JPH06103993A - 燃料電池用固体電解質および固体電解質型燃料電池 - Google Patents

燃料電池用固体電解質および固体電解質型燃料電池

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JPH06103993A
JPH06103993A JP4279388A JP27938892A JPH06103993A JP H06103993 A JPH06103993 A JP H06103993A JP 4279388 A JP4279388 A JP 4279388A JP 27938892 A JP27938892 A JP 27938892A JP H06103993 A JPH06103993 A JP H06103993A
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fuel cell
solid
zirconia
oxide
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Shu Yamaguchi
周 山口
Takeshi Kawashima
健 川島
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Tokyo Gas Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 固体電解質型燃料電池の燃料極における電極
反応面積(反応サイト)を増すこと。 【構成】 固体電解質に酸化チタンを固溶させて燃料電
池の固体電解質層を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池用固体電解質
およびこの固体電解質を用いた固体電解質型燃料電池に
関する。
【0002】
【従来技術】最近、酸素と水素をそれぞれ酸化剤および
燃料として、燃料が本来持っている化学エネルギーを直
接電気エネルギーに変換する燃料電池が、省資源、環境
保護などの観点から注目されており、特に固体電解質型
燃料電池は、作動温度が800〜1000°Cと高いこ
とから、リン酸型、溶融炭酸塩型の燃料電池に比べて原
理的に発電効率が高く、排熱を有効に利用することがで
き、構成材料がすべて固体であり取扱いが容易であるな
どの多くの利点を有するため、研究、開発が進んできて
いる。
【0003】従来この種の固体電解質型燃料電池として
は図3に示すような構造のものが知られている。この図
は分解斜視図であり、上から単電池1、セパレータ(ま
たはインターコネクタと称する)2、単電池1、セパレ
ータ2の順に交互に積層され、最終的に一体的に固定さ
れて固体電解質型燃料電池の基本構造(以下スタックと
略称する)を構成している。このスタックにおいては、
セパレータ2は単電池1を交互に隔離し且つ単電池1を
次々に電気的に直列に接続する機能を有する。
【0004】単電池1は平板状固体電解質層3の表面に
燃料極4、裏面に空気極5が配置されており、これらの
極4、5のそれぞれに燃料ガスと酸化剤ガス(例えば空
気)をそれぞれ供給することにより電極反応を起こさせ
て起電力を発生させる。このように極4、5の表面にガ
スを均等に流すための流通路としてセパレータ2の両面
には複数列の溝2aが縦方向又は横方向に整然と形成さ
れている。
【0005】ここで、燃料電池の燃料極4および空気極
5での反応をみるために単電池に着目し、図4に示すよ
うに単電池1に負荷6を接続し、燃料極4側に水素(H
2 )、メタン(CH4 )などの燃料ガスを供給し、空気
極5側に空気、酸素(O2 )などの酸化剤を供給する
と、固体電解質層3と燃料極4との界面A、固体電解質
層3と空気極5との界面Bでは、それぞれ次のような反
応が起こる。
【0006】 界面A:O2-+2H(吸着)→H2 O+2e- 界面B:O(吸着)+2e- →O2- この反応により両極間に起電力が発生し、負荷6に電流
が流れる。
【0007】ところで、固体電解質型燃料電池の作動温
度は、上記のように800〜1000℃と高いため、固
体電解質層3には酸素イオン伝導体であるY23 など
をドープしたZrO2 などが用いられ、燃料極4、空気
極5の材料としては、各構成材料の熱膨張率の差による
電池の破壊が生じないように固体電解質層3と同程度の
熱膨張率の物質が用いられており、燃料極4にはNiと
YSZのサ−メットが、空気極5にはSrなどをドープ
したLaMnO3 が用いられている。YSZで構成され
た固体電解質層3は完全な酸素イオン伝導体であるため
に、上の式で示した電極反応が起こる場合は界面A、B
の全体ではなく図5に破線の丸で囲んで示した部分すな
わち燃料極側(図の上側)では、(1)固体電解質層3
と、(2)燃料極4を構成するNi粒子と、(3)燃料
ガス(H2 )が供給されるとともにH2 O(水蒸気)が
逃げる空間との三者が存在する三相界面に限定され、空
気極側(図の下側)では、(1)固体電解質層と、
(2)空気極5を構成するLa(Sr)MnO3 粒子
と、(3)空気(O2 )が供給される空間との三者が存
在する三相界面に限定される。
【0008】このようにかんがえてみると、燃料電池の
電極反応が起る部分(反応サイトという)は電極面積に
比べて極めて少ないことがわかり、特に燃料極側におい
ては電極反応による分極のために電圧損失が大きいとい
う問題がある。この電圧損失は電極反応が遅いほど大き
いことが知られている。電極反応は燃料極側における燃
料ガス中のH2 の分圧と反応サイトの面積に左右される
といわれているので、従来の燃料電池において電圧損失
が大きいことはどうしても避けられない問題である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】そこでこの問題を解決
すべく、反応サイトを多くするために燃料極を形成する
Ni粒子を細かくする方法が提案されている(特開平4
−190562号)が、あまり粒径を小さくすると焼結
してしまい逆に反応サイトが減少してしまうため、Ni
粒子の粒径に限界がある。ということは反応サイトを増
すことにも限界がある。
【0010】それとは別に、反応サイトでの電極反応速
度を大きくするために、Ni粒子の代わりにルテニウム
を用いる方法が提案されている。(第32回電池討論会
予稿集P.229、1991年)。
【0011】この方法は、ルテニウムの触媒活性が高い
点では好ましいが、ルテニウムが高価であることと、焼
