temperature drying).
続いて、該乾燥塗膜が形成されたセラミック板を900℃で10分加熱(焼成)した後、温度20℃、湿度65%の環境下で1時間静置した。 Subsequently, the ceramic plate on which the dried coating film was formed was heated (fired) at 900 ° C. for 10 minutes, and then allowed to stand for 1 hour in an environment at a temperature of 20 ° C. and a humidity of 65%.
こうして調製した、無機下地3上に導電膜2を備えた導電性積層体1の断面の概略モデル図を図3に示す。 FIG. 3 shows a schematic model diagram of a cross section of the conductive laminate 1 provided with the conductive film 2 on the inorganic base 3 thus prepared.
前記多孔質体は導電性を有しており、また、顕微鏡によって100倍に拡大して観察したところ、該多孔質体の形状は、連続三次元網状の骨格を有する多孔質体であった。 The porous body has electrical conductivity, and when observed under a microscope with a magnification of 100 times, the shape of the porous body was a porous body having a continuous three-dimensional network skeleton.
<実施例2>
導電膜の表層に幅50〜200μmの複数のクラックを有する導電性積層体を製造した実施例である。なお、本実施例の有機高分子中の造膜性有機高分子の比率は、約78%である。
<Example 2>
It is the Example which manufactured the electroconductive laminated body which has a some crack of width 50-200 micrometers in the surface layer of an electrically conductive film. In addition, the ratio of the film-forming organic polymer in the organic polymer of this example is about 78%.
まず、下記組成のスラリー組成物を準備した。 First, a slurry composition having the following composition was prepared.
銀粒子 60部
MC(水溶性高分子) 18部
熱可塑性アクリル樹脂粉末 5部
無機バインダー 2部
界面活性剤(添加剤) 0.5部
水(溶媒) 24.5部
次に、前記スラリー組成物を、実施例1と同様にして、スラリー組成物の乾燥塗膜が表面に形成されたセラミック板を得、更に、同様にして焼成後、常温冷却して導電性積層体を調製した。
Silver particles 60 parts MC (water-soluble polymer) 18 parts Thermoplastic acrylic resin powder 5 parts Inorganic binder 2 parts Surfactant (additive) 0.5 parts Water (solvent) 24.5 parts Next, the slurry composition Was obtained in the same manner as in Example 1 to obtain a ceramic plate having a dry coating film of the slurry composition formed on the surface thereof. Further, after firing in the same manner, the resultant was cooled to room temperature to prepare a conductive laminate.
そして、乾燥塗膜は、表層にはクラック発生していなかったが、焼成後、常温放冷却後は、該多孔質体の表層に幅70〜150μmの複数のクラックを有するものとなった。導電性積層体の断面の概略断面モデル図を図4に示す。そして、顕微鏡によって100倍に拡大して観察したところ、該多孔質体の形状は、連続する三次元網状の骨格を有する多孔質体であった。図5にその顕微鏡写真を示す。 And although the dry coating film did not generate | occur | produce the crack in the surface layer, after baking and normal temperature cooling, the surface layer of this porous body has a some crack of width 70-150 micrometers. FIG. 4 shows a schematic cross-sectional model diagram of the cross section of the conductive laminate. And when magnifying 100 times with a microscope, the shape of the porous body was a porous body having a continuous three-dimensional network skeleton. The micrograph is shown in FIG.
<実施例3〜18>
表1・2に示す配合処方に基づいて、実施例3〜18の各スラリー組成物を調製した。
<Examples 3 to 18>
Based on the formulation shown in Tables 1 and 2, each slurry composition of Examples 3 to 18 was prepared.
また、前記工程によって得られた、セラミック板と導電膜からなる導電性積層体を試験体として、各試験体について下記試験項目で評価した。 Moreover, the electroconductive laminated body which consists of a ceramic board and the electrically conductive film obtained by the said process was made into the test body, and it evaluated by the following test item about each test body.
1)クラックの有無:完成した試験体を目視によって観察し、導電膜の表層のクラックの有無を確認した。 1) Presence / absence of cracks: The completed specimen was observed visually to confirm the presence / absence of cracks on the surface layer of the conductive film.
2)導電性:回路計(日置電機(株)製 商標名:ハイテスタ3030−10)を用いて、矩形に形成された導電膜の対角となる2つの角間の電流の流れ(抵抗値)を測定した。回路計のレンジ切替スイッチを「Ω/×1」に設定し、回路計のプラス(+)端子とマイナス(−)端子を直接接触させたときの抵抗値を基準として、該抵抗値の上昇幅を下記基準により判定した。 2) Conductivity: Using a circuit meter (trade name: Hitester 3030-10, manufactured by Hioki Electric Co., Ltd.), the current flow (resistance value) between the two corners that are opposite to the rectangular conductive film It was measured. Set the range selector switch of the circuit meter to “Ω / × 1” and increase the resistance value based on the resistance value when the plus (+) terminal and minus (−) terminal of the circuit meter are in direct contact. Was determined according to the following criteria.
○・・・+5Ω以内、△・・・+5Ω超、×・・・針動かず
3)下地との密着性:導電膜に粘着テープ(ニチバン(株)製 粘着テープ:幅24mm)を貼り付け、次にその粘着テープを剥がした後、導電膜の剥離の有無を確認した。
○ ... + 5Ω or less, Δ ... + 5Ω or more, × ... No needle movement 3) Adhesiveness with the substrate: Adhesive tape (adhesive tape manufactured by Nichiban Co., Ltd .: 24mm in width) is applied to the conductive film, Next, after peeling the adhesive tape, the presence or absence of peeling of the electrically conductive film was confirmed.
