JP2001102060A - 固体電解質型燃料電池用燃料極 - Google Patents
固体電解質型燃料電池用燃料極Info
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- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電子伝導度、熱膨張係数は従来の特性を保持
し、高い性能の 固体電解質型燃料電池用燃料極を提供
する。 【解決手段】 固体電解質に隣接する電極反応層とこの
層に隣接する電子伝導層との２層からなり、電極反応層
は微細なＮｉと微細な酸素イオン伝導体との混合体で、
且つこれらの平均粒径が共に０．５ミクロン以下であ
り、電子伝導層は微細なＮｉと酸化物粉末の混合体で且
つその平均粒径比がＮｉ：酸化物＝１：２と１：２０の
間で且つ酸化物の平均粒径が１ミクロン以上あることを
特徴とする。 【効果】 電極反応層と電子伝導層とに分けることによ
り、従来に比べ電極特性に優れ、熱膨張特性についても
十分に優れた電極を得ることに成功した。本発明は固体
燃料電池の高効率動作に大きな貢献をなすものである。
し、高い性能の 固体電解質型燃料電池用燃料極を提供
する。 【解決手段】 固体電解質に隣接する電極反応層とこの
層に隣接する電子伝導層との２層からなり、電極反応層
は微細なＮｉと微細な酸素イオン伝導体との混合体で、
且つこれらの平均粒径が共に０．５ミクロン以下であ
り、電子伝導層は微細なＮｉと酸化物粉末の混合体で且
つその平均粒径比がＮｉ：酸化物＝１：２と１：２０の
間で且つ酸化物の平均粒径が１ミクロン以上あることを
特徴とする。 【効果】 電極反応層と電子伝導層とに分けることによ
り、従来に比べ電極特性に優れ、熱膨張特性についても
十分に優れた電極を得ることに成功した。本発明は固体
燃料電池の高効率動作に大きな貢献をなすものである。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は固体電解質型燃料電池用
燃料極に関するものである。
燃料極に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および問題点】近年、酸素イオン伝導体を
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、さらに良好な環境保全が期待さ
れるなどの優れた特長を持っている。固体電解質燃料電
池は、約８００℃から１０００℃の高温で動作させる必
要があるため、セルはセラミック材によって構成されて
いる。セルは酸素イオン伝導体である固体電解質を挟ん
で電子伝導体である空気極と燃料極が配置されている。
これらの電極は、ガスが拡散しやすくする為に多孔質体
を用いる。このセルを積み重ねる為にセル間に電子伝導
体であるインターコネクタ材を使用する。
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、さらに良好な環境保全が期待さ
れるなどの優れた特長を持っている。固体電解質燃料電
池は、約８００℃から１０００℃の高温で動作させる必
要があるため、セルはセラミック材によって構成されて
いる。セルは酸素イオン伝導体である固体電解質を挟ん
で電子伝導体である空気極と燃料極が配置されている。
これらの電極は、ガスが拡散しやすくする為に多孔質体
を用いる。このセルを積み重ねる為にセル間に電子伝導
体であるインターコネクタ材を使用する。
【０００３】これら要素材について、従来検討されてき
た材料を表１に示した。これらの２０℃から１０００℃
までの熱膨張係数の平均値についても示してある。固体
電解質としては従来ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコ
ニア）、空気極にはＬａ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3（ＬＳ
Ｍ）、燃料極にはＮｉ−ＹＳＺ、そしてインターコネク
タ材料にはＬａ0.9Ｓｒ0.1ＣｒＯ3が最も有望視されて
いる。
た材料を表１に示した。これらの２０℃から１０００℃
までの熱膨張係数の平均値についても示してある。固体
電解質としては従来ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコ
ニア）、空気極にはＬａ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3（ＬＳ
Ｍ）、燃料極にはＮｉ−ＹＳＺ、そしてインターコネク
タ材料にはＬａ0.9Ｓｒ0.1ＣｒＯ3が最も有望視されて
