JP2001023648A - 固体電解質型燃料電池の燃料極 - Google Patents
固体電解質型燃料電池の燃料極Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電池性能の高い固体電解質型燃料電池の燃料
極を提供すること。 【解決手段】 固体電解質層１０の片面に燃料極４、そ
の反対面に空気極６を配置した平板状単電池２と、隣接
するそれぞれ単電池同士を電気的に直列に接続し、かつ
各単電池に燃料と酸化剤ガスとを分配するセパレータと
を交互に積層してなる固体電解質型燃料電池の燃料極に
おいて、該燃料極４を金属粒子とＣｅ１− ＸＭＸＯｙ、
（Ｍは３価の希土類、 ０．０５≦Ｘ≦０．１５、 ｙ
＝２−０．５Ｘ）からなるセラミックス粒子を含んで構
成した。これにより、電極活性を高くした燃料極を実現
でき、固体電解質燃料電池の電池性能を向上させること
ができる。
極を提供すること。 【解決手段】 固体電解質層１０の片面に燃料極４、そ
の反対面に空気極６を配置した平板状単電池２と、隣接
するそれぞれ単電池同士を電気的に直列に接続し、かつ
各単電池に燃料と酸化剤ガスとを分配するセパレータと
を交互に積層してなる固体電解質型燃料電池の燃料極に
おいて、該燃料極４を金属粒子とＣｅ１− ＸＭＸＯｙ、
（Ｍは３価の希土類、 ０．０５≦Ｘ≦０．１５、 ｙ
＝２−０．５Ｘ）からなるセラミックス粒子を含んで構
成した。これにより、電極活性を高くした燃料極を実現
でき、固体電解質燃料電池の電池性能を向上させること
ができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電池性能を高めた
固体電解質型燃料電池の燃料極に関する。
固体電解質型燃料電池の燃料極に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近省資源の観点からだけではなく、環
境に対する影響の観点からもエネルギー源としての燃料
電池が注目されている。固体電解質型燃料電池（ＳＯＦ
Ｃ）は固体電解質層の片面に燃料極、その反対面に空気
極を配置した単電池と、隣接するそれぞれ単電池同士を
電気的に直列に接続し、かつ各単電池に燃料と酸化剤ガ
スとを分配するセパレータとを交互に積層して構成され
ていて、燃料電池の中でも動作温度が６５０〜１０００
℃と高いことから発電効率が高く、構成材料がすべて固
体であるため取扱いが容易であるなどの利点があるた
め、開発が進んでいる。
境に対する影響の観点からもエネルギー源としての燃料
電池が注目されている。固体電解質型燃料電池（ＳＯＦ
Ｃ）は固体電解質層の片面に燃料極、その反対面に空気
極を配置した単電池と、隣接するそれぞれ単電池同士を
電気的に直列に接続し、かつ各単電池に燃料と酸化剤ガ
スとを分配するセパレータとを交互に積層して構成され
ていて、燃料電池の中でも動作温度が６５０〜１０００
℃と高いことから発電効率が高く、構成材料がすべて固
体であるため取扱いが容易であるなどの利点があるた
め、開発が進んでいる。
【０００３】図１に、固体電解質型燃料電池の平板状単
電池２（セル）の構成を概略的に示す。平板状単電池２
は、固体電解質２０を中心とし、その固体電解質２０の
片面（図１において固体電解質２０の上側）に燃料極４
を形成し、反対側の面に空気極６を形成している。
電池２（セル）の構成を概略的に示す。平板状単電池２
は、固体電解質２０を中心とし、その固体電解質２０の
片面（図１において固体電解質２０の上側）に燃料極４
を形成し、反対側の面に空気極６を形成している。
【０００４】固体電解質２０は、８ＹＳＺ（ＹＳＺとは
イットリアをドープした安定化ジルコニア）または３Ｙ
ＳＺが用いられており、燃料極４に水素（Ｈ２）、メタ
ン（ＣＨ４ ）などの燃料ガスを供給し、空気極６に空
気、酸素（Ｏ２）などの酸化剤ガスを供給すると、両極
間に起電力が発生する。発電時に燃料極４、および空気
極６で生じている反応を次に示す。
イットリアをドープした安定化ジルコニア）または３Ｙ
ＳＺが用いられており、燃料極４に水素（Ｈ２）、メタ
