JP3949512B2 - アノード支持固体酸化物型燃料電池の製造方法 - Google Patents

アノード支持固体酸化物型燃料電池の製造方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アノード支持固体酸化物型燃料電池の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来の固体酸化物型燃料電池の機能を示す模式図である。
【０００３】
この図において、１０１は燃料極（負極：アノード）、１０２は固体イオン伝導性酸化物からなる電解質、１０３は空気極（正極：カソード）、１０４は燃料極１０１で反応する燃料〔例えば、メタン（ＣＨ4 ）〕、１０５は空気極１０３で反応するＯ2 、１０６は外部回路、１０７はその外部回路に接続される負荷である。
【０００４】
固体酸化物型燃料電池においては、イオン伝導を高く保つために固体電解質を薄膜化する必要がある。しかし、薄膜化により機械的な強度が弱くなる。そのため、アノードもしくはカソードを支持体にして、その上に電解質を薄膜化することが試みられている。
【０００５】
これまでのセリア系電解質薄膜の調製としては、スクリーン印刷とテープキャスティングの二件がある。また、Ｄｏｓｈｉらのグループにより１９９９年にＧＤＣ（ガドリニウムをドープしたセリア）を使用した薄膜化が報告されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ステンレスなどの汎用材料の使用温度を考慮すると燃料電池の運転温度は７００℃以下、耐久性まで考慮すると５００〜６００℃が好ましい。しかし、十分な性能をもつアノードが無かった。
【０００７】
本発明にかかるアノード材料は、日比野らによって最近見出されたものであるが、彼らの実験は厚い電解質を用いたものであり、アノードの性能を十分に発揮させるまでに至っていなかった。つまり、固体酸化物型燃料電池において、イオン伝導を高く保つためには固体電解質を薄膜化する必要があるが、固体電解質を薄膜化すると機械的な強度が弱くなるといった問題があった。
【０００８】
本発明は、上記状況に鑑みて、アノードの性能を十分に発揮させることができるアノード支持固体酸化物型燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕アノード支持固体酸化物型燃料電池の製造方法において、サマリウムもしくはガドリニウムの少なくとも一つを１０〜３０モル％ドープしたセリアを仕込み重量で５〜３０重量％と、さらにＲｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕの少なくとも一つを１〜１０重量％添加した混合物、残部酸化ニッケルからなる材料に５重量％のアセチレンブラックを添加して混合調整し、最初に５００℃で熱処理してカーボンを飛ばし、続けて１４２５℃で仮焼するようにして多孔性のサーメットアノードを形成し、このサーメットアノードを支持体として、その上にサマリウムもしくはガドリニウムの少なくとも一つを１０〜３０モル％ドープしたセリアをスピンコーティングにより形成した５〜６０μｍの薄膜の電解質とを作製する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。
【００１１】
図１は本発明の参考例を示すアノード支持固体酸化物型燃料電池の模式図である。
【００１２】
この図において、１は多孔性のサーメットアノードであり、このアノードは、サマリウムもしくはガドリニウムの少なくとも一つを１０〜３０モル％ドープしたセリアを仕込み重量で５〜３０重量％と、さらにＲｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕの少なくとも一つを１〜１０重量％添加した混合物に、残部酸化ニッケルからなる材料を混合調整したものである。
【００１３】
また、２は電解質であり、前記多孔性のアノード１を多孔性支持体にして、ＳＤＣもしくはＧＤＣ（サマリウムもしくはガドリニウムの少なくとも一つを１０〜３０モル％ドープしたセリア）をスピンコーティングにより形成した５〜６０μｍの薄膜からなる。３はカソード、４はアノード１で反応する燃料〔例えば、メタン（ＣＨ4 ）〕、５はカソード３で反応するＯ2 、６は外部回路、７はその外部回路に接続される負荷である。
【００１４】
この参考例では、カソード３からの酸化物イオンＯ2-が電解質２を移動して、これがアノード１に到達した後に、ＣＯやＨ2 と反応してＣＯ2 やＨ2 Ｏとなる。燃料４は主にメタン（ＣＨ4 ）であり、このメタンがアノード（燃料極）１で改質されてメタンからＣＯやＨ2 になり、これが酸化物イオンＯ2-と反応する。
