JPH04301369A - 固体電解質燃料電池用空気電極及びこれを有する固体電解質燃料電池 - Google Patents
固体電解質燃料電池用空気電極及びこれを有する固体電解質燃料電池Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
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-
- H—ELECTRICITY
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-
- 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
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- Y02E60/50—Fuel cells
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
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- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質燃料電池用
空気電極及びこれを有する固体電解質燃料電池に関する
ものである。
空気電極及びこれを有する固体電解質燃料電池に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】最近、燃料電池が発電装置として注目さ
れている。これは、燃料が有する化学エネルギーを直接
電気エネルギーに変換できる装置で、カルノーサイクル
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、燃料の多様化が可能で（ナフサ、天然ガス、
メタノール、石炭改質ガス、重油等）、低公害で、しか
も発電効率が設備規模によって影響されず、極めて有望
な技術である。特に、固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）
は、１０００℃の高温で作動するため電極反応が極め
て活発で、高価な白金などの貴金属触媒を全く必要とせ
ず、分極が小さく、出力電圧も比較的高いため、エネル
ギー変換効率が他の燃料電池にくらべ著しく高い。更に
、構造材は全て固体から構成されるため、安定且つ長寿
命である。
れている。これは、燃料が有する化学エネルギーを直接
電気エネルギーに変換できる装置で、カルノーサイクル
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、燃料の多様化が可能で（ナフサ、天然ガス、
メタノール、石炭改質ガス、重油等）、低公害で、しか
も発電効率が設備規模によって影響されず、極めて有望
な技術である。特に、固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）
は、１０００℃の高温で作動するため電極反応が極め
て活発で、高価な白金などの貴金属触媒を全く必要とせ
ず、分極が小さく、出力電圧も比較的高いため、エネル
ギー変換効率が他の燃料電池にくらべ著しく高い。更に
、構造材は全て固体から構成されるため、安定且つ長寿
命である。
【０００３】ＳＯＦＣにおいては、構成要素が固体であ
るため、様々な構成の単電池が提案されている。また、
特に空気電極の材料としては、Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３系
やＬａ（Ｓｒ）ＣｏＯ３系等の導電性ペロブスカイト形
酸化物が有望視されている。特に、Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ
３系材料は、反応性、熱膨脹率共に、ジニコニア固体電
解質膜と相性が良い。
るため、様々な構成の単電池が提案されている。また、
特に空気電極の材料としては、Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３系
やＬａ（Ｓｒ）ＣｏＯ３系等の導電性ペロブスカイト形
酸化物が有望視されている。特に、Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ
３系材料は、反応性、熱膨脹率共に、ジニコニア固体電
解質膜と相性が良い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
空気電極材料は、燃料電極材料にくらべて電気抵抗が大
きく、単電池の出力低下の原因となっている。特に、電