いる。
【０００４】電極は緻密な固体電解質に接続されている
ため、これらの熱膨張係数が近いことが望まれる。なぜ
なら、固体電解質型燃料電池の動作温度が室温に比べ極
めて高いため、運転停止に伴う熱サイクルに伴い熱膨張
係数の違う材料同士が応力のために接合部分で剥がれる
ことがあるからである。
ため、これらの熱膨張係数が近いことが望まれる。なぜ
なら、固体電解質型燃料電池の動作温度が室温に比べ極
めて高いため、運転停止に伴う熱サイクルに伴い熱膨張
係数の違う材料同士が応力のために接合部分で剥がれる
ことがあるからである。
【０００５】ここで、燃料極はＮｉとジルコニアやセリ
アなどの酸素イオン伝導体との混合体を用いているの
で、Ｎｉとこれらセラミック材料の平均された熱膨張係
数を持つ。Ｎｉは熱膨張係数がセリアやジルコニアなど
の電解質材料に比べて極めて高いことから、固体電解質
との熱膨張係数の整合性を保つためには燃料極内のＮｉ
の体積をなるべく少なくする必要がある。しかしこれは
電子伝導を確保する観点からＮｉの体積を増やすことと
相反する。
アなどの酸素イオン伝導体との混合体を用いているの
で、Ｎｉとこれらセラミック材料の平均された熱膨張係
数を持つ。Ｎｉは熱膨張係数がセリアやジルコニアなど
の電解質材料に比べて極めて高いことから、固体電解質
との熱膨張係数の整合性を保つためには燃料極内のＮｉ
の体積をなるべく少なくする必要がある。しかしこれは
電子伝導を確保する観点からＮｉの体積を増やすことと
相反する。
【０００６】このため、従来は、Ｎｉの平均粒径を小さ
く取り、酸素イオン導伝体の平均粒径を大きくとること
で、Ｎｉ粒子が酸素イオン導伝体の大きな粒子の表面を
覆わせている。これによりＮｉの体積を少なく保ちつ
つ、電子伝導度を確保することができる。この様に、熱
膨張係数と電子伝導度の観点からはＮｉと酸素イオン導
伝体との平均粒径比を大きくとることが必要となる。
く取り、酸素イオン導伝体の平均粒径を大きくとること
で、Ｎｉ粒子が酸素イオン導伝体の大きな粒子の表面を
覆わせている。これによりＮｉの体積を少なく保ちつ
つ、電子伝導度を確保することができる。この様に、熱
膨張係数と電子伝導度の観点からはＮｉと酸素イオン導
伝体との平均粒径比を大きくとることが必要となる。
【０００７】ところで、燃料極においてＮｉが酸素イオ
ン伝導体との混合体とすることで電解質と密着し、電解
質との界面付近に電気化学反応に必要な反応ガス、電
子、イオンが共存する三相界面を提供している。この電
気化学反応は電解質と電極の界面上の限られた領域（三
相界面）においてのみ可能である。先に述べた様に、熱
膨張係数と電子伝導度の点からはＮｉの平均粒径だけを
細かくして酸素イオン導伝体の平均粒径を大きくするこ
とが好ましい。
ン伝導体との混合体とすることで電解質と密着し、電解
質との界面付近に電気化学反応に必要な反応ガス、電
子、イオンが共存する三相界面を提供している。この電
気化学反応は電解質と電極の界面上の限られた領域（三
相界面）においてのみ可能である。先に述べた様に、熱
膨張係数と電子伝導度の点からはＮｉの平均粒径だけを
細かくして酸素イオン導伝体の平均粒径を大きくするこ
とが好ましい。
【０００８】しかし、微細なＮｉ粒は粒成長を起こし易
く、この様な粒成長は三相界面の減少を招き電極性能の
劣化につながる。微細なＮｉの粒と同程度の微細な酸素
イオン伝導体を共に混合することで粒成長が抑えられ、
微細な構造を高温でも保つことが可能となる。この様に
三相界面を増やし電極性能を向上させる点からは、Ｎｉ
と酸素イオン伝導体との平均粒径比はほぼ同じであるこ
とが必要となる。
く、この様な粒成長は三相界面の減少を招き電極性能の
劣化につながる。微細なＮｉの粒と同程度の微細な酸素
イオン伝導体を共に混合することで粒成長が抑えられ、
微細な構造を高温でも保つことが可能となる。この様に
三相界面を増やし電極性能を向上させる点からは、Ｎｉ
と酸素イオン伝導体との平均粒径比はほぼ同じであるこ
とが必要となる。
【０００９】これまで、燃料極内のＮｉと酸素イオン伝
導体との平均粒径比に対する以上の要求を同時に満足す
ることが難しかった。
導体との平均粒径比に対する以上の要求を同時に満足す
ることが難しかった。
【００１０】
【本発明の目的】本発明は固体電解質型燃料電池用燃料
極に関するもので、電解質に接する部分について従来の
燃料極に比べ微細な構造を持つ電極反応層とこれに隣接
する電子伝導層からなる２層構造からなる燃料極を作製
することで、高い性能の燃料極を提供しつつ、電子伝導
度、熱膨張係数は従来の特性を保つことを目的とする。
