JPH0982335A - 高温固体電解質型燃料電池用燃料極 - Google Patents
高温固体電解質型燃料電池用燃料極Info
- Publication number
- JPH0982335A JPH0982335A JP7232636A JP23263695A JPH0982335A JP H0982335 A JPH0982335 A JP H0982335A JP 7232636 A JP7232636 A JP 7232636A JP 23263695 A JP23263695 A JP 23263695A JP H0982335 A JPH0982335 A JP H0982335A
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- electrode
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電解質との熱膨張係数の差が小さく、電解質
膜との剥離の問題がなく、しかも安価なSOFC用燃料
極を提供する。 【解決手段】 Ni−Fe合金2Aと、ZrO2 系及び
/又はCeO2 系セラミックス2Bとのサーメットで構
成されるSOFC用燃料極。 【効果】 燃料極を構成するサーメットのNiの一部を
安価なFeで置き換えることにより、燃料極材料のコス
トを下げることができ、同時に燃料極材料と電解質材料
の熱膨張率をより整合させることができる。
膜との剥離の問題がなく、しかも安価なSOFC用燃料
極を提供する。 【解決手段】 Ni−Fe合金2Aと、ZrO2 系及び
/又はCeO2 系セラミックス2Bとのサーメットで構
成されるSOFC用燃料極。 【効果】 燃料極を構成するサーメットのNiの一部を
安価なFeで置き換えることにより、燃料極材料のコス
トを下げることができ、同時に燃料極材料と電解質材料
の熱膨張率をより整合させることができる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は高温固体型電解質型
燃料電池(SOFC)用燃料極に係り、特に、電解質と
の熱膨張係数の差が小さく、電解質膜との剥離の問題が
なく、しかも安価なSOFC用燃料極に関する。
燃料電池(SOFC)用燃料極に係り、特に、電解質と
の熱膨張係数の差が小さく、電解質膜との剥離の問題が
なく、しかも安価なSOFC用燃料極に関する。
【0002】
【従来の技術】SOFCは、図2に示す如く、イットリ
ア安定化ジルコニア(YSZ)よりなる電解質膜1に燃
料極(アノード)及び空気極(カソード)の電極膜2,
3を積層した構成とされている。従来、燃料極材料とし
ては、Ni−YSZサーメットが主に使用されており、
このNi−YSZサーメットのNi含有量やNiとYS
Zとの粒径比についての検討が行われている。
ア安定化ジルコニア(YSZ)よりなる電解質膜1に燃
料極(アノード)及び空気極(カソード)の電極膜2,
3を積層した構成とされている。従来、燃料極材料とし
ては、Ni−YSZサーメットが主に使用されており、
このNi−YSZサーメットのNi含有量やNiとYS
Zとの粒径比についての検討が行われている。
【0003】このSOFC用燃料極材料の基本的な要求
特性は、高い電子導電性と、下層の電解質膜を構成する
YSZの熱膨張係数に近い熱膨張係数を有することであ
るが、SOFCが既存の発電システムに十分な対抗力を
得るためには、より一層のコストダウンが必要であるこ
とから、SOFC用燃料極材料についても、安価に提供
されることが要求される。
特性は、高い電子導電性と、下層の電解質膜を構成する
YSZの熱膨張係数に近い熱膨張係数を有することであ
るが、SOFCが既存の発電システムに十分な対抗力を
得るためには、より一層のコストダウンが必要であるこ
とから、SOFC用燃料極材料についても、安価に提供
されることが要求される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来、
SOFC用燃料極材料として提案されているNi−YS
Zサーメットは、導電性や熱膨張係数等の点では、要求
特性をほぼ満足するものではあるが、金属成分としてN
iを用いるため、高価であるという欠点がある。
SOFC用燃料極材料として提案されているNi−YS
Zサーメットは、導電性や熱膨張係数等の点では、要求
特性をほぼ満足するものではあるが、金属成分としてN
iを用いるため、高価であるという欠点がある。
