JP2000048638A - 導電性セラミックス - Google Patents

導電性セラミックス

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JP2000048638A
JP2000048638A JP10228734A JP22873498A JP2000048638A JP 2000048638 A JP2000048638 A JP 2000048638A JP 10228734 A JP10228734 A JP 10228734A JP 22873498 A JP22873498 A JP 22873498A JP 2000048638 A JP2000048638 A JP 2000048638A
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Japan
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cell
air electrode
power generation
fuel cell
less
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JP10228734A
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English (en)
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Akira Ueno
晃 上野
Masanobu Aizawa
正信 相沢
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Toto Ltd
Original Assignee
Toto Ltd
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Publication date
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 セルの作製方法としてコストの低減化が可
能となる湿式法を採用することができ、かつ高い発電性
能を有する固体電解質型燃料電池セル用の空気極に適し
た導電性セラミックスを提供する。 【解決手段】 本発明は、(Ln1-xSrx1-aMn
3,0.18≦x≦0.26,0<a≦0.03,Ln
=La,Ce,Nd,Pr,Smの中から少なくとも1
種以上の組成であることとした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は導電性セラミックス
に関する。特に固体電解質型燃料電池を、高い発電特性
を有し、かつ製造コストの安い湿式法で作製が可能にす
る空気極に関する。
【0002】
【従来の技術】円筒型セルタイプの固体電解質型燃料電
池の空気極や空気極支持管を例にとって従来技術を説明
する。固体電解質型燃料電池は、特公平1−59705
等によって開示されている。固体電解質型燃料電池は、
多孔質支持管−空気極−固体電解質−燃料極−インタ−
コネクタ−で構成される円筒型セルを有する。空気極側
に酸素(空気)を流し、燃料極側にガス燃料(H2、C
4等)を流してやると、このセル内でO2-イオンが移
動して化学的燃焼が起こり、空気極と燃料極の間に電位
が生じ、発電が行われる。空気極が支持管を兼用する形
式(空気極支持管)のものもある。
【0003】固体電解質型燃料電池においては、酸素イ
オン透過性を有し、かつ、ガス透過性の無い固体電解質
薄膜が必要とされる。この固体電解質薄膜(ZrO2
CeO2等)は、これらの両特性を満足するため、薄く
て緻密なものであることが要求される。さらに、経済的
に大面積の薄膜を形成できることも求められる。この固
体電解質型燃料電池の発電用セルでは、一般的に厚さ
0.3〜5.0mmの多孔質空気極基体の上に、厚さ3
0〜2000μmの固体電解質薄膜が形成される。さら
にこの上に、燃料極(Ni基サーメット)が形成され
る。
【0004】固体電解質型燃料電池の固体電解質薄膜の
作製方法として、特開昭61−91880にCVD・E
VD法が、特開昭61−198570にプラズマ溶射法
が、特開平1−93065などにスラリー塗布法がそれ
ぞれ提案されている。
【0005】固体電解質型燃料電池の空気極の材料とし
て、特公平1−59705ではLaMnO3、特開平2−28
8159では、La1-xSrxMnO3などのペロブスカイト型酸
化物セラミックスが提案された。また、Proc. of the 3
rd Int. Symp. on SOFC,1993においては空気極としてLa
0.90Sr0.10MnO3が紹介されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】固体電解質薄膜の作製
方法として従来提案されている技術には次のような問題
がある。
【0007】(1)CVD・EVD法 この方法は、緻密な薄膜を形成するには適している。し
かし、成膜を大気と遮断された特殊な雰囲気・物理条件
下で行う必要があるため、高価な装置を必要とする。大
型の部材用には、当然その部材を収容可能な大型装置を
必要とする。そのため、大型部材への膜付けは困難で、
かつ生産性も低く、高コストである。
【0008】(2)プラズマ溶射法 同法による膜は、基本的に多孔質である。そのため通気
性を無くさせるには、ある程度の厚い膜としなければな
らない。そのため、高性能のセルを得ることはできな
い。また、量産性も低い。
【0009】(3)スラリー塗布法 膜形成作業を大気下で行え、かつ高価な装置も不要なた
め、経済的な方法である。
【0010】(La1-xSrx1-aMnO3,0.10≦
x≦0.30、0≦a≦0.1の範囲において、焼成体
を作製し、これを空気極支持体として湿式法により固体
電解質型燃料電池セルを作製し、その発電特性を評価し
た結果、高い発電特性が得られない組成があることがわ
かった。
【0011】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、セルの作製方法としてコストの低減化が可
能となる湿式法を採用することができ、かつ高い発電性
能を有する固体電解質型燃料電池セル用の空気極に適し
た導電性セラミックスを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の固体電解質型燃料電池において、空気極が
(Ln1-xSrx1-aMnO3,0.18≦x≦0.2
6,0<a≦0.03,Ln=La,Ce,Nd,Pr,
Smの中から少なくとも1種以上の組成であることを特
徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明の導電性セラミックスを円
筒型固体電解質型燃料電池用の空気極支持体として使用