極に関するもので、電解質に接する部分について従来の
燃料極に比べ微細な構造を持つ電極反応層とこれに隣接
する電子伝導層からなる２層構造からなる燃料極を作製
することで、高い性能の燃料極を提供しつつ、電子伝導
度、熱膨張係数は従来の特性を保つことを目的とする。
【００１１】
【問題点を解決するための手段】上記問題点を解決する
ため、本発明の固体電解質型燃料電池用燃料極は、固体
電解質とそれに隣接して設けられた多孔質な空気極およ
び燃料極からなるセル、そして、それら電極を電気的に
接続するインターコネクタを有し、燃料ガスと空気また
は酸素ガスとの化学反応を電気エネルギーに変換する固
体燃料電池の固体電解質型燃料電池用燃料極において、
構造が固体電解質に隣接する電極反応層とこの層に隣接
する電子伝導層との２層からなり、電極反応層は微細な
Ｎｉと微細な酸素イオン伝導体との混合体で、且つこれ
らの平均粒径が共に０．５ミクロン以下であり、電子伝
導層は微細なＮｉと酸化物粉末の混合体で且つその平均
粒径比がＮｉ：酸化物＝１：２と１：２０の間で且つ酸
化物の平均粒径が１ミクロン以上あることを特徴とす
る。
ため、本発明の固体電解質型燃料電池用燃料極は、固体
電解質とそれに隣接して設けられた多孔質な空気極およ
び燃料極からなるセル、そして、それら電極を電気的に
接続するインターコネクタを有し、燃料ガスと空気また
は酸素ガスとの化学反応を電気エネルギーに変換する固
体燃料電池の固体電解質型燃料電池用燃料極において、
構造が固体電解質に隣接する電極反応層とこの層に隣接
する電子伝導層との２層からなり、電極反応層は微細な
Ｎｉと微細な酸素イオン伝導体との混合体で、且つこれ
らの平均粒径が共に０．５ミクロン以下であり、電子伝
導層は微細なＮｉと酸化物粉末の混合体で且つその平均
粒径比がＮｉ：酸化物＝１：２と１：２０の間で且つ酸
化物の平均粒径が１ミクロン以上あることを特徴とす
る。
【００１２】本発明によれば、燃料極を、電解質に直接
接合され平均粒径比が近い微細なＮｉと酸素イオン伝導
体との複合体からなる非常に薄い電極反応層と、これに
接合された平均粒径比が大きく異なるＮｉと酸化物との
混合体からなる電子伝導層とすることで、従来難しかっ
た電極特性、熱膨張係数そして電子導伝性の３つの要求
を同時に満足させることができる。
接合され平均粒径比が近い微細なＮｉと酸素イオン伝導
体との複合体からなる非常に薄い電極反応層と、これに
接合された平均粒径比が大きく異なるＮｉと酸化物との
混合体からなる電子伝導層とすることで、従来難しかっ
た電極特性、熱膨張係数そして電子導伝性の３つの要求
を同時に満足させることができる。
【００１３】以下に本発明を説明する。本発明において
は、燃料極を微細な構造を持つ電極反応層と比較的粗大
な構造を持つ電子伝導層の２層とする。すなわち、燃料
極の電解質に接する部分は、０．５ミクロン以下の非常
に微細な粒のＮｉと酸素イオン伝導体の混合体からなる
厚みが０．０１から１０ミクロンと非常に薄い電極反応
層とする。微細なＮｉの粒と同程度の微細な酸素イオン
伝導体を共に混合することで粒成長が抑えられ、微細な
構造を高温でも保つことが可能となるが、Ｎｉと酸素イ
オン伝導体の平均粒径が ０．５ミクロンを越えると、
三相界面が大きくならず、電極反応層としての効果が低
くなる恐れがある。
は、燃料極を微細な構造を持つ電極反応層と比較的粗大
な構造を持つ電子伝導層の２層とする。すなわち、燃料
極の電解質に接する部分は、０．５ミクロン以下の非常
に微細な粒のＮｉと酸素イオン伝導体の混合体からなる
厚みが０．０１から１０ミクロンと非常に薄い電極反応
層とする。微細なＮｉの粒と同程度の微細な酸素イオン
伝導体を共に混合することで粒成長が抑えられ、微細な
構造を高温でも保つことが可能となるが、Ｎｉと酸素イ
オン伝導体の平均粒径が ０．５ミクロンを越えると、
三相界面が大きくならず、電極反応層としての効果が低
くなる恐れがある。
【００１４】上記の構成を採用することにより、電極反
応に有効な表面積が極めて広くなり、電極特性が大幅に
改善される。この電極反応層は伝導度および熱膨張係数
の整合性の点で従来の燃料極に比べやや劣るが、１０ミ
クロン以下と非常に薄いので、実効的には問題にならな
い。この電極反応層の厚さは、好ましくは０．０５から
５ミクロン、さらに最も好ましくは、０．１から２ミク
ロンである。あまり厚いとガスが透過しにくくなり、ま
た電子伝導もしにくくなり、また隣接する電子伝導層の
粒径に比較して薄くなりすぎると、横方向の電流が流れ
て電気抵抗が増し、電極特性が低下するおそれがあるか
らである。
応に有効な表面積が極めて広くなり、電極特性が大幅に
