JPH10326623A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
固体電解質型燃料電池Info
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- JPH10326623A JPH10326623A JP9136311A JP13631197A JPH10326623A JP H10326623 A JPH10326623 A JP H10326623A JP 9136311 A JP9136311 A JP 9136311A JP 13631197 A JP13631197 A JP 13631197A JP H10326623 A JPH10326623 A JP H10326623A
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- electrode
- solid electrolyte
- fuel
- fuel cell
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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】 燃料極の過電圧が経時的に増大しない固体電
解質型燃料電池を得る。 【解決手段】 発電部４は燃料極２及び空気極３をそれ
ぞれ表裏面に設けた固体電解質１で構成されている。固
体電解質１の材料には、Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘが０．１≦Ｘ
≦０．１５、すなわちＹ2Ｏ3の固溶量Ｘが１０ｍｏｌ％
以上１５ｍｏｌ％以下の条件を満足する安定化酸化ジル
コニア（（Ｙ2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-X）が用いられてい
る。空気極３の材料には、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ3等の
ペロブスカイト型酸化物が用いられる。
解質型燃料電池を得る。 【解決手段】 発電部４は燃料極２及び空気極３をそれ
ぞれ表裏面に設けた固体電解質１で構成されている。固
体電解質１の材料には、Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘが０．１≦Ｘ
≦０．１５、すなわちＹ2Ｏ3の固溶量Ｘが１０ｍｏｌ％
以上１５ｍｏｌ％以下の条件を満足する安定化酸化ジル
コニア（（Ｙ2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-X）が用いられてい
る。空気極３の材料には、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ3等の
ペロブスカイト型酸化物が用いられる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型燃料
電池に関する。
電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、固体電解質型燃料電池の一種
類として、固体電解質の表裏面にそれぞれ燃料極と空気
極を設けた発電部と、インターコネクタとを交互に積み
重ねた構造を有するものがある。一般に、固体電解質に
は、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）を固溶させ安定化した
酸化ジルコニウム（以下、ＹＳＺと記す）が使用され
る。空気極には、ランタンマンガナイトの多孔質体が使
用される。インターコネクタには、燃料電池の運転温度
（８００〜１０００℃）での耐酸化性と耐還元性に優
れ、適当な導電性と、固体電解質であるＹＳＺに近い熱
膨張係数とをもつランタンクロマイト系酸化物が使用さ
れる。そして、燃料極には、ＮｉとＹＳＺを分散混合し
た多孔質状のサーメットが使用されていた。
類として、固体電解質の表裏面にそれぞれ燃料極と空気
極を設けた発電部と、インターコネクタとを交互に積み
重ねた構造を有するものがある。一般に、固体電解質に
は、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）を固溶させ安定化した
酸化ジルコニウム（以下、ＹＳＺと記す）が使用され
る。空気極には、ランタンマンガナイトの多孔質体が使
用される。インターコネクタには、燃料電池の運転温度
（８００〜１０００℃）での耐酸化性と耐還元性に優
れ、適当な導電性と、固体電解質であるＹＳＺに近い熱
膨張係数とをもつランタンクロマイト系酸化物が使用さ
