JP2006147207A

JP2006147207A - 固体電解質型燃料電池及びその製造方法

Info

Publication number: JP2006147207A
Application number: JP2004332548A
Authority: JP
Inventors: Azuma So; 東宋; Masaharu Hatano; 正治秦野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】セルの内部抵抗を低減することができ、その結果、出力特性の向上を実現することが可能である固体電解質型燃料電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】一対の電極層間に電解質層３を挟み込んで形成したセル４を有し、空気極層２中に、酸素イオン伝導性を有するイオン伝導性酸化物５から成る繊維状を成すイオン伝導パス６を設けた。カーボン繊維をイオン伝導性酸化物５でコーティングし、このイオン伝導性酸化物５でコーティングしたカーボン繊維を空気極層２の電極材料に混ぜ込んだ後、空気極電極２を焼結することでカーボン繊維を焼失させて、空気極層２中にイオン伝導性酸化物５から成るイオン伝導パス６を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質層と、この電解質層に積層した空気極層を備えたセルを有する固体電解質型燃料電池、特に、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）及びその製造方法に関するものである。

従来において、電池性能の向上を目的として、セルの空気極層の電極材料中に電解質層の電解質材料を混ぜ込んだ構成を成す固体酸化物型燃料電池がある。
特願平８−２５０９９７号公報

ところが、上記した固体酸化物型燃料電池では、高イオン伝導性材料から成る電解質材料を空気極層の電極材料中に混ぜ込むようにしているので、イオン伝導パスを形成することが困難であり、電池性能を大幅に向上させることができるとは言い難いという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたものであり、電極抵抗を低減することができ、その結果、出力特性の向上を実現することが可能である固体電解質型燃料電池及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、電解質層と、この電解質層に積層した空気極層を備えたセルを有する固体電解質型燃料電池において、上記空気極層中に、酸素イオン伝導性を有するイオン伝導性酸化物から成るイオン伝導パスを設けた構成としたことを特徴としており、この固体電解質型燃料電池の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

一方、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法は、上記固体電解質型燃料電池を製造するに際して、熱焼失繊維、例えば、カーボン繊維をイオン伝導性酸化物でコーティングし、このイオン伝導性酸化物でコーティングしたカーボン繊維を空気極層の電極材料に混ぜ込んだ後、空気極電極を焼結することでカーボン繊維を焼失させて、空気極層中にイオン伝導性酸化物から成るイオン伝導パスを形成することを特徴としており、この固体電解質型燃料電池の製造方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の固体電解質型燃料電池では、セルの空気極層において生じる酸素イオンの電極中の移動速度が、イオン伝導性酸化物から成るイオン伝導パスを利用することで速くなるので、電極抵抗が下がることとなる。

本発明の固体電解質型燃料電池によれば、上記した構成としているので、セルの空気極層において生じる酸素イオンの電極中の移動速度を上昇させることができ、その結果、電極での抵抗を低減させて、すなわち、電極性能をアップさせて、セルの出力特性の向上を実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

また、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法によれば、上述した優れた出力特性を有する固体電解質型燃料電池を簡単且つ低コストで製造することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

図１に示すように、本発明の固体電解質型燃料電池１は、一対の電極層（空気極層２のみ示す）間に電解質層３を挟み込んで形成したセル４を有しており、空気極層２中に、酸素イオン伝導性を有するイオン伝導性酸化物５から成る繊維状を成すイオン伝導パス６を設けた構成を成している。

ここで、イオン伝導性酸化物５は、空気極層２の電極材料よりも高い酸素イオン伝導性を有しているものとすることが望ましく、電子伝導性又は電極触媒活性を兼ね備えているものとすることがより望ましい。

また、本発明の固体電解質型燃料電池１において、イオン伝導性酸化物５として、電極材料及び電解質材料と化学反応せずに高抵抗相を生じない材料を用いることが望ましく、イオン伝導性酸化物５として、例えば、ジルコニア系酸化物，ランタンガレート系酸化物，ビスマス系酸化物及びセリア系酸化物のうちの少なくとも一つの材料を用いることができる。

