JPH08213029A - 固体電解質型燃料電池の燃料電極 - Google Patents
固体電解質型燃料電池の燃料電極Info
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- JPH08213029A JPH08213029A JP7041328A JP4132895A JPH08213029A JP H08213029 A JPH08213029 A JP H08213029A JP 7041328 A JP7041328 A JP 7041328A JP 4132895 A JP4132895 A JP 4132895A JP H08213029 A JPH08213029 A JP H08213029A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 固体電解質型燃料電池の燃料電極の特性を良
好にする。 【構成】 ジルコニアを主体とする固体電解質１を挟ん
で燃料電極２と空気電極とを設けた固体電解質型燃料電
池の燃料電極２を、固体電解質材料とセリア系材料とニ
ッケルもしくは酸化ニッケルとからなる多孔構造の膜に
形成し、固体電解質１側には固体電解質材料の混合比率
を大きくし、燃料電極２の表面側にはニッケルもしくは
酸化ニッケルの混合比率を大きくした。
好にする。 【構成】 ジルコニアを主体とする固体電解質１を挟ん
で燃料電極２と空気電極とを設けた固体電解質型燃料電
池の燃料電極２を、固体電解質材料とセリア系材料とニ
ッケルもしくは酸化ニッケルとからなる多孔構造の膜に
形成し、固体電解質１側には固体電解質材料の混合比率
を大きくし、燃料電極２の表面側にはニッケルもしくは
酸化ニッケルの混合比率を大きくした。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、酸素イオン透過性の
ある固体電解質を介して酸化・還元反応を生じさせて起
電力を得る固体電解質型燃料電池に関し、特にその燃料
電極に関するものである。
ある固体電解質を介して酸化・還元反応を生じさせて起
電力を得る固体電解質型燃料電池に関し、特にその燃料
電極に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】この種の燃料電池は、図４に模式的に示
すように、薄膜状の固体電解質１を挟んだ両側に、多孔
質膜である燃料電極２と空気電極３とを形成したもので
あり、燃料電極２側を流れる燃料ガス（水素ガス、一酸
化炭素ガス等）と空気電極３側を流れる酸素を含む気体
（例えば空気）中の酸素とが、固体電解質１を介して電
気化学的に反応することにより、各電極２，３を介して
起電力を得ることができる。
すように、薄膜状の固体電解質１を挟んだ両側に、多孔
質膜である燃料電極２と空気電極３とを形成したもので
あり、燃料電極２側を流れる燃料ガス（水素ガス、一酸
化炭素ガス等）と空気電極３側を流れる酸素を含む気体
（例えば空気）中の酸素とが、固体電解質１を介して電
気化学的に反応することにより、各電極２，３を介して
起電力を得ることができる。
【０００３】すなわち空気は空気電極３の内部を固体電
解質１の表面にまで拡散し、その空気に含まれる酸素が
イオン化して固体電解質１の内部を酸素イオンの濃度差
に起因して、燃料電極２側に移動する。また燃料電極２
側では、水素ガスが燃料電極２の内部を固体電解質１の
表面にまで拡散し、ここで固体電解質１を通って移動し
てきた酸素と反応する。このような水素と酸素との電気
化学的な反応により生じる起電力が各電極２，３を介し
て外部に取り出される。
解質１の表面にまで拡散し、その空気に含まれる酸素が
イオン化して固体電解質１の内部を酸素イオンの濃度差
に起因して、燃料電極２側に移動する。また燃料電極２
側では、水素ガスが燃料電極２の内部を固体電解質１の
表面にまで拡散し、ここで固体電解質１を通って移動し
てきた酸素と反応する。このような水素と酸素との電気
化学的な反応により生じる起電力が各電極２，３を介し
て外部に取り出される。
【０００４】上記の反応は、固体電解質１の活性度が優
れる１０００℃程度の高温度で行われるので、固体電解
質１としては、酸素イオン透過性に優れることは勿論、
高温安定性に優れ、かつ導電性がないなどの特性が要求
される。そのため従来では、イットリアやカルシアで安
定化したジルコニア（ＹＳＺあるいはＣＳＺ）が固体電
解質として使用されている。
れる１０００℃程度の高温度で行われるので、固体電解
質１としては、酸素イオン透過性に優れることは勿論、
高温安定性に優れ、かつ導電性がないなどの特性が要求
される。そのため従来では、イットリアやカルシアで安