改善される。この電極反応層は伝導度および熱膨張係数
の整合性の点で従来の燃料極に比べやや劣るが、１０ミ
クロン以下と非常に薄いので、実効的には問題にならな
い。この電極反応層の厚さは、好ましくは０．０５から
５ミクロン、さらに最も好ましくは、０．１から２ミク
ロンである。あまり厚いとガスが透過しにくくなり、ま
た電子伝導もしにくくなり、また隣接する電子伝導層の
粒径に比較して薄くなりすぎると、横方向の電流が流れ
て電気抵抗が増し、電極特性が低下するおそれがあるか
らである。
【００１５】ここで、電極反応層のＮｉと酸素イオン伝
導体との体積比は４：１から１：４とすることで、焼成
の過程で平均粒径比の近い混合体が得られ易くなる。こ
れにより、Ｎｉ、酸素イオン伝導体どちらの粒成長も抑
制される。さらに好ましくは、２：１から１：３、最も
好ましくは １．５：１から１：２である。１：１付近
で最も粒成長が抑制できるためである。
導体との体積比は４：１から１：４とすることで、焼成
の過程で平均粒径比の近い混合体が得られ易くなる。こ
れにより、Ｎｉ、酸素イオン伝導体どちらの粒成長も抑
制される。さらに好ましくは、２：１から１：３、最も
好ましくは １．５：１から１：２である。１：１付近
で最も粒成長が抑制できるためである。
【００１６】また電子伝導層は、微細なＮｉと酸化物粉
末の混合体で且つその平均粒径比がＮｉ：酸化物＝１：
２と１：２０の間で且つ酸化物の平均粒径が１ミクロン
以上ある。またこの電子伝導層の厚さは、好ましくは２
０ミクロン以上である。酸化物粉末の平均粒径が微細な
Ｎｉの平均粒径より２０倍を越えると、Ｎｉの粒成長が
起こりやすくなり、また酸化物の粒が大きくなりすぎて
機械的強度が低下する恐れがあるからである。また２倍
未満であると、酸化物を覆っているＮｉ粒子が分断され
電流が流れにくくなり電極としての性能が劣化する恐れ
があるからである。
末の混合体で且つその平均粒径比がＮｉ：酸化物＝１：
２と１：２０の間で且つ酸化物の平均粒径が１ミクロン
以上ある。またこの電子伝導層の厚さは、好ましくは２
０ミクロン以上である。酸化物粉末の平均粒径が微細な
Ｎｉの平均粒径より２０倍を越えると、Ｎｉの粒成長が
起こりやすくなり、また酸化物の粒が大きくなりすぎて
機械的強度が低下する恐れがあるからである。また２倍
未満であると、酸化物を覆っているＮｉ粒子が分断され
電流が流れにくくなり電極としての性能が劣化する恐れ
があるからである。
【００１７】また電子伝導層の厚さが２０ミクロン未満
であると、電流画面方向にも流れ、抵抗が高くなり電極
としての性能が劣化する恐れがある。
であると、電流画面方向にも流れ、抵抗が高くなり電極
としての性能が劣化する恐れがある。
【００１８】この電子伝導層は、電極反応に寄与しない
ので必ずしも酸素イオン伝導体を使用する必要はなく電
極反応層の物質に悪影響を与えなければ何でも良く、１
０００℃付近の高温でもジルコニアやセリアと共存でき
るアルミナやムライト（ＳｉＯ2を添加したアルミナ）
などを用いることもできる。この様に熱膨張係数の低い
酸化物を使用できるため、電子伝導層の熱膨張係数を従
来よりも低減することができ、固体電解質との整合性を
改善することが可能である。
ので必ずしも酸素イオン伝導体を使用する必要はなく電
極反応層の物質に悪影響を与えなければ何でも良く、１
０００℃付近の高温でもジルコニアやセリアと共存でき
るアルミナやムライト（ＳｉＯ2を添加したアルミナ）
などを用いることもできる。この様に熱膨張係数の低い
酸化物を使用できるため、電子伝導層の熱膨張係数を従
来よりも低減することができ、固体電解質との整合性を
改善することが可能である。
【００１９】
【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。なお、当
然のことであるが本発明は以下の実施例に限定されるも
のではない。
然のことであるが本発明は以下の実施例に限定されるも
のではない。
【００２０】
【実施例１】本発明の効果を示すために、図１に示す構
造の単セルで試験を行なった。本発明において、１は燃
料極、２は固体電解質、３は空気極、４は集電メッシ
ュ、５は白金端子、６はガスシールである。
造の単セルで試験を行なった。本発明において、１は燃
料極、２は固体電解質、３は空気極、４は集電メッシ
ュ、５は白金端子、６はガスシールである。
【００２１】固体電解質としてＳＡＳＺ（（ＺｒＯ2）
0.89（Ｓｃ2Ｏ3）0.105（Ａｌ2Ｏ3） 0.005）なる組成の
電解質シートを、空気極にＬａ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3を用
