JPH10172578A - 固体電解質型電気化学セルの燃料極材料 - Google Patents

固体電解質型電気化学セルの燃料極材料

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JPH10172578A
JPH10172578A JP8333390A JP33339096A JPH10172578A JP H10172578 A JPH10172578 A JP H10172578A JP 8333390 A JP8333390 A JP 8333390A JP 33339096 A JP33339096 A JP 33339096A JP H10172578 A JPH10172578 A JP H10172578A
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JP
Japan
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ysz
fuel electrode
conductivity
electrode
electrolyte
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Withdrawn
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JP8333390A
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English (en)
Inventor
Yasuhiko Tsuru
靖彦 水流
Masahito Shida
雅人 志田
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Publication date
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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)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体電解質型電気化学セルの燃料極材料に関
する。 【解決手段】 Ni金属、イットリア安定化ジルコニア
及びZrSiO4 またはTa2 3 を混合したサーメッ
ト組成を有してなる固体電解質型電気化学セルの燃料極
材料。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は固体電解質型燃料電
池(以下、SOFCと略す)や高温固体電解質型水蒸気
電解装置(以下、SOSEと略す)のような固体電解質
型電気化学セルの燃料極材料に関する。
【0002】
【従来の技術】以下、固体電解質型電気化学セルとして
SOFCを例にとって説明する。SOFCは図3に示し
たように、固体電解質材料2を挟んで空気極1と燃料極
4が取り付けられる。なお、3は中間接続子(インター
コネクタ)、5は多孔性の板または管状の基体である。
固体電解質材料2は酸素イオン導電性を有するYSZ
(イットリア安定化ジルコニア)が多用されている。空
気極1は高温の酸化雰囲気においても安定で高い導電性
を有するペロブスカイト型複合酸化物が、また燃料極4
にはニッケルあるいはYSZとの熱的整合性を図る上で
ニッケルとYSZを混合したサーメットが使用されてい
る。更に中間接続子3にはLa−Cr系ペロブスカイト
型複合酸化物が代表的である。この電池は約1000℃
で運転され、供給ガスとして空気極側に空気または酸素
を、燃料極側に水素を使用している。
【0003】ところで、燃料流路となる燃料極の電極基
材にはこれまで電解質であるYSZとの熱膨張率の整合
性を図る上で、YSZ粒子とNi粒子を混合し焼結した
サーメットを用いるのが主流である。そのNi含有量は
一般に30〜50vol%の範囲とされており、燃料極
基材としてNiとYSZとの組み合わせ以外の実用例は
これまでにない。また、Ni−YSZサーメット電極で
は高導電性とYSZとの熱膨張率の整合性という両者の
物性条件を満たすことは困難である。Ni+3Al2
3 ・2SiO2 等(特願平3−41855号参照)やN
i+Ta2 5またはZrSiO4 等(特願平7−30
8773号参照)ではYSZより低熱膨張の材料を用い
ることによりYSZ電解質と熱膨張の整合と高導電性を
満たした例がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の燃料極材料は、
高いエネルギ密度が得られるセル形状として期待される
平板型SOFC等ではセルのスケールアップ(大面積
化)に伴ってセル製作時や運転時にかかる熱応力をでき
るだけ緩和するため、電極とYSZ電解質との熱膨張率
を厳密にあわせ、かつ内部抵抗をできるだけ低下させる
ために高導電性を有する観点から開発がなされ、上述し
たように、Ni+3Al2 3 ・2SiO2等やNi+
Ta2 5 (またはZrSiO4 )等が提案されている
にすぎない。SOFCの内部抵抗には導電率に依存する
オーミックな抵抗と電極反応に伴う分極抵抗があり、S
OFCの発電特性をさらに向上させるためには熱的整合
性、高導電性だけでなく、燃料極の電極反応性を向上さ
せる必要がある。3Al2 3 ・2SiO2 やTa2
5 やZrSiO4 には電極反応を促進させる働きはな
く、SOFCの特性向上のためには熱的整合性、高導電
性かつ高い電極反応性を有することが不可欠である。
【0005】本発明は上記技術水準および技術的要望に
答えた固体電解質型電気化学セルの燃料極材料を提供し
ようとするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明はNi金属、YS
