(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
９００℃以下の雰囲気中で固体酸化物形燃料電池を作動させるための固体酸化物形燃料電池用燃料極であって、
下記の組成式（Ｉ）で表わされる金属酸化物と、鉄との混合物からなり、
ＲＥxＣｅ1-xＯ2-(x/2)  …（Ｉ）
前記組成式（Ｉ）において、ＲＥは、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｙ、ＬａおよびＮｄからなる群から選択された少なくとも１種の金属であり、ｘは０≦ｘ＜０．５を満たす実数を示し、
窒素と水素との化合物のガスを含む燃料を供給して固体酸化物形燃料電池を作動させるための固体酸化物形燃料電池用燃料極である、固体酸化物形燃料電池用燃料極。
【請求項２】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極と、電解質と、を含む、固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記電解質は、下記の組成式（ＩＩ）で表わされ、
Ｌａ1-sＳｒsＧａ1-(u+v)ＣｏuＭｇvＯw  …（ＩＩ）
前記組成式（ＩＩ）において、ｓは０≦ｓ≦０．２５を満たす実数を示し、ｕは０≦ｕ≦０．１を満たす実数を示し、ｖは０．０５≦ｖ≦０．２５を満たす実数を示し、ｗは２．７≦ｗ≦３．０２５を満たす実数を示すことを特徴とする、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池を作動させる方法であって、
前記固体酸化物形燃料電池を９００℃以下の雰囲気中に設置する工程と、
前記固体酸化物形燃料電池の前記固体酸化物形燃料電池用燃料極に窒素と水素との化合物のガスを含む燃料を供給する工程と、を含む、固体酸化物形燃料電池の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池用燃料極、固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池の作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題および資源問題などに起因して、クリーンなエネルギ源が求められている。そのようなエネルギ源としては、たとえば燃料電池が期待されている。燃料電池は、燃料を電気化学的に酸化することによって、燃焼によって生じるはずのエネルギを熱エネルギとしてではなく電気エネルギとして取り出すことに特徴がある。
【０００３】
このような燃料電池の中でも固体酸化物形燃料電池は、約１０００℃という極めて高温で作動させるものであるため、たとえば排熱を有効利用できるなどの利点を有している。
【０００４】
図１６に、たとえば特許文献１等に示される従来の固体酸化物形燃料電池の一例の模式的な構成図を示す。ここで、固体酸化物形燃料電池１１は、酸化物イオン伝導体である電解質１２の両側にそれぞれ酸素極１３および燃料極１４を配置してなる構造を有している。そして、酸素極１３側に酸素または空気を導入し、燃料極１４側に水素ガスを導入して、約１０００℃の雰囲気中で固体酸化物形燃料電池１１を作動させる。すると、酸素極１３では（１／２）Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2-の反応によって酸化物イオン（Ｏ2-）が生じ、酸化物イオン（Ｏ2-）は電解質１２を伝導して燃料極１４に向かって移動する。そして、酸化物イオン（Ｏ2-）が燃料極１４に到達すると、Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-の反応によって電子（ｅ-）が放出されて水（Ｈ2Ｏ）が生じ、電子（ｅ-）は外部回路を通って酸素極１３に流れる。
【０００５】
図１７に、図１６に示す固体酸化物形燃料電池の作動時における燃料極の挙動を図解する模式的な拡大概念図を示す。図１７において、燃料極１４はニッケル１５とジルコニア１６とのサーメットからなっており、電解質１２はジルコニアにイットリウムを少量混合して得られるイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなっている。
【０００６】
ここで、水素ガスとニッケル１５と電解質１２との三相界面１７においては、燃料極１４側に導入された水素（Ｈ2）と、電解質１２を伝導してきた酸化物イオン（Ｏ2-）と、が反応して電子（ｅ-）を放出して水（Ｈ2Ｏ）が生じる。
【０００７】
また、水素ガスとニッケル１５とジルコニア１６の三相界面１８においては、燃料極１４側に導入された水素（Ｈ2）、またはその水素（Ｈ2）がニッケル１５の表面に接触することによって解離した原子状水素（Ｈad）と、電解質１２およびジルコニア１６を伝導してきた酸化物イオン（Ｏ2-）と、が反応して電子（ｅ-）を放出して水（Ｈ2Ｏ）が生じる。
【０００８】
このような固体酸化物形燃料電池は、インターコネクタを介して複数接続され、セルスタックが構成される。ここで、インターコネクタは、酸素極側に導入される酸素ガスまたは空気と、燃料極側に導入される水素ガスと、を分離するとともに、個々の固体酸化物形燃料電池を電気的に直列に電気的に接続する機能を有する（たとえば特許文献１等参照。）。
【０００９】
また、最近では、より低温で作動させる固体酸化物形燃料電池用の燃料極として、鉄を含有させた燃料極の研究が進められている（たとえば、非特許文献１〜非特許文献６等参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３１６０９９３号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Zhen Xie et al., “FexCo0.5-xNi0.5-SDC anodes for low-temperature solid oxide fuel cells”, Electrochimica Acta 51 (2006), 3052-3057
【非特許文献２】Wang Shi-zhong et al., “High Performance Ni-Fe-Lanthanum Gallate Composite Anodes for Dimethyl Ether Fuel Cells”, Electrochemical and Solid-State Letters, 9(9), A395-A398 (2006)