【0005】本発明は上記従来の問題点を解決し、電解
質との熱膨張係数の差が小さく、電解質膜との剥離の問
題がなく、しかも安価なSOFC用燃料極を提供するこ
とを目的とする。
質との熱膨張係数の差が小さく、電解質膜との剥離の問
題がなく、しかも安価なSOFC用燃料極を提供するこ
とを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明のSOFC用燃料
極は、ニッケル−鉄合金(Ni−Fe合金)と、ジルコ
ニア(ZrO2 )系セラミックス及び/又はセリア(C
eO2 )系セラミックスとのサーメットで構成されるこ
とを特徴とする。
極は、ニッケル−鉄合金(Ni−Fe合金)と、ジルコ
ニア(ZrO2 )系セラミックス及び/又はセリア(C
eO2 )系セラミックスとのサーメットで構成されるこ
とを特徴とする。
【0007】このように、燃料極を構成するサーメット
のNiの一部を安価なFeで置き換えることにより、燃
料極材料のコストを下げることができ、同時に燃料極材
料と電解質材料の熱膨張率をより整合させることができ
る。
のNiの一部を安価なFeで置き換えることにより、燃
料極材料のコストを下げることができ、同時に燃料極材
料と電解質材料の熱膨張率をより整合させることができ
る。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を詳
細に説明する。
細に説明する。
【0009】図1は本発明のSOFC用燃料極を構成す
るサーメットの構造を説明する模式的な断面図であり、
図1の部の拡大図に相当する。
るサーメットの構造を説明する模式的な断面図であり、
図1の部の拡大図に相当する。
【0010】図示の如く、本発明のSOFC用燃料極
は、Ni−Fe合金2AとYSZ2B等のZrO2 系セ
ラミックス及び/又はCeO2 系セラミックスとのサー
メットで構成される。
は、Ni−Fe合金2AとYSZ2B等のZrO2 系セ
ラミックス及び/又はCeO2 系セラミックスとのサー
メットで構成される。
【0011】本発明のSOFC燃料極において、Ni−
Fe合金のFeとNiとのモル比はFe:Ni=0.5
〜8:6であることが好ましい。この範囲を超えてFe
が多くNiが少ないと、電極反応に対する触媒機能が低
下して、発電特性が悪化する。逆に、この範囲を超えて
Feが少なくNiが多いと、Niの一部をFeに置換す
ることによるコストダウンが十分に達成されない上に、
線膨張係数等の改善効果も得にくい。
Fe合金のFeとNiとのモル比はFe:Ni=0.5
〜8:6であることが好ましい。この範囲を超えてFe
が多くNiが少ないと、電極反応に対する触媒機能が低
下して、発電特性が悪化する。逆に、この範囲を超えて
Feが少なくNiが多いと、Niの一部をFeに置換す
ることによるコストダウンが十分に達成されない上に、
線膨張係数等の改善効果も得にくい。
【0012】また、サーメットを構成するNi−Fe合
金とZrO2 系セラミックス及び/又はCeO2 系セラ
ミックスとの重量比は、合金:セラミックス=0.5〜
7:2であることが好ましい。この範囲を超えて合金が
多くセラミックスが少ないと、電解質膜との線膨張係数
の差が大きくなり、逆にこの範囲を超えて合金が少なく
セラミックスが多いと導電性、発電特性が低下する。
金とZrO2 系セラミックス及び/又はCeO2 系セラ
ミックスとの重量比は、合金:セラミックス=0.5〜
7:2であることが好ましい。この範囲を超えて合金が
多くセラミックスが少ないと、電解質膜との線膨張係数
の差が大きくなり、逆にこの範囲を超えて合金が少なく
セラミックスが多いと導電性、発電特性が低下する。
【0013】本発明において、サーメットを構成するセ
ラミックスは、ZrO2 系セラミックス、CeO2 系セ
ラミックス、ZrO2 系セラミックスとCeO2 系セラ
ミックスの混合物のいずれでも良いが、電解質と同一の
ものを使うことが好ましい。
ラミックスは、ZrO2 系セラミックス、CeO2 系セ
ラミックス、ZrO2 系セラミックスとCeO2 系セラ
ミックスの混合物のいずれでも良いが、電解質と同一の
ものを使うことが好ましい。
【0014】なお、このようなNi−Fe合金/(Zr
O2 ,CeO2 )系セラミックスのサーメットで構成さ
れる本発明のSOFC用燃料極は、強度、電子導電性、
燃料ガス流通性、有効触媒活性点の確保等の面から、気
孔率30〜50%程度の多孔体であることが好ましい。
