JPH09245814A - 固体電解質型燃料電池の水素電極 - Google Patents

固体電解質型燃料電池の水素電極

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JPH09245814A
JPH09245814A JP8046992A JP4699296A JPH09245814A JP H09245814 A JPH09245814 A JP H09245814A JP 8046992 A JP8046992 A JP 8046992A JP 4699296 A JP4699296 A JP 4699296A JP H09245814 A JPH09245814 A JP H09245814A
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JP
Japan
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solid electrolyte
hydrogen electrode
fuel cell
ceo
electrode
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JP8046992A
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English (en)
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Tomofumi Miyashita
朋史 宮下
Hisashi Suwahara
久 諏訪原
Satoshi Seike
聡 清家
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Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 過電圧の減少および耐久性を向上させたもの
である。 【解決手段】 CeO2に物質Smを20%ドープして
得た(CeO2)0・8(SmO1・5)0・2を用いて固体電解質1
1を形成する。この固体電解質11の両側には酸素電極
12と水素電極13を設け、水素電極雰囲気等の還元雰
囲気により固体電解質11が還元されないようにするた
めに、固体電解質11と水素電極13との間に保護膜1
4を介挿する。保護膜14は、YSZと(CeO2)
0・8(SmO1・5)0・2とを混合して得た部材から成り、そ
の部材を固体電解質11の側面にイオンプレーティング
法により固着して形成する。水素電極13は、物質Ni
を含有するNi−YSZと(CeO2)0・8(SmO1・5)0・2
とを混合して得た電極材料を前記保護膜14に塗布し、
熱処理して形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型燃料
電池の水素電極に関する。
【0002】
【従来の技術】従来周知の固体電解質型燃料電池の概要
構成図を図3に示す。図3において、酸素イオン導電性
のある固体電解質31の両側にペロブスカイトから成る
多孔質の酸素電極32(カソード)とNiサーメットか
ら成る多孔質の水素電極33(アノード)を装着する。
酸素電極32側には酸素ガスO2もしくは空気を空間3
5に流し込むと、次式に示される反応が起こる。
【0003】 1/2O2 + 2e- → O2- …… (1) 還元された酸素イオンO2-は、酸素イオン導電性のある
固体電解質31を通過して水素電極33に達する。水素
電極33側には水素ガスH2もしくは天然ガス等の燃料
ガスを空間36に流し込み、固体電解質31を通過して
きた酸素イオンO2-と次式に示される反応が起こる。
【0004】 H2 + O2- → H2O + 2e- …… (2) 図3に示すように、負荷34を酸素電極32と水素電極
33に接続すると、酸素電極32が陽極そして水素電極
33が陰極となった電圧が(2)式右辺の2e-によって
負荷34の両端に発生する。
【0005】以上は、周知の固体電解質型燃料電池の構
成および動作を示すものである。前記燃料電池で使用さ
れる固体電解質の材料には、イットリウム等の酸化物を
ジルコニアに固溶させて生成された安定化ジルコニア
(YSZ)を使用したものが多い。
【0006】このYSZから成る固体電解質を使用して
製造した燃料電池の動作温度は約1000℃の高温とな
る不都合が生じる。そこで、前記動作温度を700〜8
00℃にする試みが成されている。
【0007】CeO2またはBi23から成る固体電解
質は、水素電極雰囲気等の還元雰囲気において還元され
てしまう問題があるけれども、動作温度をYSZの場合
よりも低くできる利点がある為、最近ではYSZの代替
材料としてCeO2系の物質を用いて固体電解質を形成