各試験体の評価結果を表3及び表4に示す。各実施例は、導電性において、殆ど実用化レベル(△)以上であることが確認できた。また、実施例3を除いて、実用化レベルの密着性を有することが確認できた。 Tables 3 and 4 show the evaluation results of the respective specimens. In each Example, it was confirmed that the conductivity was almost equal to or higher than the practical level (Δ). In addition, except for Example 3, it was confirmed that the adhesive had a practical use level.
1 導電性積層体
2 連続する三次元網状の骨格を有する多孔質体である導電膜
3 無機下地
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Conductive laminated body 2 Conductive film which is a porous body having a continuous three-dimensional network skeleton 3 Inorganic base
Claims (12)
前記導電膜が、該無機下地に直接的に密着された膜厚10〜1000μmの多孔質構造体であって、
該多孔質構造体は、表面側から前記無機下地に連通する空隙を有する連続三次元網状骨格を備えているとともに、
前記無機下地が、固体酸化物形の燃料電池において固体電解質上に形成される燃料極及び/又は空気極とされ、前記導電膜が集電体とされる、
ことを特徴とする導電性積層体。 In a conductive laminate including an inorganic base and a conductive film containing a conductive metal,
The conductive film is a porous structure having a film thickness of 10 to 1000 μm directly adhered to the inorganic base,
The porous structure includes a continuous three-dimensional network skeleton having voids communicating with the inorganic base from the surface side ,
The inorganic base is a fuel electrode and / or an air electrode formed on a solid electrolyte in a solid oxide fuel cell, and the conductive film is a current collector.
A conductive laminate characterized by the above.
導電性金属粒子及び有機高分子を溶媒中に分散させて含有するスラリー組成物を準備する工程と、
該スラリー組成物を無機下地に塗布して塗膜を形成する工程と、
該塗膜を加熱又は焼成して前記塗膜中の有機高分子を消失させる工程と、を有する、
ことを特徴とする導電性積層体の製造方法。 A method for producing a conductive laminate according to claim 1 or 2 ,
Preparing a slurry composition containing conductive metal particles and an organic polymer dispersed in a solvent; and
Applying the slurry composition to an inorganic substrate to form a coating film;
Heating or baking the coating film to eliminate the organic polymer in the coating film,
The manufacturing method of the electroconductive laminated body characterized by the above-mentioned.
導電性金属粒子及び有機高分子を溶媒中に分散させて含有するスラリー組成物を準備する工程と、
該スラリー組成物を無機下地に塗布して塗膜を形成する工程と、
該塗膜を乾燥して乾燥塗膜を得る工程と、
該乾燥塗膜を加熱又は焼成して前記有機高分子を消失させる工程と、を有するとともに、
前記有機高分子を、加熱又は焼成時にクラック発生可能な塗膜形成能の高いものとして該乾燥塗膜にクラックを発生させることを特徴とする導電性積層体の製造方法。 A method for producing the conductive laminate according to claim 3 , comprising:
Preparing a slurry composition containing conductive metal particles and an organic polymer dispersed in a solvent; and
Applying the slurry composition to an inorganic substrate to form a coating film;
Drying the coating film to obtain a dry coating film;
Heating or baking the dried coating film to eliminate the organic polymer,
A method for producing a conductive laminate, wherein the organic polymer is cracked in the dried coating film as having high coating film forming ability capable of generating cracks during heating or baking.
導電性金属粒子 35〜70質量%、
有機高分子 10〜25質量%、
無機バインダー 1〜3質量%、
添加剤 0〜3質量%
溶媒 15〜50質量%、
であることを特徴とする導電膜形成用スラリー組成物。 A slurry composition used for forming a conductive film by applying to an inorganic base to form a coating film, and heating or baking the coating film, the composition comprising:
Conductive metal particles 35-70 mass%,
10-25% by mass of organic polymer,
1-3% by weight of inorganic binder,
0-3 mass% of additive
Solvent 15-50% by mass,
The slurry composition for electrically conductive film formation characterized by these.
前記導電膜が、該無機下地に直接的に密着された膜厚10〜1000μmの多孔質構造体であって、The conductive film is a porous structure having a film thickness of 10 to 1000 μm directly adhered to the inorganic base,
該多孔質構造体は、表面側から前記無機下地に連通する空隙を有する連続三次元網状骨格を備えている導電性積層体を製造するに際して、The porous structure is produced by producing a conductive laminate having a continuous three-dimensional network skeleton having voids communicating with the inorganic base from the surface side.
導電性金属粒子及び有機高分子を溶媒中に分散させて含有するスラリー組成物を準備する工程と、Preparing a slurry composition containing conductive metal particles and an organic polymer dispersed in a solvent; and
該スラリー組成物を無機下地に塗布して塗膜を形成する工程と、Applying the slurry composition to an inorganic substrate to form a coating film;
該塗膜を加熱又は焼成して前記塗膜中の有機高分子を消失させる工程と、を有する、Heating or baking the coating film to eliminate the organic polymer in the coating film,
ことを特徴とする導電性積層体の製造方法。The manufacturing method of the electroconductive laminated body characterized by the above-mentioned.
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