O2 ,CeO2 )系セラミックスのサーメットで構成さ
れる本発明のSOFC用燃料極は、強度、電子導電性、
燃料ガス流通性、有効触媒活性点の確保等の面から、気
孔率30〜50%程度の多孔体であることが好ましい。
【0015】なお、本発明のSOFC用燃料極は、還元
状態においてNi−Fe合金/(ZrO2 ,CeO2 )
系セラミックスが形成されるものであり、頭初はFex
Oy(x,yの同定困難:Feと結合する酸素量は、温
度、雰囲気により異なる。) −NiO−(ZrO2 ,CeO2 )系セラミックス複合
材料となっている。
状態においてNi−Fe合金/(ZrO2 ,CeO2 )
系セラミックスが形成されるものであり、頭初はFex
Oy(x,yの同定困難:Feと結合する酸素量は、温
度、雰囲気により異なる。) −NiO−(ZrO2 ,CeO2 )系セラミックス複合
材料となっている。
【0016】
【実施例】以下に具体的な実施例を挙げて本発明をより
詳細に説明する。
詳細に説明する。
【0017】実施例1 電解質材料としてYSZ(8モル%−Y2 O3 安定化Z
rO2 )を用い、空気極材料としてLa(Sr)MnO
3 を用い、燃料極材料にFe2 O3 −NiO−YSZ複
合材料(Fe2 O3 :NiO:YSZ=X:56:44
(重量比;出発原料組成),気孔率28〜30%)を用
い、この複合材料の出発原料中のFe2O3 の割合Xを
種々変えて各々SOFCを組み立てて発電試験を行い、
結果を図3に示した。空気極、燃料極材料の焼き付け条
件はそれぞれ、1300℃/3hr、1450℃/3h
rに統一した。
rO2 )を用い、空気極材料としてLa(Sr)MnO
3 を用い、燃料極材料にFe2 O3 −NiO−YSZ複
合材料(Fe2 O3 :NiO:YSZ=X:56:44
(重量比;出発原料組成),気孔率28〜30%)を用
い、この複合材料の出発原料中のFe2O3 の割合Xを
種々変えて各々SOFCを組み立てて発電試験を行い、
結果を図3に示した。空気極、燃料極材料の焼き付け条
件はそれぞれ、1300℃/3hr、1450℃/3h
rに統一した。
【0018】各電池には、空気及び燃料極側の分極を個
々に検討するために参照電極を設けた。また、Fe2 O
3 添加量の違いによる電池性能の変化を定量的に測定す
るため、両電極、電解質の厚さ及び、発電条件を下記の
ように統一した。
々に検討するために参照電極を設けた。また、Fe2 O
3 添加量の違いによる電池性能の変化を定量的に測定す
るため、両電極、電解質の厚さ及び、発電条件を下記の
ように統一した。
【0019】作動温度:1000℃ 電解質厚さ:500μm 空気極膜及び燃料極膜の厚さ:200μm 空気流量:200cc/min 燃料:H2 燃料流量:100cc/min 電極面積:2cm2 図3より次のことが明らかである。即ち、X=5〜40
の電池は安定に作動し、経時劣化は≦1%/1000h
rであった。しかし、X=80の電池性能は不安定であ
り、他の電池に比較し性能が劣った。
の電池は安定に作動し、経時劣化は≦1%/1000h
rであった。しかし、X=80の電池性能は不安定であ
り、他の電池に比較し性能が劣った。
【0020】なお、各Xの値に対応するNi−Fe合金
のFe:Niモル比及びNi−Fe合金:YSZ重量比
は次の通りである。
のFe:Niモル比及びNi−Fe合金:YSZ重量比
は次の通りである。
【0021】
【表1】
【0022】実施例2 実施例1で組み立てたSOFCを用いて、Fe2 O3 添
加量の増加に伴う、燃料極側の分極特性変化を調べ、結
果を図4に示した。図4は、作動温度1000℃で一定
負荷(=0.5A/cm2 )を印加したときの“参照電
極〜燃料極”間の分極値を示したものである。●印は全
体の分極値であり、▲印はオーム抵抗に起因した分極を
取り除いた値(η)である。従って、●印〜▲印間の値
が、オーム抵抗に起因した分極となる。本実験範囲内で
は、Fe2 O3 添加量が増えるとηは減少した。しか
し、Fe2 O3 添加量が多くなる(X=80)とオーム
抵抗に起因した分極は増加した。
加量の増加に伴う、燃料極側の分極特性変化を調べ、結
果を図4に示した。図4は、作動温度1000℃で一定
負荷(=0.5A/cm2 )を印加したときの“参照電
極〜燃料極”間の分極値を示したものである。●印は全
体の分極値であり、▲印はオーム抵抗に起因した分極を
取り除いた値(η)である。従って、●印〜▲印間の値
が、オーム抵抗に起因した分極となる。本実験範囲内で