して製造した燃料電池が使用されるようになってきた。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】前記燃料電池には内部
抵抗があるので、取り出す電流が多くなると内部抵抗の
ために電圧降下を生じ、出力電圧が低下してしまう問題
が生じる。前記内部抵抗には2種類あり、その第1に電
極(酸素電極と水素電極)と固体電解質のバルクの抵抗で
あり、電流に比例して電圧を降下させることである。C
eO2系の固体電解質において、CeO2に物質Smをド
ープしたものから成る(CeO2)X(Sm23)1-X(X;実
数,0<X<1)が、固体電解質の抵抗である酸素イオ
ン導電度が最も良いとされている。
【0009】第2には、燃料電池の動作中に、分極現象
により生じる過電圧である。この過電圧が発生すると、
電極と固体電解質との間の界面に抵抗が存在するため、
電流値によらず常にほぼ一定の電圧降下が生じてしま
う。
【0010】CeO2系の材料又はYSZから成る固体
電解質を用いて製造した燃料電池において、水素電極の
材料にはNi−YSZが代表的に使用されているが、過
電圧が問題となっている。例えば、厚さ1mmの固体電
解質を用いて製造した燃料電池において、200mA/
cm2の電流密度を得ようとすると、約0.1Vの過電
圧が生じてしまう。開路状態にある燃料電池は、電圧が
1V程度である為に、前記過電圧は重要な問題となる。
【0011】燃料電池を動作させて常温から800℃の
温度まで上昇させたり下降させたりしていると、長期間
において電極と固体電解質との熱膨張率の違い及び界面
での接合性が悪いことから、固体電解質から電極が剥離
または電極の破損が起こり、電極の耐久性を低下させて
しまう問題が生じる。
【0012】本発明の目的は、前記課題に基づいてなさ
れたものであり、過電圧の減少および水素電極の耐久性
を向上させた固体電解質型燃料電池の水素電極を提供す
ることにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題の解
決を図るため、第1発明は(CeO2)X(Sm2
1−X(X;実数,0<X<1)から成る固体電解質型
燃料電池の水素電極において、前記水素電極はNi−安
定化ジルコニアと(CeO2)X(Sm23)1-X(X;実数,
0<X<1)とを混合し、固体電解質の表面にて焼成し
て形成したことを特徴とする。
【0014】第2発明は、(CeO2)X(Sm23)
1-X(X;実数,0<X<1)を(CeO2)0・8(SmO1・5)
0・2としたことを特徴とする。
【0015】第3発明は、前記固体電解質と前記水素電
極との間に、安定化ジルコニアと(CeO2)X(Sm23)
1-X(X;実数,0<X<1)とを混合したものから成る
保護膜を介装し、その保護膜に含有する(CeO2)X(S
23)1-X(X;実数,0<X<1)の量は、固体電解質
に含有する量より少なく、かつ水素電極に含有する量よ
り多くすることを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図1は本発明の実施の形態におけ
る固体電解質型燃料電池の概要構成図である。図1にお
いて、CeO2に物質Smを20%ドープして得た(Ce
2)0・8(SmO1・5)0・2(詳細を後述する)を用いて固体
電解質11を形成する。この固体電解質11の両側には
酸素電極12と水素電極13(詳細を後述する)を設け、
水素電極雰囲気等の還元雰囲気により固体電解質11が
還元されないようにするために、固体電解質11と水素
電極13との間に保護膜14(詳細を後述する)を介挿す
る。
【0017】前記固体電解質11に用いる(CeO2)0・8
(SmO1・5)0・2において、まず(CeO2)X(Sm23)
1-X(X;実数,0<X<1)のXに8/9を代入すると
(CeO2)8/9(Sm23)1/9となるが、(Ce8/916/9)
(Sm2/93/9)と表すことが可能である。次に、(Ce
8/916/9)(Sm2/93/9)を9/10倍すると、(Ce
8/1016/10)(Sm2/103/10)となり(CeO2)0・8(S
mO1・5)0・2が得られる。
【0018】保護膜14は、YSZと(CeO2)0・8(S
mO1・5)0・2とを混合して得た部材から成り、その部材
を固体電解質11の側面にイオンプレーティング法によ
り固着して形成する。水素電極13は、物質Niを40
%含有するNi−YSZと(CeO2)0・8(SmO1・5)0・2
とを混合して得た電極材料を前記保護膜14に塗布し、
1100℃の温度で熱処理して形成する。
【0019】以下、図1に示す燃料電池の構成は、図3
に示す燃料電池の構成と同様であるため、その詳細な説
明は省略する。
【0020】本発明の実施の形態により製造した固体電