いた。
0.89（Ｓｃ2Ｏ3）0.105（Ａｌ2Ｏ3） 0.005）なる組成の
電解質シートを、空気極にＬａ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3を用
いた。
【００２２】比較のために用いたセル（セル＃０−１）
は、燃料極に平均粒径２ミクロンのＳＡＳＺと平均粒径
０．５ミクロンのＮｉＯとの混合体をＰＶＡ水溶液に分
散させたスラリを用意し、６ｍｍ径の円形に塗布後、１
１００℃で焼成し、厚み４０ミクロンの燃料極を得た。
裏面にはＬＳＭ空気極（６ｍｍ径）を、そしてシートの
端に白金参照極を塗布し、９００℃で焼成し単セルとし
た。ここで、燃料極と空気極の集電には白金メッシュを
用いた。
は、燃料極に平均粒径２ミクロンのＳＡＳＺと平均粒径
０．５ミクロンのＮｉＯとの混合体をＰＶＡ水溶液に分
散させたスラリを用意し、６ｍｍ径の円形に塗布後、１
１００℃で焼成し、厚み４０ミクロンの燃料極を得た。
裏面にはＬＳＭ空気極（６ｍｍ径）を、そしてシートの
端に白金参照極を塗布し、９００℃で焼成し単セルとし
た。ここで、燃料極と空気極の集電には白金メッシュを
用いた。
【００２３】本発明の例として、以下の方法で燃料極を
作製した。まず電極反応層をｒ．ｆスパッタリング法に
より作製した。ここでは、Ｎｉ−ＳＡＳＺ混合体を得る
ために、Ｎｉ金属のターゲットとＳＡＳＺターゲットを
用いた同時スパッタを行った。ここで、ＮｉとＳＡＳＺ
の混合の体積比が、１：１になるように堆積速度の比を
調整した。この上に前述の比較例と同様の燃料極を塗布
し、１１００℃の熱処理を行ったところ、固体電解質上
に平均粒径０．２ミクロン、層厚２．０ミクロン、電極
反応層とその上に平均粒径２ミクロンのＳＡＳＺと、平
均粒径０．５ミクロンのＮｉＯの混合体からなる４０ミ
クロン厚の電子伝導層が得られた。
作製した。まず電極反応層をｒ．ｆスパッタリング法に
より作製した。ここでは、Ｎｉ−ＳＡＳＺ混合体を得る
ために、Ｎｉ金属のターゲットとＳＡＳＺターゲットを
用いた同時スパッタを行った。ここで、ＮｉとＳＡＳＺ
の混合の体積比が、１：１になるように堆積速度の比を
調整した。この上に前述の比較例と同様の燃料極を塗布
し、１１００℃の熱処理を行ったところ、固体電解質上
に平均粒径０．２ミクロン、層厚２．０ミクロン、電極
反応層とその上に平均粒径２ミクロンのＳＡＳＺと、平
均粒径０．５ミクロンのＮｉＯの混合体からなる４０ミ
クロン厚の電子伝導層が得られた。
【００２４】これらのセル（セル＃１、セル＃０−１）
を図１に示す様にセル測定系を用い、それぞれ８００℃
にて発電試験を行った。表２−１に実験条件をまとめ
た。この単セルの８００℃における過電圧（電流密度１
Ａ／ｃｍ2時）を表２−２のセル＃１に示す。ここで燃
料極には水素、空気極には酸素を供給した。ここで燃料
極におけるＮｉＯの還元は測定温度で燃料である水素を
流すことで行った。電流密度は、燃料極の面積を基にし
て求めた値である。過電圧は電流遮断法、すなわちリレ
ーにより電流を遮断し、この応答から過電圧を求めた。
を図１に示す様にセル測定系を用い、それぞれ８００℃
にて発電試験を行った。表２−１に実験条件をまとめ
た。この単セルの８００℃における過電圧（電流密度１
Ａ／ｃｍ2時）を表２−２のセル＃１に示す。ここで燃
料極には水素、空気極には酸素を供給した。ここで燃料
極におけるＮｉＯの還元は測定温度で燃料である水素を
流すことで行った。電流密度は、燃料極の面積を基にし
て求めた値である。過電圧は電流遮断法、すなわちリレ
ーにより電流を遮断し、この応答から過電圧を求めた。
【００２５】比較のために上記の単セルの燃料極だけを
従来のものとしたセルの特性も同時に示す。ここで、過
電圧は電流密度が１．０Ａ／ｃｍ2時の値である。本発
明の燃料極を用いたセルは、従来の燃料極を用いたセル
（セル♯０−１）に比べ良好な過電圧特性を示した。
従来のものとしたセルの特性も同時に示す。ここで、過
電圧は電流密度が１．０Ａ／ｃｍ2時の値である。本発
明の燃料極を用いたセルは、従来の燃料極を用いたセル
（セル♯０−１）に比べ良好な過電圧特性を示した。
【００２６】
【実施例２】実施例１のセル＃１において、固体電解質
シート、燃料極の電極反応層、電子伝導層におけるＳＡ
ＳＺをＹＳＺに変えたセル（セル＃２）、およびＳＤＣ
に変えたセル（セル＃３）を作製した。そして、比較例
として実施例１で使用したセル＃０−１のＳＡＳＺ固体
電解質シートをＹＳＺシート、ＳＡＳＺ粉末をＹＳＺ粉
末に変えたセル（セル＃０−２）、さらにＳＡＳＺ固体
