JPH07201344A - 低温作動固体電解質型燃料電池 - Google Patents

低温作動固体電解質型燃料電池

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JPH07201344A
JPH07201344A JP5349387A JP34938793A JPH07201344A JP H07201344 A JPH07201344 A JP H07201344A JP 5349387 A JP5349387 A JP 5349387A JP 34938793 A JP34938793 A JP 34938793A JP H07201344 A JPH07201344 A JP H07201344A
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JP
Japan
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solid electrolyte
fuel cell
low temperature
electrolyte layer
electrolyte fuel
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Pending
Application number
JP5349387A
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English (en)
Inventor
Masanobu Aizawa
正信 相沢
Masahiro Kuroishi
正宏 黒石
Hiroyuki Nagayama
博之 永山
Haruo Nishiyama
治男 西山
Akira Ueno
晃 上野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toto Ltd
Original Assignee
Toto Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 発電効率や経済性を損なうことなく、固体電
解質燃料電池の作動温度を下げ、もって装置の耐久性信
頼性を向上させることのできる低温作動固体電解質燃料
電池を提供する。 【構成】 本発明の低温作動固体電解質型燃料電池は、
固体電解質層3と、この表裏に接して設けられた空気極
2及び燃料極4を有する。固体電解質層3と空気極2及
び/又は燃料極4との界面には、Pt、Pd、Rh及び
Ruからなる群より選ばれた一種以上の元素を含む触媒
が担持されている。固体電解質層3と電極界面における
反応は、わずかの量の貴金属触媒の存在によって、反応
速度が上り、反応部の電気抵抗が下がる。そのため、燃
料電池の電力出力密度(発電性能)が上がる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質型燃料電池
(以下SOFCと言う)に関する。特には、触媒活性の
高い貴金属触媒が固体電解質層と空気極の界面等に担持
されているので、化学燃焼反応が比較的低温(例えば8
00℃)でも活発に生じ、低温作動させることのできる
SOFCに関する。
【0002】
【従来の技術】SOFCは、他のタイプの燃料電池(リ
ン酸型等)と比較して、高温で作動することを第1の特
徴とする。燃料電池の電極部で起こる電極触媒化学反応
は、高温になるほど活発になる。そのため、燃料電池の
作動温度が高いと、高価な貴金属触媒を使わなくとも、
効率よく化学燃焼反応を伴う発電を行うことができる。
また、固体電解質(ZrO2 等)の導電率を上げて発電
効率を高くするためにも、作動温度を高温にすることが
好ましい。さらに、高温排熱の利用をも含めた総合熱効
率向上を期すこともできる。言わば、SOFCは、高温
作動と貴金属触媒不使用との組合せを最大の眼目とする
技術と言える。しかし、今だに、工業的に使用しうるS
OFCが開発されるには至っていない。
【0003】特公平1−59705には、円筒型セルタ
イプのSOFC(CTC−SOFC)の一例が開示され
ている。このSOFCは、支持管−空気極−固体電解質
層−燃料極−インターコネクターから構成される多層円
筒型セルを有する。空気極側に酸素(空気)を流し、燃
料極側にガス燃料(H2 ・CO等)を流してやると、こ
のセル内でO2 -イオンが移動して化学的燃焼が起り、空
気電極と燃料電極の間に電位が生じ発電が行われる。
【0004】CTC−SOFCの空気極用の材料とし
て、特公平1−59705では、LaMnO3 、LaN
iO3 等の酸化物セラミックスが提案されている。その
後、特開昭63−261678によって、La1-x Sr
x MnO3 が、特開平2−288159によって、La
1-x Srx Mn1-yy3 (AはCu、Zn、Ni、