解質型燃料電池の試料(試料番号1〜5)を使用して、電
流密度に対する過電圧の測定を行った。前記試料の水素
電極に用いた電極材料は、Ni−YSZと(CeO2)0・8
(SmO1・5)0・2とを混合するモル比を下記表1に示すよ
うに8:2、6:4、5:5、4:6、2:8にして試
料番号1〜5の試料を製造した。
【0021】
【表1】
【0022】前記測定方法において、空気中800℃で
カレントインターラプション法により測定を行い、その
測定結果を図2の電流密度対過電圧特性図に示した。な
お、図2に示すNo.1〜5の特性曲線は表1に示す試
料番号1〜5に対応し、No.0の特性曲線は、従来法
により製造した試料を使用した測定結果を示すものであ
る。
【0023】前記測定結果より、本発明法による特性曲
線No.1〜5のいずれの測定結果も、従来法による特
性曲線No.0と比較して低い過電圧の値を示した。特
に試料番号5の試料においては、最も優れたものとなっ
ている。また、保護膜に含有させる(CeO2)0・8(Sm
1・5)0・2の量は、固体電解質に含有する(CeO2)
0・8(SmO1・5)0・2の量より少なく、水素電極に含有す
る(CeO2)0・8(SmO1・5)0・2の量より多くすることが
好ましいことが判明した。
【0024】以上示したように、水素電極にNi−YS
Zと(CeO2)0・8(SmO1・5)0・2を混合して得た電極材
料を用いることにより、(CeO2)0・8(SmO1・5)0・2
ら成る固体電解質の熱膨張率に水素電極の熱膨張率が近
くなる。ゆえに、水素電極の剥離および破損が生じる確
率が減少して、燃料電池の耐久性を向上させることがで
きる。
【0025】
【発明の効果】以上示したことから、固体電解質に用い
る(CeO2)X(SmO1・5)1-X(X;実数,0<X<1)と
電極材料に用いるNi−YSZとの混合物を水素電極に
使用したことにより、水素電極と固体電解質との界面の
微細構造を制御することができ、三相界面が増加されて
過電圧が減少し、燃料電池の内部抵抗によって起こる出
力電圧の低下を抑えることが可能となる。水素電極と固
体電解質との熱膨張率がほとんど近くなるので、水素電
極の剥離および破損が起こる確率が減少し、燃料電池の
耐久性が向上する。また、固体電解質と水素電極の間に
保護膜を介装したことにより、固体電解質が水素電極雰
囲気等の還元雰囲気により還元されない。
【0026】ゆえに、本発明により固体電解質型燃料電
池の起電力等の電気的特性および耐久性を向上させる効
果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における固体電解質型燃料
電池の概要構成図。
【図2】本発明の実施の形態および従来法における測定
結果の電流密度対過電圧特性図。
【図3】従来周知の固体電解質型燃料電池の概要構成
図。
【符号の説明】
11、31…固体電解質 12、32…酸素電極 13、33…水素電極 14…保護膜 15、34…負荷 16、35…酸素ガスまたは空気等を流し込む空間 17、36…水素ガスまたは天然ガス等を流し込む空間 18、37…シ−ル材
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01M 4/86 H01M 4/90 X 4/88 C04B 35/00 J 4/90 35/48 B

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (CeO2)X(Sm23)1-X(X;実数,0
    <X<1)から成る固体電解質の表面に形成される固体
    電解質型燃料電池の水素電極において、前記水素電極は
    Ni−安定化ジルコニアと(CeO2)X(Sm23)
    1-X(X;実数,0<X<1)とを混合し、固体電解質の
    表面にて焼成して形成したことを特徴とする固体電解質
    型燃料電池の水素電極。
  2. 【請求項2】 (CeO2)X(Sm23)1-X(X;実数,0
    <X<1)を(CeO2)0・8(SmO1・5)0・2としたことを
    特徴とする請求項1記載の固体電解質型燃料電池の水素
    電極。
  3. 【請求項3】 前記固体電解質と前記水素電極との間
    に、安定化ジルコニアと(CeO2)X(Sm23)1-X(X;
    実数,0<X<1)とを混合したものから成る保護膜を
    介装し、その保護膜に含有する(CeO2)X(Sm23)
    1-X(X;実数,0<X<1)の量は、固体電解質に含有
    する量より少なく、かつ水素電極に含有する量より多く
    することを特徴とする請求項1および請求項2記載の固
    体電解質型燃料電池の水素電極。
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