ン（ＣＨ４ ）などの燃料ガスを供給し、空気極６に空
気、酸素（Ｏ２）などの酸化剤ガスを供給すると、両極
間に起電力が発生する。発電時に燃料極４、および空気
極６で生じている反応を次に示す。
【０００５】Ａ（燃料極）： Ｏ２−＋Ｈ２ →Ｈ２ Ｏ
＋２ｅ、Ｏ２−＋ＣＯ→ＣＯ２＋２ｅ Ｂ（空気極）： Ｏ＋２ｅ→Ｏ２− このように燃料極４における反応は、イオンの導電性が
重要であり、通常図７に示すようにＮｉ−ＹＳＺのサー
メットなどＮｉ粒子、またはＮｉＯ粒子と高いイオン導
電性を有しているＹＳＺ粒子とを機械的に混合し、これ
を固体電解質層２上に塗布し焼成して形成していた。
＋２ｅ、Ｏ２−＋ＣＯ→ＣＯ２＋２ｅ Ｂ（空気極）： Ｏ＋２ｅ→Ｏ２− このように燃料極４における反応は、イオンの導電性が
重要であり、通常図７に示すようにＮｉ−ＹＳＺのサー
メットなどＮｉ粒子、またはＮｉＯ粒子と高いイオン導
電性を有しているＹＳＺ粒子とを機械的に混合し、これ
を固体電解質層２上に塗布し焼成して形成していた。
【０００６】ところが燃料極４を構成しているＮｉ−Ｙ
ＳＺのサーメットにおけるＹＳＺは、電子導電性に乏し
いことがわかっている。この種の固体電解質燃料電池に
おいて、燃料極４の電子導電性とイオン導電性の双方の
良否が電池性能に大きな影響を与えることが知られてお
り、イオンも電子も通すことが可能なセリア系の混合導
電体も用いられてきている。
ＳＺのサーメットにおけるＹＳＺは、電子導電性に乏し
いことがわかっている。この種の固体電解質燃料電池に
おいて、燃料極４の電子導電性とイオン導電性の双方の
良否が電池性能に大きな影響を与えることが知られてお
り、イオンも電子も通すことが可能なセリア系の混合導
電体も用いられてきている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の燃
料極は、イオン導電性が最も高くなるように設定されて
いた。例えば、セラミック成分として、サマリウム系の
Ｃｅ０．８Ｓｍ０．２Ｏ １．９が用いられていた。それ
は燃料極において、金属であるＮｉ粒子の電子導電性が
大きく、Ｎｉ粒子などに混入されるセラミック成分が電
子導電性を有していることに対してあまり重要視されて
おらず、従来高い要求がなされていなかったためであ
る。
料極は、イオン導電性が最も高くなるように設定されて
いた。例えば、セラミック成分として、サマリウム系の
Ｃｅ０．８Ｓｍ０．２Ｏ １．９が用いられていた。それ
は燃料極において、金属であるＮｉ粒子の電子導電性が
大きく、Ｎｉ粒子などに混入されるセラミック成分が電
子導電性を有していることに対してあまり重要視されて
おらず、従来高い要求がなされていなかったためであ
る。
【０００８】上述したように、燃料極においてイオン導
電性の高さのみで電池性能が向上するのではなく、同時
に電子導電性が高いことも重要であり、イオン導電性の
みに着目して燃料電池のセラミック成分の組成を設定し
た場合では、電子導電性が低下してしまい、燃料電池全
体としての性能が低くなっていた。
電性の高さのみで電池性能が向上するのではなく、同時
に電子導電性が高いことも重要であり、イオン導電性の
みに着目して燃料電池のセラミック成分の組成を設定し
た場合では、電子導電性が低下してしまい、燃料電池全
体としての性能が低くなっていた。
【０００９】本発明は上述の点に鑑みてなされたもの
で、燃料電池の電池性能を向上させるため、電極活性の
高い固体電解質型燃料電池の燃料極を提供することを目
的とする。
で、燃料電池の電池性能を向上させるため、電極活性の
高い固体電解質型燃料電池の燃料極を提供することを目
的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】そこで本発明者らは、燃
料極の電極活性を高め、燃料電池の電池性能を向上させ
るには、燃料極を構成するセラミックにおいてイオン導
電性が高いことに加え、電子導電性が良好なことが重要
であることに着目し、固体電解質燃料電池の燃料極のセ
ラミック成分を、次のような組成として上記課題を解決
することとした。
料極の電極活性を高め、燃料電池の電池性能を向上させ