【非特許文献３】R.Tai et al., “Fe-Ni anode in Direct-Dimethylether Fuel Cell Operated at Intermediate-Temperature Using BaCe0.8Y0.2O3-δas a Solid Electrolyte”, Abstract of 214th ECS Meeting, A1-No.91
【非特許文献４】Hyeon Cheol Park et al., “Bimetallic (Ni-Fe) anode-supported solid oxide fuel cells with gadolinia-doped ceria electrolyte”, Journal of Power Sources 186 (2009) 133-137
【非特許文献５】X.C. Lu et al., “Ni-Fe＋SDC composite as anode material forintermediate temperature solid oxide fuel cell”, Journal of Power Sources 165 (2007) 678-684
【非特許文献６】Xinge Zhang et al., “Interactions of a La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δelectrolyte with Fe2O3, Co2O3 and NiO anode materials”, Solid State Ionics 139 (2001) 145-152
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の固体酸化物形燃料電池は約１０００℃という極めて高温で作動させるものであったため、インターコネクタを構成する材料としては、従来から、高温で高い電子伝導性を有するとともに、燃料極側の高温の還元雰囲気と酸素極側の高温の酸化雰囲気の双方に耐えることができるセラミックス材料が使用されてきた。
【００１３】
しかしながら、インターコネクタに使用されるセラミックス材料は非常に高価であるため、固体酸化物形燃料電池の製造コストが高くなるという問題があった。そこで、低温で高性能な固体酸化物形燃料電池の開発が望まれているが、固体酸化物形燃料電池は作動時の温度が低下すると大幅に性能が低下してしまう。
【００１４】
上述したように、低温雰囲気中で作動させたときに優れた性能を有する固体酸化物形燃料電池用の燃料極の研究も進められているが、さらなる改善が望まれている。
【００１５】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、低温雰囲気中で作動させた場合でも優れた性能を有する固体酸化物形燃料電池を実現することが可能な固体酸化物形燃料電池用燃料極、それを含む固体酸化物形燃料電池およびその固体酸化物形燃料電池の作動方法である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、９００℃以下の雰囲気中で固体酸化物形燃料電池を作動させるための固体酸化物形燃料電池用燃料極であって、下記の組成式（Ｉ）で表わされる金属酸化物と、鉄との混合物からなり、
ＲＥxＣｅ1-xＯ2-(x/2)  …（Ｉ）
組成式（Ｉ）において、ＲＥは、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｙ、ＬａおよびＮｄからなる群から選択された少なくとも１種の金属であり、ｘは０≦ｘ＜０．５を満たす実数を示し、窒素と水素との化合物のガスを含む燃料を供給して固体酸化物形燃料電池を作動させるための固体酸化物形燃料電池用燃料極である固体酸化物形燃料電池用燃料極である。
【００２０】
また、本発明は、上記の固体酸化物形燃料電池用燃料極と、電解質と、を含む、固体酸化物形燃料電池である。
【００２１】
ここで、本発明の固体酸化物形燃料電池においては、電解質としては、ジルコニア系酸化物、セリア系酸化物、ランタンガレート系酸化物、バリウムセレート系酸化物、バリウムジルコネート系酸化物、ストロンチウムセレート系酸化物、ストロンチウムジルコネート系酸化物、ランタンシリケート系酸化物などの電解質を特に限定なく用いることができるが、好ましくは下記の組成式（ＩＩ）で表わされる電解質を用いることが好ましい。
【００２２】
Ｌａ1-sＳｒsＧａ1-(u+v)ＣｏuＭｇvＯw  …（ＩＩ）
組成式（ＩＩ）において、ｓは０≦ｓ≦０．２５を満たす実数を示し、ｕは０≦ｕ≦０．１を満たす実数を示し、ｖは０．０５≦ｖ≦０．２５を満たす実数を示し、ｗは２．７≦ｗ≦３．０２５を満たす実数を示すことが好ましい。
【００２３】
さらに、本発明は、上記の固体酸化物形燃料電池を作動させる方法であって、固体酸化物形燃料電池を９００℃以下の雰囲気中に設置する工程と、固体酸化物形燃料電池の固体酸化物形燃料電池用燃料極に窒素と水素との化合物のガスを含む燃料を供給する工程と、を含む、固体酸化物形燃料電池の作動方法である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、低温雰囲気中で作動させた場合でも優れた性能を有する固体酸化物形燃料電池を実現することが可能な固体酸化物形燃料電池用燃料極、それを含む固体酸化物形燃料電池およびその固体酸化物形燃料電池の作動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の固体酸化物形燃料電池の一例の模式的な断面図である。
【図２】実施例１および比較例１〜２の固体酸化物形燃料電池の構成を示す模式的な斜視図である。
【図３】ＳＤＣ２０の製造プロセスのフローチャートである。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、実施例１の固体酸化物形燃料電池の電圧−電流特性を示す図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、実施例１の固体酸化物形燃料電池の過電圧−電流特性を示す図である。
