JPH0773886A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

固体電解質型燃料電池

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JPH0773886A
JPH0773886A JP5219452A JP21945293A JPH0773886A JP H0773886 A JPH0773886 A JP H0773886A JP 5219452 A JP5219452 A JP 5219452A JP 21945293 A JP21945293 A JP 21945293A JP H0773886 A JPH0773886 A JP H0773886A
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JP
Japan
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solid electrolyte
fuel cell
coo
air electrode
lanthanum
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JP5219452A
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Takao Ishii
隆生 石井
Reiichi Chiba
玲一 千葉
Yukimichi Tajima
幸道 田嶋
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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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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  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、YSZに比ベてイオン伝導度の高
い固体電解質をもちいて、動作温度を800℃まで下げ
るとともに、従来用いられているLa1-zSrzMnO3
より良好な導電率および触媒活性を有する空気電極を用
い、実用上使用可能な低温動作型固体燃料電池を提供す
ることを目的とする。 【構成】 本発明は、ZrO2-Sc23-Al23系の
固体電解質を用いる固体電解質型燃料電池において、空
気電極材料が、ランタンコバルト酸化物またはランタン
の一部をストロンチウムで置換した、ランタンコバルト
酸化物であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は低温動作固体電解質型燃
料電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、酸素イオン導伝体を用いた固体電
解質燃料電池に関心が高まりつつある。特にエネルギー
の有効利用という観点から、固体燃料電池はカルノー効
率の制約を受けないため、本質的に高いエネルギー変換
効率を有しており、さらに良好な環境保全性が期待され
ている。
【0003】固体電解質型燃料電池の電解質として従来
最も有望視されてきた酸素イオン導伝体であるY23
定化ZrO2(YSZ)において十分なイオン伝導度を
得るには1000℃の高温動作が必要である。しかしこ
のような高温では電極界面との反応が生じ、部品寿命の
劣化が激しく良好な電池特性が期待できない。
【0004】さらに電解質と空気電極の熱膨張率を合わ
せなければならないために空気電極の材料選択には制限
があり、固体燃料電池の実用化は遅れているのが現状で
ある。
【0005】とくに空気電極の材料選択の制限は最も大
きな問題である。現在は空気電極として導電率および触
媒活性の低いLa1-zSrzMnO3が用いられている。
この主な理由は、熱膨張係数が固体電解質として用いら
れているYSZに近いため1000℃まで温度を上げて
も電極と固体電解質間の剥離が起こらず、機械的特性が
安定しているためである。このような観点からイオン伝
導度の高い固体電解質を用いて低温動作化を行なうこと
が望まれている。それとともに低温動作化に伴う電極材
料の抵抗増加をおさえることが肝要で、導電率および触
媒活性の高い電極材料の開発が望まれる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明はYSZに比ベ
てイオン伝導度の高い固体電解質をもちいて、動作温度