るには、燃料極を構成するセラミックにおいてイオン導
電性が高いことに加え、電子導電性が良好なことが重要
であることに着目し、固体電解質燃料電池の燃料極のセ
ラミック成分を、次のような組成として上記課題を解決
することとした。
【００１１】すなわち、固体電解質層の片面に燃料極、
その反対面に空気極を配置した単電池と、隣接するそれ
ぞれの単電池同士を電気的に直列に接続し、かつ各単電
池に燃料と酸化剤ガスとを分配するセパレータとを交互
に積層してなる固体電解質型燃料電池の燃料極におい
て、該燃料極がセラミックス成分 Ｃｅ１−ＸＭＸＯｙを含み Ｍは３価の希土類 ０．０５≦Ｘ≦０．１５ ｙ＝２−０．５Ｘ として固体電解質型燃料電池の燃料極を構成した。
その反対面に空気極を配置した単電池と、隣接するそれ
ぞれの単電池同士を電気的に直列に接続し、かつ各単電
池に燃料と酸化剤ガスとを分配するセパレータとを交互
に積層してなる固体電解質型燃料電池の燃料極におい
て、該燃料極がセラミックス成分 Ｃｅ１−ＸＭＸＯｙを含み Ｍは３価の希土類 ０．０５≦Ｘ≦０．１５ ｙ＝２−０．５Ｘ として固体電解質型燃料電池の燃料極を構成した。
【００１２】また前記Ｍは、例えばＧｄあるいはＳｍで
ある。更に、前記燃料極が金属粒子と上記セラミックス
を含むサーメットからなることとした。また前記金属を
所定の径のＮｉ粒子で構成した。またかかる燃料極を備
えて固体電解質型燃料電池を構成した。
ある。更に、前記燃料極が金属粒子と上記セラミックス
を含むサーメットからなることとした。また前記金属を
所定の径のＮｉ粒子で構成した。またかかる燃料極を備
えて固体電解質型燃料電池を構成した。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下本発明にかかる燃料極の実施
形態について図面に基づいて説明する。
形態について図面に基づいて説明する。
【００１４】固体電解質燃料電池は、図１に示す平板状
単電池２と、平板状単電池２に供給する燃料ガス、及び
酸化剤ガスの通路を有するセパレータ（図示せず）とか
らなり、平板状単電池２とセパレータとを交互に積層
し、セパレータによって形成された各ガスの供給通路か
ら燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気を供給し、平板状
単電池２で発電を行なわせ、そしてそれぞれの排気通路
（図示せず）から排ガスを排気するようにしている。
単電池２と、平板状単電池２に供給する燃料ガス、及び
酸化剤ガスの通路を有するセパレータ（図示せず）とか
らなり、平板状単電池２とセパレータとを交互に積層
し、セパレータによって形成された各ガスの供給通路か
ら燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気を供給し、平板状
単電池２で発電を行なわせ、そしてそれぞれの排気通路
（図示せず）から排ガスを排気するようにしている。
【００１５】平板状単電池２は、図１に示すように固体
電解質２０を中心にし、その一方の面に燃料極４を、ま
た他方の面に空気極６を備えており、セパレータに形成
された収容部（図示せず）内に収容されて順次積層され
る。
電解質２０を中心にし、その一方の面に燃料極４を、ま
た他方の面に空気極６を備えており、セパレータに形成
された収容部（図示せず）内に収容されて順次積層され
る。
【００１６】固体電解質２０は、従来の固体電解質と同
様の成分で構成され、主に８ＹＳＺが用いられている。
尚、固体電解質２０は８ＹＳＺでなく、他の材料でもよ
い。また空気極６は、固体電解質２０と同様、従来と同
様の材質から構成されている。
様の成分で構成され、主に８ＹＳＺが用いられている。
尚、固体電解質２０は８ＹＳＺでなく、他の材料でもよ
い。また空気極６は、固体電解質２０と同様、従来と同
様の材質から構成されている。
【００１７】燃料極４は、図２に示すようにＮｉ粒子と
セラミックス粒子からなるサーメット燃料極であり、Ｎ
ｉ粒子の粒径は１０μｍ程度で、Ｎｉ粒子のサーメット
全体に対する体積比は０．４〜０．９８の範囲である。