電解質シートをＳＤＣシート、ＳＡＳＺ粉末をＳＤＣ粉
末に変えたセル（セル＃０−３）を作製した。これらの
セルについて実施例１と同様の実験を行った。表２−２
に示す様に実施例１における対応する標準セル（セル＃
０−２、セル＃０−３）に比べて、それぞれ過電圧特性
が改善された。
シート、燃料極の電極反応層、電子伝導層におけるＳＡ
ＳＺをＹＳＺに変えたセル（セル＃２）、およびＳＤＣ
に変えたセル（セル＃３）を作製した。そして、比較例
として実施例１で使用したセル＃０−１のＳＡＳＺ固体
電解質シートをＹＳＺシート、ＳＡＳＺ粉末をＹＳＺ粉
末に変えたセル（セル＃０−２）、さらにＳＡＳＺ固体
電解質シートをＳＤＣシート、ＳＡＳＺ粉末をＳＤＣ粉
末に変えたセル（セル＃０−３）を作製した。これらの
セルについて実施例１と同様の実験を行った。表２−２
に示す様に実施例１における対応する標準セル（セル＃
０−２、セル＃０−３）に比べて、それぞれ過電圧特性
が改善された。
【００２７】
【実施例３】実施例１に挙げた燃料極の電子伝導層にお
いて、ＮｉＯの平均粒径を０．５ミクロンに固定し、Ｎ
ｉＯとＳＡＳＺとの平均粒径比を１：２、１：８、１：
２０と変化させて単セルを作製した。ここで、ＮｉＯの
ＳＡＳＺに対する重量比は７０：３０、電子伝導層の厚
みは１００ミクロンとなるように調整した。このセル
（セル＃４−１、セル＃４−２、セル＃４−３）を用い
て、実施例１と同様の実験を行った。表２−２に示す様
に実施例１における標準セル（セル＃０−１）に比べ
て、過電圧特性が改善された。
いて、ＮｉＯの平均粒径を０．５ミクロンに固定し、Ｎ
ｉＯとＳＡＳＺとの平均粒径比を１：２、１：８、１：
２０と変化させて単セルを作製した。ここで、ＮｉＯの
ＳＡＳＺに対する重量比は７０：３０、電子伝導層の厚
みは１００ミクロンとなるように調整した。このセル
（セル＃４−１、セル＃４−２、セル＃４−３）を用い
て、実施例１と同様の実験を行った。表２−２に示す様
に実施例１における標準セル（セル＃０−１）に比べ
て、過電圧特性が改善された。
【００２８】
【実施例４】実施例１に挙げた燃料極の電極反応層にお
いて、層の厚みを０．０１ミクロン、０．１ミクロン、
１ミクロン、１０ミクロンと変化させた単セルを作製し
た。ここで、ＮｉのＳＡＳＺに対する重量比は７０：３
０、電子伝導層の厚みは１００ミクロンとなるように調
整した。このセル（セル＃５−１、セル＃５−２、セル
＃５−３、セル＃５−４）を用いて、実施例１と同様の
実験を行った。表２−２に示す様に実施例１における標
準セル（セル＃０−１）に比べて、過電圧特性が改善さ
れた。
いて、層の厚みを０．０１ミクロン、０．１ミクロン、
１ミクロン、１０ミクロンと変化させた単セルを作製し
た。ここで、ＮｉのＳＡＳＺに対する重量比は７０：３
０、電子伝導層の厚みは１００ミクロンとなるように調
整した。このセル（セル＃５−１、セル＃５−２、セル
＃５−３、セル＃５−４）を用いて、実施例１と同様の
実験を行った。表２−２に示す様に実施例１における標
準セル（セル＃０−１）に比べて、過電圧特性が改善さ
れた。
【００２９】
【実施例５】実施例１に挙げた燃料極の電極反応層にお
いて、ＮｉとＳＡＳＺとの体積比を４：１、１：１、
１：４と変化させて単セルを作製した。ここで、Ｎｉと
ＳＡＳＺの体積比はＮｉとＳＡＳＺとの同時スパッタに
おいて、堆積速度の比を調節することで変化させた。こ
れらのセル（セル＃６−１、セル＃６−２、セル＃６−
３）を用いて、実施例１と同様の実験を行った。表２−
２に示す様に実施例１における標準セル（セル＃０−
１）に比べて、過電圧特性が改菩された。
いて、ＮｉとＳＡＳＺとの体積比を４：１、１：１、
１：４と変化させて単セルを作製した。ここで、Ｎｉと
ＳＡＳＺの体積比はＮｉとＳＡＳＺとの同時スパッタに
おいて、堆積速度の比を調節することで変化させた。こ
れらのセル（セル＃６−１、セル＃６−２、セル＃６−
３）を用いて、実施例１と同様の実験を行った。表２−
２に示す様に実施例１における標準セル（セル＃０−
１）に比べて、過電圧特性が改菩された。
【００３０】
【実施例６】実施例１に挙げた燃料極の電子伝導層にお
いて、酸化物の種類をＳＡＳＺ粉末からアルミナ（Ａｌ
2Ｏ3）粉末、ムライト（０．６Ａｌ2Ｏ3−０．４ＳｉＯ
2）粉末に替えて単セルを作製した。ここで、ＮｉＯの
ＳＡＳＺに対する重量比は７０：３０、電子伝導層の厚
みは４０ミクロンとなるように調整した。このセル（セ
ル＃７−１、セル＃７−２）を用いて、実施例１と同様
の実験を行った。表２−２に示す様に実施例１における
標準セル（セル＃０−１）に比べて過電圧特性が改善さ