さらに、本発明の固体電解質型燃料電池１において、イオン伝導性酸化物５の空気極層２中における含有率が１０％よりも小さい場合は、空気極層２のイオン伝導性の向上の度合が少ない。

一方、イオン伝導性酸化物５の空気極層２中における含有率が５０％よりも大きい場合は、空気極層２のイオン伝導性は向上するが、電気化学反応に必要な電気伝導性及び電極触媒活性が低減することから、電極の抵抗が大きくなってしまう。

したがって、イオン伝導性酸化物５の空気極層２中における含有率を１０〜５０％とすることが望ましい。

さらにまた、本発明の固体電解質型燃料電池１において、イオン伝導性酸化物５の粒径を１μｍ以下にすると、酸素イオン拡散パスが短くなり、拡散の速度が上昇してセルの内部抵抗が下がることから、イオン伝導性酸化物５の粒径は、１μｍ以下とすることが望ましい。

そして、上記した固体電解質型燃料電池１を製造する場合、熱焼失繊維、例えば、カーボン繊維をイオン伝導性酸化物５でコーティングする際には、電気メッキ法や、蒸着法や、溶液含沈法のいずれか一つの手法又は複数の手法を用いることが好ましい。

また、イオン伝導性酸化物５でコーティングしたカーボン繊維を空気極層２の電極材料に混ぜ込んだ後、空気極電極を空気中で焼き付けると、カーボン成分が消失することで繊維状に残ったイオン伝導性酸化物５がイオン伝導パス６を形成し、空気極層２のポーラス度も向上することになるので、ガスが拡散しやすくなる。この際、カーボン繊維の熱焼失温度は９００℃前後であり、上記したように、空気極層２として用いるときに空気中で処理し、時間は２時間以上必要とする。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
表１に示すように、実施例１の固体電解質型燃料電池において、燃料極支持型基板をセル支持基板とし、電解質層（膜厚１０μｍ）の電解質材料として８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ添加安定化ジルコニア）を用い、空気極層の電極材料としてＬＳＭ（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_ｘ）を用い、燃料極層の電極材料としてＮｉ−ＹＳＺを用いた。

そして、空気極層中に設けるイオン伝導性酸化物には、平均粒径が０．２μｍのＬＳＧＭ（Ｓｒ、Ｍｇ複合ランタンコバルト酸化物）を用い、空気極層中における含有率を１５％とした。

本実施例では、カーボン繊維をイオン伝導性酸化物でコーティングし、このイオン伝導性酸化物でコーティングしたカーボン繊維を空気極層の電極材料に混ぜ込んだ後、空気極電極を焼結することでカーボン繊維を焼失させて、空気極層中にイオン伝導性酸化物から成るイオン伝導パスを形成した。

［実施例２］
表１に示すように、実施例２の固体電解質型燃料電池において、燃料極支持型基板をセル支持基板とし、電解質層（膜厚１０μｍ）の電解質材料として８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ添加安定化ジルコニア）を用い、空気極層の電極材料としてＬＳＭ（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_ｘ）を用い、燃料極層の電極材料としてＮｉ−ＹＳＺを用いた。

そして、空気極層中に設けるイオン伝導性酸化物には、平均粒径が０．３μｍのＧＤＣ（Ｇｄ_０．１Ｃｅ_０．９Ｏ_ｘ）を用い、空気極層中における含有率を２０％とした。

本実施例においても、カーボン繊維をイオン伝導性酸化物でコーティングして空気極層の電極材料に混ぜ込んだ後、空気極電極を焼結することによってカーボン繊維を焼失させて、空気極層中にイオン伝導性酸化物から成るイオン伝導パスを形成した。

［実施例３］
表１に示すように、実施例３の固体電解質型燃料電池において、燃料極支持型基板をセル支持基板とし、電解質層（膜厚１０μｍ）の電解質材料として８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ添加安定化ジルコニア）を用い、空気極層の電極材料としてＬＳＭ（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_ｘ）を用い、燃料極層の電極材料としてＮｉ−ＹＳＺを用いた。