は、Fe2 O3 添加量が増えるとηは減少した。しか
し、Fe2 O3 添加量が多くなる(X=80)とオーム
抵抗に起因した分極は増加した。
【0023】これらの結果から、Fe2 O3 +NiO+
YSZ(=X:56:44重量比)混合体を燃料極材料
として使用する場合、Fe2 O3 の添加量(X)は、1
0≦X≦80、即ち、Ni−Fe合金のFe:Niモル
比=1〜8:6で、Ni−Fe合金:YSZ=1.5〜
3:1(重量比)の範囲が好ましいと考えられる。
YSZ(=X:56:44重量比)混合体を燃料極材料
として使用する場合、Fe2 O3 の添加量(X)は、1
0≦X≦80、即ち、Ni−Fe合金のFe:Niモル
比=1〜8:6で、Ni−Fe合金:YSZ=1.5〜
3:1(重量比)の範囲が好ましいと考えられる。
【0024】実施例3 Ni−Fe合金のFe:Niモル比、及び、Ni−Fe
合金:YSZ重量比を種々変えて燃料極を製造して熱膨
張係数を測定し、YSZ電解質の熱膨張係数と比較し、
結果を表2に示した。
合金:YSZ重量比を種々変えて燃料極を製造して熱膨
張係数を測定し、YSZ電解質の熱膨張係数と比較し、
結果を表2に示した。
【0025】また、各燃料極について、電子導電率を1
000℃、室温加湿H2 中で調べ、結果を表2に併記し
た。
000℃、室温加湿H2 中で調べ、結果を表2に併記し
た。
【0026】
【表2】
【0027】表2より明らかなように、Fe:Ni=1
〜4:3(モル比)で、Ni−Fe合金:YSZ=1〜
3:1(重量比)の範囲であれば、YSZ電解質との熱
膨張係数差が小さく、膜剥離の問題が生じることはない
上に、電子導電率も大きく、良好なSOFCを実現可能
である。
〜4:3(モル比)で、Ni−Fe合金:YSZ=1〜
3:1(重量比)の範囲であれば、YSZ電解質との熱
膨張係数差が小さく、膜剥離の問題が生じることはない
上に、電子導電率も大きく、良好なSOFCを実現可能
である。
【0028】実施例3 実施例2において、Ni−Fe合金のFe:Niモル比
を2:3とし、Ni−Fe合金:セラミックス重量比を
1.5:1とし、セラミックスの種類を表3に示すもの
として同様に熱膨張係数及び電子導電率を調べ、結果を
表3に示した。
を2:3とし、Ni−Fe合金:セラミックス重量比を
1.5:1とし、セラミックスの種類を表3に示すもの
として同様に熱膨張係数及び電子導電率を調べ、結果を
表3に示した。
【0029】
【表3】
【0030】表3より、YSZの他、CeO2 又はZr
O2 とCeO2 との混合系セラミックスであっても良好
な結果が得られることが明らかである。
O2 とCeO2 との混合系セラミックスであっても良好
な結果が得られることが明らかである。
【0031】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明のSOFC用
燃料極によれば、電解質との熱膨張係数の差が小さく、
電解質膜との剥離の問題がなく、しかも安価なSOFC
用燃料極が提供されるため、SOFCのコストダウンを
図ることができる。
燃料極によれば、電解質との熱膨張係数の差が小さく、
電解質膜との剥離の問題がなく、しかも安価なSOFC
用燃料極が提供されるため、SOFCのコストダウンを
図ることができる。
【図1】本発明のSOFC用燃料極を構成するサーメッ
トの構造を説明する模式的な断面図である。
トの構造を説明する模式的な断面図である。
【図2】SOFCの構成を示す断面図である。
【図3】実施例1の発電試験の結果を示すグラフであ
る。
る。
【図4】実施例2で求めた分極特性の試験結果を示すグ
ラフである。
ラフである。
1 電解質膜 2 燃料極膜 2A Ni−Fe合金 2B YSZ 3 空気極膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 下津 正輝 岡山県玉野市玉3丁目1番1号 三井造船 株式会社玉野事業所内
Claims (2)
- 【請求項1】 ニッケル−鉄合金と、ジルコニア系セラ
ミックス及び/又はセリア系セラミックスとのサーメッ
トで構成されることを特徴とする高温固体電解質型燃料
電池用燃料極。 - 【請求項2】 請求項1の燃料極において、ニッケル−
鉄合金中の鉄とニッケルとのモル比が0.5〜8:6で
あり、サーメット中の鉄−ニッケル合金とジルコニア系
セラミックス及び/又はセリア系セラミックスとの重量
比が0.5〜7:2であることを特徴とする高温固体電