れ、熱膨張係数における燃料極と電解質との不整合も改
善された。
いて、酸化物の種類をＳＡＳＺ粉末からアルミナ（Ａｌ
2Ｏ3）粉末、ムライト（０．６Ａｌ2Ｏ3−０．４ＳｉＯ
2）粉末に替えて単セルを作製した。ここで、ＮｉＯの
ＳＡＳＺに対する重量比は７０：３０、電子伝導層の厚
みは４０ミクロンとなるように調整した。このセル（セ
ル＃７−１、セル＃７−２）を用いて、実施例１と同様
の実験を行った。表２−２に示す様に実施例１における
標準セル（セル＃０−１）に比べて過電圧特性が改善さ
れ、熱膨張係数における燃料極と電解質との不整合も改
善された。
【００３１】表１
【００３２】表２−１
【００３３】表２−２
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、固体電解質燃料電
池の燃料極を、本発明で示した電極反応層と電子伝導層
とに分けることにより、従来に比べ電極特性に優れ、熱
膨張特性についても十分に優れた電極を得ることに成功
した。本発明は固体燃料電池の高効率動作に大きな貢献
をなすものである。
池の燃料極を、本発明で示した電極反応層と電子伝導層
とに分けることにより、従来に比べ電極特性に優れ、熱
膨張特性についても十分に優れた電極を得ることに成功
した。本発明は固体燃料電池の高効率動作に大きな貢献
をなすものである。
【図１】実施例に用いた燃料電池の模式図。
【図２】実施例に用いた単セルの平面図。
１ 燃料極 ２ 固体電解質 ３ 空気極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 櫻井 庸司 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS02 CC06 DD08 EE04 EE12 HH01 HH03 HH05 5H026 AA06 CC06 CV01 CX04 EE02 EE12 HH01 HH03 HH05
Claims (4)
- 【請求項１】 固体電解質とそれに隣接して設けられた
多孔質な空気極および燃料極からなるセル、そして、そ
れら電極を電気的に接続するインターコネクタを有し、
燃料ガスと空気または酸素ガスとの化学反応を電気エネ
ルギーに変換する固体燃料電池の固体電解質型燃料電池
用燃料極において、構造が固体電解質に隣接する電極反
応層とこの層に隣接する電子伝導層との２層からなり、
電極反応層は微細なＮｉと微細な酸素イオン伝導体との
混合体で、且つこれらの平均粒径が共に０．５ミクロン
以下であり、電子伝導層は微細なＮｉと酸化物粉末の混
合体で且つその平均粒径比がＮｉ：酸化物＝１：２と
１：２０の間で且つ酸化物の平均粒径が１ミクロン以上
あることを特徴とする固体電解質型燃料電池用燃料極。 - 【請求項２】 請求項１において、電極反応層の厚みが
０．０１から１０ミクロンで、電子伝導層の厚みが２０
ミクロン以上であることを特徴とする固体電解質型燃料
電池用燃料極。 - 【請求項３】 請求項２において、電極反応層における
Ｎｉと酸素イオン導伝体との体積比が４：１から１：４
の間であることを特徴とする固体電解質型燃料電池用燃
料極。 - 【請求項４】 請求項１から３のいずれかにおいて、電
子伝導層の酸化物がアルミナ、またはムライトであるこ
とを特徴とする固体電解質型燃料電池用燃料極。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28104399A JP2001102060A (ja) | 1999-10-01 | 1999-10-01 | 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 |
|---|---|---|---|
| JP28104399A JP2001102060A (ja) | 1999-10-01 | 1999-10-01 | 固体電解質型燃料電池用燃料極 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001102060A true JP2001102060A (ja) | 2001-04-13 |
Family
ID=17633512
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28104399A Pending JP2001102060A (ja) | 1999-10-01 | 1999-10-01 | 固体電解質型燃料電池用燃料極 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001102060A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004109827A1 (ja) * | 2003-06-03 | 2004-12-16 | Ngk Insulator5S Ltd. | 電気化学セル用基板および電気化学セル |