【図６】実施例１の固体酸化物形燃料電池の燃料極の過電圧が０．１Ｖであるときの酸素極と燃料極との間の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）と、実施例１の固体酸化物形燃料電池の作動時の雰囲気の温度（℃）との関係を示す図である。
【図７】実施例１の固体酸化物形燃料電池の燃料極における過電圧（Ｖ）と、燃料極に水素ガスを供給したときとアンモニアガスを供給したときの電流密度の比率との関係を示す図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、比較例１の固体酸化物形燃料電池の電圧−電流特性を示す図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）は、比較例１の固体酸化物形燃料電池の過電圧−電流特性を示す図である。
【図１０】比較例１の固体酸化物形燃料電池の燃料極の過電圧が０．１Ｖであるときの酸素極と燃料極との間の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）と、比較例１の固体酸化物形燃料電池の作動時の雰囲気の温度（℃）との関係を示す図である。
【図１１】比較例１の固体酸化物形燃料電池の燃料極における過電圧（Ｖ）と、燃料極に水素ガスを供給したときとアンモニアガスを供給したときの電流密度の比率との関係を示す図である。
【図１２】（ａ）および（ｂ）は、比較例２の固体酸化物形燃料電池の電圧−電流特性を示す図である。
【図１３】（ａ）および（ｂ）は、比較例２の固体酸化物形燃料電池の過電圧−電流特性を示す図である。
【図１４】比較例２の固体酸化物形燃料電池の燃料極の過電圧が０．１Ｖであるときの酸素極と燃料極との間の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）と、比較例２の固体酸化物形燃料電池の作動時の雰囲気の温度（℃）との関係を示す図である。
【図１５】比較例２の固体酸化物形燃料電池の燃料極における過電圧（Ｖ）と、燃料極に水素ガスを供給したときとアンモニアガスを供給したときの電流密度の比率との関係を示す図である。
【図１６】従来の固体酸化物形燃料電池の一例の模式的な構成図である。
【図１７】図１６に示す固体酸化物形燃料電池の作動時における燃料極の挙動を図解する模式的な拡大概念図である。
【図１８】（ａ）は実施例２の固体酸化物形燃料電池の燃料極に水素ガスを供給した場合に燃料極の過電圧が０．１５Ｖであるときの実施例２の固体酸化物形燃料電池に流れる電流の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）と、実施例２の固体酸化物形燃料電池の燃料極の鉄およびニッケルのそれぞれの含有量（原子％）との関係を示す図であり、（ｂ）は実施例２の固体酸化物形燃料電池の燃料極にアンモニアガスを供給した場合に燃料極の過電圧が０．１５Ｖであるときの実施例２の固体酸化物形燃料電池に流れる電流の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）と、実施例２の固体酸化物形燃料電池の燃料極の鉄およびニッケルのそれぞれの含有量（原子％）との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２７】
図１に、本発明の固体酸化物形燃料電池の一例の模式的な断面図を示す。図１に示すように、固体酸化物形燃料電池１は、電解質２と、酸素極３と、燃料極４とを有しており、電解質２の一方の表面上には鉄と金属酸化物とを含む燃料極４が形成され、電解質２の他方の表面上には酸素極３が形成されている。
【００２８】
ここで、燃料極４中の金属酸化物の含有量は燃料極４全体の１０質量％以上７０質量％以下とされることが好ましく、１０質量％以上５０質量％以下とされることがより好ましい。燃料極４中の金属酸化物の含有量が燃料極４全体の１０質量％以上７０質量％以下である場合、特に１０質量％以上５０質量％以下である場合には、さらに優れた性能を有する固体酸化物形燃料電池１を得ることができる傾向にある。
【００２９】
すなわち、燃料極４の電子伝導性を高くすることによって固体酸化物形燃料電池１の性能を優れたものとするためには、燃料極４中の金属酸化物の含有量は７０質量％以下、特に５０質量％以下とすることが好ましい。一方、燃料極４中の金属酸化物の含有量が少なすぎると燃料極４において鉄の凝集が進行しすぎること、および鉄と金属酸化物との接点が燃料極４における電極反応に寄与するために金属酸化物の存在がある程度必要なことなどを考慮して、固体酸化物形燃料電池１の性能を優れたものとするためには、燃料極４中の金属酸化物の含有量は、燃料極４全体の１０質量％以上であることが好ましい。
【００３０】
なお、電子伝導を担う材料としては鉄だけである必要はなく、鉄に、ニッケル、コバルト、クロム、マンガン等の鉄と合金を形成する金属を添加してもよい。この場合においても、鉄、添加金属および金属酸化物の質量の合計を１００質量％としたときの金属酸化物の含有量の好ましい範囲は上記と同様である。
【００３１】
特に、燃料極４は、鉄と、ニッケルとを含み、燃料極４中における鉄とニッケルの総原子数に対する鉄の原子数の割合（１００×（鉄の原子数）／{（鉄の原子数）＋（ニッケルの原子数）}）（％）が３０％以上であることが好ましい。この場合には、固体酸化物形燃料電池１の性能が向上する傾向にある。
【００３２】
また、燃料極４に含有される金属酸化物としては、以下の組成式（Ｉ）で表される金属酸化物を用いることが好ましい。燃料極４に含有される金属酸化物として以下の組成式（Ｉ）で表される金属酸化物を用いた場合には、固体酸化物形燃料電池１の性能をさらに優れたものとすることができる傾向にある。
【００３３】
ＲＥxＣｅ1-xＯ2-(x/2)  …（Ｉ）
なお、組成式（Ｉ）において、ＲＥは、Ｓｍ（サマリウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）およびＮｄ（ネオジム）からなる群から選択された少なくとも１種の金属であり、ｘはＲＥに相当する金属の原子比を示し、１−ｘはＣｅ（セリウム）の原子比を示し、２−（ｘ／２）はＯ（酸素）の原子比を示す。また、組成式（Ｉ）において、ｘは０≦ｘ＜０．５を満たす実数を示す。
【００３４】