流は薄い空気電極膜又は空気電極基体に沿って膜又は基
体に平行に流れるので、全体として電気抵抗、電圧損失
が非常に大きい。
空気電極材料は、燃料電極材料にくらべて電気抵抗が大
きく、単電池の出力低下の原因となっている。特に、電
流は薄い空気電極膜又は空気電極基体に沿って膜又は基
体に平行に流れるので、全体として電気抵抗、電圧損失
が非常に大きい。
【０００５】一方、空気電極の厚さをできる限り大きく
して電気抵抗を減らすことも考えられる。しかし、空気
電極の厚さを大きくすると、空気電極におけるガス拡散
抵抗が非常に大きくなり、空気電極−固体電解質膜−酸
化剤の接する三相界面への酸化剤供給量が著しく減少し
、かえって単電池の出力が低下する。
して電気抵抗を減らすことも考えられる。しかし、空気
電極の厚さを大きくすると、空気電極におけるガス拡散
抵抗が非常に大きくなり、空気電極−固体電解質膜−酸
化剤の接する三相界面への酸化剤供給量が著しく減少し
、かえって単電池の出力が低下する。
【０００６】空気電極におけるガス拡散抵抗を減らし、
酸化剤の透過性を向上させるためには、空気電極の開気
孔率と気孔径とを大きくすることが考えられる。しかし
、この場合は、空気電極−固体電解質膜−酸化剤の接す
る三相界面の個数や面積が著しく減少すると共に、また
気孔率を大きくした場合は電極自体の抵抗が大きくなる
ので、やはり単電池の出力が低下する。
酸化剤の透過性を向上させるためには、空気電極の開気
孔率と気孔径とを大きくすることが考えられる。しかし
、この場合は、空気電極−固体電解質膜−酸化剤の接す
る三相界面の個数や面積が著しく減少すると共に、また
気孔率を大きくした場合は電極自体の抵抗が大きくなる
ので、やはり単電池の出力が低下する。
【０００７】本発明の課題は、空気電極−固体電解質膜
−酸化剤の接する三相界面への酸化剤供給量を多くし、
また三相界面の個数と面積とを増大させ、かつ空気電極
における電気抵抗も少なくして単電池の出力を増大させ
ることである。
−酸化剤の接する三相界面への酸化剤供給量を多くし、
また三相界面の個数と面積とを増大させ、かつ空気電極
における電気抵抗も少なくして単電池の出力を増大させ
ることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、固体電解質燃
料電池の構成部分をなす固体電解質燃料電池用空気電極
であって、この空気電極が第一層と第二層とからなり、
前記第一層の開気孔率が２５％〜５７％であり、第一層
の気孔径が ２．５μｍ 〜１２μｍ であり、第一層
の比抵抗が ０．２２ Ω・ｃｍ以下であり、前記第二
層の開気孔率が８％〜２４％であり、第二層の気孔径が
０．２μｍ 〜３μｍ であり、前記空気電極の厚さ
に対する前記第二層の厚さの比率が２％〜２８％であり
、前記第一層の厚さと前記第二層の厚さとの和が ０．
７〜３．０ｍｍ であり、かつこの第一層と第二層との
材質が、マンガン酸ランタン、マンガン酸カルシウム、
ニッケル酸ランタン、コバルト酸ランタン及びクロム酸
ランタンからなる群より選ばれたペロブスカイト構造体
であることを特徴とする、固体電解質燃料電池用空気電
極に係るものである。
料電池の構成部分をなす固体電解質燃料電池用空気電極
であって、この空気電極が第一層と第二層とからなり、
前記第一層の開気孔率が２５％〜５７％であり、第一層
の気孔径が ２．５μｍ 〜１２μｍ であり、第一層
の比抵抗が ０．２２ Ω・ｃｍ以下であり、前記第二
層の開気孔率が８％〜２４％であり、第二層の気孔径が
０．２μｍ 〜３μｍ であり、前記空気電極の厚さ
に対する前記第二層の厚さの比率が２％〜２８％であり
、前記第一層の厚さと前記第二層の厚さとの和が ０．
７〜３．０ｍｍ であり、かつこの第一層と第二層との
材質が、マンガン酸ランタン、マンガン酸カルシウム、
ニッケル酸ランタン、コバルト酸ランタン及びクロム酸
ランタンからなる群より選ばれたペロブスカイト構造体
であることを特徴とする、固体電解質燃料電池用空気電
極に係るものである。
【０００９】
【作用】本発明者は、空気電極を二層構造とし、これら
第一層と第二層にそれぞれ機能を振り分けることにより
、前記の目的を達成した。具体的には、固体電解質膜に
接する側を第二層とし、第二層の開気孔率を８％〜２４
％とし、気孔径を ０．２μｍ 〜３μｍ とした。こ
れにより、第二層−固体電解質膜−酸化剤の接する三層
界面の個数及び面積を増加させた。
第一層と第二層にそれぞれ機能を振り分けることにより
、前記の目的を達成した。具体的には、固体電解質膜に
接する側を第二層とし、第二層の開気孔率を８％〜２４