解質型燃料電池用燃料極。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7232636A JPH0982335A (ja) | 1995-09-11 | 1995-09-11 | 高温固体電解質型燃料電池用燃料極 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7232636A JPH0982335A (ja) | 1995-09-11 | 1995-09-11 | 高温固体電解質型燃料電池用燃料極 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0982335A true JPH0982335A (ja) | 1997-03-28 |
Family
ID=16942412
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7232636A Pending JPH0982335A (ja) | 1995-09-11 | 1995-09-11 | 高温固体電解質型燃料電池用燃料極 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0982335A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006030590A1 (ja) * | 2004-09-13 | 2006-03-23 | Kyocera Corporation | 燃料電池用電極支持体 |
JP2010232134A (ja) * | 2009-03-30 | 2010-10-14 | Mitsubishi Materials Corp | 耐久性のある燃料極およびこの燃料極を組み込んだ固体酸化物形燃料電池 |
JP2011040362A (ja) * | 2009-07-14 | 2011-02-24 | Kansai Electric Power Co Inc:The | 固体酸化物形燃料電池用燃料極、固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池の作動方法 |
US20210257642A1 (en) * | 2018-09-11 | 2021-08-19 | Versa Power Systems, Ltd | Redox mitigating solid oxide cell compositions |
-
1995
- 1995-09-11 JP JP7232636A patent/JPH0982335A/ja active Pending
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006030590A1 (ja) * | 2004-09-13 | 2006-03-23 | Kyocera Corporation | 燃料電池用電極支持体 |
EP1801905A1 (en) * | 2004-09-13 | 2007-06-27 | Kyocera Corporation | Electrode support for fuel cell |
EP1801905A4 (en) * | 2004-09-13 | 2009-10-21 | Kyocera Corp | ELECTRODE SUPPORT FOR FUEL CELL |
US8524419B2 (en) | 2004-09-13 | 2013-09-03 | Kyocera Corporation | Electrode support for fuel cells |
JP2010232134A (ja) * | 2009-03-30 | 2010-10-14 | Mitsubishi Materials Corp | 耐久性のある燃料極およびこの燃料極を組み込んだ固体酸化物形燃料電池 |
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US20210257642A1 (en) * | 2018-09-11 | 2021-08-19 | Versa Power Systems, Ltd | Redox mitigating solid oxide cell compositions |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20011023 |