ここで、組成式（Ｉ）において、ｘが０≦ｘ＜０．５を満たす実数である場合には、燃料極４中の金属酸化物が蛍石型構造の結晶構造を保持しやすくなり、固体酸化物形燃料電池１の性能をさらに優れたものとすることができる傾向にある。
【００３５】
また、電解質２としては、以下の組成式（ＩＩ）で表される酸化物イオン伝導体を用いることが好ましい。電解質２として以下の組成式（ＩＩ）で表される酸化物イオン伝導体を用いた場合には、固体酸化物形燃料電池１の性能をさらに優れたものとすることができる傾向にある。
【００３６】
Ｌａ1-sＳｒsＧａ1-(u+v)ＣｏuＭｇvＯw  …（ＩＩ）
なお、組成式（ＩＩ）において、１−ｓはＬａ（ランタン）の原子比を示し、ｓはＳｒ（ストロンチウム）の原子比を示し、１−（ｕ＋ｖ）はＧａ（ガリウム）の原子比を示し、ｕはＣｏ（コバルト）の原子比を示し、ｖはＭｇ（マグネシウム）の原子比を示し、ｗはＯ（酸素）の原子比を示す。
【００３７】
また、組成式（ＩＩ）において、ｓは０≦ｓ≦０．２５を満たす実数を示し、ｕは０≦ｕ≦０．１を満たす実数を示し、ｖは、０．０５≦ｖ≦０．２５を満たす実数を示し、ｗは２．７≦ｗ≦３．０２５を満たす実数を示す。
【００３８】
ここで、組成式（ＩＩ）において、ｓが０≦ｓ≦０．２５の範囲内の実数を示す場合には、電解質２の酸化物イオン伝導性が優れる傾向にある。また、組成式（ＩＩ）において、ｓが０．２５を超える実数を示す場合には、電解質２中のＳｒの含有量が多くなりすぎて、他の相が発現して、電解質２の酸化物イオン伝導性が低下する傾向にある。
【００３９】
また、組成式（ＩＩ）において、ｕが０≦ｕ≦０．１の範囲内の実数を示す場合には、電解質２の酸化物イオン伝導性が優れる傾向にある。また、組成式（ＩＩ）において、ｕが０．１を超える場合には、電解質２中のＣｏの含有量が多くなりすぎて、電子伝導により内部短絡を発現し、セル電圧が低下する傾向にある。
【００４０】
また、組成式（ＩＩ）において、ｖが０．０５≦ｖ≦０．２５の範囲内の実数を示す場合には、電解質２の酸化物イオン伝導性が優れる傾向にある。また、組成式（ＩＩ）において、ｖが０．２５を超える実数を示す場合には、電解質２中のＭｇの含有量が多くなりすぎて、他の相が発現して、電解質２の酸化物イオン伝導性が低下する傾向にある。
【００４１】
また、組成式（ＩＩ）において、ｗの値は、上記のｓ、ｕおよびｖの値から算出すると２．７≦ｗ≦３．０２５の範囲内の値となる。
【００４２】
また、酸素極３としては、たとえば従来から公知のＰｔ（白金）などを特に限定なく用いることができる。また、酸素極３は、上記の燃料極４に用いられる材料として説明した材料と同様の材料を用いて形成してもよい。
【００４３】
上記で説明した図１に示す固体酸化物形燃料電池１は、たとえば以下のようにして作動させることができる。
【００４４】
まず、図１に示す固体酸化物形燃料電池１を９００℃以下の雰囲気中に設置する。次に、固体酸化物形燃料電池１を９００℃以下の雰囲気中に設置した状態で、固体酸化物形燃料電池１の燃料極４に水素と窒素との化合物のガスを含む燃料を供給し、酸素極３に酸素ガスを含む酸化剤を供給する。
【００４５】
これにより、酸素極３においては、酸化剤中に含まれる酸素ガスにより、（１／２）Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2-の反応から酸化物イオン（Ｏ2-）が生じる。そして、酸化物イオン（Ｏ2-）は電解質２を燃料極４に向かって伝導する。
【００４６】
そして、燃料極４においては、電解質２を伝導してきた酸化物イオン（Ｏ2-）と、燃料に含まれる水素と窒素との化合物のガスとにより、Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-の反応から水（Ｈ2Ｏ）と電子（ｅ-）が生じる。そして、水（Ｈ2Ｏ）は外部に放出され、電子（ｅ-）は外部回路を通って酸素極３に流れ込む。
【００４７】
以上のようにして固体酸化物形燃料電池１を作動させることによって、固体酸化物形燃料電池１による発電が可能となる。
【００４８】
ここで、燃料極４に供給される燃料に含まれる水素と窒素との化合物のガスとしては、たとえば、ＮＨ3（アンモニア）ガスおよび／またはＮ2Ｈ4（ヒドラジン）ガスなどの水素と窒素との化合物からなるガスの少なくとも１種を用いることができる。
【００４９】
また、燃料極４に供給される燃料中の水素と窒素との化合物のガスは、水素と窒素との化合物の状態で燃料極４に供給されてもよく、水素（Ｈ2）ガスと窒素（Ｎ2）ガスとに分解された状態で燃料極４に供給されてもよい。
【００５０】
また、酸素極３に供給される酸化剤としては、たとえば、空気および／または酸素（Ｏ2）ガスなどの酸素を含むガスの少なくとも１種を含む酸化剤を用いることができる。
【００５１】
図１に示す構成の固体酸化物形燃料電池１は、水素と窒素との化合物のガスを含む燃料を燃料極４に供給して、９００℃以下の低温雰囲気中において作動させる場合に、優れた性能を有する。
【００５２】
特に、９００℃以下の低温雰囲気中において、アンモニアガスを含む燃料を燃料極４に供給したときには、さらに優れた性能を有する固体酸化物形燃料電池１とすることができる。これは、燃料極４中に含まれる鉄は、アンモニアガスを水素ガスと窒素ガスとに分解する活性が高いためと考えられる。
【００５３】
なお、固体酸化物形燃料電池１の燃料極４に供給される燃料としては、水素と窒素との化合物のガスを含む燃料には限定されず、たとえば水素（Ｈ2）ガスを含む燃料などの従来から公知の燃料を供給して固体酸化物形燃料電池１を作動させることも可能である。また、固体酸化物形燃料電池１は、９００℃よりも高い温度の高温雰囲気中において作動させることも可能である。
【００５４】
しかしながら、上述したように、図１に示す構成の固体酸化物形燃料電池１は、たとえば９００℃以下といった低温雰囲気中で、水素と窒素との化合物のガスを含む燃料を燃料極４に供給して固体酸化物形燃料電池１を作動させた場合に優れた性能を有する点で特に有用である。
【００５５】