％とし、気孔径を ０．２μｍ 〜３μｍ とした。こ
れにより、第二層−固体電解質膜−酸化剤の接する三層
界面の個数及び面積を増加させた。
【００１０】また、空気電極の厚さに対する第二層の厚
さの比率を２８％以下としたので、相対的に緻密な第二
層によってガス拡散抵抗が過度に大きくなることはない
。 またこれを２％以上としたので、三相界面を充分多く形
成することができる。
さの比率を２８％以下としたので、相対的に緻密な第二
層によってガス拡散抵抗が過度に大きくなることはない
。 またこれを２％以上としたので、三相界面を充分多く形
成することができる。
【００１１】また、第一層の開気孔率を２５％以上とし
、その気孔径を ２．５μｍ 以上としたのでガス拡散
抵抗が非常に小さい。しかも第一層の開気孔率を５７％
以下とし、気孔径を１２μｍ 以下としているので、空
気電極の機械的強度も大きい。更に、第一層の比抵抗を
０．２２ Ω・ｃｍ以下としているので、空気電極全
体の電気抵抗を小さくし、電圧損失を小さく抑えること
ができる。
、その気孔径を ２．５μｍ 以上としたのでガス拡散
抵抗が非常に小さい。しかも第一層の開気孔率を５７％
以下とし、気孔径を１２μｍ 以下としているので、空
気電極の機械的強度も大きい。更に、第一層の比抵抗を
０．２２ Ω・ｃｍ以下としているので、空気電極全
体の電気抵抗を小さくし、電圧損失を小さく抑えること
ができる。
【００１２】そして、これらの各要素を組み合わせるこ
とで、単電池の出力を、実用上必要な出力値である０．
９０Ｖ以上とすることが可能になる。また、第一層の厚
さと第二層の厚さとの和を ０．７〜３．０ｍｍ の範
囲にする必要があり、これにより単電池の出力を０．９
０Ｖ以上とすることができる。
とで、単電池の出力を、実用上必要な出力値である０．
９０Ｖ以上とすることが可能になる。また、第一層の厚
さと第二層の厚さとの和を ０．７〜３．０ｍｍ の範
囲にする必要があり、これにより単電池の出力を０．９
０Ｖ以上とすることができる。
【００１３】図１は、本発明に係るＳＯＦＣ （単電池
） の一例を示す断面図である。空気電極５は、第一層
１と第二層２との二層構造からなる。第二層２の表面に
固体電解質膜３が形成され、その表面に燃料電極膜４が
形成されている。この平板状ＳＯＦＣの平面形状は、例
えば正方形、長方形、円形等とする。また、本発明に係
る空気電極を、いわゆる円筒型ＳＯＦＣ、モノリシック
型ＳＯＦＣに適用することもできる。
） の一例を示す断面図である。空気電極５は、第一層
１と第二層２との二層構造からなる。第二層２の表面に
固体電解質膜３が形成され、その表面に燃料電極膜４が
形成されている。この平板状ＳＯＦＣの平面形状は、例
えば正方形、長方形、円形等とする。また、本発明に係
る空気電極を、いわゆる円筒型ＳＯＦＣ、モノリシック
型ＳＯＦＣに適用することもできる。
【００１４】図１に示す空気電極５の微構造を、図２に
模式的に示す。第一層１においては、互いに焼結してい
る各粒子が比較的大きく、第二層２においては各粒子が
比較的小さくなっている。第一層１において、焼結によ
って各粒子が互いに広い面積で接触し合っており、全体
として連続的な骨格を形成している。こうした微構造で
あれば、第一層１において各粒子の接触面積が大きいの
で、第一層１における比抵抗が小さくなる。
模式的に示す。第一層１においては、互いに焼結してい
る各粒子が比較的大きく、第二層２においては各粒子が
比較的小さくなっている。第一層１において、焼結によ
って各粒子が互いに広い面積で接触し合っており、全体
として連続的な骨格を形成している。こうした微構造で
あれば、第一層１において各粒子の接触面積が大きいの
で、第一層１における比抵抗が小さくなる。
【００１５】固体電解質膜３はジルコニアで形成するこ
とが好ましく、イットリア、カルシア、マグネシア、セ
リアで安定化又は部分安定化したジルコニアで形成する
ことが更に好ましい。燃料電極膜４の材料としては、ニ
ッケル−ジルコニアサーメット、コバルト−ジルコニア
サーメット、クロム−ジルコニアサーメット等が好まし
い。
とが好ましく、イットリア、カルシア、マグネシア、セ
リアで安定化又は部分安定化したジルコニアで形成する
ことが更に好ましい。燃料電極膜４の材料としては、ニ
ッケル−ジルコニアサーメット、コバルト−ジルコニア
サーメット、クロム−ジルコニアサーメット等が好まし
い。
【００１６】
【実施例】図１に示す平板状ＳＯＦＣを作製した。但し
、この平板状ＳＯＦＣの平面形状は正方形とし、寸法を
２０ｍｍ×２０ｍｍとし、空気電極５の厚さを２ｍｍと
した。空気電極５の材質は、Ｌａ０．９ Ｓｒ０．１
