JPH07161360A - 低温動作型固体燃料電池用空気極材料 - Google Patents
低温動作型固体燃料電池用空気極材料Info
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Abstract
の安定性の二つの要求を同時に満足させた低温動作型固
体燃料電池用空気極を提供する。 【構成】 低温動作型固体燃料電池の空気極を形成する
空気極材料において、前記空気極が、ジルコニア、アル
ミナおよびランタノイド系パイロクロアから選ばれた1
種と、K2NiF4構造の銅酸化物との体積混合比1:9
乃至7:3の混合物であることを特徴とする。 【効果】 K2NiF4構造のペロブスカイト型銅酸化物
に対して化学的に不活性な酸化物を分散させることで、
動作温度における焼結を防ぎ空気の供給に適した多孔質
状態を保持した空気極を提供できる。
Description
用空気極に関するものである。
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徴を持っている。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)が
最も有望視されているが、十分な酸素イオン伝導度を得
るには1000℃の高温で動作させる必要があり、この
ような高温では電極と電解質の界面での劣化反応等が生
じ、部品寿命の劣化が激しく信頼性の高い電池の実現が
難しい。
体燃料電池の開発が求められている。低温動作時に十分
な酸素イオン伝導度を得るためにジルコニア−スカンジ
ウム系、セリア系およびYSZの薄層化などの検討が行
なわれている。
電気伝導性の低下の問題が生じる。図1に示すように空
気極3は多孔質であり、固体電解質2に接して、これに
酸素ガスを供給するとともに、電流を取り出す役割を持
っている(なお、符号1は燃料極)。電気的接続の観点
から、空気極3の電気伝導性は極力高くする必要があ
る。一方、固体電解質2へのガス供給の観点からは、な
るべく多孔質であり、この多孔質状態が動作温度で安定
に保たれる必要がある。
0.8Sr0.2MnO3では1000℃の動作温度でも微細
構造が安定に保たれ、熱膨張係数も12.4×10-6と
固体電解質であるYSZ(イットリウム添加ジルコニ
ア)の10.0×10-6とほぼ同じ値を持っているが、
電気伝導性が100S/cmと低いことが欠点である。
また1000℃から800℃まで動作温度を下げるとさ
らに電気伝導性が低下し90S/cmとなる。
極に求められている電気的特性および動作温度における
微細構造の安定性の二つの要求を同時に満足させること
を目的とする。
るため、本発明による低温動作型固体燃料電池用空気極
材料は、低温動作型固体燃料電池の空気極を形成する空
気極材料において、前記空気極が、ジルコニア、アルミ
ナおよびランタノイド系パイロクロアから選ばれた1種
と、K2NiF4構造の銅酸化物との体積混合比1:9乃
至7:3の混合物であることを特徴とする。
材料は電気伝導性に優れ、熱膨張係数が固体電解質とほ
ぼ同じ値を持つK2NiF4構造のペロブスカイト型銅酸
化物に、この酸化物に対して化学的に不活性な酸化物を
分散させることで、動作温度における焼結を防ぎ空気の
供給に適した多孔質状態を保持する。
物の一種であるLa1.86Sr0.14CuO4は、酸化物超
伝導物質として知られており、室温で10000S/c
m以上、800℃の高温でも1000S/cm以上と電
気伝導性が非常に高い。しかし、ペロブスカイト型酸化
物の中では融点が1300℃と比較的低いため、動作温
度を1000〜800℃付近にした場合、各微結晶粒子
が融合し、粒成長を起こし、焼結収縮するため多孔質構
造が失われてしまう。そこでこの酸化物に対して化学的
に不活性なアルミナ、ジルコニア、パイロクロア等の酸
化物を分散させ、酸化物複合体とすることで、動作温度
における焼結を防ぎ空気の供給に適した多孔質状態を長
時間に渡り保持することができる。
ニア、パイロクロア、銅酸化物の一例としてLaCuO
4とLa1.86Sr0.14CuO4の25〜1000℃での熱
膨張係数の平均値を示す。これらの微粒子を混合し酸化
物複合体としたときの熱膨張係数は両者の値の間にな
り、その値はほぼ混合体積比からの比例配分値になる。
したがって、YSZとの熱膨張差は、混合比に依存する
が従来の空気極材料であるLa0.8Sr0.2MnO3とほ
ぼ同等であることがわかる。
あるため、良導体である銅酸化物との混合比をある一定
範囲以下にする必要がある。すなわち、アルミナ、ジル
コニア、パイロクロアから選択された一種の酸化物と銅
酸化物との体積混合比は、後述の実施例1表1−2より
明らかなように1:9〜7:3である。この範囲では銅
酸化物の粒成長は抑制され、また銅酸化物の微粒子同士
が接触しているため高い電気伝導性を持つ。