また、水素を液化するには極低温に冷却する必要がある。また、液体と同量程度の水素を常温で運搬するには超高圧の容器に充填する必要がある。そのため、水素を輸送するのは大変手間とコストがかかる。一方、たとえばアンモニアは液化しやすく、２０℃では０．８５７ＭＰａ（８．４６気圧）程度の圧力で液化する。また、たとえばヒドラジンは常温では液体である。そのため、アンモニアやヒドラジンなどの水素と窒素との化合物は、水素と比較して、燃料の運搬に優れている。また、水素と窒素との化合物を水素エネルギ源として使用する場合には、通常水素に変換してから装置に導入する必要があるためエネルギ変換効率が低下してしまうが、固体酸化物形燃料電池の場合、装置内部で水素と窒素との化合物を水素分子と窒素分子に改質することができる、あるいは直接反応させることができるため、水素と窒素との化合物は固体酸化物形燃料電池の燃料として適している。
【実施例】
【００５６】
＜実施例１＞
図２の模式的斜視図に示す構成の実施例１の固体酸化物形燃料電池１を作製して、様々な実験を行なった。固体酸化物形燃料電池１の緻密な円盤状の電解質２の一方の表面には多孔質な円形の酸素極３と円柱状の参照電極５とをそれぞれ形成し、電解質２の他方の表面には多孔質な円形の燃料極４を形成した。
【００５７】
ここで、酸素極３の円形表面の直径Ｄ１および燃料極４の円形表面の直径Ｄ２をそれぞれ６ｍｍとした。また、電解質２の円形表面Ｄ３を１５ｍｍとし、電解質２の厚さＨを０．５ｍｍとした。
【００５８】
図２に示す固体酸化物形燃料電池１は、以下のようにして作製した。まず、酸化ランタン、炭酸ストロンチウム、酸化ガリウムおよび酸化マグネシウムを所定の比率でエタノール中において湿式混合した後、１１５０℃で１８時間の仮焼と上記の湿式混合とを交互に２回繰り返して作製したＬＳＧＭ粉末を２９４ＭＰａの圧力でＣＩＰ成形し、その後１５００℃で１０時間焼成することによって、Ｌａ0.9Ｓｒ0.1Ｇａ0.8Ｍｇ0.2Ｏ3-δ（ＬＳＧＭ）からなる円柱状の電解質２を作製した。
【００５９】
次に、電解質２の一方の円形表面の中心にＰｔを含むペーストを円柱状に塗布した後にその近傍にそれよりも小さい円柱状にＰｔを含むペーストを塗布し、その後、これらのＰｔを含むペーストを１０００℃で３時間焼成することによって、酸素極３および参照電極５をそれぞれ形成した。
【００６０】
次に、図３に示すように、Ｓｍ（ＮＯ3）3・６Ｈ2Ｏ（硝酸サマリウム六水和物）粉末とＣｅ（ＮＯ3）3・６Ｈ2Ｏ（硝酸セリウム六水和物）粉末とをそれぞれＳｍとＣｅとのモル比がＳｍ：Ｃｅ＝２：８となるように、これらの粉末を硝酸濃度が０．２（ｍｏｌ／ｄｍ3）であるＨＮＯ3（硝酸）水溶液中で混合した。
【００６１】
次に、（ＣＯＯＨ）2・２Ｈ2Ｏ（シュウ酸二水和物）の水溶液とアンモニア水溶液とを混合した混合液（シュウ酸濃度：０．２（ｍｏｌ／ｄｍ3）、ｐＨ：６．７）を調製して、その混合液を上記の粉末が混合されたＨＮＯ3水溶液中に加えて１２時間撹拌した。
【００６２】
その後、上記の撹拌後の液を吸着ろ過した後に、その吸着ろ過により得られた粉末を空気中で７００℃の温度でか焼することによって、ＳＤＣ２０（Ｓｍ0.2Ｃｅ0.8Ｏ1.9）粉末を得た。
【００６３】
そして、上記のようにして作製したＳＤＣ２０と、Ｆｅ2Ｏ3（酸化鉄）粉末とを、Ｆｅの含有量が全体の７０質量％となる割合で混合して混合粉末を得た。その混合粉末を電解質２の酸素極３および参照電極５の形成側とは反対側の円形表面上に円柱状に設置した後に１２５０℃で３時間焼成することによって燃料極４を形成した。以上により、図２に示す構成の実施例１の固体酸化物形燃料電池１を作製した。
【００６４】
図４（ａ）および図４（ｂ）にそれぞれ、上記のように作製した実施例１の固体酸化物形燃料電池１の酸素極３と燃料極４との間の電圧（Ｖ）と、実施例１の固体酸化物形燃料電池１に流れる電流の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）との関係（電圧−電流特性）を示す。図４（ａ）および図４（ｂ）においては、横軸が電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）を示しており、縦軸が電圧（Ｖ）を示している。
【００６５】
また、図４（ａ）は、実施例１の固体酸化物形燃料電池１を７００℃、８００℃および９００℃のそれぞれの雰囲気中に設置し、酸素極３に空気を供給し、燃料極４に水素ガスを供給したときの電圧−電流特性である。また、図４（ｂ）は、実施例１の固体酸化物形燃料電池１を７００℃、８００℃および９００℃のそれぞれの雰囲気中に設置し、酸素極３に空気を供給し、燃料極４にアンモニアガスを供給したときの電流−電圧特性である。
【００６６】
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、実施例１の固体酸化物形燃料電池１の電圧−電流特性は、７００℃、８００℃および９００℃のいずれの雰囲気においても、燃料極４に水素ガスを供給したときと、アンモニアガスを供給したときとで、電流密度方向への曲線の広がりが同等程度であることを示している。したがって、実施例１の固体酸化物形燃料電池１は、燃料極４にアンモニアガスを供給したときでも、水素ガスを供給したときと同等程度の優れた電圧−電流特性を有することが確認された。
【００６７】
図５（ａ）および図５（ｂ）にそれぞれ、上記のように作製した実施例１の固体酸化物形燃料電池１の燃料極４における過電圧（Ｖ）と、実施例１の固体酸化物形燃料電池１に流れる電流の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）との関係（過電圧−電流特性）を示す。図５（ａ）および図５（ｂ）においては、横軸が電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）を示しており、縦軸が燃料極４における過電圧（Ｖ）を示している。
【００６８】
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、実施例１の固体酸化物形燃料電池１の過電圧−電流特性は、７００℃、８００℃および９００℃のいずれの雰囲気においても、燃料極４に水素ガスを供給したときと、アンモニアガスを供給したときとで、ほとんど変わらずに過電圧の上昇が抑えられており優れていた。したがって、実施例１の固体酸化物形燃料電池１は、燃料極４にアンモニアガスを供給したときでも、水素ガスを供給したときと同等程度の優れた過電圧−電流特性を有することが確認された。
【００６９】
