JPH06243880A - 固体燃料電池 - Google Patents
固体燃料電池Info
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- JPH06243880A JPH06243880A JP5029117A JP2911793A JPH06243880A JP H06243880 A JPH06243880 A JP H06243880A JP 5029117 A JP5029117 A JP 5029117A JP 2911793 A JP2911793 A JP 2911793A JP H06243880 A JPH06243880 A JP H06243880A
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- 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
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明はYSZに比ベてイオン伝導度が高い
固体電解質を用いて動作温度を800℃まで下げ、La
1-zSrzMnO3より高い導電率及び触媒活性を有する
空気電極を用い、実用上使用可能な低温動作型固体燃料
電池を提供することを目的とする。 【構成】 本発明の固体燃料電池は、電解質として(1
−x−y)ZrO2−xSc2O3−yAl2O3(0.0
7≦x+y≦0.13かつ0.005≦y≦0.02)
なる組成を有する酸素イオン導伝体を、空気電極にLa
1-zSrzCoO3(0≦z≦0.8)なる組成を有する
酸化物を用いることを特徴とする。
固体電解質を用いて動作温度を800℃まで下げ、La
1-zSrzMnO3より高い導電率及び触媒活性を有する
空気電極を用い、実用上使用可能な低温動作型固体燃料
電池を提供することを目的とする。 【構成】 本発明の固体燃料電池は、電解質として(1
−x−y)ZrO2−xSc2O3−yAl2O3(0.0
7≦x+y≦0.13かつ0.005≦y≦0.02)
なる組成を有する酸素イオン導伝体を、空気電極にLa
1-zSrzCoO3(0≦z≦0.8)なる組成を有する
酸化物を用いることを特徴とする。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質型燃料電池
に関するものである。
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、酸素イオン導伝体を用いた固体電
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。
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。
【0003】固体電解質燃料電池の電解質として従来最
も有望視されてきた酸素イオン導伝体であるY2O3安定
化ZrO2(YSZ)において十分なイオン伝導度を得
るには1000℃の高温動作が必要である。
も有望視されてきた酸素イオン導伝体であるY2O3安定
化ZrO2(YSZ)において十分なイオン伝導度を得
るには1000℃の高温動作が必要である。
【0004】しかし、このような高温では電極界面との
反応が生じ良好な電池特性が期待できない。さらに電解
質と空気電極の熱膨張率を合わせなければならないた
め、空気電極の材料選択に制限が加わり、固体燃料電池
の実用化がおくれているのが現状である。特に、空気電
極の材料選択の制限は最も大きな問題であり、従来、導
電率及び触媒活性が低いLa1-zSrzMnO3が用いら
れている。この主な理由は熱膨張係数が固体電解質とし
て用いられているYSZに近いため、1000℃まで温
度を上げても剥離がおこらず機械的特性が安定している
ためである。しかしながら、より高い導電率及び触媒活
性を有する空気電極の材料選択の幅を広げるためには、
動作温度を下げることが必要で、そのためYSZより高
いイオン伝導度のイオン導伝材料の出現が望まれてい
る。
反応が生じ良好な電池特性が期待できない。さらに電解
質と空気電極の熱膨張率を合わせなければならないた
め、空気電極の材料選択に制限が加わり、固体燃料電池
の実用化がおくれているのが現状である。特に、空気電
極の材料選択の制限は最も大きな問題であり、従来、導
電率及び触媒活性が低いLa1-zSrzMnO3が用いら
れている。この主な理由は熱膨張係数が固体電解質とし
て用いられているYSZに近いため、1000℃まで温
度を上げても剥離がおこらず機械的特性が安定している
ためである。しかしながら、より高い導電率及び触媒活
性を有する空気電極の材料選択の幅を広げるためには、
動作温度を下げることが必要で、そのためYSZより高
いイオン伝導度のイオン導伝材料の出現が望まれてい
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明はYSZに比ベ
てイオン伝導度が高い固体電解質を用いて動作温度を8
00℃まで下げ、La1-zSrzMnO3より高い導電率
及び触媒活性を有する空気電極を用い、実用上使用可能
な低温動作型固体燃料電池を提供することを目的とす
る。
てイオン伝導度が高い固体電解質を用いて動作温度を8
00℃まで下げ、La1-zSrzMnO3より高い導電率
及び触媒活性を有する空気電極を用い、実用上使用可能
な低温動作型固体燃料電池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】本発明の固体燃料電池
は、電解質として(1−x−y)ZrO2−xSc2O3
−yAl2O3(0.07≦x+y≦0.13かつ0.0
05≦y≦0.02)なる組成を有する酸素イオン導伝
体を、空気電極にLa1-zSrzCoO3(0≦z≦0.