(Ln2-xAx)1-dCu1+dO4(ただし、Lnはランタ
ノイド系元素あるいはイットリウムであり、Aは2価の
金属元素であり、0.05≦x≦0.44かつ−0.0
5≦d≦0.10)であるのが好ましい。前述のように
良好な伝導性を有するからである。ここでx、dが上述
の範囲を逸脱すると、伝導性が小さくなる恐れがあるか
らである。
気的特性および動作温度における微細構造の安定性を同
時に満足する低温動作型固体燃料電池用空気極材料を実
現できる。
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。
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は空気極である。固体電解質
として、(ZrO2)0.9(Sc2O3)0.09(Al2O3)
0.01なる組成よりなる酸化物を、燃料極にはNi−YS
Zを、そして空気極にはLa2-xSrxCuO4+YSZ
を用いた。ここでYSZは安定化ジルコニアで組成はY
0.16Zr0.84O2である。また30vol.%≦{La
1.86Sr0.14CuO4/(La1.86Sr0.14CuO4+Y
SZ)}≦90vol.%の範囲、および0.05≦x
≦0.44で{La2-xSrxCuO4/(La2-xSrx
CuO4+YSZ)}=60vol.%の条件の2種類
の実験を行なった。
下に示す。まずドクターブレード法により固体電解質の
セラミックス薄板のグリーンシートを形成し1600℃
で焼上げる。これにスクリーンプリントで燃料電極にN
i−YSZを塗布し1400℃で焼き、この後、上記の
空気極を塗布し1000℃で焼き付けた。
m、固体電解質の厚みを3mmとし、20mmΦの単セ
ルを形成した。図2に空気極をLa1.86Sr0.14CuO
4としYSZの混合比が40vol.%の条件の単セル
の水素−酸素雰囲気800℃における電流密度−電圧特
性を示す。比較のために上記の単セルの空気極だけをL
a0.8Sr0.2MnO3としたセルの特性も同時に示す。
表1−1、表1−2に空気極における端子電圧と銅酸化
物組成、銅酸化物とYSZとの混合比と端子電圧との関
係を示す。ここで、端子電圧は電流密度が1A/cm2
時の値である。これら本発明の空気極を用いたときはい
ずれも従来のLa0.8Sr0.2MnO3を空気極に用いた
セルに比べ良好な特性を示した。
けをアルミナとPr2-xCaxCuO4(0.05≦x≦
0.44)の複合物に代えて実施例1と同様の実験を行
なった。表2−1、2−2に示すように、実施例1とほ
ぼ同様に、従来材料であるLa0.8Sr0.2MnO3に比
べいずれも良好な結果を得た。
けをパイロクロア(Nd2Zr2O7)とNd2-xMgxC
uO4(0.05≦x≦0.44)の複合物に代えて実
施例1と同様の実験を行なった。表3−1、3−2に示
すように、実施例1とほぼ同様に、従来材料であるLa
0.8Sr0.2MnO3に比べいずれも良好な結果を得た。
池のインターコネクタをK2NiF4構造のペロブスカイ
ト型銅酸化物に、この酸化物に対して化学的に不活性な
酸化物を分散させることで、動作温度における焼結を防
ぎ空気の供給に適した多孔質状態を保持することがで
き、電解質への空気の供給効率を損なわずに電気抵抗を
低く抑えられる空気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化に大きな貢献をなすもので
ある。
Claims (2)
- 【請求項1】低温動作型固体燃料電池の空気極を形成す
る空気極材料において、前記空気極が、ジルコニア、ア
ルミナおよびランタノイド系パイロクロアから選ばれた
1種と、K2NiF4構造の銅酸化物との体積混合比1:
9乃至7:3の混合物であることを特徴とする低温動作
型固体燃料電池用空気極材料。 - 【請求項2】前記銅酸化物が、(Ln2-xAx)1-dCu
1+dO4であることを特徴とする請求項1記載の低温動作
型固体燃料電池用空気極材料。ただし、Lnはランタノ
イド系元素あるいはイットリウムであり、Aは2価の金
属元素であり、0.05≦x≦0.44かつ−0.05
≦d≦0.10である。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP05339969A JP3128099B2 (ja) | 1993-12-07 | 1993-12-07 | 低温動作型固体燃料電池用空気極材料 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
1993
- 1993-12-07 JP JP05339969A patent/JP3128099B2/ja not_active Expired - Fee Related
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