Z及びZrSiO4 またはTa2 5 を混合したサーメ
ット組成を有してなることを特徴とする固体電解質型電
気化学セルの燃料極材料である。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明は熱的整合性、高導電性を
両立しているNi+Ta2 5 またはZrSiO4 に酸
素イオン導電性を有し、電極反応性を向上させる働きを
もつYSZ粒子を添加してなるものである。YSZは一
般的にY2 3 が固溶した完全安定化ZrO2 が用いら
れる。
【0008】燃料極−電解質界面では H2 +1/2O
2-→H2 O+e- という反応がおこっている。この反
応は気相からくる水素とYSZからくる酸素イオンがN
i粒子、YSZ、気相の三相界面でおこり、水蒸気が気
相に、電子がNi粒子に流れていくものであり、燃料極
中にYSZを添加していない場合(図1)よりYSZを
添加した方(図2)が燃料極−電解質界面での三相界面
の量が増加し、電極反応性が向上する。
【0009】
【実施例】以下、本発明の燃料極の具体例を挙げ、本発
明の燃料極の効果を明らかにする。
【0010】(例1)NiO−YSZ−Ta2 5 系の
熱膨張係数、導電率及び反応抵抗の測定を行った。Ni
の出発原料にはNiO粉末を用いた。これとYSZ、T
2 5 のそれぞれの原料粉末を所定量混合し、乾燥
後、150μm以下に分級した。この粉体を一軸成形
後、1400℃4時間焼成して焼結体を得た。熱膨張係
数はその焼結体から3×4×20mmの試験片を加工
し、大気中で室温から1100℃まで測定し、25℃か
ら1000℃までの熱膨張率から算出した。導電率は直
流四端子法により、1000℃、H2 還元雰囲気中に数
時間保持し、導電率が定常になった時点で測定した。反
応抵抗の測定にはドクターブレード法によりそれぞれ成
形した電解質、燃料極膜を張り合わせ、1400℃で焼
結した試料を用いた。交流インピーダンス法の測定結果
をコールコールプロットと呼ばれる方法でプロットし、
円弧の大きさを反応抵抗とみなした。表1に燃料極の組
成と熱膨張係数、導電率及び反応抵抗の結果を示す。
【0011】YSZを添加しないNiO−Ta2 5
料極ではTa2 5 :30vol%のとき、熱膨張係数
がYSZ(10×10-6/℃)と近い10.3×10-6
/℃、導電率が3200S/cm及び反応抵抗が2.2
Ω・Scm2 である。NiO−YSZ−Ta2 5 系で
YSZ量を10〜20vol%、Ta2 5 量を10〜
25vol%と変化させた結果、NiOが減少するに従
って、熱膨張係数、導電率ともには小さくなり、YSZ
量が増加するに従って反応抵抗は減少する傾向が認めら
れる。電池の大きさ、形状にもよるが、例えば熱膨張係
数の許容範囲を9.5〜11.0×10-6/℃を設定す
れば、NiO量が70vol%のとき、YSZ量が10
〜20vol%、Ta2 5 量が10〜20vol%の
範囲で、また、NiO量が65vol%のとき、YSZ
量が15vol%、Ta2 5 量が20vol%の組成
で使用でき、このときの導電率は2000〜3000S
/cm程度で、YSZ量が増加するに従って反応抵抗は
低下する。
【0012】
【表1】
【0013】(例2)NiO−YSZ−ZrSiO4
の熱膨張係数、導電率及び反応抵抗の測定を行った。試
料の作製方法及び評価方法は例1と同様である。表2に
燃料極の組成と熱膨張係数、導電率及び反応抵抗の結果
を示す。
【0014】YSZを添加しないNiO−ZrSiO4
燃料極ではZrSiO4 が20vol%のとき、熱膨張
係数がYSZ(10×10-6/℃)と近い10.1×1
-6/℃、導電率が5670S/cm及び反応抵抗が
3.0Ω・cm2 である。NiO−YSZ−ZrSiO
4 系でYSZ量が5〜30vol%、ZrSiO4 量が
15〜30vol%と変化させた結果、NiOが減少す
るに従って、熱膨張係数、導電率ともには小さくなり、
YSZ量が増加するに従って反応抵抗は減少する傾向が
認められる。電池の大きさ、形状にもよるが、例えば熱
膨張係数の許容範囲を9.5〜11.0×10-6/℃を
設定すれば、NiO量が60〜70vol%、YSZ量
が5〜20vol%、ZrSiO4 量が20〜25vo
l%の範囲で使用でき、このときの導電率は2000〜
5000S/cm程度で、YSZ量が増加するに従って
反応抵抗は低下する。
【0015】
【表2】
【0016】
【発明の効果】本発明においてNi−YSZ−Ta2
5 系、Ni−YSZ−ZrSiO4 系燃料極は従来の燃
料極の課題であったYSZ電解質の熱膨張係数との整合
性、高導電性及び電極反応性の向上を一挙に解決でき
る。このため大容量、大面積のスラリー平板型SOFC
の作製条件を緩和でき、しかも電池内部抵抗の低減によ
って高出力が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】Ni−ZrSiO4 燃料極と電解質との界面の
モデル図。
【図2】Ni−YSZ−ZrSiO4 燃料極と電解質と
の界面のモデル図。
【図3】従来の円筒横縞型SOFCの一態様の概略図。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Ni金属、イットリア安定化ジルコニア
    及びZrSiO4 またはTa2 5 を混合したサーメッ
    ト組成を有してなることを特徴とする固体電解質型電気
    化学セルの燃料極材料。
JP8333390A 1996-12-13 1996-12-13 固体電解質型電気化学セルの燃料極材料 Withdrawn JPH10172578A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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