れる。そして、燃料極には、ＮｉとＹＳＺを分散混合し
た多孔質状のサーメットが使用されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料極は、
燃料であるＨ2ガスと、空気極から固体電解質を通して
供給されるＯ2-イオンとを、以下の反応式（１）のよう
に電気化学的に反応させる役割がある。 Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ- ……（１）
燃料であるＨ2ガスと、空気極から固体電解質を通して
供給されるＯ2-イオンとを、以下の反応式（１）のよう
に電気化学的に反応させる役割がある。 Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ- ……（１）
【０００４】この反応は気相／酸素イオン導電体（ＹＳ
Ｚ）／電子導電体（Ｎｉ）の三相境界で起こるというの
が一般的な説である。また、この反応は複数の素過程か
ら構成されており、このうち律速過程は、Ｎｉ表面の吸
着酸素原子が結合して酸素分子になる過程であると考え
られている。このため、全体の反応速度はＮｉ表面の吸
着酸素原子の濃度に依存し、濃度が大きいほど速度は大
きくなる関係にある。
Ｚ）／電子導電体（Ｎｉ）の三相境界で起こるというの
が一般的な説である。また、この反応は複数の素過程か
ら構成されており、このうち律速過程は、Ｎｉ表面の吸
着酸素原子が結合して酸素分子になる過程であると考え
られている。このため、全体の反応速度はＮｉ表面の吸
着酸素原子の濃度に依存し、濃度が大きいほど速度は大
きくなる関係にある。
【０００５】一方、このＮｉ表面の吸着酸素原子の濃度
は、三相境界の酸素イオン導電体の酸素イオン導電率に
依存し、酸素イオン導電率が大きくなるにつれて濃度は
大きくなる関係にあることも知られている。そして、こ
れらの関係から、酸素イオン導電率の大きいものほど前
記反応式（１）の反応速度が速くなり特性が良くなるこ
と、すなわち燃料極の過電圧が小さくなることが知られ
ている。
は、三相境界の酸素イオン導電体の酸素イオン導電率に
依存し、酸素イオン導電率が大きくなるにつれて濃度は
大きくなる関係にあることも知られている。そして、こ
れらの関係から、酸素イオン導電率の大きいものほど前
記反応式（１）の反応速度が速くなり特性が良くなるこ
と、すなわち燃料極の過電圧が小さくなることが知られ
ている。
【０００６】しかし、前述のように、固体電解質にはＹ
ＳＺが使用され、燃料極にはＮｉとＹＳＺを分散混合し
た多孔質サーメットが使用されるが、ＹＳＺは高温（８
００〜１０００℃）下で、その酸素イオン導電率が経時
的に低下することもよく知られている。そのため、三相
境界の酸素イオン導電率が経時的に低下し、結果として
燃料極の過電圧が経時的に増大するという問題があっ
た。
ＳＺが使用され、燃料極にはＮｉとＹＳＺを分散混合し
た多孔質サーメットが使用されるが、ＹＳＺは高温（８
００〜１０００℃）下で、その酸素イオン導電率が経時
的に低下することもよく知られている。そのため、三相
境界の酸素イオン導電率が経時的に低下し、結果として
燃料極の過電圧が経時的に増大するという問題があっ
た。
【０００７】そこで、本発明の目的は、燃料極の過電圧
が経時的に増大しない固体電解質型燃料電池を提供する
ことにある。
が経時的に増大しない固体電解質型燃料電池を提供する
ことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
め、本発明に係る固体電解質型燃料電池は、（ａ）固体
電解質の表裏面にそれぞれ燃料極と空気極を設けた発電
部を有し、（ｂ）前記固体電解質の少なくとも前記燃料
極と接する部分、または金属若しくはその化合物が分散
混合された多孔質の前記燃料極の少なくともいずれか一
方が、経時的に略一定の酸素イオン導電率を有する材料
からなること、を特徴とする。
め、本発明に係る固体電解質型燃料電池は、（ａ）固体
電解質の表裏面にそれぞれ燃料極と空気極を設けた発電
部を有し、（ｂ）前記固体電解質の少なくとも前記燃料
極と接する部分、または金属若しくはその化合物が分散
混合された多孔質の前記燃料極の少なくともいずれか一
方が、経時的に略一定の酸素イオン導電率を有する材料
からなること、を特徴とする。
【０００９】ここに、金属とは、例えば融点がこの燃料
電池の運転温度以上のものをいう。具体的にはＮｉ，Ｒ
ｕ，Ｆｅ，Ｃｏ等があり、状態としては粉末状のものを
用いる。また、この粉末は前記金属の酸化物や炭酸塩等
の化合物であって、運転時に金属になるものでもよい。
経時的に略一定の酸素イオン導電率を有する材料として
は、例えばＹ2Ｏ3を固溶させ安定化した（Ｙ2Ｏ3）