Fe、Co、Cr、Al、Ti、Mgの一以上)が提案
された。これらの材料は高温におけるイオン解離触媒作
用が高いため、SOFCの電極材に適している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、1000℃と
いう高温下で多様な特性を発揮することを要求され、か
つ長期の耐久性を要求される複合層構造のSOFCセル
を工業的に得ることは、なかなかに困難である。例え
ば、各層構成材料間の反応活発化や機械的強度低下のた
め、作動温度が高いと、装置の耐久性、信頼性が低下す
る。
【0006】本発明は、発電効率や経済性を損なうこと
なく、SOFCの作動温度を下げ、もって装置の耐久性
信頼性を向上させることのできるSOFCを提供するこ
とを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上述したように、SOF
C開発においては、1000℃作動と貴金属触媒の不使
用とが、当然の前提条件と考えられていた。しかし、本
発明者らは、この点は必ずしも絶対守らなければならな
い条件ではないと考えた。要は、経済性の点では貴金属
触媒の使用量を減らす、及び/又は、寿命(触媒活性低
下に起因する)を長くすることができればよい。また、
作動温度は800℃程度に低くしても、総合効率は90
%程度は望めるので、十分に工業的な意義はある。これ
らの点に着目し、最低限の貴金属触媒使用、及び、80
0℃程度の作動温度、という条件下で、YSZ(イット
リア安定化ジルコニア)使用SOFCの工業性が成立す
るのではないか、という観点から開発を重ねて、本発明
を完成させるに至った。
【0008】本発明の低温作動固体電解質型燃料電池
は、固体電解質層と、この固体電解質層の表裏に接して
設けられた空気極及び燃料極とを有し、固体電解質層と
空気極及び/又は燃料極との界面に、Pt、Pd、Rh
及びRuからなる群より選ばれた一種以上の元素を含む
触媒が担持されていることを特徴とする。
【0009】
【作 用】SOFCの固体電解質層電極界面における反
応は下式で表される。 空気極: 1/2O2 +2e- ⇒O -- 燃料極: H2 +O -- ⇒H2 O+2e - これらの反応は、わずかの量の貴金属触媒(Pt,P
d,Rh及びRuからなる群より選ばれた一種以上の元
素を含む触媒)の存在によって、反応速度が上り、反応
部の電気抵抗が下がる。そのため、電力出力密度(発電
性能)が上がる。
【0010】本発明の一態様の低温作動固体電解質型燃
料電池は、固体電解質層と、この固体電解質層の表裏に
接して設けられた空気極及び燃料極とを有し、上記固体
電解質層はYSZからなり、上記空気極はLa−Sr−
Mn系のペロブスカイト型酸化物からなり、固体電解質
層と空気極界面に、Ptを含む触媒が担持されているこ
とを特徴とする。
【0011】固体電解質と電極との界面でのみ酸化・還
元反応が生じていると考えられ、この部分にのみ触媒を
担持させることにより、高い反応効率を維持しながら触
媒の担持量を極力少なくすることができる。
【0012】本発明においては、上記触媒がS.S.
A.値1.0〜30m2/gのPt粉であることが好まし
い。
【0013】担持方法は、特に限定されるものではな
い。一例として、空気極材料粉末と触媒粉末を溶媒中で
混合し、スラリーとした後、これを空気電極上へスラリ
ーコート法により塗布し乾燥焼成する方法を採用でき
る。また、担持量は2mg/cm2 までが好ましい。こ
の範囲内で、反応温度の低下と、経済性の確保が十分に
達成できるからである。
【0014】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図1は、
CTC−SOFCセルの構造を示す模式断面図である。
図1のセルは円筒形チューブの多層構造をしており、内
側から、空気流路7、支持体1、空気極2、固体電解質
層3、燃料極4、及びセル外側の燃料流路9となってい
る。なお、円周方向の一部には空気極2と接触するイン
ターコネクター5が外面に表れるように設けられてい
る。なお、支持体1と空気極2を兼ねる一体の空気極支
持体を用いてもよい。この実施例のセルでは、空気極2
中と電解質との界面に、Pt分が0.4mg/cm2
持されている。
【0015】本実施例のセルの各部の材料名と成形方法
は以下のとおりである。 空気極2 :LaSrMnO3 、厚1.7mm、
押出し 界面層 :LaSrMnO3 粉末+Pt粉、厚
20〜30μm、スラリーコート 固体電解質層3 :YSZ、厚20〜30μm、スラリ
ーコート 燃料極4 :NiO+YSZ、厚50〜100μ
m、スラリーコート 上述のように成形後、1200℃〜1500℃にて焼成
した。
【0016】図2は、空気極2中へのPt含有量とセル
の電力出力密度との関係を示すグラフである。温度は8