8)なる組成を有する酸化物を用いることを特徴とす
る。
は、電解質として(1−x−y)ZrO2−xSc2O3
−yAl2O3(0.07≦x+y≦0.13かつ0.0
05≦y≦0.02)なる組成を有する酸素イオン導伝
体を、空気電極にLa1-zSrzCoO3(0≦z≦0.
8)なる組成を有する酸化物を用いることを特徴とす
る。
【0007】尚、上記のような酸素イオン導伝体及び空
気電極材料は通常の固相反応による焼結法で得られる。
気電極材料は通常の固相反応による焼結法で得られる。
【0008】
【作用】以下に本発明の作用を本発明をなすに際して得
た知見とともに説明する。
た知見とともに説明する。
【0009】本発明者は、まず従来用いられているZr
O2−Y2O3系のイオン導伝体よりさらに高いイオン伝
導度を有するジルコニア系材料の探索を行った。その結
果ドーパントのイオン半径がZr4+に近いSc3+を用い
たとき、高いイオン伝導度が現れることに注目しZrO
2−Sc2O3系の材料を探索した。しかしこの材料系は
イオン伝導度の高い8〜13mol%付近では室温で菱
面体相が安定になり、650℃付近で立方晶に構造相転
移を起こし熱膨張率の相違に基づき、熱サイクルによる
破壊を引き起こし材料として使用できない。
O2−Y2O3系のイオン導伝体よりさらに高いイオン伝
導度を有するジルコニア系材料の探索を行った。その結
果ドーパントのイオン半径がZr4+に近いSc3+を用い
たとき、高いイオン伝導度が現れることに注目しZrO
2−Sc2O3系の材料を探索した。しかしこの材料系は
イオン伝導度の高い8〜13mol%付近では室温で菱
面体相が安定になり、650℃付近で立方晶に構造相転
移を起こし熱膨張率の相違に基づき、熱サイクルによる
破壊を引き起こし材料として使用できない。
【0010】そこで本発明者はかかる相変態を防止する
ために特定の第2ドーパントを加えて立方晶を室温まで
安定化した高いイオン伝導度を有する材料を見いだした
(特願平4−334507号)。
ために特定の第2ドーパントを加えて立方晶を室温まで
安定化した高いイオン伝導度を有する材料を見いだした
(特願平4−334507号)。
【0011】すなわちZrO2−Sc2O3−Al2O3系
の材料においては800℃で1×10-1S/cm程度の
イオン伝導度が実現できるが、これは従来材料のYSZ
の1000℃での値に匹敵する。従って、ZrO2−S
c2O3−Al2O3系立方晶安定化ジルコニアを用いれば
動作温度を従来より200℃下げることができ、従来空
気電極として用いられてきたLa1-zSrzMnO3以外
の電極材料の使用が可能になる。
の材料においては800℃で1×10-1S/cm程度の
イオン伝導度が実現できるが、これは従来材料のYSZ
の1000℃での値に匹敵する。従って、ZrO2−S
c2O3−Al2O3系立方晶安定化ジルコニアを用いれば
動作温度を従来より200℃下げることができ、従来空
気電極として用いられてきたLa1-zSrzMnO3以外
の電極材料の使用が可能になる。
【0012】ペロプスカイト系酸化物の中でLaCoO
3は高温で良好な電気伝導度を示す。また、Laの一部
をSrで置き換えたLa1-zSrzCoO3では高温にお
いて金属なみの電気伝導度を示す。また、LaCoO3
は酸素イオンの拡散速度が電解質のそれに匹敵するため
電極−酸素2相界面でも酸素の還元が起こり高い触媒活
性を示す。しかし、上記材料は熱膨張係数がLa1-zS
rzMnO3程にYSZと合致しないため、1000℃で
の高温では機械的特性に問題がある。
3は高温で良好な電気伝導度を示す。また、Laの一部
をSrで置き換えたLa1-zSrzCoO3では高温にお
いて金属なみの電気伝導度を示す。また、LaCoO3
は酸素イオンの拡散速度が電解質のそれに匹敵するため
電極−酸素2相界面でも酸素の還元が起こり高い触媒活
性を示す。しかし、上記材料は熱膨張係数がLa1-zS
rzMnO3程にYSZと合致しないため、1000℃で
の高温では機械的特性に問題がある。
【0013】そこで、電解質材料としてYSZのかわり
にZrO2−Sc2O3−Al2O3系立方晶安定化ジルコ
ニアを使うことにより動作温度を下げ電解質と電極との
反応速度を低下させ、電気伝導度及び触媒活性の高いL
a1-zSrzCoO3を空気電極に用いることができるこ
とを知見した。またこのような低温動作型にすることに