ＭｎＯ３とした。
、この平板状ＳＯＦＣの平面形状は正方形とし、寸法を
２０ｍｍ×２０ｍｍとし、空気電極５の厚さを２ｍｍと
した。空気電極５の材質は、Ｌａ０．９ Ｓｒ０．１
ＭｎＯ３とした。
【００１７】Ｌａ０．９ Ｓｒ０．１ ＭｎＯ３原料を
粉砕し、粒度調整をした後、増孔剤を添加、混合し、プ
レス成形し、焼成して、第一層１を形成した。また、Ｌ
ａ０．９ Ｓｒ０．１ ＭｎＯ３原料を粉砕し、粒度調
整をした後、所定の条件で第一層１の表面にプラズマ溶
射して第二層２を形成した。８ｍｏｌ イットリア安定
化ジルコニア （８ＹＳＺ） からなる固体電解質膜３
を、プラズマ溶射によって設けた。この厚さは １００
μｍ とした。次いで、白金ペーストをハケによって塗
布し、燃料電極膜４を形成した。
粉砕し、粒度調整をした後、増孔剤を添加、混合し、プ
レス成形し、焼成して、第一層１を形成した。また、Ｌ
ａ０．９ Ｓｒ０．１ ＭｎＯ３原料を粉砕し、粒度調
整をした後、所定の条件で第一層１の表面にプラズマ溶
射して第二層２を形成した。８ｍｏｌ イットリア安定
化ジルコニア （８ＹＳＺ） からなる固体電解質膜３
を、プラズマ溶射によって設けた。この厚さは １００
μｍ とした。次いで、白金ペーストをハケによって塗
布し、燃料電極膜４を形成した。
【００１８】第一層の開気孔率、気孔径、比抵抗、第二
層の開気孔率、気孔径及び第二層の厚さは、後述するよ
うにして調整した。本実施例では、燃料ガスとして水素
を用い、酸化ガスとして空気を用いた。作業温度は１０
００℃とした。
層の開気孔率、気孔径及び第二層の厚さは、後述するよ
うにして調整した。本実施例では、燃料ガスとして水素
を用い、酸化ガスとして空気を用いた。作業温度は１０
００℃とした。
【００１９】（実験１）まず、図３に示すように、第二
層の開気孔率５〜４０％で変化させ、出力電圧が０．９
０Ｖ以上となる範囲を調べた。ここで、第一層の開気孔
率を４０％、第一層の厚さの空気電極全体の厚さに対す
る比率を９５％、第一層の気孔径を８μｍ 、第二層の
厚さの空気電極全体の厚さに対する比率を５％、第二層
の気孔径を１μｍ とした。この結果、第二層の開気孔
率が８〜２４％の範囲で、出力電圧が０．９０Ｖ以上と
なった。また、第二層の開気孔率が１５％のときに、出
力電圧は最大（０．９７Ｖ） となった。
層の開気孔率５〜４０％で変化させ、出力電圧が０．９
０Ｖ以上となる範囲を調べた。ここで、第一層の開気孔
率を４０％、第一層の厚さの空気電極全体の厚さに対す
る比率を９５％、第一層の気孔径を８μｍ 、第二層の
厚さの空気電極全体の厚さに対する比率を５％、第二層
の気孔径を１μｍ とした。この結果、第二層の開気孔
率が８〜２４％の範囲で、出力電圧が０．９０Ｖ以上と
なった。また、第二層の開気孔率が１５％のときに、出
力電圧は最大（０．９７Ｖ） となった。
【００２０】ただし、単電池の出力電圧は、２５０ｍＡ
／ｃｍ２ の電流密度で測定した。この点は、後述する
実験２〜６でも同様である。また、第二層の開気孔率を
変化させるための方法について述べる。第二層は、前述
したようにプラズマ溶射によって形成した。そして、こ
の際、図４に示すように、溶射ガンから第一層の表面ま
での距離（ｃｍ） を変化させることで、第二層の開気
孔率を変化させた。また、この開気孔率は、ＳＥＭ に
よる画像解析から求めた。プラズマ溶射時の出力は３５
ＫＷ、ガスの流量は、水素 ： １０ ｌ／分、アルゴ
ン３５ｌ／ 分とした。プラズマ用の粒子として、平均
粒径４０μｍ の造粒粒子を用いた。
／ｃｍ２ の電流密度で測定した。この点は、後述する
実験２〜６でも同様である。また、第二層の開気孔率を
変化させるための方法について述べる。第二層は、前述
したようにプラズマ溶射によって形成した。そして、こ
の際、図４に示すように、溶射ガンから第一層の表面ま
での距離（ｃｍ） を変化させることで、第二層の開気
孔率を変化させた。また、この開気孔率は、ＳＥＭ に
よる画像解析から求めた。プラズマ溶射時の出力は３５
ＫＷ、ガスの流量は、水素 ： １０ ｌ／分、アルゴ
ン３５ｌ／ 分とした。プラズマ用の粒子として、平均
粒径４０μｍ の造粒粒子を用いた。
【００２１】（実験２）図５に示すように、第二層の厚
さの、空気電極の厚さに対する比率を０〜５０％の間で
変化させ、出力電圧が０．９０Ｖ以上となる範囲を調べ
た。ここで、第一層の開気孔率を４０％、第一層の気孔
径を８μｍ 、第二層の開気孔率を１５％、第二層の気
孔径を１μｍ とした。この結果、第二層の厚さの、空
気電極の厚さに対する比率が２〜２８％の範囲で、出力
電圧が０．９０Ｖ以上となった。また、第二層の厚さの
