JP5525564B2 - 固体酸化物形燃料電池用空気極材料 - Google Patents
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Description
(1) 鉄含有ペロブスカイト型酸化物のBサイトを構成する鉄に加えて7a族元素や8族元素を適量混合すれば、導電性や電極活性が更に向上し、空気極材料として好ましい組成になる。
(2) ペロブスカイト型酸化物のAサイトを構成する主たる元素をプラセオジムとすれば、ランタンの場合と比較して、電解質との反応性が抑えられて高温安定性が向上する。
(3) プラセオジムと共に適量のアルカリ土類金属または希土類元素を混合すれば、電解質との熱膨張差も少なくなり、空気極材料として非常に優れたものが得られる。
(PrxA1-x)(FeyB1-y)O3……(I)
[式中、Aは、アルカリ土類金属元素および希土類元素から選択される少なくとも1種の元素を示し;Bは、7a族元素および8族元素から選択される少なくとも1種の元素を示し;xは0.5≦x≦1;yは0.5≦y≦1を示す]
(PrxA1-x)(FeyB1-y)O3……(I)
[式中、Aは、アルカリ土類金属元素および希土類元素から選択される少なくとも1種の元素を示し;Bは、7a族元素および8族元素から選択される少なくとも1種の元素を示し;xは0.5≦x≦1;yは0.5≦y≦1を示す]
(1) 空気極用ペーストの調製
原料であるペロブスカイト型酸化物粉末としては、市販の純度99.9%のPr2O3,La2O3,CeO2,Gd2O3,Sm2O3,CaCO3,SrCO3,BaCO3,Fe2O3,NiO,Mn2O3,Co3O4,およびCuOの粉末を使用した。これらを表1,2に示す組成となる様に混合した。当該混合物にエタノールを加え、ビーズミルで1時間粉砕混合した。次いで、乾燥してから800℃で1時間仮焼した。さらに、エタノールを加えてビーズミルで1時間粉砕混合してから乾燥した。その後、1100〜1300℃で5時間固相反応させた。
4モル%のスカンジアで安定化されたジルコニアからなる4ScSZ電解質膜(厚さ150μm×直径30mm)の片面に、NiO/10モル%スカンジア1モル%セリア安定化ジルコニアからなる燃料極が形成した。当該ハーフセルの他方側の面に、上記で得た空気極用ペーストを、100メッシュのステンレス製金網の刷版を用いてスクリーン印刷した。乾燥後950〜1200℃で焼成することによって、膜厚が約45μmの空気極膜を形成し、燃料電池セルを作製した。同様の燃料電池セルは、各例ごとに4個ずつ作製した。
図1に略示する小型単セル発電装置を用いて、上記で作製したセルについて発電試験を行い、そのセル出力密度を測定した。燃料ガスとしては800℃の3%水蒸気加湿水素を、また、酸化剤としては空気を使用した。電流測定装置としては、アドバンテスト社製の商品名「R8240」を用い、電流電圧発生器としては、同アドバンテスト社製の商品名「R6240」を使用した。結果を表1〜3に示す。
連続発電による出力密度の劣化傾向を確認するため、300mA/cm2の電流を流してセル端子電圧を測定し、初期から200時間、500時間、1000時間経過後の劣化率を測定した。結果を表1〜3に示す。なお、セル端子電圧低下率は下記の様にして求めた。なお、対照例1〜4、6と7では、上記試験例1で測定した初期出力密度が低かったので、当該測定は行わなかった。また、本発明に係る実施例5、6、20および23では、実験時間を短縮するために、500時間または1000時間経過後の測定を省略した。
[セル端子電圧低下率]=[(初期の出力電圧−所定時間経過後の出力電圧)/初期の出力電圧]×100(%)
新品のセルを使用し、100時間連続運転後にヒータを停止して室温まで降温し、室温で20時間保持してから800℃に昇温する熱サイクルを3〜5回繰返し、そのときのセル端子電圧の低下率も測定した。その結果を、サーマルサイクル劣化率として表1〜3に示す。なお、対照例3と4では、上記試験例1で測定した初期出力密度が非常に低かったので、当該測定を行わなかった。
上記で作製した各実施例の燃料電池セルのうち2個を電気炉内に挿入し、950℃で500時間加熱した。その後、出力密度を測定し、その低下率を算出することにより、劣化促進テストを行った。結果を表1〜3に示す。
Claims (7)
- 下記一般式(I)で表されるペロブスカイト型酸化物の粒子、並びに、イットリウム、サマリウムおよびガドリニウムよりなる群から選択される少なくとも1種の元素でドープされたドープドセリアの粗粒子、および、イットリウム、スカンジウムおよびイッテルビウムよりなる群から選択される少なくとも1種の元素の酸化物で安定化された安定化ジルコニアの粒子を含み、
(PrxA1-x)(FeyB1-y)O3……(I)
[式中、Aは、アルカリ土類金属元素および希土類元素から選択される少なくとも1種の元素を示し;Bは、7a族元素および8族元素から選択される少なくとも1種の元素を示し;xは0.5≦x≦1;yは0.5≦y≦1を示す]
ペロブスカイト型酸化物を70〜95質量%、ドープドセリアと安定化ジルコニアの合計を5〜30質量%含み、
各粒子の平均粒径が、「ドープドセリア粗粒子>ペロブスカイト型酸化物粒子>安定化ジルコニア粒子」の関係を満たすものであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用空気極材料。 - ドープドセリア粗粒子の平均粒径が1〜30μm、ペロブスカイト型酸化物粒子の平均粒径が0.3〜3μm、安定化ジルコニア粒子の平均粒径が0.1〜1μmである請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池用空気極材料。
- 下記一般式(I)で表されるペロブスカイト型酸化物の粒子、並びに、イットリウム、サマリウムおよびガドリニウムよりなる群から選択される少なくとも1種の元素でドープされたドープドセリアの粗粒子および微粒子を含み、
(PrxA1-x)(FeyB1-y)O3……(I)
[式中、Aは、アルカリ土類金属元素および希土類元素から選択される少なくとも1種の元素を示し;Bは、7a族元素および8族元素から選択される少なくとも1種の元素を示し;xは0.5≦x≦1;yは0.5≦y≦1を示す]
ペロブスカイト型酸化物を70〜95質量%、ドープドセリアを5〜30質量%含み、
各粒子の平均粒径が、「ドープドセリア粗粒子>ペロブスカイト型酸化物粒子>ドープドセリア微粒子」の関係を満たすものであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用空気極材料。 - ドープドセリア粗粒子の平均粒径が1〜30μm、ペロブスカイト型酸化物粒子の平均粒径が0.3〜3μm、ドープドセリア微粒子の平均粒径が0.1〜1μmである請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池用空気極材料。
- 固体酸化物形燃料電池における固体電解質の片面側に形成される空気極であって、請求項1〜4のいずれかに記載の空気極材料で形成されたものであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用空気極。
- 固体電解質の片面側に空気極が形成され、他方面側に燃料極が形成された固体酸化物形燃料電池セルであって、空気極が請求項1〜4のいずれかに記載の空気極材料で形成されたものである固体酸化物形燃料電池セル。
- 固体電解質が、スカンジウム、イットリウムおよびイッテルビウムよりなる群から選択される少なくとも1種の元素の酸化物で安定化されたジルコニアからなる請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
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