定化したジルコニア（ＹＳＺあるいはＣＳＺ）が固体電
解質として使用されている。
【０００５】また、空気電極３は、強い酸化性雰囲気に
置かれるから、電子伝導度および酸素イオン伝導度が高
くかつ分極を生じにくいこと、あるいは固体電解質１と
の熱膨張率の差が小さいことなどのほかに、耐酸化性に
優れていることが要求される。そこで従来では、空気電
極３をペロブスカイト型ランタン系複合酸化物によって
形成している。
置かれるから、電子伝導度および酸素イオン伝導度が高
くかつ分極を生じにくいこと、あるいは固体電解質１と
の熱膨張率の差が小さいことなどのほかに、耐酸化性に
優れていることが要求される。そこで従来では、空気電
極３をペロブスカイト型ランタン系複合酸化物によって
形成している。
【０００６】さらに、燃料電極２は、起電力を外部に取
り出すための電極であるから、電子伝導度が高くかつ分
極を生じにくいことのほかに、高温の還元雰囲気に曝さ
れるから、高温での安定性が要求され、また固体電解質
１との間の熱応力やこれに起因する剥離を防止するため
に、熱膨張率が固体電解質１の熱膨張率に近いことが望
まれる。そこで、これらの諸要求を満たすために、現
在、ニッケル（Ｎi ）や酸化ニッケル（Ｎi Ｏ）のサー
メットや、重量割合にして４：６〜６：４のＮi／ＹＳ
ＺやＮi Ｏ／ＹＳＺのサーメットを燃料電極として採用
している。ここで、Ｎi Ｏは高温の還元雰囲気に曝され
てＮi になることにより、導電性を有するようになって
いる。
り出すための電極であるから、電子伝導度が高くかつ分
極を生じにくいことのほかに、高温の還元雰囲気に曝さ
れるから、高温での安定性が要求され、また固体電解質
１との間の熱応力やこれに起因する剥離を防止するため
に、熱膨張率が固体電解質１の熱膨張率に近いことが望
まれる。そこで、これらの諸要求を満たすために、現
在、ニッケル（Ｎi ）や酸化ニッケル（Ｎi Ｏ）のサー
メットや、重量割合にして４：６〜６：４のＮi／ＹＳ
ＺやＮi Ｏ／ＹＳＺのサーメットを燃料電極として採用
している。ここで、Ｎi Ｏは高温の還元雰囲気に曝され
てＮi になることにより、導電性を有するようになって
いる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな固体電解質型燃料電池を長時間高温状態で使用して
いると、燃料電極２に焼結（シンタリング）が進行する
ことにより、Ｎi （融点約１４５０℃）が凝集してしま
う。この結果、この燃料電極の多孔質構造が次第に崩壊
して、この燃料電極２の燃料ガス透過性が低下し、ま
た、燃料電極２の電子伝導率も低下し、かつ電極の反応
面積が減少し分極抵抗が増大するという様々な問題があ
る。そこで最近では、固体電解質型燃料電池の燃料電極
として求められる条件をより満足させることができる燃
料電極の開発が望まれている。
うな固体電解質型燃料電池を長時間高温状態で使用して
いると、燃料電極２に焼結（シンタリング）が進行する
ことにより、Ｎi （融点約１４５０℃）が凝集してしま
う。この結果、この燃料電極の多孔質構造が次第に崩壊
して、この燃料電極２の燃料ガス透過性が低下し、ま
た、燃料電極２の電子伝導率も低下し、かつ電極の反応
面積が減少し分極抵抗が増大するという様々な問題があ
る。そこで最近では、固体電解質型燃料電池の燃料電極
として求められる条件をより満足させることができる燃
料電極の開発が望まれている。
【０００８】この発明は、上記の要望に応えるべくなさ
れたものであって、固体電解質型燃料電池の燃料電極の
特性を向上させることを目的とするものである。
れたものであって、固体電解質型燃料電池の燃料電極の
特性を向上させることを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明は、固体電解質型燃料電池の燃料電極に
セリア系材料を配したものである。具体的にいうと、請
求項１に記載した発明は、ジルコニアを主体とする固体
電解質を挟んで燃料電極と空気電極とを設けた固体電解
質型燃料電池の燃料電極において、ニッケルもしくは酸
化ニッケルの材料粉末に、Ｃe Ｏ2 ，（Ｃe Ｏ2 ）1-X
（Ｓm 2 Ｏ3 ）X ，（Ｃe Ｏ2 ）1-X （Ｌa
2 Ｏ3 ）X ，（Ｃe Ｏ2 ）1-X （Ｙ2 Ｏ3 ）X 等ののセ
リア系材料のうちいずれか一種以上を添加してなる混合
粉末材料によって、前記固体電解質の表面に多孔構造の
膜状に形成したことを特徴とするものである。
めに、この発明は、固体電解質型燃料電池の燃料電極に
セリア系材料を配したものである。具体的にいうと、請
求項１に記載した発明は、ジルコニアを主体とする固体
電解質を挟んで燃料電極と空気電極とを設けた固体電解