結しにくいために燃料極として固体電解質層に付きにく
い点が欠点である。
【0012】本発明は上記の点にかんがみてなされたも
ので、燃料極の構造を変えずに燃料極における反応サイ
トと増すことを目的とする。
【0013】
【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、ジルコニア系固体電解質に遷移金属酸化物
を固溶させて燃料電池用の固体電解質層を構成した。
【0014】また、ジルコニア系固体電解質に遷移金属
酸化物を固溶させてなる固体電解質層を用いて燃料電池
を構成した。
【0015】
【作用】固体電解質に遷移金属酸化物を固溶させること
により固体電解質の電子電導度が増し、本来の酸素イオ
ン電導性に付加されて固体電解質層の導電率が高まるた
め、電極反応の起こる面積が著しく増す。
【0016】
【実施例】以下本発明を図面に基づいて説明する。
【0017】本発明の基本的な考え方は、固体電解質層
に電子電導性を付与しようとするもので、これにより本
来の酸素イオン電導性に新たに電子電導性が付加されて
燃料極雰囲気(低酸素分圧)下において前述した固体電
解質層とNi粒子と空間との三相界面だけでなく、固体
電解質層と空間との二相界面でも電極反応が起こるよう
になる。
【0018】本発明の一実施例としてゾルゲル法により
以下手順で固体電解質層となるZrO2 −Y23 −T
iO2 を作製した。 所定量はかりとったZrイソプロポキシド(Zr(O
37 i)4 )、Yイソプロポキシド(Y(OC3
7 i)3 )、Tiイソプロポキシド(Ti(OC37
i)4 )をエチレングリコールモノエチルエーテル(C
25 OCH2 CH2 OH)に溶解する。 これを大気中に放置して加水分解し、湿潤ゲルとす
る。 湿潤ゲルを乾燥させる。 乾燥させたものをプレス成型し、800℃〜1500
℃でアニールする。
【0019】別にセラミック法で以下の手順によりZr
2 −Y23 −Ti2 を作製した。 所定量はかりとった、ZrO2 、Y23 、TiO2
をエタノール中に懸濁させて、ボールミルで粉砕、混合
する。 乾燥させたものを1300℃〜1500℃で仮焼し
て、固相反応により固溶体とする。 これをプレス成型し、1700〜1750℃でアニー
ルする。
【0020】次に上記ゾルゲル法で作製した固体電解質
について酸素分圧(気圧)に対する導電率(S/c
-1)の関係を測定したところ、図1に示すような結果
が得られた。図1において、黒丸は添加した酸化チタン
が0.170モル分率、白丸は同じく0.318モル分
率、白の正方形は同無添加の場合を示す。
【0021】図からわかるように、酸素分圧が10-10
気圧あたりから導電率が増加し始め、酸素分圧がそれよ
り減少するにつれて導電率が直線的に増加する。燃料電
池の燃料極の酸素分圧は10-18 気圧程度であるので、
本実施例の固体電解質を固体電解質層として用いれば電
子電導性が増し、電極反応サイトが固体電解質層と気相
との界面にまで広がり、電圧損失が低減される。
【0022】次に、TiO2 の添加量と電子電導性との
関係について本発明者が実験を行なった結果図2に示
す。図2は添加する酸化チタンの濃度(モル分率)に対
する電 くなる酸素分圧)を作動温度800℃と1000℃につ
いて示したものである。図からわかるように、酸化チタ
ンの添加量が少量であってもそれなりに電子電導度が現
われ、電極反応面積の拡大にそれなりの効果がある。最
も有効な酸化チタンの添加量は次の関係式 酸素イオン電導度≦電子電導度 を満足するような濃度が好ましい。この関係式を満足す
れば、電極反応が電解質層と気相との界面のほとんどす
べてで起こるようになり、反応表面積は最大となる。
【0023】図2は上記関係式で等号が成立する点を結
んだもので、ある酸素分圧に対してこの曲線から決まる
濃度以上の酸化チタンをドープすれば上記関係式が満足
される。たとえば、燃料電池の燃料極の酸素分圧1×1
-20 〜1×10-18 気圧に対しては酸化チタンの濃度
は0.09(9モル%)以上であればよい。従って、燃
料極作動条件を考慮すると、酸化チタンの好ましい添加
量は9〜35モル%となる。これ以上の酸化チタンを添
加すると、別の相が現われてきて燃料電池には好ましく
ない。
【0024】上記実施例において製作された固体電解質
を固体電解質層として用い燃料電池を構成することによ
り反応サイトの大きい、従って電圧損失の小さい燃料電
池が得られるが、それとは別に次のようにして同じ効果
を得ることができる。 (1)燃料電池の固体電解質層の片面で燃料極を形成す
る側に、YSZと酸化チタンとの固溶体をコーティング
する。 (2)燃料電池の燃料極をNi粒子とYSZと酸化チタ
ンとの固溶体で構成する。
【0025】上記実施例では、燃料電池の固体電解質層
としてYSZを例示したが、本発明はこれに限らず、酸
化カルシウム(CaO)や酸化マグネシウム(MgO)
をZrO2 にドープして成るジルコニア系の固体電解質
に対して酸化チタンを用いても電子電導度を高めること
が可能である。また、酸化チタンの代わりに酸化セリウ
ム(CeO2 )を用いても同じ効果が得られることが確
認された。同様に、酸化バナジウム(V25 )、酸化
鉄(Fe23 )、酸化マンガン(Mn23)などの
遷移金属の酸化物であれば同じ効果が得られると考えら
れる。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、ジルコニア系固体電解質に遷移金属酸化物を固溶さ
せて燃料電池用の固体電解質層を形成したので、従来の
組成の燃料極を用いても電極反応が起こる部分が、従来
の固体電解質層とNi粒子と気相との三相界面から固体
電解質層と気相との二相界面にまで広がる。このため反
応サイトが著しく増し、電圧損失の小さい燃料電池が構
成される。燃料極の組成は従来のままであるから焼結し
にくいという問題もなく、高価なルテニウムを用いる必
要もない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による燃料電池用固体電解質の酸素分圧
に対する導電率を示す。
【図2】本発明において添加する酸化チタンの濃度と酸
素分圧との関係を示す。
【図3】燃料電池の構造を分解して示す斜視図である。
【図4】燃料電池の単電池について電気的接続を示す。
【図5】燃料電池の燃料極側での電極反応の説明図であ
る。
【符号の説明】
1 単電池 2 セパレータ 3 固体電解質層 4 燃料極 5 空気極