比率が５％のときに、出力電圧は最大（０．９７Ｖ）と
なった。
さの、空気電極の厚さに対する比率を０〜５０％の間で
変化させ、出力電圧が０．９０Ｖ以上となる範囲を調べ
た。ここで、第一層の開気孔率を４０％、第一層の気孔
径を８μｍ 、第二層の開気孔率を１５％、第二層の気
孔径を１μｍ とした。この結果、第二層の厚さの、空
気電極の厚さに対する比率が２〜２８％の範囲で、出力
電圧が０．９０Ｖ以上となった。また、第二層の厚さの
比率が５％のときに、出力電圧は最大（０．９７Ｖ）と
なった。
【００２２】第二層の厚さの比率を変化させるには、図
６に示すように、プラズマ溶射の溶射パス回数を変化さ
せて第二層の厚さを変化させた。かつ、これと共に、第
一層を研摩することにより第一層の厚さを変化させ、空
気電極全体の厚さが２ｍｍとなるように調整した。ただ
し、プラズマ溶射時の出力を３５ＫＷとし、ガス流量は
、水素 ： １０ ｌ／分、アルゴン３５ ｌ／ 分と
した。溶射粒子の造粒粒子径は４０μｍ とし、プラズ
マ溶射ガンと第一層の表面との距離を１５ｃｍとした。
６に示すように、プラズマ溶射の溶射パス回数を変化さ
せて第二層の厚さを変化させた。かつ、これと共に、第
一層を研摩することにより第一層の厚さを変化させ、空
気電極全体の厚さが２ｍｍとなるように調整した。ただ
し、プラズマ溶射時の出力を３５ＫＷとし、ガス流量は
、水素 ： １０ ｌ／分、アルゴン３５ ｌ／ 分と
した。溶射粒子の造粒粒子径は４０μｍ とし、プラズ
マ溶射ガンと第一層の表面との距離を１５ｃｍとした。
【００２３】（実験３）図７に示すように、第二層の気
孔径を０〜８μｍ の間で変化させ、出力電圧が０．９
０Ｖ以上となる範囲を調べた。ここで、第一層の開気孔
率を４０％、第一層の厚さの空気電極全体の厚さに対す
る比率を９５％、第一層の気孔径を８μｍ 、第二層の
開気孔率を１５％、第二層の厚さの空気電極全体の厚さ
に対する比率を５％とした。この結果、第二層の気孔径
が ０．２〜３μｍ の範囲内で、出力電圧が０．９０
Ｖ以上となった。また、第二層の気孔径が１μｍ のと
きに、出力電圧が最大（０．９７Ｖ）となった。
孔径を０〜８μｍ の間で変化させ、出力電圧が０．９
０Ｖ以上となる範囲を調べた。ここで、第一層の開気孔
率を４０％、第一層の厚さの空気電極全体の厚さに対す
る比率を９５％、第一層の気孔径を８μｍ 、第二層の
開気孔率を１５％、第二層の厚さの空気電極全体の厚さ
に対する比率を５％とした。この結果、第二層の気孔径
が ０．２〜３μｍ の範囲内で、出力電圧が０．９０
Ｖ以上となった。また、第二層の気孔径が１μｍ のと
きに、出力電圧が最大（０．９７Ｖ）となった。
【００２４】第二層の気孔径を変化させるには、図８に
示すように、プラズマ溶射用原料粒子の造粒粒子径を変
化させた。ただし、プラズマ溶射時の出力を３５ＫＷと
し、ガス流量は、水素 ： １０ ｌ／分、アルゴン３
５ ｌ／ 分とした。プラズマ溶射ガンと第一層の表面
との距離を１５ｃｍとした。
示すように、プラズマ溶射用原料粒子の造粒粒子径を変
化させた。ただし、プラズマ溶射時の出力を３５ＫＷと
し、ガス流量は、水素 ： １０ ｌ／分、アルゴン３
５ ｌ／ 分とした。プラズマ溶射ガンと第一層の表面
との距離を１５ｃｍとした。
【００２５】（実験４）図９に示すように、第一層の気
孔径を１〜１４μｍ の間で変化させ、出力電圧が０．
９０Ｖ以上となる範囲を調べた。ここで、第一層の開気
孔率を４０％、第一層の厚さの空気電極全体の厚さに対
する比率を９５％、第二層の開気孔径を１５％、第二層
の厚さの空気電極全体の厚さに対する比率を５％、第二
層の気孔径を１μｍ とした。この結果、第一層の気孔
径が ２．５μｍ 以上の範囲で、出力電圧が０．９０
Ｖ以上となった。また、第一層の気孔径が８μｍ 以上
のときに、出力電圧が最大（０．９７Ｖ） となった。 なお、第一層の気孔径が１２μｍ を超えると、第一層
の機械的強度が急激に低下した。
孔径を１〜１４μｍ の間で変化させ、出力電圧が０．
９０Ｖ以上となる範囲を調べた。ここで、第一層の開気
孔率を４０％、第一層の厚さの空気電極全体の厚さに対
する比率を９５％、第二層の開気孔径を１５％、第二層
の厚さの空気電極全体の厚さに対する比率を５％、第二
層の気孔径を１μｍ とした。この結果、第一層の気孔
径が ２．５μｍ 以上の範囲で、出力電圧が０．９０
Ｖ以上となった。また、第一層の気孔径が８μｍ 以上
のときに、出力電圧が最大（０．９７Ｖ） となった。 なお、第一層の気孔径が１２μｍ を超えると、第一層
の機械的強度が急激に低下した。
【００２６】第一層の気孔径は、原料粒度を変更するこ