X（ＺｒＯ2）1-Xで、かつ、Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘが０．１
≦Ｘ≦０．１５であるものが採用される。
電池の運転温度以上のものをいう。具体的にはＮｉ，Ｒ
ｕ，Ｆｅ，Ｃｏ等があり、状態としては粉末状のものを
用いる。また、この粉末は前記金属の酸化物や炭酸塩等
の化合物であって、運転時に金属になるものでもよい。
経時的に略一定の酸素イオン導電率を有する材料として
は、例えばＹ2Ｏ3を固溶させ安定化した（Ｙ2Ｏ3）
X（ＺｒＯ2）1-Xで、かつ、Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘが０．１
≦Ｘ≦０．１５であるものが採用される。
【００１０】
【作用】固体電解質の少なくとも燃料極と接する部分、
あるいは燃料極の材料として、経時的に略一定の酸素イ
オン導電率を有する材料、より具体的にはＹ2Ｏ3の固溶
量Ｘが０．１≦Ｘ≦０．１５の条件を満足する（Ｙ
2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-Xを用いることにより、燃料極の
反応が起こる三相境界の（Ｙ2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-Xの
酸素イオン導電率は適度な大きさを有し、かつ、殆ど経
時的な低下が生じない。
あるいは燃料極の材料として、経時的に略一定の酸素イ
オン導電率を有する材料、より具体的にはＹ2Ｏ3の固溶
量Ｘが０．１≦Ｘ≦０．１５の条件を満足する（Ｙ
2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-Xを用いることにより、燃料極の
反応が起こる三相境界の（Ｙ2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-Xの
酸素イオン導電率は適度な大きさを有し、かつ、殆ど経
時的な低下が生じない。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る固体電解質型
燃料電池の実施形態について添付図面を参照して説明す
る。
燃料電池の実施形態について添付図面を参照して説明す
る。
【００１２】図１は、固体電解質型燃料電池の構成を示
す図である。発電部４は矩形状をしており、多孔質の燃
料極２及び空気極３をそれぞれ表裏面に設けた固体電解
質１で構成されている。固体電解質１及び燃料極２の材
料には、経時的に略一定の酸素イオン導電率を有する材
料が用いられる。具体的には、本実施形態では、Ｙ2Ｏ3
の固溶量Ｘが０．１≦Ｘ≦０．１５、すなわちＹ2Ｏ3の
固溶量Ｘが１０ｍｏｌ％以上１５ｍｏｌ％以下の条件を
満足するＹＳＺ（（Ｙ2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1- X）が用い
られている。空気極３の材料には、（Ｌａ，Ｓｒ）Ｍｎ
Ｏ3等のペロブスカイト型酸化物が用いられる。
す図である。発電部４は矩形状をしており、多孔質の燃
料極２及び空気極３をそれぞれ表裏面に設けた固体電解
質１で構成されている。固体電解質１及び燃料極２の材
料には、経時的に略一定の酸素イオン導電率を有する材
料が用いられる。具体的には、本実施形態では、Ｙ2Ｏ3
の固溶量Ｘが０．１≦Ｘ≦０．１５、すなわちＹ2Ｏ3の
固溶量Ｘが１０ｍｏｌ％以上１５ｍｏｌ％以下の条件を
満足するＹＳＺ（（Ｙ2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1- X）が用い
られている。空気極３の材料には、（Ｌａ，Ｓｒ）Ｍｎ
Ｏ3等のペロブスカイト型酸化物が用いられる。
【００１３】インターコネクタ７の上面には、空気１１
を空気極３に均等にゆきわたらせるための空気流路用溝
７ａを一定の間隔で複数配設している。インターコネク
タ７の下面には、燃料ガス１０を燃料極２に均等にゆき
わたらせるための燃料ガス流路用溝７ｂが空気流路用溝
７ａに対して直交する方向に複数配設している。インタ
ーコネクタ７の材料には、高温の酸化還元雰囲気中でも
安定な材料で、かつ、適当な導電性を有し、発電部４と
略等しい熱膨張係数である材料（例えばランタンクロマ
イト系酸化物等）が用いられる。
を空気極３に均等にゆきわたらせるための空気流路用溝
７ａを一定の間隔で複数配設している。インターコネク
タ７の下面には、燃料ガス１０を燃料極２に均等にゆき
わたらせるための燃料ガス流路用溝７ｂが空気流路用溝
７ａに対して直交する方向に複数配設している。インタ
ーコネクタ７の材料には、高温の酸化還元雰囲気中でも