質型燃料電池の燃料電極において、ニッケルもしくは酸
化ニッケルの材料粉末に、Ｃe Ｏ2 ，（Ｃe Ｏ2 ）1-X
（Ｓm 2 Ｏ3 ）X ，（Ｃe Ｏ2 ）1-X （Ｌa
2 Ｏ3 ）X ，（Ｃe Ｏ2 ）1-X （Ｙ2 Ｏ3 ）X 等ののセ
リア系材料のうちいずれか一種以上を添加してなる混合
粉末材料によって、前記固体電解質の表面に多孔構造の
膜状に形成したことを特徴とするものである。
【００１０】このとき、請求項２に記載した発明は、前
記混合材料の配合割合を、前記固体電解質側で前記ニッ
ケルもしくは酸化ニッケルの材料の混合比率が小さくか
つ前記セリア系材料の混合比率が大きくされ、順次前記
ニッケルもしくは酸化ニッケルの材料の混合比率が大き
くかつ前記セリア系材料の混合比率が小さくされるよう
に設定されて、傾斜化した多孔構造の膜に形成したこと
を特徴とするものである。
記混合材料の配合割合を、前記固体電解質側で前記ニッ
ケルもしくは酸化ニッケルの材料の混合比率が小さくか
つ前記セリア系材料の混合比率が大きくされ、順次前記
ニッケルもしくは酸化ニッケルの材料の混合比率が大き
くかつ前記セリア系材料の混合比率が小さくされるよう
に設定されて、傾斜化した多孔構造の膜に形成したこと
を特徴とするものである。
【００１１】また、請求項３に記載した発明は、ジルコ
ニアを主体とする固体電解質を挟んで燃料電極と空気電
極とを設けた固体電解質型燃料電池の燃料電極におい
て、前記固体電解質材料とニッケルもしくは酸化ニッケ
ルとを混合した材料粉末に、Ｃe Ｏ2 ，（Ｃe Ｏ2 ）
1-X （Ｓm 2 Ｏ3 ）X ，（Ｃe Ｏ2 ）1-X （Ｌa
2 Ｏ3 ）X ，（Ｃe Ｏ2 ）1-X （Ｙ2 Ｏ3 ）X 等ののセ
リア系材料のうちいずれか一種以上を添加してなる混合
粉末材料によって、、前記固体電解質の表面に多孔構造
の膜状に形成したことを特徴とするものである。
ニアを主体とする固体電解質を挟んで燃料電極と空気電
極とを設けた固体電解質型燃料電池の燃料電極におい
て、前記固体電解質材料とニッケルもしくは酸化ニッケ
ルとを混合した材料粉末に、Ｃe Ｏ2 ，（Ｃe Ｏ2 ）
1-X （Ｓm 2 Ｏ3 ）X ，（Ｃe Ｏ2 ）1-X （Ｌa
2 Ｏ3 ）X ，（Ｃe Ｏ2 ）1-X （Ｙ2 Ｏ3 ）X 等ののセ
リア系材料のうちいずれか一種以上を添加してなる混合
粉末材料によって、、前記固体電解質の表面に多孔構造
の膜状に形成したことを特徴とするものである。
【００１２】このとき、請求項４に記載した発明は、前
記混合材料の配合割合を、前記固体電解質側での該固体
電解質材料の混合比率が大きくかつニッケルもしくは酸
化ニッケルの混合比率が小さくされ、順次固体電解質材
料の混合比率が小さくかつニッケルもしくは酸化ニッケ
ルの混合比率が大きくされるように設定されて、傾斜化
した多孔構造の膜に形成したことを特徴とするものであ
る。
記混合材料の配合割合を、前記固体電解質側での該固体
電解質材料の混合比率が大きくかつニッケルもしくは酸
化ニッケルの混合比率が小さくされ、順次固体電解質材
料の混合比率が小さくかつニッケルもしくは酸化ニッケ
ルの混合比率が大きくされるように設定されて、傾斜化
した多孔構造の膜に形成したことを特徴とするものであ
る。
【００１３】さらに、請求項５に記載した発明は、前記
混合材料の配合割合を、前記固体電解質側および燃料電
極の表面側で前記セリア系材料の混合比率が小さくさ
れ、燃料電極の厚さ方向の中央部分で前記セリア系材料
の混合比率が順次大きくされるように設定されて、傾斜
化した多孔構造の膜に形成したことを特徴とするもので
ある。
混合材料の配合割合を、前記固体電解質側および燃料電
極の表面側で前記セリア系材料の混合比率が小さくさ
れ、燃料電極の厚さ方向の中央部分で前記セリア系材料
の混合比率が順次大きくされるように設定されて、傾斜
化した多孔構造の膜に形成したことを特徴とするもので
ある。
【００１４】
【作用】セリア系材料は、酸素イオン透過性に優れてい
るため、セリア系材料とニッケルもしくは酸化ニッケル
とが接合し、かつ燃料ガスと接触する部分においても酸
化・還元反応が発生する。具体的にいうと、従来の構造
による電極反応は、固体電解質とニッケルもしくは酸化
ニッケルとの境界部分のみで行われていたが、請求項１
ないし請求項５に記載した燃料電極における電極反応
は、セリア系材料とニッケルとの境界部分においても行
われる。したがって、電極として反応する部分が拡大さ
れ、分極抵抗が増大せず、電極の特性が向上する。ま
た、セリア系材料は、融点（例えば、Ｃe Ｏ2 ならば２
６００℃前後）が高いため、ニッケルの凝集を防止す
る。
るため、セリア系材料とニッケルもしくは酸化ニッケル