より、従来課題となっている電解質材料と空気電極材料
の熱膨張係数の違いによる材料間の不整合も1000℃
での動作より抑えられることを解明した。
にZrO2−Sc2O3−Al2O3系立方晶安定化ジルコ
ニアを使うことにより動作温度を下げ電解質と電極との
反応速度を低下させ、電気伝導度及び触媒活性の高いL
a1-zSrzCoO3を空気電極に用いることができるこ
とを知見した。またこのような低温動作型にすることに
より、従来課題となっている電解質材料と空気電極材料
の熱膨張係数の違いによる材料間の不整合も1000℃
での動作より抑えられることを解明した。
【0014】本発明の固体燃料電池は、電解質として
(1−x−y)ZrO2−xSc2O3−yAl2O
3(0.07≦x+y≦0.13かつ0.005≦y≦
0.02)なる組成を有する酸素イオン導伝体を、空気
電極にLa1-zSrzCoO3(0≦z≦0.8)なる組
成を有する酸化物を用いる。ここで、限定理由について
詳述する。
(1−x−y)ZrO2−xSc2O3−yAl2O
3(0.07≦x+y≦0.13かつ0.005≦y≦
0.02)なる組成を有する酸素イオン導伝体を、空気
電極にLa1-zSrzCoO3(0≦z≦0.8)なる組
成を有する酸化物を用いる。ここで、限定理由について
詳述する。
【0015】すなわちZnO2中の4価のZnイオンの
一部を3価のイオンで置換し酸素欠陥が形成されイオン
伝導性が生じるが、従来材料のYSZより高いイオン伝
導性を有する3価のドーパント濃度が0.07≦x+y
≦0.13で限定される。さらに立方晶安定化を行うた
めSc3+をイオン半径の異なるAl3+で一部置換する際
のイオン伝導度の低下を考慮すると、第2ドーパントA
l3+の濃度として0.005≦y≦0.02と限定され
る。
一部を3価のイオンで置換し酸素欠陥が形成されイオン
伝導性が生じるが、従来材料のYSZより高いイオン伝
導性を有する3価のドーパント濃度が0.07≦x+y
≦0.13で限定される。さらに立方晶安定化を行うた
めSc3+をイオン半径の異なるAl3+で一部置換する際
のイオン伝導度の低下を考慮すると、第2ドーパントA
l3+の濃度として0.005≦y≦0.02と限定され
る。
【0016】つぎに空気電極はz=0のLaCoO3自
体も比較的良好な電子伝導性を示すが、さらにLaの一
部をSrで置換することによりCo3+とCo4+の混合状
態をとり、非常に高い電子伝導性を示す。しかしz=1
に近づくとCo4+が多くなり電子伝導性がLaCoO3
の場合より悪くなり電極としての特性が劣化する。つま
り適度にCo3+とCo4+が混じっているとき最良の特性
を示すゆえ0≦z≦0.8と限定される。
体も比較的良好な電子伝導性を示すが、さらにLaの一
部をSrで置換することによりCo3+とCo4+の混合状
態をとり、非常に高い電子伝導性を示す。しかしz=1
に近づくとCo4+が多くなり電子伝導性がLaCoO3
の場合より悪くなり電極としての特性が劣化する。つま
り適度にCo3+とCo4+が混じっているとき最良の特性
を示すゆえ0≦z≦0.8と限定される。
【0017】
(実施例1)図1は本発明の材料を用いた単セルの固体
燃料電池の構造例を示す図である。
燃料電池の構造例を示す図である。
【0018】本実施例の電池構成において、1は空気電
極、2は固体電解質、3は燃料電極である。尚、固体電
解質材料としては(1−x)ZrO2−xSc2O3−y
Al2O3(0.07≦x+y≦0.13かつ0.005
≦y≦0.02)なる組成物よりなる立方晶安定化ジル
コニアを用い、空気電極材料としてはLa1-zSrzCo
O3(0≦z≦0.8)なる組成物よりなる酸化物を、
燃料電極にはNi−ZrO2を用いた。
極、2は固体電解質、3は燃料電極である。尚、固体電
解質材料としては(1−x)ZrO2−xSc2O3−y
Al2O3(0.07≦x+y≦0.13かつ0.005
≦y≦0.02)なる組成物よりなる立方晶安定化ジル
コニアを用い、空気電極材料としてはLa1-zSrzCo
O3(0≦z≦0.8)なる組成物よりなる酸化物を、
燃料電極にはNi−ZrO2を用いた。
【0019】単セルの作成方法は次の通りである。
【0020】まずドクターブレード法により固体電解質
のセラミックス薄膜を形成1600℃で焼き上げる。こ
れにスラリーコーティング法で燃料電極のNi−YSZ