安定な材料で、かつ、適当な導電性を有し、発電部４と
略等しい熱膨張係数である材料（例えばランタンクロマ
イト系酸化物等）が用いられる。
【００１４】発電部４とインターコネクタ７は交互に積
み重ねられ接合される。このとき、接合材として、イン
ターコネクタ７の外周縁部には、ガラス、あるいはセラ
ミックスとガラスの複合材料等からなるシール材が用い
られる。このシール材は、空気や燃料ガスが燃料電池の
外に漏れるのを防止する機能も有している。そして、イ
ンターコネクタ７の残りの部分には、導電性セラミック
接合材等が用いられる。この導電性セラミック接合材
は、燃料極２とインターコネクタ７及び空気極３とイン
ターコネクタ７の間を導通させて、燃料極２や空気極３
に発生した電荷を効率良く集電する機能も有している。
み重ねられ接合される。このとき、接合材として、イン
ターコネクタ７の外周縁部には、ガラス、あるいはセラ
ミックスとガラスの複合材料等からなるシール材が用い
られる。このシール材は、空気や燃料ガスが燃料電池の
外に漏れるのを防止する機能も有している。そして、イ
ンターコネクタ７の残りの部分には、導電性セラミック
接合材等が用いられる。この導電性セラミック接合材
は、燃料極２とインターコネクタ７及び空気極３とイン
ターコネクタ７の間を導通させて、燃料極２や空気極３
に発生した電荷を効率良く集電する機能も有している。
【００１５】ところで、従来の固体電解質型燃料電池に
おいて、ＹＳＺが高温（８００〜１０００℃）下で、そ
の酸素イオン導電率が経時的に低下する原因は、次のよ
うに考えられている。燃料電池の製造過程で、ＹＳＺは
１４００〜１６００℃程度の高温で熱処理される。しか
し、ＹＳＺ中のＺｒ4+イオン又はＹ3+イオンは、拡散定
数が非常に小さく（いずれも１４００℃で１０-14ｃｍ2
ｓ-1、１０００℃で１０-20ｃｍ2ｓ-1）、拡散しにく
い。このため、完成した燃料電池中のＹＳＺの結晶相
は、熱処理温度で平衡な結晶相が凍結された状態とな
る。
おいて、ＹＳＺが高温（８００〜１０００℃）下で、そ
の酸素イオン導電率が経時的に低下する原因は、次のよ
うに考えられている。燃料電池の製造過程で、ＹＳＺは
１４００〜１６００℃程度の高温で熱処理される。しか
し、ＹＳＺ中のＺｒ4+イオン又はＹ3+イオンは、拡散定
数が非常に小さく（いずれも１４００℃で１０-14ｃｍ2
ｓ-1、１０００℃で１０-20ｃｍ2ｓ-1）、拡散しにく
い。このため、完成した燃料電池中のＹＳＺの結晶相
は、熱処理温度で平衡な結晶相が凍結された状態とな
る。
【００１６】そして、熱処理温度より低い運転温度（８
００〜１０００℃）では、数千時間を要して運転温度に
おける平衡相に達する。ＹＳＺにおける相図は図２のよ
うであり、一般的によく使われるＹ2Ｏ3の固溶量Ｘが
０．０３≦Ｘ≦０．０８、すなわちＹ2Ｏ3の固溶量Ｘが
３ｍｏｌ％以上８ｍｏｌ％以下のＹＳＺの結晶相は、熱
処理温度から運転温度の領域において立方晶と正方晶の
２相混合領域にある。そして、熱処理温度における平衡
相から運転温度における平衡相への結晶相の変化で正方
晶の割合が増加する。正方晶は立方晶と比べ酸素イオン
伝導の活性化エネルギーが高いため、ＹＳＺの酸素イオ
ン導電率は低下する。
００〜１０００℃）では、数千時間を要して運転温度に
おける平衡相に達する。ＹＳＺにおける相図は図２のよ
うであり、一般的によく使われるＹ2Ｏ3の固溶量Ｘが
０．０３≦Ｘ≦０．０８、すなわちＹ2Ｏ3の固溶量Ｘが
３ｍｏｌ％以上８ｍｏｌ％以下のＹＳＺの結晶相は、熱
処理温度から運転温度の領域において立方晶と正方晶の
２相混合領域にある。そして、熱処理温度における平衡
相から運転温度における平衡相への結晶相の変化で正方
晶の割合が増加する。正方晶は立方晶と比べ酸素イオン
伝導の活性化エネルギーが高いため、ＹＳＺの酸素イオ
ン導電率は低下する。
【００１７】これに対して、本実施形態のように、Ｙ2
Ｏ3の固溶量Ｘが０．１≦Ｘ、すなわちＹ2Ｏ3の固溶量
Ｘが１０ｍｏｌ％以上のＹＳＺでは、運転温度領域で立
方晶の単一相領域を持つため、この領域内にある場合、
結晶相の変化による酸素イオン導電率の大きな低下はみ
られない。なお、酸素イオン伝導の電荷の担体である酸
素欠損Ｖｏ¨とＺｒ4+のサイトを置換したＹ3+との間で
のクーロン力による会合平衡
Ｏ3の固溶量Ｘが０．１≦Ｘ、すなわちＹ2Ｏ3の固溶量
Ｘが１０ｍｏｌ％以上のＹＳＺでは、運転温度領域で立
方晶の単一相領域を持つため、この領域内にある場合、
結晶相の変化による酸素イオン導電率の大きな低下はみ
られない。なお、酸素イオン伝導の電荷の担体である酸
素欠損Ｖｏ¨とＺｒ4+のサイトを置換したＹ3+との間で
のクーロン力による会合平衡
【００１８】
【数１】