図６に、実施例１の固体酸化物形燃料電池１の燃料極４の過電圧が０．１Ｖであるときの固体酸化物形燃料電池１に流れる電流の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）と、実施例１の固体酸化物形燃料電池１が設置された雰囲気の温度（℃）との関係を示す。図６は、図５（ａ）および図５（ｂ）に示す実験結果から作成されたものである。図６においては、横軸が雰囲気の温度（℃）を示しており、縦軸が電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）を示している。
【００７０】
図６に示すように、雰囲気の温度の低下とともに、固体酸化物形燃料電池１に流れる電流の電流密度も低下する傾向が見られたが、７００℃、８００℃および９００℃のいずれの雰囲気の温度においても、固体酸化物形燃料電池１の燃料極４にアンモニアガスを供給したときの電流密度は、水素ガスを供給したときと同等程度の大きな値を示している。
【００７１】
図７に、実施例１の固体酸化物形燃料電池１の作動時の雰囲気の温度が７００℃、８００℃および９００℃のそれぞれの場合における、燃料極４における過電圧（Ｖ）と、燃料極４に水素ガスを供給したときの電流密度とアンモニアガスを供給したときの電流密度との電流密度の比率（（アンモニアガスを供給したときの電流密度）／（水素ガスを供給したときの電流密度））との関係を示す。図７は、図５（ａ）および図５（ｂ）に示す実験結果から作成されたものである。図７においては、横軸が過電圧（Ｖ）を示しており、縦軸が上記の比率を示している。
【００７２】
図７に示すように、雰囲気の温度の低下とともに、上記の比率も低下する傾向が見られたが、７００℃、８００℃および９００℃のいずれの雰囲気の温度においても、上記の比率は相対的に大きな値を示している。
【００７３】
＜比較例１＞
Ｆｅ2Ｏ3粉末の代わりに、ＮｉＯ粉末を用いたこと以外は実施例１と同様にして、図２に示す構成の比較例１の固体酸化物形燃料電池１を作製した。
【００７４】
図８（ａ）および図８（ｂ）にそれぞれ、上記のように作製した比較例１の固体酸化物形燃料電池１の酸素極３と燃料極４との間の電圧（Ｖ）と、比較例１の固体酸化物形燃料電池１に流れる電流の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）との関係（電圧−電流特性）を示す。図８（ａ）および図８（ｂ）においては、横軸が電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）を示しており、縦軸が電圧（Ｖ）を示している。
【００７５】
また、図８（ａ）は、比較例１の固体酸化物形燃料電池１を７００℃、８００℃および９００℃のそれぞれの雰囲気中に設置し、酸素極３に空気を供給し、燃料極４に水素ガスを供給したときの電圧−電流特性である。また、図８（ｂ）は、比較例１の固体酸化物形燃料電池１を７００℃、８００℃および９００℃のそれぞれの雰囲気中に設置し、酸素極３に空気を供給し、燃料極４にアンモニアガスを供給したときの電圧−電流特性である。
【００７６】
図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、比較例１の固体酸化物形燃料電池１の電圧−電流特性は、７００℃、８００℃および９００℃のいずれの雰囲気においても、燃料極４に水素ガスを供給したときと比較して、アンモニアガスを供給したときの電流密度方向への曲線の広がりが大きく狭まっていた。したがって、比較例１の固体酸化物形燃料電池１の燃料極４にアンモニアガスを供給したときの電圧−電流特性は、実施例１の固体酸化物形燃料電池と比べて、大きく悪化することが確認された。このことは、図４（ａ）〜（ｂ）と、図８（ａ）〜（ｂ）とを対比すれば明らかである。
【００７７】
図９（ａ）および図９（ｂ）にそれぞれ、上記のように作製した比較例１の固体酸化物形燃料電池１の燃料極４における過電圧（Ｖ）と、比較例１の固体酸化物形燃料電池１に流れる電流の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）との関係（過電圧−電流特性）を示す。図９（ａ）および図９（ｂ）においては、横軸が電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）を示しており、縦軸が燃料極４における過電圧（Ｖ）を示している。
【００７８】
図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、比較例１の固体酸化物形燃料電池１の過電圧−電流特性は、７００℃、８００℃および９００℃のそれぞれの雰囲気において、燃料極４に水素ガスを供給したとき、アンモニアガスを供給したときのいずれのときにも過電圧が大きく上昇していた。したがって、比較例１の固体酸化物形燃料電池１は、燃料極４に水素ガスを供給した場合およびアンモニアガスを供給した場合のいずれの場合においても、実施例１の固体酸化物形燃料電池と比べて、過電圧−電流特性が良好ではなかった。このことは、図５（ａ）〜（ｂ）と、図９（ａ）〜（ｂ）とを対比すれば明らかである。
【００７９】
図１０に、比較例１の固体酸化物形燃料電池１の燃料極４の過電圧が０．１Ｖであるときの固体酸化物形燃料電池１に流れる電流の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）と、比較例１の固体酸化物形燃料電池１が設置された雰囲気の温度（℃）との関係を示す。図１０は、図９（ａ）および図９（ｂ）に示す実験結果から作成されたものである。図１０においては、横軸が雰囲気の温度（℃）を示しており、縦軸が電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）を示している。
【００８０】
図１０に示すように、比較例１の固体酸化物形燃料電池１は、雰囲気の温度の低下とともに、固体酸化物形燃料電池１に流れる電流の電流密度も低下する傾向が見られ、７００℃、８００℃および９００℃のそれぞれの雰囲気において、燃料極４に水素ガスを供給したとき、アンモニアガスを供給したときのいずれときにも実施例１の固体酸化物形燃料電池と比べて、電流密度が大きくなかった。このことは、図６と図１０とを対比すれば明らかである。
【００８１】
