JP4989774B2 - 電極材料及びそれを含む固体酸化物型燃料電池セル - Google Patents
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Description
電極材料は、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物と、ジルコニア(ZrO2)およびジルコニアを含む化合物(例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)など)の少なくとも一方と、を含有する。
上記1.欄の電極材料の製造方法の例を以下に説明する。
燃料電池の一例として、固体酸化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)を挙げる。特に以下では、主に、複数の燃料電池セルが積層されたセルスタック構造を有するSOFCについて説明する。
図1に示すように、燃料電池10は、燃料電池セル(単に「セル」と称される)1と、集電部材4とを備える。
セル1はセラミックスの薄板である。セル1の厚みは、例えば30μm〜700μmであり、セル1の直径は、例えば5mm〜50mmである。セル1は、図1に示すように、燃料極11、バリア層13、空気極14、および電解質層(固体電解質層)15を備える。
燃料極11の材料としては、例えば、公知の燃料電池セルにおいて燃料極の形成に用いられる材料が用いられる。燃料極11の材料として、より具体的には、NiO‐YSZ(酸化ニッケル‐イットリア安定化ジルコニア)及び/又はNiO‐Y2O3(酸化ニッケル‐イットリア)が挙げられる。燃料極11は、これらの材料を主成分として含むことができる。燃料極11は、アノードとして機能する。
バリア層13は、空気極14と燃料極11との間に設けられ、より具体的には、空気極14と電解質層15との間に設けられる。
空気極14は、上記1.欄で説明した電極材料によって構成されている。空気極14の厚みは、5μm〜50μm程度であってもよい。
電解質層15は、バリア層13と燃料極11との間に設けられる。
集電部材4は、複数の導電接続部41を備える。
4−1.燃料極の形成
燃料極11は、圧粉成形によって形成可能である。すなわち、燃料極11は、燃料極11の材料が混合された粉末を型に入れ、圧縮して、圧粉体を成形することを含んでもよい。
燃料電池セルの製造方法は、圧粉成形によって形成された燃料極の成形体上に、電解質層を形成することを含む。
燃料電池セルの製造方法は、圧粉成形された燃料極及び電解質層を、共焼成(共焼結)することを含む。焼成温度及び焼成時間などの条件は、セルの材料等に応じて設定される。焼成温度は、例えば1350℃〜1500℃程度に設定でき、焼成時間は、例えば1時間〜20時間程度に設定できる。
上記4−3の焼成の前に、脱脂を行ってもよい。脱脂は、加熱によって実行される。脱脂温度及び脱脂時間などの条件は、セルの材料等に応じて設定される。脱脂温度は、例えば600℃〜900℃程度に設定でき、脱脂時間は、例えば1時間〜20時間程度に設定できる。
空気極は、例えば、燃料極、電解質層、及びバリア層の積層体(焼成後)上に、圧粉形成、印刷法等によって空気極の材料の層を形成した後、焼成することで形成される。焼成温度及び焼成時間などの条件は、セルの材料等に応じて設定される。焼成温度は、例えば900℃〜1200℃程度に設定でき、焼成時間は、例えば1時間〜10時間程度に設定できる。
燃料電池セルの構成に応じて、製造方法は他の工程をさらに含んでもよいし、上述の工程の内容が変更されてもよい。例えば、製造方法は、電解質層と空気極との間に反応防止層を設ける工程を含んでもよいし、2層構造の燃料極を形成する工程(基板を形成する工程及び燃料極活性層を形成する工程)を含んでもよい。
NiO-8YSZ燃料極(500μm)上に、NiO-8YSZ燃料極活性層(10μm)、8YSZ電解質層(3μm)、GDCバリア層(3μm)を積層した後、1400℃で2hrの条件で、共焼成した。
B−1.電力の出力密度
このように作製したSOFCセルを用いて、750℃下で、0.8Vにおける出力密度を測定した。
赤外線ランプを用いて、本セルの熱サイクル試験を実施した。750℃まで10分で昇温し、30分で常温まで冷却する条件にて100回の熱サイクル試験を実施し、顕微鏡を用いて空気極とバリア層との界面における剥離の有無を観察した。
上記B−2の熱サイクル試験前後の空気極の構造を、SEM(scanning electron microscope)によって観察した。
出力密度及び熱サイクル試験の評価結果を表1〜表3に示す。
・これらの反応結果物の導電性は低いので、セルの抵抗値が上昇すること、
・反応活性点が減少すること、及び/又は、
・空気極中で組成が不均一になること
が考えられる。
10 燃料電池
11 燃料極
13 バリア層
14 空気極
15 電解質層
4 集電部材
41 導電接続部
Claims (7)
- 一般式ABO3で表されるペロブスカイト構造を有する複合酸化物と、ZrO2およびZrO2を含む化合物の少なくとも一方と、を含有し、
ZrO2の含有量が、空気極材料全体に対して0.3×10-2重量%以上1重量%以下である固体酸化物型燃料電池セルの空気極材料。 - 前記AサイトにLa及びSrの少なくとも一方を含む
請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池セルの空気極材料。 - 前記複合酸化物は、酸素イオン伝導性及び電子伝導性を有する
請求項1又は2に記載の固体酸化物型燃料電池セルの空気極材料。 - 前記複合酸化物は、(LaSr)(CoFe)O3、(LaSr)FeO3、(LaSr)CoO3、La(NiFe)O3、又は(SmSr)CoO3である
請求項1〜3のいずれかに記載の固体酸化物型燃料電池セルの空気極材料。 - 前記空気極材料は、20μm以下の平均粒径を有する粉体である
請求項1〜4のいずれかに記載の固体酸化物型燃料電池セルの空気極材料。 - 前記粉体の平均粒径は1.0μm以下である
請求項5に記載の固体酸化物型燃料電池セルの空気極材料。 - 請求項1〜6のいずれかに記載の空気極材料からなる空気極と、
燃料極と、
前記空気極と前記燃料極との間に配置される固体電解質層と、
を備える
固体酸化物型燃料電池セル。
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