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ジルコニア系固体電解質に遷移金属の酸
    化物を固溶させたことを特徴とする燃料電池用固体電解
    質。
  2. 【請求項2】 前記ジルコニア系固体電解質がイットリ
    ア安定化ジルコニア(YSZという)であり、前記遷移
    金属酸化物が酸化チタンである請求項1に記載の燃料電
    池用固体電解質。
  3. 【請求項3】 ジルコニア系固体電解質層の表面にジル
    コニア系固体電解質と遷移金属酸化物との固溶体をコー
    ティングして成ることを特徴とする燃料電池用固体電解
    質。
  4. 【請求項4】 前記酸化チタン濃度が9〜35モル%で
    ある請求項1に記載の燃料電池用固体電解質。
  5. 【請求項5】 ジルコニア系固体電解質に遷移金属の酸
    化物を固溶させて成る固体電解質層を有することを特徴
    とする固体電解質型燃料電池。
  6. 【請求項6】 前記ジルコニア系固体電解質がYSZで
    あり、前記遷移金属酸化物が酸化チタンである請求項5
    に記載の固体電解質型燃料電池。
  7. 【請求項7】 ジルコニア系固体電解質層の片面に、遷
    移金属酸化物を固溶させて成るジルコニア系固体電解質
    と金属粒子のサ−メットで燃料極を形成し、他面に空気
    極を形成したことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
JP4279388A 1992-09-22 1992-09-22 燃料電池用固体電解質および固体電解質型燃料電池 Withdrawn JPH06103993A (ja)

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Cited By (4)

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