【００１９】が、熱処理温度から運転温度に変わること
でわずかに右辺に進む反応が強くなると、会合していな
い酸素イオン伝導に有効な酸素欠損の量が減少すること
が知られているが、これによる酸素イオン導電率の低下
はごくわずかである。以上のことからＹ2Ｏ3の固溶量Ｘ
が１０ｍｏｌ％以上のＹＳＺを用いた場合、その酸素イ
オン導電率の経時的な低下はごくわずかに抑えることが
できる。
でわずかに右辺に進む反応が強くなると、会合していな
い酸素イオン伝導に有効な酸素欠損の量が減少すること
が知られているが、これによる酸素イオン導電率の低下
はごくわずかである。以上のことからＹ2Ｏ3の固溶量Ｘ
が１０ｍｏｌ％以上のＹＳＺを用いた場合、その酸素イ
オン導電率の経時的な低下はごくわずかに抑えることが
できる。
【００２０】一方、Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘが１０ｍｏｌ％以
上のＹＳＺにおいては、Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘが増加すると
酸素イオン導電率は単調に減少することはよく知られて
いる。このため、Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘが大きくなりすぎる
と酸素イオン導電率が小さくなりすぎ、過電圧が大きく
なるため、Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘの大きさには上限がある。
Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘが１５ｍｏｌ％では、１０００℃で酸
素イオン導電率は０．０３ｓｃｍ-1であり、これ以上酸
素イオン導電率が小さいと、燃料電池の材料として使用
することが難しくなるので、Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘの上限は
１５ｍｏｌ％である。
上のＹＳＺにおいては、Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘが増加すると
酸素イオン導電率は単調に減少することはよく知られて
いる。このため、Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘが大きくなりすぎる
と酸素イオン導電率が小さくなりすぎ、過電圧が大きく
なるため、Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘの大きさには上限がある。
Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘが１５ｍｏｌ％では、１０００℃で酸
素イオン導電率は０．０３ｓｃｍ-1であり、これ以上酸
素イオン導電率が小さいと、燃料電池の材料として使用
することが難しくなるので、Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘの上限は
１５ｍｏｌ％である。
【００２１】以上のことから、Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘが０．
１≦Ｘ≦０．１５、すなわちＹ2Ｏ3の固溶量Ｘが１０ｍ
ｏｌ％以上１５ｍｏｌ％以下（図２において斜線で表示
した領域）のＹＳＺを用いた場合、その酸素イオン導電
率は適度な大きさを持ち、かつ経時的な低下はごくわず
かに抑えることができる。従って、これを固体電解質１
と燃料極２の構成材料に用いることにより、燃料極２の
反応が起こる三相境界のＹＳＺの酸素イオン導電率は適
度な大きさを持ち、かつ、殆ど経時低下しないため、燃
料極２の過電圧は適度な大きさを維持し、経時的な増加
をほとんど起こさない。この結果、燃料極２の過電圧が
経時的に増大しない固体電解質型燃料電池が得られる。
１≦Ｘ≦０．１５、すなわちＹ2Ｏ3の固溶量Ｘが１０ｍ
ｏｌ％以上１５ｍｏｌ％以下（図２において斜線で表示
した領域）のＹＳＺを用いた場合、その酸素イオン導電
率は適度な大きさを持ち、かつ経時的な低下はごくわず
かに抑えることができる。従って、これを固体電解質１
と燃料極２の構成材料に用いることにより、燃料極２の
反応が起こる三相境界のＹＳＺの酸素イオン導電率は適
度な大きさを持ち、かつ、殆ど経時低下しないため、燃
料極２の過電圧は適度な大きさを維持し、経時的な増加
をほとんど起こさない。この結果、燃料極２の過電圧が
経時的に増大しない固体電解質型燃料電池が得られる。
【００２２】なお、本発明に係る固体電解質型燃料電池
は前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範
