JP2870126B2 - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

固体電解質型燃料電池

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JP2870126B2 JP2141051A JP14105190A JP2870126B2 JP 2870126 B2 JP2870126 B2 JP 2870126B2 JP 2141051 A JP2141051 A JP 2141051A JP 14105190 A JP14105190 A JP 14105190A JP 2870126 B2 JP2870126 B2 JP 2870126B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、650℃から850℃の間で作動する固体電解質
型燃料電池、とくに電解質と電極に関する。
従来の技術 固体電解質型燃料電池は、他の燃料電池に比べ、液漏
れ、液補充などの問題がなくメンテナンスフリーである
などの特徴を有している。また固体電解質型燃料電池
は、電解質の特性に依存して200℃以下で作動する低温
型と、1000℃程度で作動する高温型とがある。高温型の
燃料電池は、エネルギー変換効率が高く、良質の排熱を
利用することもできコジェネレーションシステムとして
有望なエネルギー変換機である。さらに、無触媒,燃料
ガスの多様性があるなど優れた特徴を持っている。
これらの燃料電池は、電解質の特性に依存するところ
が多く、作動温度もこの電解質の特性に依存していた。
低温型では有機高分子などの電解質が用いられてきた。
このタイプの燃料電池では、燃料となる水素ガスの活性
化電極に主に白金が用いられ高価なうえ、低温作動のた
めエネルギー効率(HHV)で45%が限度であった。一方
高温型では、酸化物電解質が用いられ、現在YSZ(イッ
トリア安定化ジルコニア)が主流である。これは、酸素
イオン伝導体であり、1000℃で約1×10-1S/cmの伝導度
を有する。高性能,高特性の酸素イオン伝導体の探索が
行われているが、現在のところYSZよりよい性能,特性
の材料は見つけられていない。従来このYSZを主成分と
した電解質を用いて、燃料電池が組み立てられてきた。
高温作動であるため電池本体の構成材料ならびにシール
ドなどの周辺材料は、ほとんどセラミックスが用いられ
ている。電池周辺を構成する構造材料として、アルミナ
系の強化セラミックス、また電極(空気極)材料とし
て、La−Co系,La−Cr系,La−Mn系の酸化物、さらに、燃
料極には、セラミックス(ジルコニア)と金属(Ni)を
混合化したサーメットが一般に用いられている。
発明が解決しようとする課題 しかしながら前記高温型燃料電池の従来技術には次の
ような課題がある。構造材料としてのセラミックスは、
強度的に脆いなどの問題があり、長期的な信頼性に欠け
る。また電極(空気極)材料としては、電子伝導性が低
いなどの問題があった。さらに、燃料極では、サーメッ
トが一般に用いられているが、これは金属の過焼結を防
ぐ目的でセラミックスを混合しており、セラミックスを
混合した分だけ電極での分極が大きくなり燃料電池の性
能を低下させている。しかし、現在用いられている酸素
イオン導伝体電解質は、操作温度を下げると伝導率が著
しく低下し、燃料電池自体の性能を低下させている。
本発明は、上記課題を解決するもので、長期にわたり
安定した構造を保持し、かつ高効率なエネルギー変換を
もたらす燃料電池を実現することを目的とするものであ
る。
課題を解決するための手段 上記の課題を解決するため、本発明の固体電解質型燃
料電池は、650℃から850℃で高伝導,高性能なプロトン
伝導体を電解質に用いることにより、電池を850℃以下
で高効率に操作させ、電池本体の構成材料ならびにシー
ルドなどの周辺材料に非セラミックス材料を用いる固体
電解質型燃料電池を提案するものであり、一対のガス拡
散電極間に固体電解質を配設し、前記一対のガス拡散電
極に還元ガスと酸化ガスとを供給し、系全体の温度を65
0℃から800℃の間で保ち電力を取り出す燃料電池におい
て、前記固体電解質はAxB(1-x)CyD(1-y)Op(但し、A,B
元素はSr,Ba,Ca,V,Zrから選ばれる元素であり、またC,D
はSm,La,Eu,Nd,Y,Ybから選ばれる元素であり、さらに0
≦X≦1、0<Y<1、1≦P≦3である。)で現され
るプロトン伝導性の酸化物であり、かつ前記ガス拡散電
極はNiを含有することを特徴とする。
作用 この構成により、本発明の固体電解質型燃料電池は、
650℃から850℃で高伝導,高性能なプロトン伝導体を電
解質に用いることにより、電池本体の構成材料ならびに
シールなどの周辺材料に非セラミックス材料を用いるも