とが接合し、かつ燃料ガスと接触する部分においても酸
化・還元反応が発生する。具体的にいうと、従来の構造
による電極反応は、固体電解質とニッケルもしくは酸化
ニッケルとの境界部分のみで行われていたが、請求項１
ないし請求項５に記載した燃料電極における電極反応
は、セリア系材料とニッケルとの境界部分においても行
われる。したがって、電極として反応する部分が拡大さ
れ、分極抵抗が増大せず、電極の特性が向上する。ま
た、セリア系材料は、融点（例えば、Ｃe Ｏ2 ならば２
６００℃前後）が高いため、ニッケルの凝集を防止す
る。
【００１５】特に、請求項２および請求項４および請求
項５に記載した燃料電極では、セリア系材料は、その線
膨張係数（例えば、Ｃe Ｏ2 ならば１２．０×１０-6／
Ｋ）が、固体電解質材料の線膨張係数（例えば、ＹＳＺ
ならば１０．５×１０-6／Ｋ）とニッケルの線膨張係数
（１６．０×１０-6／Ｋ）との間に位置しているため、
固体電解質部分と電極部分との熱整合性を容易に整える
ことができ、燃料電極の剥離現象等が防止される。
項５に記載した燃料電極では、セリア系材料は、その線
膨張係数（例えば、Ｃe Ｏ2 ならば１２．０×１０-6／
Ｋ）が、固体電解質材料の線膨張係数（例えば、ＹＳＺ
ならば１０．５×１０-6／Ｋ）とニッケルの線膨張係数
（１６．０×１０-6／Ｋ）との間に位置しているため、
固体電解質部分と電極部分との熱整合性を容易に整える
ことができ、燃料電極の剥離現象等が防止される。
【００１６】
【実施例】まず、請求項１に記載した発明の実施例を説
明する。この燃料電極は、ニッケル（Ｎi ）とセリア系
材料例えば酸化セリウム（Ｃe Ｏ2 ）との混合材料から
形成されている。このとき、Ｎi に替えて酸化ニッケル
（Ｎi Ｏ）も使用することができ、これは燃料電池の運
転中に還元されてＮi となるため、導電性を備えて電極
として機能する。
明する。この燃料電極は、ニッケル（Ｎi ）とセリア系
材料例えば酸化セリウム（Ｃe Ｏ2 ）との混合材料から
形成されている。このとき、Ｎi に替えて酸化ニッケル
（Ｎi Ｏ）も使用することができ、これは燃料電池の運
転中に還元されてＮi となるため、導電性を備えて電極
として機能する。
【００１７】セリア系材料は、分極抵抗の増大防止やＮ
i の凝集防止あるいは電極の剥離現象の防止等により、
電極の特性を向上させるものであり、電極中に高分散状
態で存在している。このセリア系材料を含有する燃料電
極は、種々の方法で形成することができ、その例を示せ
ば以下のとおりである。
i の凝集防止あるいは電極の剥離現象の防止等により、
電極の特性を向上させるものであり、電極中に高分散状
態で存在している。このセリア系材料を含有する燃料電
極は、種々の方法で形成することができ、その例を示せ
ば以下のとおりである。
【００１８】スラリー法について説明すると、粉末材料
として、Ｎi 粉末とＣe Ｏ2 粉末との混合材料を用意
し、これに溶媒および助剤としてテレピネオール（特
級）とポリピニルブチラールとを加える。このように調
整した材料を撹拌・混合してスラリーとし、これを固体
電解質の表面にスクリーン印刷（塗布）して所定の厚さ
に形成する。ついで不活性ガス雰囲気で加熱して乾燥お
よび脱脂を行うとともに、さらに高温に加熱して多孔質
の燃料電極とすることができる。
として、Ｎi 粉末とＣe Ｏ2 粉末との混合材料を用意
し、これに溶媒および助剤としてテレピネオール（特
級）とポリピニルブチラールとを加える。このように調
整した材料を撹拌・混合してスラリーとし、これを固体
電解質の表面にスクリーン印刷（塗布）して所定の厚さ
に形成する。ついで不活性ガス雰囲気で加熱して乾燥お
よび脱脂を行うとともに、さらに高温に加熱して多孔質
の燃料電極とすることができる。
【００１９】また溶射法について説明すると、それぞれ
粒径を約４０μｍに調整したＮi 粉末とＣe Ｏ2 粉末と
の混合材料を用意し、これを充分撹拌・混合した後にプ
ラズマ溶射あるいはアーク溶射もしくはフレーム溶射等
の適宜の方法で固体電解質の表面に溶射して多孔質の薄
膜状電極とすることができる。
粒径を約４０μｍに調整したＮi 粉末とＣe Ｏ2 粉末と
の混合材料を用意し、これを充分撹拌・混合した後にプ
ラズマ溶射あるいはアーク溶射もしくはフレーム溶射等
の適宜の方法で固体電解質の表面に溶射して多孔質の薄
膜状電極とすることができる。
【００２０】このとき、請求項２に記載したように、Ｎ
i 粉末とＣe Ｏ2 粉末との混合比率を燃料電極２の厚さ
方向で傾斜させるようにすると、安定化ジルコニア（Ｙ
ＳＺ）等からなる固体電解質層との熱整合性を良好にす
ることもでき、剥離現象やクラックの発生が防止され