また、セラミック粒子は、成分がＣｅ０．９Ｓｍ０．１
Ｏ１．９５で構成されている。
セラミックス粒子からなるサーメット燃料極であり、Ｎ
ｉ粒子の粒径は１０μｍ程度で、Ｎｉ粒子のサーメット
全体に対する体積比は０．４〜０．９８の範囲である。
また、セラミック粒子は、成分がＣｅ０．９Ｓｍ０．１
Ｏ１．９５で構成されている。
【００１８】このような構成により、燃料極４はイオン
導電性を高く保持したまま、電子導電性を高くすること
ができ、電極活性の高い平板状単電池２を実現できる。
導電性を高く保持したまま、電子導電性を高くすること
ができ、電極活性の高い平板状単電池２を実現できる。
【００１９】次に実験例を示す。
【００２０】図４から図６に電極の分極特性のグラフを
示す。各グラフのＮｏ１〜Ｎｏ６の組成と、試験温度を
図３に示す。Ｎｏ１〜Ｎｏ３が本発明にかかるセラミッ
クの組成であり、Ｎｏ４〜Ｎｏ６が従来例にかかる組成
である。
示す。各グラフのＮｏ１〜Ｎｏ６の組成と、試験温度を
図３に示す。Ｎｏ１〜Ｎｏ３が本発明にかかるセラミッ
クの組成であり、Ｎｏ４〜Ｎｏ６が従来例にかかる組成
である。
【００２１】図４に示すように、セラミックの組成にお
いてＸの値が０．２の場合より、本発明にかかるＸの値
が０．１の場合のほうが、いずれの温度においても数値
が低くなっており、このことからＸの値が０．１である
本発明のほうが、直流分極特性が低く、すなわち電子導
電性が良好になっていることがわかる。
いてＸの値が０．２の場合より、本発明にかかるＸの値
が０．１の場合のほうが、いずれの温度においても数値
が低くなっており、このことからＸの値が０．１である
本発明のほうが、直流分極特性が低く、すなわち電子導
電性が良好になっていることがわかる。
【００２２】図５に、Ｎｏ１〜Ｎｏ３の本発明にかかる
組成（Ｘの値が０．１）の燃料極の交流インピーダンス
のグラフを、また図６に、Ｎｏ４〜Ｎｏ６の従来例にか
かる組成（Ｘの値が０．２）の燃料極の交流インピーダ
ンスのグラフを示す。グラフの横軸は、インピーダンス
の実部であり、縦軸はインピーダンスの虚部である。
組成（Ｘの値が０．１）の燃料極の交流インピーダンス
のグラフを、また図６に、Ｎｏ４〜Ｎｏ６の従来例にか
かる組成（Ｘの値が０．２）の燃料極の交流インピーダ
ンスのグラフを示す。グラフの横軸は、インピーダンス
の実部であり、縦軸はインピーダンスの虚部である。
【００２３】図５と図６とを比較することにより、本発
明にかかる組成の燃料極の方が、グラフの描く直径が小
さく、燃料極４の電極活性が良好なことがわかる。
明にかかる組成の燃料極の方が、グラフの描く直径が小
さく、燃料極４の電極活性が良好なことがわかる。
【００２４】尚、本発明にかかる燃料電池の燃料極が含
むセラミックス成分は、上記実施形態に示した値に限る
ものではなく、Ｃｅ１−ＸＭＸＯｙであり、かつＭは３
価の希土類 ０．０５≦Ｘ≦０．１５ ｙ＝２−
０．５Ｘの条件を満たせばよく、また金属粒子もＮｉに
限らず、例えばＣｏ等他の構成金属でもよい。
むセラミックス成分は、上記実施形態に示した値に限る
ものではなく、Ｃｅ１−ＸＭＸＯｙであり、かつＭは３
価の希土類 ０．０５≦Ｘ≦０．１５ ｙ＝２−
０．５Ｘの条件を満たせばよく、また金属粒子もＮｉに
限らず、例えばＣｏ等他の構成金属でもよい。
【００２５】
【発明の効果】本発明の燃料電池によれば、燃料電池の
燃料極が含むセラミックスの成分を、Ｃｅ１−ＸＭＸＯ
ｙ、（Ｍは３価の希土類、 ０．０５≦Ｘ≦０．１５、
ｙ＝２−０．５Ｘ）としたので、イオン導電性に加
え、電子導電性を向上させることができることから、電
池性能の高い固体電解質燃料電池を実現することができ
る。
燃料極が含むセラミックスの成分を、Ｃｅ１−ＸＭＸＯ
ｙ、（Ｍは３価の希土類、 ０．０５≦Ｘ≦０．１５、
ｙ＝２−０．５Ｘ）としたので、イオン導電性に加
え、電子導電性を向上させることができることから、電
池性能の高い固体電解質燃料電池を実現することができ
る。
【００２６】
【図１】本発明にかかる平板状単電池の概略構成を説明
する図である。
する図である。
【図２】燃料極の構成を示す図である。