図１１に、比較例１の固体酸化物形燃料電池１の作動時の雰囲気の温度が７００℃、８００℃および９００℃のそれぞれの場合における、燃料極４における過電圧（Ｖ）と、燃料極４に水素ガスを供給したときの電流密度とアンモニアガスを供給したときの電流密度との電流密度の比率（（アンモニアガスを供給したときの電流密度）／（水素ガスを供給したときの電流密度））との関係を示す。図１１は、図９（ａ）および図９（ｂ）に示す実験結果から作成されたものである。図１１においては、横軸が過電圧（Ｖ）を示しており、縦軸が上記の比率を示している。
【００８２】
図１１に示すように、雰囲気の温度の低下とともに、上記の比率が増加する傾向が見られ、７００℃、８００℃および９００℃のいずれの雰囲気の温度においても、上記の比率は、実施例１の固体酸化物形燃料電池と比べて、小さい値を示していた。このことは、図７と図１１とを対比すれば明らかである。
【００８３】
＜比較例２＞
Ｆｅ2Ｏ3粉末の代わりに、Ｃｏ2Ｏ3粉末を用いたこと以外は実施例１と同様にして、図２に示す構成の比較例２の固体酸化物形燃料電池１を作製した。
【００８４】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）にそれぞれ、上記のように作製した比較例２の固体酸化物形燃料電池１の酸素極３と燃料極４との間の電圧（Ｖ）と、比較例２の固体酸化物形燃料電池１に流れる電流の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）との関係（電圧−電流特性）を示す。図１２（ａ）および図１２（ｂ）においては、横軸が電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）を示しており、縦軸が電圧（Ｖ）を示している。
【００８５】
また、図１２（ａ）は、比較例２の固体酸化物形燃料電池１を７００℃、８００℃および９００℃のそれぞれの雰囲気中に設置し、酸素極３に空気を供給し、燃料極４に水素ガスを供給したときの電圧−電流特性である。また、図１２（ｂ）は、比較例２の固体酸化物形燃料電池１を７００℃、８００℃および９００℃のそれぞれの雰囲気中に設置し、酸素極３に空気を供給し、燃料極４にアンモニアガスを供給したときの電圧−電流特性である。
【００８６】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示すように、比較例２の固体酸化物形燃料電池１の電圧−電流特性は、７００℃、８００℃および９００℃のそれぞれの雰囲気において、燃料極４に水素ガスを供給したときと比較して、アンモニアガスを供給したときの電流密度方向への曲線の広がりが大きく狭まっている。したがって、比較例２の固体酸化物形燃料電池１においては、燃料極４にアンモニアガスを供給したときの電圧−電流特性は、実施例１の固体酸化物形燃料電池と比べて、大きく悪化することが確認された。このことは、図４（ａ）〜（ｂ）と、図１２（ａ）〜（ｂ）とを対比すれば明らかである。
【００８７】
図１３（ａ）および図１３（ｂ）にそれぞれ、上記のように作製した比較例２の固体酸化物形燃料電池１の燃料極４における過電圧（Ｖ）と、比較例２の固体酸化物形燃料電池１に流れる電流の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）との関係（過電圧−電流特性）を示す。図１３（ａ）および図１３（ｂ）においては、横軸が電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）を示しており、縦軸が燃料極４における過電圧（Ｖ）を示している。
【００８８】
図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、比較例２の固体酸化物形燃料電池１の過電圧−電流特性は、７００℃、８００℃および９００℃のそれぞれの雰囲気において、燃料極４に水素ガスを供給したとき、アンモニアガスを供給したときのいずれのときにも過電圧が大きく上昇していた。したがって、比較例２の固体酸化物形燃料電池１は、燃料極４に水素ガスを供給した場合およびアンモニアガスを供給した場合のいずれの場合においても、実施例１の固体酸化物形燃料電池と比べて、過電圧−電流特性が良好ではなかった。このことは、図５（ａ）〜（ｂ）と、図１３（ａ）〜（ｂ）とを対比すれば明らかである。
【００８９】
図１４に、比較例２の固体酸化物形燃料電池１の燃料極４の過電圧が０．１Ｖであるときの固体酸化物形燃料電池１に流れる電流の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）と、比較例２の固体酸化物形燃料電池１が設置された雰囲気の温度（℃）との関係を示す。図１４は、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示す実験結果から作成されたものである。図１４においては、横軸が雰囲気の温度（℃）を示しており、縦軸が電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）を示している。
【００９０】
図１４に示すように、雰囲気の温度の低下とともに、固体酸化物形燃料電池１に流れる電流の電流密度も低下する傾向が見られ、７００℃、８００℃および９００℃のそれぞれの雰囲気の温度において、比較例２の固体酸化物形燃料電池１は、燃料極４に水素ガスを供給した場合およびアンモニアガスを供給した場合のいずれの場合においても、実施例１の固体酸化物形燃料電池と比べて、電流密度が大きくなかった。このことは、図６と図１４とを対比すれば明らかである。
【００９１】
図１５に、比較例２の固体酸化物形燃料電池１の作動時の雰囲気の温度が７００℃、８００℃および９００℃のそれぞれの場合における、燃料極４における過電圧（Ｖ）と、燃料極４に水素ガスを供給したときの電流密度とアンモニアガスを供給したときの電流密度との電流密度の比率（（アンモニアガスを供給したときの電流密度）／（水素ガスを供給したときの電流密度））との関係を示す。図１５は、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示す実験結果から作成されたものである。図１５においては、横軸が過電圧（Ｖ）を示しており、縦軸が上記の比率を示している。
【００９２】