る。
i 粉末とＣe Ｏ2 粉末との混合比率を燃料電極２の厚さ
方向で傾斜させるようにすると、安定化ジルコニア（Ｙ
ＳＺ）等からなる固体電解質層との熱整合性を良好にす
ることもでき、剥離現象やクラックの発生が防止され
る。
【００２１】つぎに、請求項３に記載した発明の実施例
を図１に基づいて説明する。図１に示す燃料電極２は、
ニッケル（Ｎi ）と安定化ジルコニア（ＹＳＺ）とセリ
ア系材料例えば酸化セリウム（Ｃe Ｏ2 ）との混合材料
から形成されている。このとき、Ｎi に替えて酸化ニッ
ケル（Ｎi Ｏ）も使用することができる。このセリア系
材料を含有する燃料電極は、上述したスラリー法や溶射
法に使用する材料粉末に、ＹＳＺ粉末を混合することに
より、容易に得ることができるが、別の例として、スラ
リー法と電気化学蒸着法（ＥＶＤ法）とを組み合わせた
方法によっても形成することができる。
を図１に基づいて説明する。図１に示す燃料電極２は、
ニッケル（Ｎi ）と安定化ジルコニア（ＹＳＺ）とセリ
ア系材料例えば酸化セリウム（Ｃe Ｏ2 ）との混合材料
から形成されている。このとき、Ｎi に替えて酸化ニッ
ケル（Ｎi Ｏ）も使用することができる。このセリア系
材料を含有する燃料電極は、上述したスラリー法や溶射
法に使用する材料粉末に、ＹＳＺ粉末を混合することに
より、容易に得ることができるが、別の例として、スラ
リー法と電気化学蒸着法（ＥＶＤ法）とを組み合わせた
方法によっても形成することができる。
【００２２】この方法は、Ｎi 粉末とＣe Ｏ2 粉末との
混合粉末を、テレピネオール（特級）とポリビニルブチ
ラールとを溶媒および助剤として撹拌・混合し、得られ
たスラリーを固体電解質１の表面に塗布し、不活性ガス
雰囲気で仮焼成を行い、その表面にＹＳＺをＥＶＤ法に
より付着させる。この塗布および仮焼成ならびにＥＶＤ
法を繰り返し行って所定厚さの電極２を形成するもので
ある。
混合粉末を、テレピネオール（特級）とポリビニルブチ
ラールとを溶媒および助剤として撹拌・混合し、得られ
たスラリーを固体電解質１の表面に塗布し、不活性ガス
雰囲気で仮焼成を行い、その表面にＹＳＺをＥＶＤ法に
より付着させる。この塗布および仮焼成ならびにＥＶＤ
法を繰り返し行って所定厚さの電極２を形成するもので
ある。
【００２３】ここで、請求項４および請求項５に記載し
た発明の実施例を図２および図３に基づいて説明する。
この燃料電極２は、上記実施例におけるＹＳＺ粉末とＮ
i 粉末とＣe Ｏ2 粉末との混合比率を燃料電極２の厚さ
方向で傾斜させるようにしたものである。すなわち、固
体電解質１側にはＹＳＺの混合比率を大きくし、燃料電
極２の表面側にはＮi の混合比率を大きくしたものであ
る。
た発明の実施例を図２および図３に基づいて説明する。
この燃料電極２は、上記実施例におけるＹＳＺ粉末とＮ
i 粉末とＣe Ｏ2 粉末との混合比率を燃料電極２の厚さ
方向で傾斜させるようにしたものである。すなわち、固
体電解質１側にはＹＳＺの混合比率を大きくし、燃料電
極２の表面側にはＮi の混合比率を大きくしたものであ
る。
【００２４】このとき、セリア系材料の比率は、固体電
解質１側および燃料電極２の表側ではやや小さく、その
中間部分ではやや大きくすることができる。例えば、燃
料電極２を図２に示すように固体電解質１側から、第１
層電極２ａ、第２層電極２ｂ、第３層電極２ｃ、第４層
電極２ｄとで構成した場合、これら４層２ａ，２ｂ，２
ｃ，２ｄにおけるそれぞれの材料の混合割合は、図２に
示すように構成される。
解質１側および燃料電極２の表側ではやや小さく、その
中間部分ではやや大きくすることができる。例えば、燃
料電極２を図２に示すように固体電解質１側から、第１
層電極２ａ、第２層電極２ｂ、第３層電極２ｃ、第４層
電極２ｄとで構成した場合、これら４層２ａ，２ｂ，２
ｃ，２ｄにおけるそれぞれの材料の混合割合は、図２に
示すように構成される。
【００２５】上記のように形成された傾斜機能付きの燃
料電極２では、固体電解質１と第１層電極２ａとの間や
各層２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ間における熱膨張の割合の
差に起因する熱応力が小さくされているため、剥離現象
やクラックの発生が防止される。このとき、Ｃe Ｏ2 の
線膨張係数は、ＹＳＺとＮi との線膨張係数の間に位置
しているため、この燃料電極２の形成が容易なものとな
っている。
料電極２では、固体電解質１と第１層電極２ａとの間や
各層２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ間における熱膨張の割合の