とによって調整した。即ち、原料を粉砕して粒度調整し
、増孔剤（本例ではアクリルパウダー）を添加し、プレ
ス成形し、焼成した。ここで、原料の粉砕後の粒度を図
１０に示すように変化させ、これによって第一層の気孔
径を変化させた。この際、第一層の開気孔率を４０％に
固定するため、後記する範囲で焼成温度を変化させた。 ただし、増孔剤量は４重量％とし、焼成温度は１２５０
℃〜１６８０℃とした。
とによって調整した。即ち、原料を粉砕して粒度調整し
、増孔剤（本例ではアクリルパウダー）を添加し、プレ
ス成形し、焼成した。ここで、原料の粉砕後の粒度を図
１０に示すように変化させ、これによって第一層の気孔
径を変化させた。この際、第一層の開気孔率を４０％に
固定するため、後記する範囲で焼成温度を変化させた。 ただし、増孔剤量は４重量％とし、焼成温度は１２５０
℃〜１６８０℃とした。
【００２７】（実験５）図１１に示すように、第一層の
開気孔率を２５〜５７μｍ の間で変化させ、出力電圧
が０．９０Ｖ以上となる範囲を調べた。ここで、第一層
の厚さの空気電極全体の厚さに対する比率を９５％、第
一層の気孔径を８μｍ 、第二層の開気孔率を１５％、
第二層の厚さの空気電極全体の厚さに対する比率を５％
、第二層の気孔径を１μｍ とした。この結果、第一層
の開気孔率が２５〜５７％の範囲内で、出力電圧が０．
９０Ｖ以上となった。また、第一層の開気孔率が４０％
のときに、出力電圧が最大（０．９７Ｖ）となった。
開気孔率を２５〜５７μｍ の間で変化させ、出力電圧
が０．９０Ｖ以上となる範囲を調べた。ここで、第一層
の厚さの空気電極全体の厚さに対する比率を９５％、第
一層の気孔径を８μｍ 、第二層の開気孔率を１５％、
第二層の厚さの空気電極全体の厚さに対する比率を５％
、第二層の気孔径を１μｍ とした。この結果、第一層
の開気孔率が２５〜５７％の範囲内で、出力電圧が０．
９０Ｖ以上となった。また、第一層の開気孔率が４０％
のときに、出力電圧が最大（０．９７Ｖ）となった。
【００２８】ここで、第一層の開気孔率を変化させるた
めには、図１２に示すように、プレス成形体の焼成温度
を変化させた。ただし、増孔剤量は４重量％とし、プレ
ス成形前の造粒粒子径は１３μｍ とした。
めには、図１２に示すように、プレス成形体の焼成温度
を変化させた。ただし、増孔剤量は４重量％とし、プレ
ス成形前の造粒粒子径は１３μｍ とした。
【００２９】（実験６）図１３に示すように、第一層の
比抵抗を ０．２〜０．２８Ω・ｃｍの間で変化させ、
出力電圧が０．９０Ｖ以上となる範囲を調べた。ここで
、第一層の開気孔率を４０％、第一層の厚さの空気電極
全体の厚さに対する比率を９５％、第一層の気孔径を８
μｍ 、第二層の開気孔率を１５％、第二層の厚さの空
気電極全体の厚さに対する比率を５％、第二層の気孔径
を１μｍ とした。この結果、第一層の比抵抗が ０．
２２ Ω・ｃｍ以下の範囲で、出力電圧が０．９０Ｖ以
上となった。
比抵抗を ０．２〜０．２８Ω・ｃｍの間で変化させ、
出力電圧が０．９０Ｖ以上となる範囲を調べた。ここで
、第一層の開気孔率を４０％、第一層の厚さの空気電極
全体の厚さに対する比率を９５％、第一層の気孔径を８
μｍ 、第二層の開気孔率を１５％、第二層の厚さの空
気電極全体の厚さに対する比率を５％、第二層の気孔径
を１μｍ とした。この結果、第一層の比抵抗が ０．
２２ Ω・ｃｍ以下の範囲で、出力電圧が０．９０Ｖ以
上となった。
【００３０】第一層の比抵抗を変化させるには、図１４
に示すように、増孔剤 （アクリルパウダー） の量を
変化させた。これにより嵩密度を変化させ、焼成温度を
１２００〜１６８０℃の範囲内で変化させた。ただし、
第一層の開気孔率は４０％に固定した。焼成温度を変化
させることにより、隣り合う粒子同士がつながっている
部分 （ネック）の成長の度合が異なり、隣り合う粒子
の接触面積が変わるので、第一層の比抵抗がこれに応じ
て変化する。
に示すように、増孔剤 （アクリルパウダー） の量を
変化させた。これにより嵩密度を変化させ、焼成温度を
１２００〜１６８０℃の範囲内で変化させた。ただし、
第一層の開気孔率は４０％に固定した。焼成温度を変化
させることにより、隣り合う粒子同士がつながっている
部分 （ネック）の成長の度合が異なり、隣り合う粒子
の接触面積が変わるので、第一層の比抵抗がこれに応じ
て変化する。
【００３１】なお、上記の例では、第一層の開気孔率、
気孔径を相対的に大きくするために、第一層の原料粉末
に増孔剤を添加した。しかし、まず板状のプレス成形体
を作成し、このプレス成形体に孔開け加工を施すことに
よって、焼成後の第一層の開気孔率と気孔径とを調整し
