JPH08222238A - 固体電解質型燃料電池用セパレータおよびそれを使用した固体電解質型燃料電池 - Google Patents

固体電解質型燃料電池用セパレータおよびそれを使用した固体電解質型燃料電池

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JPH08222238A
JPH08222238A JP7023140A JP2314095A JPH08222238A JP H08222238 A JPH08222238 A JP H08222238A JP 7023140 A JP7023140 A JP 7023140A JP 2314095 A JP2314095 A JP 2314095A JP H08222238 A JPH08222238 A JP H08222238A
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JP
Japan
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fuel cell
separator
solid electrolyte
electrolyte fuel
lanthanum chromite
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JP7023140A
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English (en)
Inventor
Isamu Yasuda
勇 安田
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.)
Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Gas Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH08222238A publication Critical patent/JPH08222238A/ja
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • 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
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

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Abstract

(57)【要約】 【目的】容易に緻密に焼結することができ、十分な機械
的強度を有し、空気中と燃料中の熱膨張挙動の差が小さ
く、かつ化学的安定性に優れた固体電解質型燃料電池用
セパレータを提供すること。 【構成】一般式LaCr1-x-yxy3 で表され、式
中MはMgおよび/またはAl、Nは少なくともNi、
Fe、Co、Zn、Al、Cu、Mn、V、Tiの一つ
であり、0<x≦0.2および0<y≦0.1なるラン
タンクロマイトにより作られている。