| JP2006252796A (ja) * | 2005-03-08 | 2006-09-21 | Tokyo Electric Power Co Inc:The | 固体酸化物形燃料電池用燃料極 |
| WO2006101136A1 (ja) | 2005-03-23 | 2006-09-28 | Nippon Shokubai Co., Ltd. | 固体酸化物形燃料電池用燃料極材料およびそれを用いた燃料極、並びに燃料電池セル |
| JP2007073336A (ja) * | 2005-09-07 | 2007-03-22 | Toto Ltd | 固体酸化物形燃料電池 |
| JP2010225363A (ja) * | 2009-03-23 | 2010-10-07 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 固体酸化物形燃料電池 |
| JP2010282896A (ja) * | 2009-06-05 | 2010-12-16 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 固体酸化物形燃料電池 |
| WO2012128201A1 (ja) * | 2011-03-18 | 2012-09-27 | 日本碍子株式会社 | 固体酸化物形燃料電池 |
| JP5090575B1 (ja) * | 2011-03-18 | 2012-12-05 | 日本碍子株式会社 | 固体酸化物形燃料電池 |
| JP5091346B1 (ja) * | 2011-03-18 | 2012-12-05 | 日本碍子株式会社 | 固体酸化物形燃料電池 |
-
1999
- 1999-10-01 JP JP28104399A patent/JP2001102060A/ja active Pending
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004109827A1 (ja) * | 2003-06-03 | 2004-12-16 | Ngk Insulator5S Ltd. | 電気化学セル用基板および電気化学セル |
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| WO2006101136A1 (ja) | 2005-03-23 | 2006-09-28 | Nippon Shokubai Co., Ltd. | 固体酸化物形燃料電池用燃料極材料およびそれを用いた燃料極、並びに燃料電池セル |
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| JP2010225363A (ja) * | 2009-03-23 | 2010-10-07 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 固体酸化物形燃料電池 |
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| WO2012128201A1 (ja) * | 2011-03-18 | 2012-09-27 | 日本碍子株式会社 | 固体酸化物形燃料電池 |
| JP5090575B1 (ja) * | 2011-03-18 | 2012-12-05 | 日本碍子株式会社 | 固体酸化物形燃料電池 |
| JP5091346B1 (ja) * | 2011-03-18 | 2012-12-05 | 日本碍子株式会社 | 固体酸化物形燃料電池 |
| EP2688128A4 (en) * | 2011-03-18 | 2014-08-20 | Ngk Insulators Ltd | Solid oxide fuel cell |
| US8945789B2 (en) | 2011-03-18 | 2015-02-03 | Ngk Insulators, Ltd. | Solid oxide fuel cell |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040427 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040914 |