【図３】実験の条件を示す表である。
【図４】本発明にかかる燃料極の直流分極特性を示す図
である。
である。
【図５】本発明にかかる燃料極の交流インピーダンスを
示す図である。
示す図である。
【図６】従来例にかかる燃料極の交流インピーダンスを
示す図である。
示す図である。
【図７】従来の燃料極の構成を示す図である。
２ 平板状単電池 ４ 燃料極 ６ 空気極 １０ 固体電解質層
Claims (5)
- 【請求項１】 固体電解質層の片面に燃料極、その反対
面に空気極を配置した単電池と、隣接するそれぞれの単
電池同士を電気的に直列に接続し、かつ各単電池に燃料
と酸化剤ガスとを分配するセパレータとを交互に積層し
てなる固体電解質型燃料電池の燃料極において、 該燃料極がセラミックス成分 Ｃｅ１−ＸＭＸＯｙを含み Ｍは３価の希土類 ０．０５≦Ｘ≦０．１５ ｙ＝２−０．５Ｘ としたことを特徴とする固体電解質型燃料電池の燃料
極。 - 【請求項２】 前記Ｍは、ＧｄあるいはＳｍであること
を特徴とした請求項１に記載の固体電解質型燃料電池の
燃料極。 - 【請求項３】 前記燃料極が金属粒子と請求項１または
２に記載のセラミックスを含むサーメットからなること
を特徴とする固体電解質型燃料電池の燃料極。 - 【請求項４】 前記金属がＮｉであることを特徴とした
請求項４に記載の固体電解質型燃料電池の燃料極。 - 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃
料極を備えたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11197893A JP2001023648A (ja) | 1999-07-12 | 1999-07-12 | 固体電解質型燃料電池の燃料極 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11197893A JP2001023648A (ja) | 1999-07-12 | 1999-07-12 | 固体電解質型燃料電池の燃料極 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001023648A true JP2001023648A (ja) | 2001-01-26 |
Family
ID=16382053
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11197893A Pending JP2001023648A (ja) | 1999-07-12 | 1999-07-12 | 固体電解質型燃料電池の燃料極 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001023648A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004102704A1 (ja) * | 2003-05-14 | 2004-11-25 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 固体酸化物型燃料電池とその製造方法 |
-
1999
- 1999-07-12 JP JP11197893A patent/JP2001023648A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004102704A1 (ja) * | 2003-05-14 | 2004-11-25 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 固体酸化物型燃料電池とその製造方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040325 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040330 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040721 |