JP3141911B2 - 固体燃料電池用空気極材料および固体燃料電池 - Google Patents
固体燃料電池用空気極材料および固体燃料電池Info
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Description
料および固体燃料電池に関するものである。特に、80
0℃の低温で動作させる固体燃料電池およびその固体電
池に用いる空気極の材料に関する。
解質燃料電池に関心が高まりつつある。特にエネルギー
の有効利用という観点から、固体燃料電池はカルノー効
率の制約を受けないため本質的に高いエネルギー変換効
率を有し、さらに良好な環境保全が期待されるなどの優
れた特徴をもっている。固体電解質としては従来YSZ
(イットリウム安定化ジルコニア)が最も有望視されて
いるが、十分な酸素イオン伝導度を得るには1000℃
の高温で動作させる必要があるが、このような高温では
電極と電解質の界面での劣化反応等が生じ、部品寿命の
劣化が激しく信頼性の高い電池の実現が難しい。
燃料電池の開発が求められている。低温動作時に十分な
酸素イオン伝導度を得るためにジルコニア−スカンジウ
ム系、セリア系およびYSZ(イットリウム−スカンジ
ウム−ジルコニア系)の薄層化などの検討が行なわれて
いる。
よく検討されている物質の熱膨張係数を表2に示す。完
全な緻密性が要求される固体電解質とインターコネクタ
材は、ほぼ熱膨張係数が一致している。これに対して、
燃料極であるYSZ−Niサーメットおよび空気極のL
a0.8Sr0.2MnO3は、約24−40%程度熱膨張係
数が大きいが、この程度の不整合は許容されると考えら
れる。これは燃料極および空気極は多孔質なので、熱膨
張係数が電解質と異なっていても熱膨張差はある程度吸
収されることによる。
解質の他に空気極の電気伝導性の低下、および空気極の
電極活性が低下するため空気極における過電圧の上昇が
起こり、発電効率の低下などの問題が生じる。そこで低
温動作用燃料電池には触媒活性が高く800℃の低温で
も過電圧が1000℃のマンガン系材料とほぼ同等であ
るLa0.8Sr0.2CoO3などコバルト系材料の検討が
行なわれている。
来材料であるマンガン系の12.4×10-6に比べて2
2.0×10-6とはるかに高い。YSZでは熱膨張係数
は10.0×10-6であるのでコバルト系電極材料は2
倍以上の熱膨張係数を有していることになる。室温と動
作温度である800℃の間での温度サイクルによりYS
Zには応力が繰り返しかかり、その結果、クラックが入
る恐れがある。このため、コバルト系電極材料はこのま
までは空気極としての実用的な価値は低い。
ン系並みの熱膨張係数を有する空気極が求められてい
る。
張係数が従来のマンガン系材料に近い低温動作型固体燃
料電池用空気極材料および前記材料を使用した固体燃料
電池を提供することにある。
め、本発明による低温動作型固体燃料電池用空気極材料
は、固体燃料電池用空気極材料において、前記空気極材
料が、Pr1-yAyMn1-xCoxO3であることを特徴と
する。ただし、Aはアルカリ土類金属元素またはCeで
あり、かつxとyについては0.05≦x≦0.5、
0.05≦y≦0.5である。
料は、空気極と固体電解質と燃料極からなる固体燃料電
池において、前記空気極にPr1-yAyMn1-xCoxO3
である空気極材料が含有されてなることを特徴とする。
ただし、Aはアルカリ土類金属元素またはCeであり、
かつxとyについては0.05≦x≦0.5、0.05
≦y≦0.5である。
よる固体燃料電池用空気極材料は、Pr1-yAyMn1-x
CoxO3である。ただし、式中、Aはアルカリ土類金属
元素またはCeであり、かつxとyについては0.05
≦x≦0.5、0.05≦y≦0.5である。
eである。特に、Aはイオン半径の適合性のため、アル
カリ土類金属元素としてはSrまたはCaが特に好適に
用いられる。また、AはCeでもよい。
ら、後述の実施例より明らかなように0.05≦x≦
0.5、0.05≦y≦0.5である。
であり、上述のような固体燃料電池用空気極材料を使用
している。
率が10.0×10-6付近の熱膨張率を有するものが使
用できる。このような固体電解質としては、たとえばジ
ルコニウム化合物−スナンジウム化合物−アルミナ固体
電解質、イットリウム−スカンジウム−ジルコニア系
(たとえばYSZ)固体電解質などを挙げることができ
る。
していたものを有効に使用できる。
1-xCoxO3、(A:2価の陽イオンまたはCe)を検
討したところ、電極活性が高く800℃でも十分小さな
過電圧で、熱膨張係数も従来材料のLa0.8Sr0.2Co
O3とほぼ同等であることを発見し、本発明をなすに至
った。これによって低温動作時の発電特性および電解質
との熱膨張係数の整合性という2つの特性に同時に優れ
る固体燃料電池用空気極材料を実現できる。
発明は以下の実施例に特に限定されるものではない。
た。図1中、1は燃料極、2は固体電解質、3は空気極
である。空気極、燃料極の厚みは0.1mm、固体電解
質の厚みを0.3mmとし、図1に示す構造の20mm
Φの単セルを形成した。
下に示す。まず、ドクターブレード法により固体電解質
のセラミックス薄板のグリーンシートを形成し1600