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用
セパレータおよびそれを使用した固体電解質型燃料電池
に関する。
【0002】
【従来技術】最近、空気と都市ガスをはじめとする炭化
水素ガス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、動作温度
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、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。固体電解質型燃料電池は固体電解質層を挟んでそ
の両側に燃料極と空気極を有する単電池をセパレータを
介して積層したもの(スタック)であり、燃料極に燃料
ガスを流し、空気極に酸化剤ガスを流すことにより、両
極間に起電力が発生する。
【0003】ところで、固体電解質型燃料電池のセパレ
ータの材料としてランタンクロマイト酸化物LaCrO
3 が広く使用されている。これは、セパレータは燃料電
池の運転温度である約1000°Cという高温におい
て、化学的に安定で、緻密でガスを透過せず、電気抵抗
が少なく、電子伝導性が高く、イオン伝導性が無視でき
るほど小さく、他の構成材料と化学的に反応しにくく、
膨張率が他の電池材料、特に電解質として用いられるイ
ットリア安定化ジルコニア(YSZ)と同一で、機械的
強度が大きい等の特性を具備しなければならないが、特
に、1.酸化性雰囲気でも還元性雰囲気でも安定であっ
て、2.導電性がよいこと、換言すれば電気抵抗が小さい
ことの2条件を満足することが必要であり、ランタンク
ロマイト酸化物がこの条件を最も満足する材料であるか
らである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】固体電解質型燃料電池
のセパレータは、スタック中の単電池を直列に接続する
と同時に、電池に使用される酸化剤ガスと燃料ガスを分
離してクロスリークを防止する役目を有しているので、
前記ランタンクロマイト酸化物を緻密なものにする必要
がある。ランタンクロマイト酸化物はセラミックスであ
り、これは通常孔をなくすため焼結しているが、Cr成
分が焼結中の高温度で蒸発するので緻密化が阻害され、
高密度焼結が困難となる。このためにアルカリ土類金属
をドープしたランタンクロマイトは空気中では1400
〜1700°Cで焼成しても相対密度が60%程度にし
か焼結できない欠点がある。このように、従来のランタ
ンクロマイトは連通する開気孔があるので固体電解質燃
料電池のセパレータとして充分に使用できない。
【0005】これを克服するために(1)Laサイトを
Crサイトに対して過剰な組成とする方法(特開平2−
11632号、特開平5−159791号など)、
(2)CrサイトにCoなどの遷移金属をドープする方
法(特開平3−65517号、特開平4−219364
号など)などにより、焼成中に溶融物を生成させ緻密化
を促進する方法が提案されている。これらの従来技術は
アルカリ土類金属としてCaまたはSrを用いる場合に
適用が可能で、Mgをドーパントとして用いる場合には
CrサイトにCoをドープする方法(特開昭61ー25
9462号)が提案されているのみである。
【0006】しかるに、(1)の方法は燃料電池の使用
環境において、表面にCa5 (CrO43 OHなどの
不純物層を生成しやすい欠点がある。(2)の方法は第
3成分として添加する遷移金属の分率が増えてくると、
燃料雰囲気下で化学的に不安定となり、分解しやすくな
る欠点がある。(1)(2)の方法に共通する問題とし
て、緻密化を助ける液相物質が焼結後に粒界などに局所
的に偏在することが多く、高温における長時間の使用に
たいしては、第2相化合物を生成したり、接触する他の
材料と反応したりするという問題を抱えている。また、
従来品は酸化雰囲気と燃料雰囲気における熱膨張挙動が
異なるために、燃料電池の使用環境において破損しやす
い欠点がある。
【0007】本発明は、上述の点にかんがみてなされた
もので、容易に緻密に焼結することができ、十分な機械
的強度を有し、空気中と燃料中の熱膨張挙動の差が小さ
く、かつ化学的安定性に優れた固体電解質型燃料電池用
セパレータを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のセパレータは一般式LaCr1-x-yxy
3 で表され、式中MはMgおよび/またはAl、Nは
少なくともNi、Fe、Co、Zn、Al、Cu、M
n、V、Tiの一つであり、0<x≦0.2および0<
y≦0.1なるランタンクロマイトにより作られたこと
を特徴とする。
【0009】また、本発明のセパレータはランタンクロ
マイトLaCr1-x-yMgxNiy3 (式中、0<x≦
0.2および0<y≦0.1)で作られたことを特徴と
する。
【0010】また、本発明の固体電解質型燃料電池は固
体電解質層を挟んでその両側に燃料極と空気極を有する
単電池をセパレータを介して積層し、前記セパレータが
上記構成のセパレータであることを特徴とする
【0011】
【作用】ランタンクロマイトのランタンサイトにCa、
Srなどのアルカリ土類金属、クロムサイトにMg、及
びまたはCoなどの遷移金属をドープすると、ランタン
クロマイトは燃料電池の燃料雰囲気下において酸素欠損
を生じやすくなる。酸素欠損の生成は、(1)酸化性雰
囲気下で生成しているCr4+イオンをサイズの大きいC
3+に還元する、(2)結晶格子中に空隙を生成する、
(3)陽イオンと陰イオン間の静電引力を弱めるという
3つの現象を伴い、これらが複合的に作用して結晶格子
を膨張させる。この膨張が大きいと、セパレータ板は燃
料電池作動状態において反りを発生したり、破損したり
する危険性がある。したがって、このような理由による