図１５に示すように、雰囲気の温度の低下とともに、上記の比率が増加する傾向が見られ、７００℃、８００℃および９００℃のそれぞれの雰囲気の温度においても、上記の比率は、実施例１の固体酸化物形燃料電池と比べて、小さい値を示していた。このことは、図７と図１５とを対比すれば明らかである。
【００９３】
＜評価＞
以上の実験結果から、ＦｅとＳＤＣ２０との混合物からなる燃料極４を備えた実施例１の固体酸化物形燃料電池１は、燃料極４に水素ガスおよびアンモニアガスのいずれを供給した場合でも、７００℃〜９００℃の温度の雰囲気で作動させたときに、比較例１〜２の固体酸化物形燃料電池１と比較して優れた性能を有することが確認された。
【００９４】
特に、実施例１の固体酸化物形燃料電池１は、燃料極４にアンモニアガスを供給して、７００℃〜９００℃の温度の雰囲気で作動させたときの性能が、比較例１〜２の固体酸化物形燃料電池１と比較して優れていた。
【００９５】
＜実施例２＞
Ｆｅ2Ｏ3粉末の代わりに、Ｆｅ2Ｏ3粉末とＮｉＯ粉末との配合比率をそれぞれ変更して作製した混合粉末を用いたこと以外は実施例１と同様にして、図２に示す構成の実施例２の固体酸化物形燃料電池１を作製した。
【００９６】
ここで、Ｆｅ2Ｏ3粉末とＮｉＯ粉末との混合粉末としては、実施例２の固体酸化物形燃料電池１の燃料極４におけるＦｅ（鉄）とＮｉ（ニッケル）の総原子数に対するＦｅ（鉄）の原子数の比（％）がそれぞれ、０、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０および１００（％）となるようにＦｅ2Ｏ3粉末とＮｉＯ粉末とを配合した混合粉末を用いた。
【００９７】
図１８（ａ）および図１８（ｂ）にそれぞれ、上記のように作製した実施例２の固体酸化物形燃料電池１の燃料極４における過電圧（Ｖ）が０．１５Ｖのときに実施例２の固体酸化物形燃料電池１に流れる電流の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）と、実施例２の固体酸化物形燃料電池１の燃料極４における鉄およびニッケルのそれぞれの含有量（原子％）との関係を示す。
【００９８】
なお、図１８（ａ）の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）は、実施例２の固体酸化物形燃料電池１を７００℃、８００℃および９００℃のそれぞれの雰囲気中に設置し、酸素極３に空気を供給し、燃料極４に水素ガスを供給したときの電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）である。また、図１８（ｂ）の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）は、実施例２の固体酸化物形燃料電池１を７００℃、８００℃および９００℃のそれぞれの雰囲気中に設置し、酸素極３に空気を供給し、燃料極４にアンモニアガスを供給したときの電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）である。
【００９９】
図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示すように、７００℃、８００℃および９００℃のいずれの雰囲気中においても、鉄の含有量が３０（原子％）以上のとき（すなわち、鉄とニッケルの総原子数に対する鉄の原子数の割合（１００×（鉄の原子数）／{（鉄の原子数）＋（ニッケルの原子数）}）（％）が３０％以上のとき）に、実施例２の固体酸化物形燃料電池１の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）が高くなって性能が優れる傾向にあることが確認された。
【０１００】
なかでも、図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示すように、７００℃および８００℃の低温の雰囲気中において鉄の含有量が３０（原子％）以上のときに実施例２の固体酸化物形燃料電池１の電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）が特に高くなり、特に性能が優れる傾向にあることが確認された。
【０１０１】
なお、実施例２の固体酸化物形燃料電池１の酸素極３に空気を供給し、燃料極４にアンモニアガスを供給したときに実施例２の固体酸化物形燃料電池１が優れた性能を有する理由としては、アンモニアガスの合成触媒としては一般に鉄を含む合金が用いられており、このような鉄を含む合金はアンモニアガスの解離触媒としても優れていることから、実施例２の固体酸化物形燃料電池１の燃料極４に鉄を含む合金（鉄−ニッケル合金）を用いた場合に優れた性能を有するものと考えられる。
【０１０２】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明は、固体酸化物形燃料電池用燃料極、固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池の作動方法に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【０１０４】
１  固体酸化物形燃料電池、２  電解質、３  酸素極、４  燃料極、５  参照電極。
【図１】
0005555474.tif 000002
【図２】
0005555474.tif 000003
【図３】
0005555474.tif 000004
【図４】
0005555474.tif 000005
【図５】
0005555474.tif 000006
【図６】
0005555474.tif 000007
【図７】
0005555474.tif 000008
【図８】
0005555474.tif 000009
【図９】
0005555474.tif 000010
【図１０】
0005555474.tif 000011
【図１１】
0005555474.tif 000012
【図１２】
0005555474.tif 000013
【図１３】
0005555474.tif 000014
【図１４】
0005555474.tif 000015
【図１５】
0005555474.tif 000016
【図１６】
0005555474.tif 000017
【図１７】
0005555474.tif 000018
【図１８】
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