囲内で種々に変更することができる。例えば、固体電解
質又は燃料極のいずれか一方が、（Ｙ2Ｏ3）X（Ｚｒ
Ｏ2）1-XでかつＹ2Ｏ3の固溶量Ｘが０．１≦Ｘ≦０．１
５であればよい。また、固体電解質全体に渡って固溶量
Ｘを０．１≦Ｘ≦０．１５に設定する必要はなく、図５
に示すように、少なくとも燃料極２と接する部分１ａの
みが、０．１≦Ｘ≦０．１５を満足するように設定され
ていればよい。
は前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範
囲内で種々に変更することができる。例えば、固体電解
質又は燃料極のいずれか一方が、（Ｙ2Ｏ3）X（Ｚｒ
Ｏ2）1-XでかつＹ2Ｏ3の固溶量Ｘが０．１≦Ｘ≦０．１
５であればよい。また、固体電解質全体に渡って固溶量
Ｘを０．１≦Ｘ≦０．１５に設定する必要はなく、図５
に示すように、少なくとも燃料極２と接する部分１ａの
みが、０．１≦Ｘ≦０．１５を満足するように設定され
ていればよい。
【００２３】また、本発明は前記実施形態で説明した平
板型の固体電解質型燃料電池に限らず、円筒型やその他
の型の固体電解質型燃料電池にも応用できる。
板型の固体電解質型燃料電池に限らず、円筒型やその他
の型の固体電解質型燃料電池にも応用できる。
【００２４】
【実施例】さらに、本発明者が行なった実験を図３を参
照して説明する。燃料極材料であるＮｉＯ粉末およびＹ
ＳＺ粉末（Ｙ2Ｏ3）0.11（ＺｒＯ2）0.8 9）を混合し
た。これにビヒクルを混合して燃料極ペーストとした。
この燃料極ペーストを固体電解質１であるＹＳＺ基板の
一方の面に塗布して１４００℃で焼付け、燃料極２とし
た。ＹＳＺ基板は、直径が３０ｍｍで厚みが１．５ｍｍ
の円板形状を有し、その材料としては（Ｙ2Ｏ3）
0.11（ＺｒＯ2）0.89を用いた。
照して説明する。燃料極材料であるＮｉＯ粉末およびＹ
ＳＺ粉末（Ｙ2Ｏ3）0.11（ＺｒＯ2）0.8 9）を混合し
た。これにビヒクルを混合して燃料極ペーストとした。
この燃料極ペーストを固体電解質１であるＹＳＺ基板の
一方の面に塗布して１４００℃で焼付け、燃料極２とし
た。ＹＳＺ基板は、直径が３０ｍｍで厚みが１．５ｍｍ
の円板形状を有し、その材料としては（Ｙ2Ｏ3）
0.11（ＺｒＯ2）0.89を用いた。
【００２５】また、空気極材料であるＬａＭｎＯ3粉末
にビヒクルを混合して空気極ペーストとした。この空気
極ペーストを燃料極２を焼き付けた固体電解質１の他方
の面に塗布して１２００℃で焼き付け、空気極３とし
た。
にビヒクルを混合して空気極ペーストとした。この空気
極ペーストを燃料極２を焼き付けた固体電解質１の他方
の面に塗布して１２００℃で焼き付け、空気極３とし
た。
【００２６】さらに、燃料極２の過電圧を測定するた
め、燃料極２、空気極３を焼き付けた固体電解質１の外
周面にＰｔ線１５を巻き付け、Ｐｔペーストで１０００
℃で焼き付けて参照極とした。
め、燃料極２、空気極３を焼き付けた固体電解質１の外
周面にＰｔ線１５を巻き付け、Ｐｔペーストで１０００
℃で焼き付けて参照極とした。
【００２７】こうして製作した発電部４の燃料極２及び
空気極３に、それぞれ集電用Ｐｔ網２１，２２を接触さ
せ、多孔質ＹＳＺ板２３，２４にて挟んだ。集電用Ｐｔ
網２１には、燃料極電位取出しＰｔ線３１及び燃料極電
流取出しＰｔ線３３が接続されている。集電用Ｐｔ網２
２には、空気極電位取出しＰｔ線３２及び空気極電流取
出しＰｔ線３４が接続されている。さらに、燃料ガス供
給管２５及び空気供給管２６を、それぞれ多孔質ＹＳＺ
板２３，２４の中央部に押し当てると共に、燃料ガスシ
ールド管２７及び空気シールド管２８を、発電部４の縁
部に押し当てた。
空気極３に、それぞれ集電用Ｐｔ網２１，２２を接触さ
せ、多孔質ＹＳＺ板２３，２４にて挟んだ。集電用Ｐｔ
網２１には、燃料極電位取出しＰｔ線３１及び燃料極電
流取出しＰｔ線３３が接続されている。集電用Ｐｔ網２
２には、空気極電位取出しＰｔ線３２及び空気極電流取
出しＰｔ線３４が接続されている。さらに、燃料ガス供
給管２５及び空気供給管２６を、それぞれ多孔質ＹＳＺ
板２３，２４の中央部に押し当てると共に、燃料ガスシ
ールド管２７及び空気シールド管２８を、発電部４の縁
部に押し当てた。
【００２８】そして、発電部４を１０００℃の温度に保
持しながら、燃料ガス（加湿水素ガス）１０と空気１１
をそれぞれ供給管２５，２６を通して燃料極２と空気極
３に供給し、固体電解質１を介して電極反応を起こさ
せ、かつ、電流計４３にて観察しながら単位電極面積当
たり３００ｍＡ／ｃｍ2の電流が流れる状態での燃料極
２の過電圧を電流遮断法により燃料極側オシロスコープ