した場合を以下に説明する。
【0014】本発明の固体電解質型燃料電池用空気極に
おいては、出力密度が0.2W/cm2以上の高いセル
発電特性を有することと、セル製造コストを目的として
湿式法でセルを作製するために、(Ln1-xSrx1-a
MnO3,0.18≦x≦0.26,0<a≦0.03,
Ln=La,Ce,Nd,Pr,Smの中から少なくと
も1種以上の組成であることが望ましく、(Ln1-x
x1-aMnO3,0.18≦x≦0.21,0<a≦
0.03,Ln=La,Ce,Nd,Pr,Smの中か
ら少なくとも1種以上の組成であることがより望まし
い。Srト゛ーフ゜量が0.18未満、0.26越えではで
は出力密度が0.2W/cm2未満であるからである。
また、発電時の熱サイクルなどによるセルの破損を防止
し、かつ出力密度が0.2W/cm2以上の高いセル発
電特性を確保するためには、空気極支持体の圧環強度が
15MPa以上、かつガス透過係数が3.5m2/hr
・atm以上であることが好ましい。aが0.3越え、
0以下の場合は圧環強度15MPa以上、かつガス透過
係数3.5m2/hr・atm以上を確保することが困
難であるからである。
【0015】
【実施例】試験セルの作製方法および試験方法 (La1-xSrx0.99MnO3,0.10≦x≦0.3
0について焼成体を作製し、これを空気極支持体として
固体電解質型燃料電池セルを作製し、発電特性の評価を
行った。
【0016】原料として硝酸ランタン、硝酸ストロンチ
ウム、硝酸マンガンを秤量、混合後、1400℃、10
hrで熱処理した後、粉砕、分級した。この粉100部
に、有機バインダー10部、グリセリン3部、水10部
を添加した後、ミキサー中で混合し、混練機を用いて混
練した。この混練物を押し出し成形機を使用して成形
し、乾燥、脱脂処理を行った。続いてガス焼成炉中で1
400〜1500℃、10hrで焼成して、空気極支持体
を作製した。発電実験用の試料形状は外径22mm、肉
厚2.0mm、長さ200mmである。全ての試料はセ
ル作製工程や発電時の熱サイクルなどによる破損を防止
するため、圧環強度を20MPa以上となるように原料
粉末と焼成温度を調整した。
【0017】作製した発電実験用の空気極支持体を使用
して、以下の方法でセルを作製した。空気極支持体の外
表面に巾7.0mm×長さ50mm×厚さ50μm(軸
方向、直線状)のインターコネクター膜をスラリーコー
トにより製膜した。用いた材料はLa0.75Ca0.25Cr
3で焼成温度は1400℃、2hrとした。次に空気
極支持体のインターコネクター以外の表面に混合層を作
製した。8mol%YSZと(La0.75Sr0.250.99
MnO3との共沈粉(酸化物換算重量混合比50:5
0)を特開平9−86932号(本願と同一出願人)に
記載したのと同様の方法で作製した。これをスラリーコ
ート法で製膜し、1500℃、5hrで焼成した。混合
層の厚みは30μmであった。
【0018】混合層表面に電解質膜を形成した。粒径
0.3μmの8mol%YSZをスラリーコート法で製
膜し、1500℃、5hrで焼成した。電解質の厚みは
20μmであった。
【0019】電解質表面に燃料極を形成した。共沈法に
より得たNiO/YSZ粉(Ni還元後重量比60:4
0)をスラリーコート法で製膜し、1400℃、2hr
で焼成した。燃料極の厚みは100μmであった。次
に、3%H2,97%N2雰囲気、1000℃で燃料極を
還元処理した。上記のように作製したセルを用いて、酸
化剤として空気、燃料としてH2+11%H2Oを使用し
て、燃料利用率80%で発電性能評価運転を行った。運
転温度を1000℃とした。
【0020】試験結果 表1は空気極支持体のSrドープ量とセルの出力密度の
関係を示す表である。
【0021】
【表1】
【0022】Srドープ量が0.18〜0.26の範囲
にあるときにセルの出力密度は0.2W/cm2以上で
あった。Srドープ量が0.18未満、0.26越えの
場合は出力密度は0.2W/cm2未満の値であった。
また、Srドープ量が0.18〜0.21の範囲にある
ときにセルの出力密度は0.3W/cm2以上であっ
た。Srドープ量0.16,0.17の試料についてS
EM/EDXで電解質、空気極の界面を分析した結果、
反応生成物の存在が確認され、同生成物が発電特性を低
下させたと考えられた。Srドープ量0.10,0.3
0の試料についてはいずれもガス透過係数が3.5m2
/hr・atm未満であったことより、ガス拡散抵抗が
大きく発電性能が低下したと考えられる。以上の結果か
ら、湿式法で作製が可能であり、かつ高い発電特性を有
する固体電解質型燃料電池用の空気極としてはSrドー
プ量が0.18以上、0.26以下であることが望まし
く、0.18以上0.21以下であることがより望まし
い。
【0023】
【発明の効果】本発明は上記構成により次の効果を発揮
する。高い発電特性を有し、かつ製造コストの安い湿式
法でセルの作製が可能となる固体電解質型燃料電池用空
気極に適した導電性セラミックスを提供することができ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G030 AA09 AA11 AA13 AA14 AA25 BA03 5G301 CA02 CA30 CD01 CE01 5H026 AA02 BB01 BB08 CV02 CX04 EE12

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 湿式法で作製する固体電解質型燃料電池
    において、空気極が(Ln1-xSrx1-aMnO3,0.
    18≦x≦0.26,0<a≦0.03,Ln=La,C
    e,Nd,Pr,Smの中から少なくとも1種以上の組
    成であることを特徴とする導電性セラミックス。
  2. 【請求項2】 湿式法で作製する固体電解質型燃料電池
    において、空気極が(Ln1-xSrx1-aMnO3,0.
    18≦x≦0.21,0<a≦0.03,Ln=La,C
    e,Nd,Pr,Smの中から少なくとも1種以上の組
    成であることを特徴とする導電性セラミックス。
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WO2018021490A1 (ja) * 2016-07-27 2018-02-01 日本碍子株式会社 電気化学セル

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018021490A1 (ja) * 2016-07-27 2018-02-01 日本碍子株式会社 電気化学セル
JP2018026338A (ja) * 2016-07-27 2018-02-15 日本碍子株式会社 電気化学セル

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