てもよい。また、板状のプレス成形体を焼成し、この焼
成体に孔開け加工を施すことによって、第一層の開気孔
率と気孔径とを調整してもよい。
気孔径を相対的に大きくするために、第一層の原料粉末
に増孔剤を添加した。しかし、まず板状のプレス成形体
を作成し、このプレス成形体に孔開け加工を施すことに
よって、焼成後の第一層の開気孔率と気孔径とを調整し
てもよい。また、板状のプレス成形体を焼成し、この焼
成体に孔開け加工を施すことによって、第一層の開気孔
率と気孔径とを調整してもよい。
【００３２】（実験７）第一層及び第二層の厚さの和と
単電池の出力との関係について調べた。第一層の開気孔
率を４０％、第一層の厚さの空気電極全体の厚さに対す
る比率を９５％、第一層の気孔径を８μｍ 、第二層の
開気孔率を１５％、第二層の厚さの空気電極全体の厚さ
に対する比率を５％、第二層の気孔径を１μｍ とした
。第二層の厚さの比率を変化させるには、プラズマ溶射
の溶射パス回数を変化させた。かつ、これと共に、第一
層を研摩することにより第一層の厚さを変化させ、第一
層の厚さと第二層の厚さとの比率が一定となるように調
整した。
単電池の出力との関係について調べた。第一層の開気孔
率を４０％、第一層の厚さの空気電極全体の厚さに対す
る比率を９５％、第一層の気孔径を８μｍ 、第二層の
開気孔率を１５％、第二層の厚さの空気電極全体の厚さ
に対する比率を５％、第二層の気孔径を１μｍ とした
。第二層の厚さの比率を変化させるには、プラズマ溶射
の溶射パス回数を変化させた。かつ、これと共に、第一
層を研摩することにより第一層の厚さを変化させ、第一
層の厚さと第二層の厚さとの比率が一定となるように調
整した。
【００３３】そして、第一層の厚さ及び第二層の厚さの
和を下記のように変化させ、それぞれについて単電池の
出力電圧を測定した。 この結果から解るように、第一層の厚さと第二層の
厚さとの和を ０．７〜３．０ｍｍとすることにより、
実用上必要な出力電圧値である０．９０Ｖ以上を得るこ
とができる。
和を下記のように変化させ、それぞれについて単電池の
出力電圧を測定した。 この結果から解るように、第一層の厚さと第二層の
厚さとの和を ０．７〜３．０ｍｍとすることにより、
実用上必要な出力電圧値である０．９０Ｖ以上を得るこ
とができる。
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、以上述べてきたように
、空気電極−固体電解質膜−酸化剤の接する三相界面へ
の酸化剤供給量を多くし、また三相界面の個数と面積と
を増大させ、かつ空気電極における電気抵抗も少なくし
て単電池の出力を増大させることができる。
、空気電極−固体電解質膜−酸化剤の接する三相界面へ
の酸化剤供給量を多くし、また三相界面の個数と面積と
を増大させ、かつ空気電極における電気抵抗も少なくし
て単電池の出力を増大させることができる。
【図１】本発明のＳＯＦＣの一例を模式的に示す断面図
である。
である。
【図２】空気電極の好ましい微構造を示す模式図である
。
。
【図３】第二層の開気孔率と出力電圧との関係を示すグ
ラフである。
ラフである。
【図４】溶射ガンと第一層の表面との距離と、第二層の
開気孔率との関係を示すグラフである。
開気孔率との関係を示すグラフである。
【図５】第二層の厚さの空気電極全体の厚さに対する比
率と、出力電圧との関係を示すグラフである。
率と、出力電圧との関係を示すグラフである。
【図６】プラズマ溶射パスの回数と、第二層の厚さとの
関係を示すグラフである。
関係を示すグラフである。
【図７】第二層の気孔径と出力電圧との関係を示すグラ
フである。
フである。
【図８】プラズマ溶射用原料の造粒粒子径と第二層の気
孔径との関係を示すグラフである。
孔径との関係を示すグラフである。
【図９】第一層の気孔径と出力電圧との関係を示すグラ
フである。
フである。
【図１０】原料粒度と第一層の気孔径との関係を示すグ
ラフである。
ラフである。
【図１１】第一層の開気孔率と出力電圧との関係を示す
グラフである。
グラフである。
【図１２】焼成温度と第一層の開気孔率との関係を示す
グラフである。
グラフである。
【図１３】第一層の比抵抗と出力電圧との関係を示すグ
ラフである。
ラフである。
【図１４】増孔剤量と第一層の比抵抗との関係を示すグ
ラフである。
ラフである。
１ 第一層
２ 第二層
３ 固体電解質膜
４ 燃料電極膜
５ 空気電極
Claims (4)
- 【請求項１】 固体電解質燃料電池の構成部分をなす
固体電解質燃料電池用空気電極であって、この空気電極
が第一層と第二層とからなり、前記第一層の開気孔率が