のである。
実施例 本発明による固体電解質型燃料電池の実施例は、第3
図に示す単電池試験装置によりその特性を検討した。単
電池は、本実施例の電解質1を直径14mm、厚さ1〜2mm
のペレットとして用い、その両側に本実施例の空気極2,
燃料極3を焼き付けまたは物理的に膜成長させた電極か
ら構成している。燃料ガスとして水素ガス80%,炭酸ガ
ス19%,水蒸気1%からなる組成の混合ガスを、酸化ガ
スとして空気を用い、おのおの100cc/minの流量で供給
した。電解質1からなるペレットの上面または下面の外
周にそれぞれ650℃〜850℃の温度範囲で適度に軟化する
硝子からなるシールド材4を配し、シールド材4にセラ
ミックスからなる支持管5を当接し、支持管5内の中央
部に空気極2に酸化ガス(空気)を供給するセラミック
スからなる空気導入管6と、燃料極3に燃料ガスを供給
するセラミックスからなる燃料導入管7を挿入し、空気
導入管6または燃料導入管7の一端を空気極2または燃
料極3の表面近傍にのぞむように配している。
また、空気極2,燃料極3のそれぞれに接続している測
定用のリード線8,9をそれぞれ空気導入管6または燃料
導入管7から導出している。支持管5の外部は、アルゴ
ン雰囲気として単電池試験装置を構成している。
特性測定は、直流,交流2端子法で行った。
以下に、本発明の固体電解質型燃料電池の実施例を図
面を参照して説明する。
(実施例1) 本実施例は、プロトン伝導体電解質を燃料電池に用
い、その特性を調べたものである。合成したプロトン伝
導体の例を第1表に示す。伝導度測定は850℃における
値である。実施例1では、とくにプロトン伝導体として
BaSm0.9Y0.1Ox(xは1〜3)取り上げ説明する。ペレ
ット試料は、BaCO3,Sm2O3,Y2O3の粉末を所定の組成に
なるようにボールミル混合し、仮焼,粉砕混合を繰り返
し、最終的にプレス成型して本焼した。本焼後の試料
は、十分緻密なペレットであり、X線回折の結果、ほぼ
単一な相より成っていた。この電解質1(φ14×1.0m
m)の特性を調べるため、両側に白金電極を(φ7)焼
付け、第3図に示す位置に設置した。単電池の温度を65
0℃,750℃,850℃に設定し、プロトン伝導度と輸率(起
電力法)を、燃料極3側,空気極2側のアルゴンガス中
の水素濃度を変えて(水素濃淡電池)測定した。プロト
ン伝導度の測定結果を、第1図に示す。850℃で1×10
-1S/cmの特性を示し、プロトン輸率も1.0であった。従
来より固体電解質型燃料電池に用いられていた,YSZ電解
質の酸素イオン伝導度が、1000℃で約1×10-1S/cmであ
ったことにより推察すると、本実施例のプロトン電解質
1は、低温(850℃)で充分実用できることがわかっ
た。またこの単電池に、第3図で説明した組成のガスを
供給して、I−V特性を測定した結果、第2図に示す性
能を得た。明らかに850℃でYSZ電解質を用いた電池より
性能が優れていることがわかった。
(実施例2) 本実施例は、空気極にニッケル酸化物電極を用いた燃
料電池である。実施例1によるプロトン伝導体固体電解
質と組合せ一体化することにより、本実施例の効果が示
された。従来1000℃で操作する燃料電池では、電極に遷
移元素酸化物を用いたとき、電解質と反応したり、それ
自身相変化を起こすなどの問題があった。本実施例で
は、操作温度が850℃以下で性能が発揮されるプロトン
導伝体固体電解質を用い、遷移元素酸化物空気極の性能
試験を行った。まず実施例1で用いたプロトン導伝体固
体電解質1の空気極2側にニッケルをスパッタ法により
堆積させて電極とし、燃料極3側に白金電極を焼き付け
た。この試料を第3図に示す単電池性能試験装置にセッ
トし、所定のガスを供給したときのI−V特性を調べ、
その時の空気極2の分極を調べた。その結果従来用いら
れていた複合酸化物系の電極に比べ、ほぼ1/5の分極と
なった。この単電池で1000時間の連続放電を行なった
後、電極を観察した。しかしとくに著しい電解質1との
反応はみられず、電極自身も良好であった。
(実施例3) 本実施例は、燃料極にニッケル電極を用いた燃料電池
である。実施例1によるプロトン伝導体固体電解質と組
合せ一体化することにより、本実施例の効果が示され
た。従来1000℃で操作する燃料電池では、電極にサーメ
ットが用いられていた。これは電極の過焼結を抑制する
ように金属にセラミックスが混合されている。しかし電
子伝導性が悪く、電極での分極が大きかった。本実施例
では、操作温度が850℃以下で性能が発揮されるプロト
ン導伝体固体電解質を用い、金属あるいは合金の燃料極
の性能試験を行った。まず実施例1で用いたプロトン導
伝体固体電解質1の燃料極側にニッケルをスパッタ法に
より堆積させて電極とし、空気極2側に白金電極を焼き