および空気電極のLa1-zSrzCoO3を各々1500
℃,2時間、1150℃,4時間で焼き付けた。
のセラミックス薄膜を形成1600℃で焼き上げる。こ
れにスラリーコーティング法で燃料電極のNi−YSZ
および空気電極のLa1-zSrzCoO3を各々1500
℃,2時間、1150℃,4時間で焼き付けた。
【0021】次に、本実施例の効果を測定例で示す。図
1において、空気電極1および燃料電極3の厚みを1m
mとし、固体電解質2の厚みを0.3mmとし、20m
mφの単セルを形成した。固体電解質2の材料を0.9
0ZrO2−0.09Sc2O 3−0.01Al2O3のと
し空気電極の材料をLa0.7Sr0.3CoO3とした場合
の水素−酸素雰囲気800℃における単セルの電流(電
流密度)−電圧特性を図2に示す。
1において、空気電極1および燃料電極3の厚みを1m
mとし、固体電解質2の厚みを0.3mmとし、20m
mφの単セルを形成した。固体電解質2の材料を0.9
0ZrO2−0.09Sc2O 3−0.01Al2O3のと
し空気電極の材料をLa0.7Sr0.3CoO3とした場合
の水素−酸素雰囲気800℃における単セルの電流(電
流密度)−電圧特性を図2に示す。
【0022】尚、比較のために従来よく用いられる電解
質がYSZで空気電極がLa0.7Sr0.3MnO3の揚合
の800℃における単セルの電流(電流密度)−電圧特
性も同時に示す。さらに同様にして800℃で測定した
電流密度が1A/cm2の時の端子電圧を表1に示す。
質がYSZで空気電極がLa0.7Sr0.3MnO3の揚合
の800℃における単セルの電流(電流密度)−電圧特
性も同時に示す。さらに同様にして800℃で測定した
電流密度が1A/cm2の時の端子電圧を表1に示す。
【0023】本実施例は従来例より良好な電池特性すな
わち電流−電圧特性が得られた。また他の方法で作成し
た単セルについても、固体電解質にZrO2−Sc2O3
−Al2O3系立方晶安定化ジルコニアを用い、空気電極
にLa1-zSrzCoO3を用いた場合、その電池特性は
すべて従来例より良好であった。
わち電流−電圧特性が得られた。また他の方法で作成し
た単セルについても、固体電解質にZrO2−Sc2O3
−Al2O3系立方晶安定化ジルコニアを用い、空気電極
にLa1-zSrzCoO3を用いた場合、その電池特性は
すべて従来例より良好であった。
【0024】
【表1】 材料 空気電極 端子電圧(V) 0.88ZrO2-0.115Sc2O3-0.005Al2O3 La0.7Sr0.3CoO3 0.59 0.88ZrO2-0.110Sc2O3-0.010Al2O3 La0.7Sr0.3CoO3 0.56 0.88ZrO2-0.105Sc2O3-0.015Al2O3 La0.7Sr0.3CoO3 0.51 0.88ZrO2-0.100Sc2O3-0.020Al2O3 La0.7Sr0.3CoO3 0.46 0.88ZrO2-0.095Sc2O3-0.025Al2O3 La0.7Sr0.3CoO3 0.42 0.93ZrO2-0.065Sc2O3-0.005Al2O3 La0.7Sr0.3CoO3 0.51 0.92ZrO2-0.075Sc2O3-0.005Al2O3 La0.7Sr0.3CoO3 0.56 0.91ZrO2-0.085Sc2O3-0.005Al2O3 La0.7Sr0.3CoO3 0.65 0.90ZrO2-0.095Sc2O3-0.005Al2O3 La0.7Sr0.3CoO3 0.73 0.89ZrO2-0.105Sc2O3-0.005Al2O3 La0.7Sr0.3CoO3 0.69 0.88ZrO2-0.115Sc2O3-0.005Al2O3 La0.7Sr0.3CoO3 0.54 0.87ZrO2-0.125Sc2O3-0.005Al2O3 La0.7Sr0.3CoO3 0.47 0.86ZrO2-0.135Sc2O3-0.005Al2O3 La0.7Sr0.3CoO3 0.45 0.90ZrO2-0.09Sc2O3-0.01Al2O3 LaCoO3 0.59 0.90ZrO2-0.09Sc2O3-0.01Al2O3 La0.9Sr0.1CoO3 0.63 0.90ZrO2-0.09Sc2O3-0.01Al2O3 La0.7Sr0.3CoO3 0.71 0.90ZrO2-0.09Sc2O3-0.01Al2O3 La0.5Sr0.5CoO3 0.62 0.90ZrO2-0.09Sc2O3-0.01Al2O3 La0.3Sr0.7CoO3 0.55 0.90ZrO2-0.09Sc2O3-0.01Al2O3 La0.2Sr0.8CoO3 0.50 0.90ZrO2-0.09Sc2O3-0.01Al2O3 La0.1Sr0.9CoO3 0.32