そして、空気極層中に設けるイオン伝導性酸化物には、平均粒径が０．５μｍのＳＤＣ（Ｓｍ_０．２Ｃｅ_０．８Ｏ_ｘ）を用い、空気極層中における含有率を３０％とした。

［実施例４］
表１に示すように、実施例４の固体電解質型燃料電池において、燃料極支持型基板をセル支持基板とし、電解質層（膜厚１０μｍ）の電解質材料として８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ添加安定化ジルコニア）を用い、空気極層の電極材料としてＬＳＭ（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_ｘ）を用い、燃料極層の電極材料としてＮｉ−ＹＳＺを用いた。

そして、空気極層中に設けるイオン伝導性酸化物には、平均粒径が０．５μｍの１０ＳＳＺ（１０ｍｏｌ％Ｓｃ添加安定化ジルコニア）を用い、空気極層中における含有率を４０％とした。

［比較例］
表１に示すように、比較例の固体電解質型燃料電池において、燃料極支持型基板をセル支持基板とし、電解質層（膜厚１０μｍ）の電解質材料として８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ添加安定化ジルコニア）を用い、空気極層の電極材料としてＬＳＭ（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_ｘ）を用い、燃料極層の電極材料としてＮｉ−ＹＳＺを用いた。

そして、高イオン伝導性材料として、平均粒径が０．５μｍのＳＤＣ（Ｓｍ_０．２Ｃｅ_０．８Ｏ_ｘ）を空気極層中に３０％の含有率で含ませた。

そこで、実施例１〜４と比較例の各セルを用いて発電評価を行った。発電温度は６００℃とし、燃料極側には５％の水蒸気を含む水素ガスを用いると共に空気極側には乾燥空気を用いて発電試験を行い、電流密度及び端子間電圧の測定結果から最高出力を計算して、発電能力を評価した。この結果を表１に併せて示す。

表１の結果が示すとおり、実施例１〜４の固体電解質型燃料電池では、比較例と比べて高い出力で発電していることが判る。

本発明の固体電解質型燃料電池の一実施例を示す部分断面説明図である。（実施例１〜４）

符号の説明

１固体電解質型燃料電池
２空気極層
３電解質層
４セル
５イオン伝導性酸化物
６イオン伝導パス

Claims

電解質層と、この電解質層に積層した空気極層を備えたセルを有する固体電解質型燃料電池において、上記空気極層中に、酸素イオン伝導性を有するイオン伝導性酸化物から成るイオン伝導パスを設けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
イオン伝導パスが繊維状を成している請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
イオン伝導性酸化物は、空気極層の電極材料よりも高い酸素イオン伝導性を有している請求項１又は２に記載の固体電解質型燃料電池。
イオン伝導性酸化物は、電子伝導性又は電極触媒活性を兼ね備えている請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
イオン伝導性酸化物として、電極材料及び電解質材料と化学反応せずに高抵抗相を生じない材料を用いる請求項１〜４のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
イオン伝導性酸化物の空気極層中における含有率を１０〜５０％としている請求項１〜５のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
イオン伝導性酸化物として、ジルコニア系酸化物，ランタンガレート系酸化物，ビスマス系酸化物及びセリア系酸化物のうちの少なくとも一つの材料を用いる請求項１〜６のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
イオン伝導性酸化物の粒径を１μｍ以下とした請求項１〜７のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
請求項１〜８のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池を製造するに際して、熱焼失繊維をイオン伝導性酸化物でコーティングし、このイオン伝導性酸化物でコーティングした熱焼失繊維を空気極層の電極材料に混ぜ込んだ後、空気極電極を焼結することで熱焼失繊維を焼失させて、空気極層中にイオン伝導性酸化物から成るイオン伝導パスを形成することを特徴とする固体電解質型燃料電池の製造方法。
熱焼失繊維をカーボン繊維とした請求項９に記載の固体電解質型燃料電池の製造方法。