【００１５】
図２は本発明の実施例を示すアノード支持固体酸化物型燃料電池の要部の製造工程断面図である。
【００１６】
以下、そのアノード支持固体酸化物型燃料電池の要部の製造方法について説明する。
【００１７】
（１）まず、図２（ａ）に示すように、サマリウムもしくはガドリニウムの少なくとも一つを１０〜３０モル％ドープしたセリアを仕込み重量で５〜３０重量％と、さらにＲｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕの少なくとも一つを１〜１０重量％添加した混合物に、残部酸化ニッケルからなる材料を混合調整した多孔性のサーメットアノード（アノード支持体）１を形成する。
【００１８】
なお、多孔性のアノード支持体１としては、上記の材料にアセチレンブラック（５重量％程度）を添加して、最初に５００℃で熱処理して、カーボンを飛ばし、続けて１４２５℃で仮焼するようにした。
【００１９】
（２）次いで、図２（ｂ）に示すように、多孔性のサーメットアノード１をアノード支持体として、その上にＳＤＣもしくはＧＤＣ（サマリウムもしくはガドリニウムの少なくとも一つを１０〜３０モル％ドープしたセリア）をスピンコーティングにより５〜６０μｍの薄膜の電解質２を作製する。
【００２０】
（３）次に、図２（ｃ）に示すように、薄膜の電解質２上にカソード３を形成する。
【００２１】
図３は、このようにして得られた燃料電池の要部を示す図（代用写真）であり、下部より順にサーメットアノード（アノード支持体）１、薄膜の電解質２、カソード３を示している。
【００２２】
このようにして得られたアノード支持固体酸化物型燃料電池は、イオン伝導が高く保たれ、高い出力を持ち機械的な強度に優れている。
【００２３】
この燃料電池を６００℃に設定して、ドライメタンを燃料として供給したところ、燃料電池は５００ｍＷ／ｃｍ2 以上の高い出力を示した。
【００２４】
上記実施例では、燃料としてはドライメタン（ＣＨ4 ）を用いたが、これに限定するものではなく、燃料としては、その他、Ｈ2 ，Ｃ2 Ｈ6 ，Ｃ3 Ｈ8 なども用いることができる。
【００２５】
それらの燃料を用いた場合の本発明のアノード支持固体酸化物型燃料電池の出力特性を図４に示す。この図４において、横軸は電流密度（ｍＡ／ｃｍ2 ）、左縦軸は端子電圧（ｍＶ）、右縦軸は電力密度（ｍＶ／ｃｍ2 ）を示している。
【００２６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００２７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、機械的な強度に優れるとともに、イオン伝導が高く保たれ、高い出力を得ることができるアノード支持固体酸化物型燃料電池を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示すアノード支持固体酸化物型燃料電池の模式図である。
【図２】 本発明の実施例を示すアノード支持固体酸化物型燃料電池の要部の製造工程断面図である。
【図３】 本発明の実施例を示す燃料電池の要部を示す図（代用写真）である。
【図４】 本発明の実施例を示す各種の燃料を用いた場合のアノード支持固体酸化物型燃料電池の出力特性図である。
【図５】 従来の固体酸化物型燃料電池の機能を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 多孔性のサーメットアノード（アノード支持体）
２ 薄膜の電解質
３ カソード
４ アノードで反応する燃料（ＣＨ4 ）
５ カソードで反応するＯ2
６ 外部回路
７ 外部回路に接続される負荷

Claims (1)

  1. （ａ）サマリウムもしくはガドリニウムの少なくとも一つを１０〜３０モル％ドープしたセリアを仕込み重量で５〜３０重量％と、さらにＲｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕの少なくとも一つを１〜１０重量％添加した混合物、残部酸化ニッケルからなる材料に５重量％のアセチレンブラックを添加して混合調整し、最初に５００℃で熱処理してカーボンを飛ばし、続けて１４２５℃で仮焼するようにして多孔性のサーメットアノードを形成し、
    （ｂ）該サーメットアノードを支持体として、その上にサマリウムもしくはガドリニウムの少なくとも一つを１０〜３０モル％ドープしたセリアをスピンコーティングにより形成した５〜６０μｍの薄膜の電解質とを作製するアノード支持固体酸化物型燃料電池の製造方法。
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