℃で焼きあげる。これにスクリーンプリントで燃料電極
にNi−YSZを塗布し1400℃で焼き、この後、上
記の空気極を塗布し1100℃で焼き付けた。
o0.4O3の時の単セルの水素−酸素雰囲気800℃にお
ける電流密度−電圧特性を示す。比較のために上記の単
セルの空気極だけをLa0.8Sr0.2MnO3としたセル
の特性も同時に示す。図2中、●は本発明の空気極を使
用したもの、○は従来の空気極の電流−電圧特性を示
す。本発明による空気極を用いた電池の方が、電流−電
圧特性に優れていることがわかる。なお、固体電解質に
は(ZrO2)0.9(Sc2O3)0.09(Al2O3)0.01、
燃料極にはNi−YSZ(Ni:60mol%;Ni
0.6−(Zr0.84Y0.16O2)0.4)を使用した。
O3)0.09(Al2O3)0.01組成よりなる酸化物を、燃
料極にはNi−YSZ(Ni:60mol%;Ni0.6
−(Zr0.84Y0.16O2)0.4)を、そして空気極にはP
r1-ySryMn1-xCoxO3を用いで空気極における端
子電圧と熱膨張係数の測定を行なった。ここで、y=
0.2とし、x=0.05、0.1、0.2、0.3、
0.4、0.5、そしてx=0.3で、y=0.05、
0.1、0.2、0.3、0.4、0.5の場合につい
て測定した。
電圧と熱膨張係数の空気極組成依存性を示す。ここで、
端子電圧は電流密度が1A/cm2時の値である。これ
ら本発明の空気極を用いたときは、いずれも従来のLa
0.8Sr0.2MnO3を空気極に用いたセルに比べ良好な
特性を示した。
来材料以下の熱膨張係数を持つことがわかる。熱膨張の
観点からの実用的な組成範囲xは5〜50%であると考
えられる。また、同様に実用的な組成範囲yは5〜50
%であると考えられる。
けをPr1-yCayMn0.6Co0.4O3(0.05≦y≦
0.5)に代えて実施例1と同様の実験を行なった。表
1−3に示すように実施例1とほぼ同様に、従来の空気
極材料であるLa0.8Sr0.2MnO3に比べいずれも良
好な結果を得た。
けをPr1-yCeyMn0.6Co0.4O3(0.05≦y≦
0.5)に代えて実施例1と同様の実験を行なった。表
1−4に示すように実施例1とほぼ同様に、従来の空気
極材料であるLa0.8Sr0.2MnO3に比べいずれも良
好な結果を得た。
池の空気極材料をPr1-yAyMn1-xCoxO3、(A:
アルカリ土類金属元素またはCe(4価の陽イオン)、
x=0.05〜0.5、y=0.05〜0.5)とする
ことで、電極活性が高く800℃でも十分小さな過電圧
で、熱膨張係数も従来材料のLa0.8Sr0.2MnO3と
ほぼ同等である空気極を得ることに成功した。本発明は
固体燃料電池の高効率動作化に大きな貢献をなすもので
ある。
Claims (5)
- 【請求項1】固体燃料電池用空気極材料において、前記
空気極材料が、Pr1-yAyMn1-xCoxO3であること
を特徴とする固体燃料電池用空気極材料。ただし、Aは
アルカリ土類金属元素またはCeであり、かつxとyに
ついては0.05≦x≦0.5、0.05≦y≦0.5
である。 - 【請求項2】前記アルカリ土類金属元素はSrまたはC
aである請求項1記載の固体燃料電池用空気極材料。 - 【請求項3】空気極と固体電解質と燃料極からなる固体
燃料電池において、前記空気極にPr1-yAyMn1-xC
oxO3である空気極材料が含有されてなることを特徴と
する固体燃料電池。ただし、Aはアルカリ土類金属元素
またはCeであり、かつxとyについては0.05≦x
≦0.5、0.05≦y≦0.5である。 - 【請求項4】前記アルカリ土類金属元素はSrまたはC
aである請求項3記載の固体燃料電池。 - 【請求項5】前記固体電解質は、ジルコニウム化合物−
スカンジウム化合物−アルミナからなる固体電解質であ
ることを特徴とする請求項3または4記載の固体燃料電
池。
Priority Applications (1)
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JP06037908A JP3141911B2 (ja) | 1994-02-10 | 1994-02-10 | 固体燃料電池用空気極材料および固体燃料電池 |
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JPH07226208A JPH07226208A (ja) | 1995-08-22 |
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JP2013101965A (ja) * | 2013-01-24 | 2013-05-23 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 固体酸化物形燃料電池 |
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1994
- 1994-02-10 JP JP06037908A patent/JP3141911B2/ja not_active Expired - Fee Related
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