板の破損を防ぐためには酸素欠損あるいはそれに基づく
膨張の少ない材料を用いることが好ましいことになる。
第1置換元素としてMgを用いると、酸素欠損生成に伴
う膨張量を小さく抑える効果がある。さらに第2置換元
素として遷移金属元素を用いると、難焼結性が改善さ
れ、高密度かつ高強度を有する材料を提供することを可
能とする作用がある。特に、Niを第2置換元素として
選択すると、他の遷移金属を用いる場合よりも格子膨張
を低減する作用が大きい。
【0012】
【実施例】以下本発明を実施例に基づいて説明する。
【0013】本発明にかかる固体電解質型燃料電池用セ
パレータは、一般式LaCr1-x-yxy3 で表さ
れ、式中MはMgおよび/またはAl、Nは少なくとも
Ni、Fe、Co、Zn、Al、Cu、Mn、V、Ti
の一つであり、0<x≦0.2および0<y≦0.1な
るランタンクロマイトにより作られている。また、本発
明の固体電解質型燃料電池は、固体電解質層を挟んでそ
の両側に燃料極と空気極を有する単電池を上記構成のセ
パレータを介して積層している。
【0014】第1置換元素MとしてMgを用いる場合に
はx=0.2とするとMgが入りきらずに、ランタンク
ロマイト以外の化合物を生じることが報告されている。
また、AlはCrと任意の比率で置換し得るが、置換率
の増加とともに導電率が減少するのでxを0.2以下と
することが好ましいことが報告されている。
【0015】第2置換元素Nについては置換量が多くな
りすぎると燃料雰囲気における化学的安定性が低下す
る。例えば、La0.89Ca0.10Cr0.90Co0.103
ついては1000℃の燃料雰囲気における熱処理により
導電率および機械的強度が処理時間とともに低下するこ
とが報告されている。この報告からCo以外の遷移金属
元素を第2置換元素Nとする場合についても、置換量y
を0.1以下とすることが好ましいと類推される。
【0016】本発明にかかるセパレータの試料と従来品
との比較試験を実施した。
【0017】試料の調整は次のように実施された。 (1)La23 、Cr23 、MgO、NiOをx=
0.1、y=0.05となるように秤量、混合し、16
00℃で12時間反応させ、LaCr0.85Mg0.1 Ni
0.053 の粉末を得た。 (2)これをよく粉砕した後にスプレードライヤーで造
粒したものを加圧成型し、1700℃で3時間焼成し、
焼結体試料を調製した。
【0018】試料の特性評価は次のように実施された。 (1)密度は試料のみかけの幾何学的体積と重量から求
めた。 (2)相対密度はX線回折測定から求めた格子定数から
理論密度を算出し、試料の密度をこれで除して求めた。 (3)導電率は直流4端子法により測定した。 (4)曲げ強度はJISR1601に基づき、4点曲げ
試験により測定した。
【0019】評価結果を次表に示す。
【0020】
【表1】 上表の中で、“還元雰囲気中”とは酸素分圧が10-18
atm程度のN2 /H2 合ガス中を言い、“還元処理
後”とは酸素分圧が10-18 atm程度のN2 /H2
合ガス中で1000℃において12時間熱処理した後に
室温まで徐冷して測定したものであり、また従来品の4
点曲げ強度が“O”とは測定するまでもなく手で折り曲
げて破損したことを示している。
【0021】上記表から本発明にかかるセパレータが従
来品に比較して性質上優れていることが判明する。
【0022】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明のセ
パレータは一般式LaCr1-x-yxy3 で表され、
式中MはMgおよび/またはAl、Nは少なくともN
i、Fe、Co、Zn、Al、Cu、Mn、V、Tiの
一つであり、0<x≦0.2および0<y≦0.1なる
ランタンクロマイトにより作られているので、次のよう
な優れた効果が得られる。 (1)容易に緻密に焼結することができる。 (2)十分な機械的強度を有する。 (3)空気中と燃料中の熱膨張挙動の差が小さい。 (4)化学的安定性に優れている。 (5)電子伝導性が高い。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一般式LaCr1-x-yxy3 で表さ
    れ、式中MはMgおよび/またはAl、Nは少なくとも
    Ni、Fe、Co、Zn、Al、Cu、Mn、V、Ti
    の一つであり、0<x≦0.2および0<y≦0.1な
    るランタンクロマイトにより作られたことを特徴とする
    固体電解質型燃料電池用セパレータ。
  2. 【請求項2】 ランタンクロマイトLaCr1-x-yMgx
    Niy3 (式中、0<x≦0.2および0<y≦0.
    1)で作られたことを特徴とする固体電解質型燃料電池
    用セパレータ。
  3. 【請求項3】 固体電解質層を挟んでその両側に燃料極
    と空気極を有する単電池をセパレータを介して積層した
    固体電解質型燃料電池において、前記セパレータが請求
    項1または請求項2に記載のセパレータであることを特
    徴とする固体電解質型燃料電池。
JP7023140A 1995-02-10 1995-02-10 固体電解質型燃料電池用セパレータおよびそれを使用した固体電解質型燃料電池 Pending JPH08222238A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007086346A1 (ja) 2006-01-27 2007-08-02 Kyocera Corporation 導電性焼結体、燃料電池用導電部材、燃料電池セル、および燃料電池
JP2011194328A (ja) * 2010-03-19 2011-10-06 Nec Corp 酸素還元触媒

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