付けた。この試料を第3図に示す単電池性能試験装置に
セットし、所定のガスを供給したときのI−V特性を調
べ、その時の燃料極3の分極を調べた。その結果従来用
いられていた複合酸化物系の電極に比べ、ほぼ1/7の分
極となった。この単電池で1000時間の連続放電を行なっ
た後、電極を観察した。しかしとくに著しい電解質1と
の反応はみられず、電極自身も良好であった。
本実施例で明らかなように、プロトン伝導体固体電解
質を用いて燃料電池を構成し、おのおのの電極に還元ガ
ス,酸化ガスをそれぞれ供給して、系全体の温度を650
℃から850℃の間で保ち電力を取り出すことが可能で、
その性能は従来のYSZ固体電解質を用いたものと同等、
あるいはより優れておりかつ、周辺材料により信頼性の
高い金属あるいは合金材料を用いることができる。また
このプロトン伝導性固体電解質を用い650℃から850℃で
操作する燃料電池の空気極にニッケル酸化物,燃料極に
ニッケルを用いた電池は、従来の固体電解質型燃料電池
より1.5〜2.0倍の性能を示すことが確認された。
以上、実施例1では酸化物プロトン電解質としてBaSm
0.9Y0.1Oxを用いた燃料電池の場合に付いて述べている
が、その他の酸化物プロトン電解質、例えば4元系,5元
系のプロトン電解質を用いてももちろん良い。また実施
例2では、空気極にNi酸化物を用いたが、遷移金属を含
む金属あるいは合金酸化物であってもよい。実施例3で
は、燃料極にNiを用いた例を示しているが、金属あるい
は合金であればどのようなものでもよい。もちろん電解
質と空気極,燃料極の組合せはどのようであってもよ
い。
なお、上記実施例では、固体電解質,空気極,燃料極
の作製法として焼結,スパッタ,焼付けなどを示してい
るが、製法は物理的または化学的成長法であっても、塗
布法であってももちろん良い。本実施例は、高伝導率を
有するプロトン伝導体固体電解質の材料と、このプロト
ン伝導体固体電解質を用いた操作温度650℃〜850℃の範
囲における、電極材料についてであって、これらの組合
せ、製法、制御は如何なる手法をとっても良い。
発明の効果 以上の実施例の説明で明らかなように、本発明の固体
電解質型燃料電池は、650℃から850℃で高伝導、高性能
なプロトン伝導体を電解質に用いることにより、電池を
850℃以下で高効率に操作させることができ、電池本体
の構成材料(空気極,燃料極)ならびにシールドなどの
周辺材料に非セラミックス材料を用いる固体電解質型燃
料電池を提供することができる。その結果、燃料電池の
長期にわたる安定した構造と高効率なエネルギー変換が
図れる。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の第1実施例である固体電解質型燃料電
池各種温度におけるプロトン伝導体電解質の伝導度測定
結果を示す特性図、第2図は本発明の第2実施例である
固体電解質型燃料電池の850℃におけるI−V特性図、
第3図は本発明の一実施例である単電池試験用装置の断
面図である。
フロントページの続き (72)発明者 蒲生 孝治 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭64−87510(JP,A) 特開 昭63−201051(JP,A) 特開 昭64−51331(JP,A) 特開 平3−1453(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 8/00 - 8/24 H01M 4/86 - 4/98 CAS

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一対のガス拡散電極間に、固体電解質を配
    設し、前記一対のガス拡散電極に還元ガスと酸化ガスと
    を供給し、系全体の温度を650℃から800℃の間で保ち電
    力を取り出す燃料電池において、前記固体電解質はAxB
    (1-x)CyD(1-y)Op(但し、A,B元素はSr,Ba,Ca,V,Zrから
    選ばれる元素であり、またC,DはSm,La,Eu,Nd,Y,Ybから
    選ばれる元素であり、さらに0≦X≦1、0<Y<1、
    1≦P≦3である。)で現されるプロトン伝導性の酸化
    物であり、かつ前記ガス拡散電極はNiを含有することを
    特徴とする固体電解質型燃料電池。
  2. 【請求項2】酸化ガスが供給されるガス拡散電極は、Ni
    酸化物を含有することを特徴とする請求項1記載の固体
    電解質型燃料電池。
  3. 【請求項3】燃料ガスが供給されるガス拡散電極は、Ni
    を含有することを特徴とする請求項2記載の固体電解質
    型燃料電池。
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