４１で測定した。なお、４２は空気極側オシロスコー
プ、４４は可変抵抗器、４５は水銀スイッチである。
持しながら、燃料ガス（加湿水素ガス）１０と空気１１
をそれぞれ供給管２５，２６を通して燃料極２と空気極
３に供給し、固体電解質１を介して電極反応を起こさ
せ、かつ、電流計４３にて観察しながら単位電極面積当
たり３００ｍＡ／ｃｍ2の電流が流れる状態での燃料極
２の過電圧を電流遮断法により燃料極側オシロスコープ
４１で測定した。なお、４２は空気極側オシロスコー
プ、４４は可変抵抗器、４５は水銀スイッチである。
【００２９】図４は、燃料利用率が８０％の条件で発電
部４を連続して運転させた場合の、燃料極２の過電圧の
経時変化を示すグラフである（実線５１参照）。比較の
ため、Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘが８ｍｏｌ％の（Ｙ2Ｏ3）0.08
（ＺｒＯ2）0.92を用いて製作した燃料極と固体電解質
を使用した発電部を運転させた場合の測定結果も併せて
記載している（点線５２参照）。初期においては、（Ｙ
2Ｏ3）0.08（ＺｒＯ2）0.92のほうが（Ｙ2Ｏ3）
0.11（ＺｒＯ2）0.89より少し酸素イオン導電率が大き
いため、比較例の燃料極の過電圧のほうが小さかった。
しかしながら、比較例の発電部は発電時間が長くなるに
つれて、燃料極の過電圧が経時増加を起こし、３０００
時間後では２２０ｍＶまでに達した。これに対し、本実
施例の発電部４は３０００時間後においても、燃料極２
の過電圧は１７０ｍＶであり、初期の過電圧と略同じ数
値であった。これらの比較から、本発明によって燃料極
の性能が改善され、発電能力が向上したことがわかる。
部４を連続して運転させた場合の、燃料極２の過電圧の
経時変化を示すグラフである（実線５１参照）。比較の
ため、Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘが８ｍｏｌ％の（Ｙ2Ｏ3）0.08
（ＺｒＯ2）0.92を用いて製作した燃料極と固体電解質
を使用した発電部を運転させた場合の測定結果も併せて
記載している（点線５２参照）。初期においては、（Ｙ
2Ｏ3）0.08（ＺｒＯ2）0.92のほうが（Ｙ2Ｏ3）
0.11（ＺｒＯ2）0.89より少し酸素イオン導電率が大き
いため、比較例の燃料極の過電圧のほうが小さかった。
しかしながら、比較例の発電部は発電時間が長くなるに
つれて、燃料極の過電圧が経時増加を起こし、３０００
時間後では２２０ｍＶまでに達した。これに対し、本実
施例の発電部４は３０００時間後においても、燃料極２
の過電圧は１７０ｍＶであり、初期の過電圧と略同じ数
値であった。これらの比較から、本発明によって燃料極
の性能が改善され、発電能力が向上したことがわかる。
【００３０】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、固体電解質の少なくとも燃料極と接する部分、
あるいは燃料極の材料として、経時的に略一定の酸素イ
オン導電率を有する材料、より具体的には、Ｙ2Ｏ3の固
溶量Ｘが０．１≦Ｘ≦０．１５の条件を満足する（Ｙ2
Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-Xを用いることにより、燃料極の反
応が起こる三相境界の（Ｙ2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-Xの酸
素イオン導電率を適度な大きさにすることができ、か
つ、経時的な低下を抑えることができる。この結果、燃
料極の過電圧が経時的に増大しない固体電解質型燃料電
池が得られる。
よれば、固体電解質の少なくとも燃料極と接する部分、
あるいは燃料極の材料として、経時的に略一定の酸素イ
オン導電率を有する材料、より具体的には、Ｙ2Ｏ3の固
溶量Ｘが０．１≦Ｘ≦０．１５の条件を満足する（Ｙ2
Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-Xを用いることにより、燃料極の反
応が起こる三相境界の（Ｙ2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-Xの酸
素イオン導電率を適度な大きさにすることができ、か
つ、経時的な低下を抑えることができる。この結果、燃
料極の過電圧が経時的に増大しない固体電解質型燃料電
池が得られる。
【図１】本発明に係る固体電解質型燃料電池の一実施形
態を示す斜視図。
態を示す斜視図。
【図２】ＹＳＺの相を示すグラフ。
【図３】燃料極の過電圧の測定方法を説明するための概
略構成図。
略構成図。
【図４】燃料極の過電圧の測定結果を示すグラフ。
