JP2007103077A - 固体酸化物形燃料電池の燃料極、燃料極用原料粉体、及び固体酸化物形燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 電子伝導体、酸素イオン伝導体及び気孔から構成される固体酸化物形燃料電池の燃料極であって、平均気孔径Drが燃料極の動作温度における燃料ガス(水素ガス)の平均自由行程と反応生成ガス(水蒸気)の平均自由行程との間にあり、気孔径の累積体積90%相当径D90に対する累積体積10%相当径D10の比D90/D10が10より小さいことを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
一方、電池反応により生成した反応生成ガス(図ではH 2 Oガスを例示)が電極粒子表面に存在すれば、反応の活性点の減少、および酸素分圧の上昇などにより燃料極において性能劣化の原因となるが、図1(ロ)に模式的に示すように、気孔径Drが生成ガスの平均自由行程より大きいので、反応生成ガス分子が他の反応生成ガス分子と衝突しやすい状態、つまり電極粒子との衝突を避けて排出されやすい状態となり、電池性能の向上が期待できる。
従って、水素ガスを燃料ガスとする固体酸化物形燃料電池の高性能化を実現できる燃料極の好適な実施形態が提供される。
すなわち、電極体積に占める気孔の割合が30%以下であると、ガスの拡散に対する抵抗が大きくなり電池性能が低下する。一方、電極体積に占める気孔の割合が45%以上であると、伝導体粒子の割合が少なくなるため電荷移動の抵抗が増大し導電率が小さくなるので、電池性能は低下する。
従って、電極体積に占める気孔の割合を30%〜45%の範囲とすることで、ガスの拡散抵抗と電荷移動の抵抗(導電抵抗)をバランスよく共に小さくして、性能のよい固体酸化物形燃料電池の燃料極の好適な実施形態が提供される。
従って、電池性能に優れた固体酸化物形燃料電池の燃料極の具体的材料が提供される。
また、イオン伝導材料のBET換算径を電子伝導体となる金属酸化物粒子のBET換算径の1/5〜1/10とすることで、電池反応の起こる前記三相界面が増大し、同時に、金属酸化物の径を大きくしても、動作環境で金属に還元される金属酸化物は粒子内部においても十分な電子伝導性を有するのに対し、イオン伝導材料は粒子内に比べてイオンの拡散が速い表面の割合を大きくするために粒子径を小さくしてイオン伝導性を確保するようにし、その結果、高い燃料極性能が実現される。
従って、ナノメートルレベルの微細で且つ大径の金属酸化物により小径のイオン伝導材料を乾式状態で機械的に複合化させることで高い燃料極性能が確保できる燃料極原料粉体が提供される。
但し、T:絶対温度(°K)、P:圧力(Pa)、D:粒子径(m)
(行程1)〔原料の作製〕
NiO原料としてBET換算径が113nmのNiO粉末を準備した(尚、NiOの密度を6.7g/cm3とした)。表2にNiO粉末の粒度データを示す。粒度分布は、マイクロトラック(Honeywell製、HRA MODEL9320-X100)により測定した。BET値は、マウンテック製MODEL−1201を用い、BET一点式により測定した。また、必要により、日立製作所製S−3500Nを用いて、SEMによる微細構造観察を行った。
上記原料NiOと原料SDCを図2に示す装置を用い、ローター(回転軸2)回転速度3500rpm、攪拌部材3とケーシング1の内壁との間隙1.5mm、処理時間10minの条件で複合化処理し、BET換算径が50nmのNiO−SDC複合粉体を作製した(尚、NiO−SDC複合粉体の密度を6.87g/cm3とした)。表4に本NiO−SDC複合粉体の粒度データを示す。
上記NiO−SDC複合粉体を複合粉体100重量部に対し分散剤(日本油脂株式会社製:マリアリムAKM-0531)を2.3重量%加えエタノール中に分散させた。24時間混合した後、複合粉体100重量部に対し結合剤としてポリビニールブチラール(PVB)を15重量%加え再び24時間混合し、NiO−SDC複合粉体のスラリーを作製した。スラリーを脱泡後、ドクターブレードを用いて、あらかじめ作製しておいた20μm厚のSDC電解質シート上にNiO−SDCシートを作製した。そして、このNiO−SDC/SDC2重シートを60℃で10時間乾燥したのち、直径13mmの大きさに切り抜き、1400℃で2時間焼成した。
〔比較例1〕
上記行程1で用いた原料NiOと原料SDCをボールミルで12時間混合し、NiO−SDC混合粉を作製した後、行程3により燃料極とセルの作製を行った。表5に燃料極の気孔径分布のデータを示すが、D10=0.05μm、D90=5μm(D90/D10=100)と、気孔径分布が広い例である。
上記行程2において、原料NiOの代わりにBET換算径20nmのNiOと、行程1で用いた原料SDCを使用してNiO−SDC複合粉体を作製した後、行程3により燃料極とセルの作製を行った。表5に示すように、平均気孔径が0.1μm(<0.15μm)と小さい燃料極の例である。
上記行程2において、原料NiOの代わりにBET換算径800nmのNiOと、BET換算径125nmのSDCを使用してNiO−SDC複合粉体を作製した後、実施例と同様に行程3を経て燃料極とセルの作製を行った。表5に示すように、平均気孔径が0.5μm(>0.35μm)と大きい燃料極の例である。
以上のように作製した実施例、比較例1〜3のセルについて、燃料極に動作温度(600℃等)で3%加湿水素を供給してNiOをNiに還元した後、電流電圧(I−V)特性、電流遮断法により電荷移動抵抗に起因する電圧降下(IR−loss)および反応分極(η−loss)を測定した。
2 回転軸
3 攪拌部材
4 ジャケット
5 原料投入口
6 製品排出口
7 軸受部
8 駆動部
Claims (6)
- 電子伝導体、酸素イオン伝導体及び気孔から構成される固体酸化物形燃料電池の燃料極であって、
平均気孔径Drが燃料極の動作温度における燃料ガスの平均自由行程と反応生成ガスの平均自由行程との間にあり、気孔径の累積体積90%相当径D90に対する累積体積10%相当径D10の比D90/D10が10より小さいことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の燃料極。 - 平均気孔径Drが燃料極の動作温度における水素ガスの平均自由行程と水蒸気の平均自由行程との間にあり、気孔径分布として、累積体積10%相当径D10>0.1μm、且つ、累積体積90%相当径D90<1μmを満たすことを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池の燃料極。
- 電極体積に占める気孔の割合が30%〜45%の範囲にある請求項1又は請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池の燃料極。
- 前記電子伝導体を構成する金属がニッケル、コバルト、銅の中から1つ選ばれ、前記酸素イオン伝導体が[(Ce1−xMx)O2−δ](但し、Mは、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類の群から選ばれる金属元素で、0.1≦x≦0.3である)で表される請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池の燃料極。
- 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池の燃料極に用いる原料粉末であって、BET換算径が100〜500nmの金属酸化物とBET換算径が10〜100nmのイオン伝導材料を前者に対する後者の径の比が1/5〜1/10の範囲となる条件で、乾式状態において機械的に複合化して得られる燃料極用原料粉体。
- 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池の燃料極を支持体とし、電解質に[(Ce1−xMx)O2−δ](但し、Mは、アルカリ金属、アルカリ土類金属及び希土類の群から選ばれる金属元素で、0.1≦x≦0.3である)を用いる固体酸化物形燃料電池。
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