差に起因する熱応力が小さくされているため、剥離現象
やクラックの発生が防止される。このとき、Ｃe Ｏ2 の
線膨張係数は、ＹＳＺとＮi との線膨張係数の間に位置
しているため、この燃料電極２の形成が容易なものとな
っている。
【００２６】具体的にいうと、この燃料電極２における
熱応力を、Ｎi とＹＳＺとの混合材料からなる従来の燃
料電極を傾斜化して構成した場合における各層間の熱応
力と同等にする場合、この燃料電極２は従来の燃料電極
より少ない層で構成することができるので、生産性が向
上する。また逆に、この燃料電極２を、従来の傾斜燃料
電極の層数と同等に構成した場合、熱整合性がより高め
られることになる。
熱応力を、Ｎi とＹＳＺとの混合材料からなる従来の燃
料電極を傾斜化して構成した場合における各層間の熱応
力と同等にする場合、この燃料電極２は従来の燃料電極
より少ない層で構成することができるので、生産性が向
上する。また逆に、この燃料電極２を、従来の傾斜燃料
電極の層数と同等に構成した場合、熱整合性がより高め
られることになる。
【００２７】また、この傾斜機能付きの燃料電極２で
は、固体電解質１側でのＮi の量が減少しているためＮ
i の焼結が抑えられ、たとえＮi が焼結しても、固体電
解質１の酸素イオン透過性をそれほど悪化させないた
め、固体電解質型燃料電池の固体電解質の経時的劣化が
防止され、すなわち寿命特性が向上する。
は、固体電解質１側でのＮi の量が減少しているためＮ
i の焼結が抑えられ、たとえＮi が焼結しても、固体電
解質１の酸素イオン透過性をそれほど悪化させないた
め、固体電解質型燃料電池の固体電解質の経時的劣化が
防止され、すなわち寿命特性が向上する。
【００２８】この傾斜機能付きの燃料電極２は、ＹＳＺ
とＮi とＣe Ｏ2 との混合比率を順次調節するように構
成されているが、請求項２に記載した発明のように、各
層２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄにおけるＹＳＺの混合比率と
Ｎi の混合比率とを調節することにより、ＹＳＺに対す
るＣe Ｏ2 の混合比率もしくはＮi に対するＣe Ｏ2の
混合比率を決定して、この燃料電極２の熱整合性を良好
にすることもできる。
とＮi とＣe Ｏ2 との混合比率を順次調節するように構
成されているが、請求項２に記載した発明のように、各
層２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄにおけるＹＳＺの混合比率と
Ｎi の混合比率とを調節することにより、ＹＳＺに対す
るＣe Ｏ2 の混合比率もしくはＮi に対するＣe Ｏ2の
混合比率を決定して、この燃料電極２の熱整合性を良好
にすることもできる。
【００２９】なお、上記実施例ではいずれも、固体電解
質材料としてＹＳＺに代えてカルシア安定化ジルコニア
（ＣＳＺ）を使用することができ、またＣe Ｏ2 に代え
て他のセリア系材料、具体的には（Ｃe Ｏ2 ）1-X （Ｓ
m 2 Ｏ3 ）X ，（Ｃe Ｏ2 ）1-X （Ｌa 2 Ｏ3 ）X ，
（Ｃe Ｏ2 ）1-X （Ｙ2 Ｏ3 ）X 等を使用することがで
きるのは勿論である。
質材料としてＹＳＺに代えてカルシア安定化ジルコニア
（ＣＳＺ）を使用することができ、またＣe Ｏ2 に代え
て他のセリア系材料、具体的には（Ｃe Ｏ2 ）1-X （Ｓ
m 2 Ｏ3 ）X ，（Ｃe Ｏ2 ）1-X （Ｌa 2 Ｏ3 ）X ，
（Ｃe Ｏ2 ）1-X （Ｙ2 Ｏ3 ）X 等を使用することがで
きるのは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１ないし請
求項５に記載された燃料電極によれば、ニッケルもしく
は酸化ニッケルとセリア系材料との接合部においても電
極反応が発生するため、電極の活性が良好にされ、分極
を低減することができる。
求項５に記載された燃料電極によれば、ニッケルもしく
は酸化ニッケルとセリア系材料との接合部においても電
極反応が発生するため、電極の活性が良好にされ、分極
を低減することができる。
【００３１】また、セリア系材料は融点が高いため、ニ
ッケルの焼結・凝集が抑制もしくは防止される。その結
果、燃料電極の寿命特性が向上、すなわち固体電解質型
燃料電池の発電能力を長期間に亘って良好に維持するこ
とができる。
ッケルの焼結・凝集が抑制もしくは防止される。その結
果、燃料電極の寿命特性が向上、すなわち固体電解質型
燃料電池の発電能力を長期間に亘って良好に維持するこ
とができる。
【００３２】特に、請求項２および請求項４および請求
項５に記載された発明によれば、剥離現象やクラックが
防止された燃料電極を容易に得ることができ、寿命特性