【図５】他の実施形態を示す発電部の一部拡大図。
１…固体電解質 ２…燃料極 ３…空気極 ４…発電部 ７…インターコネクタ
Claims (2)
- 【請求項１】 固体電解質の表裏面にそれぞれ燃料極と
空気極を設けた発電部を有し、 前記固体電解質の少なくとも前記燃料極と接する部分、
または金属若しくはその化合物が分散混合された多孔質
の前記燃料極の少なくともいずれか一方が、経時的に略
一定の酸素イオン導電率を有する材料からなること、 を特徴とする固体電解質型燃料電池。 - 【請求項２】 経時的に略一定の酸素イオン導電率を有
する材料が、Ｙ2Ｏ3を固溶させ安定化した（Ｙ2Ｏ3）X
（ＺｒＯ2）1-Xで、かつ、Ｙ2Ｏ3の固溶量Ｘが０．１≦
Ｘ≦０．１５であることを特徴とする請求項１記載の固
体電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9136311A JPH10326623A (ja) | 1997-05-27 | 1997-05-27 | 固体電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9136311A JPH10326623A (ja) | 1997-05-27 | 1997-05-27 | 固体電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10326623A true JPH10326623A (ja) | 1998-12-08 |
Family
ID=15172242
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9136311A Pending JPH10326623A (ja) | 1997-05-27 | 1997-05-27 | 固体電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10326623A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006256924A (ja) * | 2005-03-18 | 2006-09-28 | Nitsukatoo:Kk | 高導電性ジルコニア質焼結体 |
| JPWO2006016627A1 (ja) * | 2004-08-10 | 2008-05-01 | 財団法人電力中央研究所 | 成膜物およびその製造方法 |
| WO2014050148A1 (ja) * | 2012-09-28 | 2014-04-03 | 株式会社日本触媒 | 固体酸化物形燃料電池ハーフセル及び固体酸化物形燃料電池 |
| JP2014082203A (ja) * | 2012-09-28 | 2014-05-08 | Nippon Shokubai Co Ltd | 固体酸化物形燃料電池のハーフセル及び固体酸化物形燃料電池セル |
-
1997
- 1997-05-27 JP JP9136311A patent/JPH10326623A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2006016627A1 (ja) * | 2004-08-10 | 2008-05-01 | 財団法人電力中央研究所 | 成膜物およびその製造方法 |
| JP5108305B2 (ja) * | 2004-08-10 | 2012-12-26 | 一般財団法人電力中央研究所 | 成膜物およびその製造方法 |
| JP2006256924A (ja) * | 2005-03-18 | 2006-09-28 | Nitsukatoo:Kk | 高導電性ジルコニア質焼結体 |
| WO2014050148A1 (ja) * | 2012-09-28 | 2014-04-03 | 株式会社日本触媒 | 固体酸化物形燃料電池ハーフセル及び固体酸化物形燃料電池 |
| JP2014082203A (ja) * | 2012-09-28 | 2014-05-08 | Nippon Shokubai Co Ltd | 固体酸化物形燃料電池のハーフセル及び固体酸化物形燃料電池セル |
| CN104685686A (zh) * | 2012-09-28 | 2015-06-03 | 株式会社日本触媒 | 固体氧化物型燃料电池半电池和固体氧化物型燃料电池 |
| JPWO2014050148A1 (ja) * | 2012-09-28 | 2016-08-22 | 株式会社日本触媒 | 固体酸化物形燃料電池ハーフセル及び固体酸化物形燃料電池 |
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