２５％〜５７％であり、第一層の気孔径が ２．５μｍ
〜１２μｍ であり、第一層の比抵抗が ０．２２
Ω・ｃｍ以下であり、前記第二層の開気孔率が８％〜２
４％であり、第二層の気孔径が ０．２μｍ 〜３μｍ
であり、前記空気電極の厚さに対する前記第二層の厚
さの比率が２％〜２８％であり、前記第一層の厚さと前
記第二層の厚さとの和が ０．７〜３．０ｍｍ であり
、かつこの第一層と第二層との材質が、マンガン酸ラン
タン、マンガン酸カルシウム、ニッケル酸ランタン、コ
バルト酸ランタン及びクロム酸ランタンからなる群より
選ばれたペロブスカイト構造体であることを特徴とする
、固体電解質燃料電池用空気電極。 - 【請求項２】 前記ペロブスカイト構造体が、ランタ
ン原子又はカルシウム原子が化学量論的に一部欠損した
ペロブスカイト構造体である、請求項１記載の固体電解
質燃料電池用空気電極。 - 【請求項３】 前記ペロブスカイト構造体に含まれる
金属元素が、ストロンチウム、カルシウム、イットリウ
ム、セリウム、イッテルビウム、亜鉛及びバリウムから
なる群より選ばれた元素によって部分的に置換されてい
る、請求項１記載の固体電解質燃料電池用空気電極。 - 【請求項４】 請求項１記載の固体電解質燃料電池用
空気電極と、この空気電極の前記第二層の表面に形成さ
れた固体電解質膜と、この固体電解質膜の表面に形成さ
れた燃料電極膜とからなる固体電解質燃料電池。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3087351A JPH0748378B2 (ja) | 1991-03-28 | 1991-03-28 | 固体電解質燃料電池用空気電極及びこれを有する固体電解質燃料電池 |
| US07/858,031 US5308712A (en) | 1991-03-28 | 1992-03-26 | Air electrode and solid electrolyte fuel cell having the same |
| DE69207637T DE69207637T2 (de) | 1991-03-28 | 1992-03-27 | Luftelektrode und damit ausgerüstete Festelektrolyt-Brennstoffzelle |
| EP92302746A EP0510820B1 (en) | 1991-03-28 | 1992-03-27 | Air electrode and solid electrolyte fuel cell having the same |
| CA002064263A CA2064263C (en) | 1991-03-28 | 1992-03-27 | Air electrode and solid electrolyte fuel cell having the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3087351A JPH0748378B2 (ja) | 1991-03-28 | 1991-03-28 | 固体電解質燃料電池用空気電極及びこれを有する固体電解質燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04301369A true JPH04301369A (ja) | 1992-10-23 |
| JPH0748378B2 JPH0748378B2 (ja) | 1995-05-24 |
Family
ID=13912459
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3087351A Expired - Lifetime JPH0748378B2 (ja) | 1991-03-28 | 1991-03-28 | 固体電解質燃料電池用空気電極及びこれを有する固体電解質燃料電池 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5308712A (ja) |
| EP (1) | EP0510820B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0748378B2 (ja) |
| CA (1) | CA2064263C (ja) |
| DE (1) | DE69207637T2 (ja) |
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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