が向上した固体電解質型燃料電池を安価に提供すること
ができる。
項５に記載された発明によれば、剥離現象やクラックが
防止された燃料電極を容易に得ることができ、寿命特性
が向上した固体電解質型燃料電池を安価に提供すること
ができる。
【図１】請求項３に記載した発明にかかる燃料電極の一
例を模式的に示す断面図である。
例を模式的に示す断面図である。
【図２】図１に示した燃料電極に傾斜機能を付加した一
例を模式的に示す断面図である。
例を模式的に示す断面図である。
【図３】図１に示した実施例における各種材料の混合割
合の一例を示す図表である。
合の一例を示す図表である。
【図４】固体電解質型燃料電池の原理的な構造を示す模
式的な断面図である。
式的な断面図である。
１…固体電解質、 ２…燃料電極、 ２ａ…第１層、
２ｂ…第２層、 ２ｃ…第３層、 ２ｄ…第４層。
２ｂ…第２層、 ２ｃ…第３層、 ２ｄ…第４層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山岡 悟 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内
Claims (5)
- 【請求項１】 ジルコニアを主体とする固体電解質を挟
んで燃料電極と空気電極とを設けた固体電解質型燃料電
池の燃料電極において、 ニッケルもしくは酸化ニッケルの材料粉末に下記のセリ
ア系材料のうちいずれか一種以上を添加してなる混合粉
末材料によって、前記固体電解質の表面に多孔構造の膜
状に形成したことを特徴とする固体電解質型燃料電池の
燃料電極。 セリア系材料：Ｃe Ｏ2 ，（Ｃe Ｏ2 ）1-X （Ｍ
2 Ｏ3 ）X 、ただしＭは希土類元素 - 【請求項２】 前記混合材料の配合割合を、前記固体電
解質側で前記ニッケルもしくは酸化ニッケルの材料の混
合比率が小さくかつ前記セリア系材料の混合比率が大き
くされ、順次前記ニッケルもしくは酸化ニッケルの材料
の混合比率が大きくかつ前記セリア系材料の混合比率が
小さくされるように設定されて、傾斜化した多孔構造の
膜に形成したことを特徴とする請求項１に記載の固体電
解質型燃料電池の燃料電極。 - 【請求項３】 ジルコニアを主体とする固体電解質を挟
んで燃料電極と空気電極とを設けた固体電解質型燃料電
池の燃料電極において、 前記固体電解質材料とニッケルもしくは酸化ニッケルと
を混合した材料粉末に下記のセリア系材料のうちいずれ
か一種以上を添加してなる混合粉末材料によって、前記
固体電解質の表面に多孔構造の膜状に形成したことを特
徴とする固体電解質型燃料電池の燃料電極。 セリア系材料：Ｃe Ｏ2 ，（Ｃe Ｏ2 ）1-X （Ｍ
2 Ｏ3 ）X 、ただしＭは希土類元素 - 【請求項４】 前記混合材料の配合割合を、前記固体電
解質側での該固体電解質材料の混合比率が大きくかつニ
ッケルもしくは酸化ニッケルの混合比率が小さくされ、
順次固体電解質材料の混合比率が小さくかつニッケルも
しくは酸化ニッケルの混合比率が大きくされるように設
定されて、傾斜化した多孔構造の膜に形成したことを特
徴とする請求項３に記載の固体電解質型燃料電池の燃料
電極。 - 【請求項５】 前記混合材料の配合割合を、前記固体電
解質側および燃料電極の表面側で前記セリア系材料の混
合比率が小さくされ、燃料電極の厚さ方向の中央部分で
前記セリア系材料の混合比率が順次大きくされるように
設定されて、傾斜化した多孔構造の膜に形成したことを
特徴とする請求項３に記載の固体電解質型燃料電池の燃
料電極。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7041328A JPH08213029A (ja) | 1995-02-06 | 1995-02-06 | 固体電解質型燃料電池の燃料電極 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7041328A JPH08213029A (ja) | 1995-02-06 | 1995-02-06 | 固体電解質型燃料電池の燃料電極 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08213029A true JPH08213029A (ja) | 1996-08-20 |
Family
ID=12605460