を800℃まで下げるとともに、従来用いられているL
1-zSrzMnO3より良好な導電率および触媒活性を
有する空気電極を用い、実用上使用可能な低温動作型固
体燃料電池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】本発明は、ZrO2-Sc
23-Al23系の固体電解質を用いる固体電解質型燃
料電池において、空気電極材料が、ランタンコバルト酸
化物またはランタンの一部をストロンチウムで置換し
た、ランタンコバルト酸化物であることを特徴とする。
【0008】
【作用】以下に本発明の作用を本発明をなすに際して得
た知見とともに説明する。
【0009】本発明者らはまず、従来用いられているZ
rO2-Y23系イオン導伝体よりさらに高いイオン伝導
度を有するジルコニア系材料の探索を行った。
【0010】その結果、ドーパントのイオン半径がZr
4+に近いSc3+を用いた時、高いイオン伝導度が現われ
ることに注目しZrO2-Sc23系の材料を探索した。
しかしこの材料系はイオン伝導度の高い8〜13mol
%付近では室温において菱面体相が安定であるが、65
0℃付近で立方晶への構造相転移が起きるため、熱膨張
率の相違に基づき、熱サイクルによる破壊(剥離)を引
き起こし材料として実用上使用出来ない。
【0011】そこで本発明者らは、かかる相変態を防止
するために特定の第二ドーパントを加えて立方晶を室温
まで安定化した高いイオン伝導度を有する材料を見いだ
した(特願平4−334507号)。すなわちZrO2-
Sc23-Al23系の材料においては800℃で1×
10-1S/cm程度のイオン伝導度が実現できるが、こ
れは従来材料のYSZの1000℃での値に匹敵する。
このことからZrO2-Sc23-Al23系立方晶安定
化ジルコニアを用いれば動作温度を従来より200℃下
げることが出来る。
【0012】しかしこのような状況になれば従来用いら
れてきた空気電極La1-zSrzMnO3は温度の低下と
ともに電気抵抗が増大するため低温動作用の電極材料と
しては適さない。ペロブスカイト系酸化物の中でLaC
oO3は高温で良好な電気伝導度を示し、さらにLaの
一部をSrで置き換えたLal-zSrzCoO3では高温
において金属なみの電気伝導度を示す。またLaCoO
3は酸素イオンの拡散速度が電解質のそれに匹敵するた
め電極−酸素2相界面でも酸素の還元が起こり高い触媒
活性を示す。しかしこの材料は熱膨張係数がYSZの2
倍ほど大きくLa1-zSrzMnO3ほどにYSZと合致
しないため1000℃での高温では機械的特性に問題が
ある。さらにYSZとの反応性がLa1-zSrzMnO3
にくらべて高い。そこで本発明者らは、幾多の実験を重
ね創意探求した結果、結晶構造がABO 3で示されるぺ
ロブスカイト型と結晶構造が類似のK2NiF4型を有す
るLa2-zSrzCoO4(0.2<z<1.8)が電気
伝導度がLal-zSrzMnO3の3倍ほど高く熱膨張係
数がYSZの1.3倍程度であることを知見した。ここ
で、LaをすべてSrで置換することも考えられるが、
現実的に材料を合成することを考慮するならばLa0.2
Sr1.8CoO4が限界であろう。すなわち本発明によれ
ば、電解質材料としてYSZのかわりにZrO2-Sc2
3-Al23系立方晶安定化ジルコニアを使うことによ
り動作温度を下げ、電解質材料と電極材料の反応性が抑
えられ、さらに空気電極材料にLa2-zSrzCoO4
使うことにより電解質材料と電極材料の熱膨張係数差に
よる高温での機械的性質が改善され、低温動作型固体燃
料電池を実現できる。
【0013】
【実施例】
(実施例1)図lは本発明の材料を用いた単セルの固体
燃料電池の構成例を示す図である。本実施例の電池構成
において、1は燃料電極、2は固体電解質、3は空気電
極である。固体電解質材料としては、(l−x)ZrO
2−xSc23−yAl23(0.07≦x+y≦0.
13かつ0.005≦y≦0.02)なる組成物よりな
る立方晶安定化ジルコニアを、空気電極材料としては、
La2-zSrzCoO4(0.2<z<1.8)なる組成
物よりなる酸化物を、燃料電極にはNi-YSZを用い
た。
【0014】単セルの作成方法は次の通りである。
【0015】まずドクターブレード法により固体電解質
のセラミックス薄膜のグリーンシートを形成し1600
℃で焼き上げる。これにスクリーンプリントで燃料電極
にNi−YSZを塗布し1400℃、2時間、及び空気
電極にLa2-zSrzCoO4を塗布し、1050℃、4
時間で焼き付けた。
【0016】次に、本実施例の効果を測定例で示す。図
lにおいて、空気電極3および燃料電極1の厚みを0.