00℃である。type1は、Pt触媒S.S.A.2
7.7m2 /g、type2は、S.S.A.1.2m
2 /gである。type1の電力出力密度ピーク値は
0.4W/cm2 に達しているが、これはほぼSOFC
の開発目標値に達している。この図から次のことが考え
られる。Pt触媒のS.S.A.は1m2 /g以上が好
ましく、より好ましくは5m2 /g以上、さらに好まし
くは10m2 /g以上、最も好ましくは20m2 /g以
上である。Pt含有量は、それぞれのS.S.A.に対
して最適値があるが、0.2〜1.2mg/cm2 が適
当な範囲である。さらに0.2〜0.8mg/cm2
より適当、0.4〜0.6mg/cm2 が最も適当と考
えられる。
【0017】なお、本実施例とは異なる以下の担持方法
も効果があると考えられる。 燃料極/電解質層界面への触媒担持 固体電解質とPt粉末を混合してスラリーコートによ
り担持 電極材と固体電解質、及びPt粉末を混合してスラリ
ーコートにより担持
【0018】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明の
低温作動SOFCは以下の効果を発揮する。 低温作動にもかかわらず電力出力密度が高い。 低温作動であるため、各層材料間の反応や、ガスと各
層との反応(酸化・還元等)が遅くなり、セルの耐久性
が増す。 低温作動であるため、材料の機械的強度が比較的高く
保てセルの信頼性が増す。 貴金属触媒の担持量はわずかであるため、そのための
装置製造コスト上昇は上述の効果により十二分に打ち消
しうる。
【図面の簡単な説明】
【図1】CTC−SOFCセルの構造を示す模式断面図
である。
【図2】空気極中へのPt含有量とセルの電力出力密度
との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 支持体 2 空気極 3 固体電解質層燃料極 4 燃料極 5 インターコネクター 7 空気流路 9 燃料流路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永山 博之 福岡県北九州市小倉北区中島2丁目1番1 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 西山 治男 福岡県北九州市小倉北区中島2丁目1番1 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 上野 晃 福岡県北九州市小倉北区中島2丁目1番1 号 東陶機器株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体電解質層と、この固体電解質層の表
    裏に接して設けられた空気極及び燃料極とを有し、 固体電解質層と空気極及び/又は燃料極との界面に、 Pt、Pd、Rh及びRuからなる群より選ばれた一種
    以上の元素を含む触媒が担持されていることを特徴とす
    る低温作動固体電解質型燃料電池。
  2. 【請求項2】 固体電解質層と、この固体電解質層の表
    裏に接して設けられた空気極及び燃料極とを有し、 上記固体電解質層はYSZからなり、 上記空気極はLa−Sr−Mn系のペロブスカイト型酸
    化物からなり、 固体電解質層と空気極界面に、Ptを含む触媒が担持さ
    れていることを特徴とする低温作動固体電解質型燃料電
    池。
  3. 【請求項3】 上記触媒が、S.S.A.値1.0〜3
    0m2/gのPt粉である請求項2又は3記載の低温作動固
    体電解質型燃料電池。
JP5349387A 1993-12-28 1993-12-28 低温作動固体電解質型燃料電池 Pending JPH07201344A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6602630B1 (en) * 2000-03-14 2003-08-05 The Electrosynthesis Company, Inc. Membrane electrode assemblies for electrochemical cells
WO2003069713A1 (en) * 2002-01-24 2003-08-21 The Electrosynthesis Company, Inc. Membrane electrode assemblies for electrochemical cells
US6663998B2 (en) 2001-04-05 2003-12-16 The Technical University Of Denmark (Dtu) Anode catalyst materials for use in fuel cells

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