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7041328A Pending JPH08213029A (ja) | 1995-02-06 | 1995-02-06 | 固体電解質型燃料電池の燃料電極 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08213029A (ja) |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL1016458C2 (nl) * | 2000-10-23 | 2002-05-01 | Stichting En Onderzoek Ct Nede | Anodesamenstel. |
| JP2003059523A (ja) * | 2001-08-14 | 2003-02-28 | Nissan Motor Co Ltd | 固体電解質型燃料電池 |
| WO2005045962A1 (ja) * | 2003-11-10 | 2005-05-19 | Mitsubishi Materials Corporation | 固体電解質型燃料電池用発電セル |
| JP2005327512A (ja) * | 2004-05-12 | 2005-11-24 | Nippon Shokubai Co Ltd | 固体酸化物形燃料電池用アノード支持基板およびその製法 |
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| JP2009518810A (ja) * | 2005-12-08 | 2009-05-07 | シーメンス パワー ジェネレイション インコーポレイテッド | 多段濃度勾配の燃料電極及びその製作方法 |
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| JP2010177105A (ja) * | 2009-01-30 | 2010-08-12 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 固体電解質型燃料電池の発電膜及びこれを備える固体電解質型燃料電池 |
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| WO2012133438A1 (ja) * | 2011-03-31 | 2012-10-04 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 中低温高効率電気化学セル及びそれらから構成される電気化学反応システム |
| JP2015053162A (ja) * | 2013-09-06 | 2015-03-19 | 日本碍子株式会社 | 燃料電池 |
| JPWO2023195246A1 (ja) * | 2022-04-05 | 2023-10-12 | ||
| JPWO2023203870A1 (ja) * | 2022-04-18 | 2023-10-26 | ||
| JPWO2023203875A1 (ja) * | 2022-04-18 | 2023-10-26 | ||
| WO2024095998A1 (ja) * | 2022-10-31 | 2024-05-10 | 京セラ株式会社 | 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置 |
-
1995
- 1995-02-06 JP JP7041328A patent/JPH08213029A/ja active Pending
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| JPWO2023195246A1 (ja) * | 2022-04-05 | 2023-10-12 | ||
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| JPWO2023203870A1 (ja) * | 2022-04-18 | 2023-10-26 | ||
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| JPWO2023203875A1 (ja) * | 2022-04-18 | 2023-10-26 | ||
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040427 |
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| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040625 |
|
| A02 | Decision of refusal |
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