1mm、固体電解質2の厚みを0.3mmとし、20m
mφの単セルを形成した。固体電解質2の材料を0.9
0ZrO2-0.09Sc23-0.01Al23とし空
気電極3の材料をLa1.7Sr0.3CoO4とした場合の
水素−酸素雰囲気800℃における単セルの電流(電流
密度)−電圧特性を図2に示す。比較のために固体電解
質が0.90ZrO2-0.09Sc23-0.01Al2
3で空気電極がLa0.5Sr1.5MnO4の場合の800
℃における単セルの電流(電流密度)−電圧特性も同時
に示す。さらに同様にして800℃で測定した電流密度
が1A/cm2の時の端子電圧を表1に示す。また他の
方法で作成した単セルについても固体電解質にZrO2-
Sc23-Al23系立方晶安定化ジルコニアを、空気
電極にLa2-zSrzCoO4を用いた場合、その電池特
性はすべて、空気電極がLa0.5Sr1.5MnOの場合
より良好であった。
【0017】
【表1】 (実施例) 固体電解質 空気電極 端子電圧(V) 0.88ZrO2-0.115Sc2O3-0.005Al2O3 La0.5Sr1.5CoO4 0.50 0.88ZrO2-0.110Sc2O3-0.010Al2O3 La0.5Sr1.5CoO4 0.53 0.88ZrO2-0.105Sc2O3-0.015Al2O3 La0.5Sr1.5CoO4 0.48 0.88ZrO2-0.100Sc2O3-0.020Al2O3 La0.5Sr1.5CoO4 0.43 0.88ZrO2-0.095Sc2O3-0.025Al2O3 La0.5Sr1.5CoO4 0.42 0.93ZrO2-0.065Sc2O3-0.005Al2O3 La0.5Sr1.5CoO4 0.47 0.92ZrO2-0.075Sc2O3-0.005Al2O3 La0.5Sr1.5CoO4 0.50 0.91ZrO2-0.085Sc2O3-0.005Al2O3 La0.5Sr1.5CoO4 0.52 0.90ZrO2-0.095Sc2O3-0.005Al2O3 La0.5Sr1.5CoO4 0.58 0.89ZrO2-0.105Sc2O3-0.005Al2O3 La0.5Sr1.5CoO4 0.55 0.88ZrO2-0.115Sc2O3-0.005Al2O3 La0.5Sr1.5CoO4 0.52 0.87ZrO2-0.125Sc2O3-0.005Al2O3 La0.5Sr1.5CoO4 0.47 0.86ZrO2-0.135Sc2O3-0.005Al2O3 La0.5Sr1.5CoO4 0.45 0.90ZrO2-0.09Sc2O3-0.01Al2O3 La1.8Sr0.2CoO4 0.51 0.90ZrO2-0.09Sc2O3-0.01Al2O3 La1.5Sr0.5CoO4 0.55 0.90ZrO2-0.09Sc2O3-0.01Al2O3 La1.3Sr0.7CoO4 0.58 0.90ZrO2-0.09Sc2O3-0.01Al2O3 La1.0Sr1.0CoO4 0.54 0.90ZrO2-0.09Sc2O3-0.01Al2O3 La0.7Sr1.3CoO4 0.51 0.90ZrO2-0.09Sc2O3-0.01Al2O3 La0.5Sr1.5CoO4 0.45 0.90ZrO2-0.09Sc2O3-0.01Al2O3 La0.3Sr1.7CoO4 0.43 (比較例) 0.90ZrO2-0.09Sc2O3-0.01Al2O3 La0.7Sr0.3MnO4 0.22
【0018】
【発明の効果】以上説明したように、ZrO2-Sc23
-Al23系立方晶安定化ジルコニアを用いることによ
り従来の固体電解質燃料電池より200℃程度動作温度
を下げることが出来るとともに、La2-zSrzCoO4
を空気電極として用いることで従来問題となっていた低
温動作化に伴う電極材料の抵抗増加を回避することが可
能となる。本発明は固体燃料電池の低温動作化に大きな
貢献をなすものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の固体燃料電池単セルの構成図。
【図2】800℃での単セルの電流−電圧特性図。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ZrO2-Sc23-Al23系の固体電
    解質を用いる固体電解質型燃料電池において、空気電極
    材料がランタンコバルト酸化物またはランタンの一部を
    ストロンチウムで置換した、ランタンコバルト酸化物で
    あることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
JP5219452A 1993-09-03 1993-09-03 固体電解質型燃料電池 Pending JPH0773886A (ja)

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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005276540A (ja) * 2004-03-24 2005-10-06 Honda Motor Co Ltd 電解質・電極接合体及びその製造方法
JP2005314142A (ja) * 2004-04-27 2005-11-10 Nippon Steel Corp 酸化物イオン混合伝導体、複合構造体、酸素分離装置、及び化学反応装置
JP2010238547A (ja) * 2009-03-31 2010-10-21 Equos Research Co Ltd 燃料電池用触媒担体、燃料電池用触媒及び燃料電池用電極
JP2011051809A (ja) * 2009-08-31 2011-03-17 Tohoku Univ 複合金属酸化物およびその製造方法、並びにそれを用いた電極材料、電極および固体酸化物形燃料電池
JP2020123566A (ja) * 2019-01-30 2020-08-13 日本碍子株式会社 電気化学セル
CN113054240A (zh) * 2019-12-27 2021-06-29 太阳诱电株式会社 全固体电池及其制造方法

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