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、ZrO2−Sc2O
3−Al2O3系立方晶安定化ジルコニアを用いることに
より、従来の固体電解質燃料電池より200℃程度動作
を下げることができ、そのため酸素イオン活性が高く電
子伝導度の大きいLa1-zSrzCoO3を空気電極とし
て用いることができる。本発明は固体燃料電池の低温動
作化に大きな貢献をなすものである。
3−Al2O3系立方晶安定化ジルコニアを用いることに
より、従来の固体電解質燃料電池より200℃程度動作
を下げることができ、そのため酸素イオン活性が高く電
子伝導度の大きいLa1-zSrzCoO3を空気電極とし
て用いることができる。本発明は固体燃料電池の低温動
作化に大きな貢献をなすものである。
【図1】固体燃料電池単セルの構成図。
【図2】800℃での単セルの電流−電圧特性図。
Claims (1)
- 【請求項1】 (1−x−y)ZrO2−xSc2O3−
yAl2O3(0.07≦x+y≦0.13かつ0.00
5≦y≦0.02)なる組成を有する酸素イオン導伝体
を固体電解質とし、La1-zSrzCoO3(0≦z≦
0.8)なる組成を有する酸化物を空気電極として用い
ることを特徴とする固体燃料電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5029117A JPH06243880A (ja) | 1993-02-18 | 1993-02-18 | 固体燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5029117A JPH06243880A (ja) | 1993-02-18 | 1993-02-18 | 固体燃料電池 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06243880A true JPH06243880A (ja) | 1994-09-02 |
Family
ID=12267376
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP5029117A Pending JPH06243880A (ja) | 1993-02-18 | 1993-02-18 | 固体燃料電池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH06243880A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08250135A (ja) * | 1995-03-14 | 1996-09-27 | Toho Gas Co Ltd | 固体電解質型燃料電池及びその電池セルの製造方法 |
JP2003068324A (ja) * | 2001-06-15 | 2003-03-07 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 酸素イオン伝導性固体電解質並びにこれを用いた電気化学デバイス及び固体電解質型燃料電池 |
-
1993
- 1993-02-18 JP JP5029117A patent/JPH06243880A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08250135A (ja) * | 1995-03-14 | 1996-09-27 | Toho Gas Co Ltd | 固体電解質型燃料電池及びその電池セルの製造方法 |
JP2003068324A (ja) * | 2001-06-15 | 2003-03-07 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 酸素イオン伝導性固体電解質並びにこれを用いた電気化学デバイス及び固体電解質型燃料電池 |
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