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公開番号2025180353
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-12-11
出願番号2024087632
出願日2024-05-30
発明の名称電極材料、及び、電気化学セル
出願人株式会社豊田中央研究所,株式会社デンソー
代理人個人,個人
主分類C25B 11/047 20210101AFI20251204BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】電極性能の経時劣化を抑制できる電極材料を提供する。
【解決手段】本発明に係る電極材料は、次の式(1)で表される組成を有する。
Ce_1―x―yZr_xM_yO_2-α …(1)
但し、0<x<0.1、0.05<y<0.2、αは電気的中性の保たれる値、
MはGd、La、Nd、Y、及び、Smからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素。
CeO₂に、ZrとMとをコドープすることで、酸化物イオンの導電率維持とOSCの向上を両立することができる。
この結果、酸化物イオンの導電率を確保しつつ、電極性能の経時劣化を抑制することができる。
【選択図】図4

特許請求の範囲【請求項１】
次の式（１）で表される組成を有する電極材料。
Ｃｅ
１―ｘ―ｙ
Ｚｒ
ｘ
Ｍ
ｙ
Ｏ
２－α
…（１）
但し、
０＜ｘ＜０．１０
０．０５＜ｙ＜０．２０
αは電気的中性の保たれる値
ＭはＧｄ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙ、及び、Ｓｍからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素。
続きを表示（約 940 文字）【請求項２】
７００℃における比酸素貯蔵能（ＯＳＣ／ＳＳＡ）が１．５ｍｇ／ｍ
２
超である請求項１に記載の電極材料。
但し、前記「比酸素貯蔵能（ＯＳＣ／ＳＳＡ）」とは、前記電極材料１ｇ当たりの酸素貯蔵能（ＯＳＣ）（ｍｇ／ｇ）を前記電極材料の比表面積（ＳＳＡ）（ｍ
２
／ｇ）で除した値をいう。
【請求項３】
導電率が１．０×１０
－３
Ｓ／ｃｍ超である請求項１に記載の電極材料。
但し、前記「導電率」とは、７００℃、大気中において交流インピーダンス測定を行うことにより得られたバルク抵抗から算出された値をいう。
【請求項４】
０．０１≦ｘ≦０．０５
０．０５＜ｙ≦０．１５
を満たす請求項１に記載の電極材料。
【請求項５】
固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）の燃料極、又は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料極の固体酸化物電解質として用いられる請求項１に記載の電極材料。
【請求項６】
固体酸化物電解質からなる電解質層と、
前記電解質層の一方面側に形成される空気極と、
前記電解質層の他方面側に形成される燃料極と
を備え、
前記燃料極は、
請求項１に記載の電極材料からなる電解質粒子と、
Ｎｉ系粒子と
を含む
電気化学セル。
【請求項７】
前記燃料極の前記Ｎｉ系粒子の含有量は、２０ｍａｓｓ％以上７０ｍａｓｓ％以下である請求項６に記載の電気化学セル。
但し、前記「Ｎｉ系粒子の含有量」とは、前記電解質粒子と前記Ｎｉ系粒子の総質量に対する、前記Ｎｉ系粒子の質量の割合をいう。
【請求項８】
前記燃料極の空隙率が２５％超４０％未満である請求項６に記載の電気化学セル。
但し、前記「空隙率」とは、前記燃料極の理論比重に対する、前記理論比重と前記燃料極の実測比重の差の割合をいう。
【請求項９】
固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）、又は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）として用いられる請求項６に記載の電気化学セル。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極材料、及び、電気化学セルに関し、さらに詳しくは、電極性能の経時劣化を抑制できる電極材料、及び、この電極材料を燃料極に含む電気化学セルに関する。
続きを表示（約 1,800 文字）【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質として酸化物イオン伝導体を用いた燃料電池である。ＳＯＦＣのアノード（燃料極）にＨ
２
、ＣＯ、ＣＨ
４
等の燃料ガスを供給し、カソード（酸素極）にＯ
２
を供給すると、電極反応が進行し、電力を取り出すことができる。電極反応により生成したＣＯ
２
やＨ
２
Ｏは、ＳＯＦＣ外に排出される。
一方、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）は、ＳＯＦＣと構成は同じであるが、ＳＯＦＣとは逆の反応を起こさせるものである。すなわち、ＳＯＥＣのカソード（燃料極）にＣＯ
２
やＨ
２
Ｏを供給し、電極間に電流を流すことで、ＣＯやＨ
２
を生成させることができる。
【０００３】
ＳＯＥＣは、固体電解質層の一方面側にカソード（燃料極）が形成され、他方面側にアノード（空気極）が形成された単セルを備えている。このようなＳＯＥＣを構成する部材の材料として、一般的には、以下のような材料が用いられている。
【０００４】
（ａ）固体電解質層：イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ランタンストロンチウムガリウムマグネシウム酸化物（ＬＳＧＭ）等。
（ｂ）燃料極：Ｎｉ／ＹＳＺ、Ｎｉ―Ｆｅ／ＹＳＺ等。
（ｃ）空気極：ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）等。
【０００５】
ＳＯＥＣの燃料極は、一般に、Ｎｉ／ＹＳＺサーメットが用いられている。しかし、ＹＳＺは低温における酸化物イオンの導電率が低いため、低温でより酸化物イオンの導電率の高いガドリニウムドープトセリア（ＧＤＣ）等のＣｅＯ
２
系の材料が近年、注目されている。
【０００６】
例えば、特許文献１において、固体電解質として、
ＺｒＯ
２
、Ｙ、Ｓｃ、Ｓｍ，Ｇｄ、および、Ｌａからなる群より選択される少なくとも１種の元素がドープされたＺｒＯ
２
、ＣｅＯ
２
、または、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｃａ、および、Ｈｏからなる群より選択される少なくとも１種の元素がドープされたＣｅＯ
２
を用いる構成が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２において、空気極側の反応防止層として、
希土類元素をドープし、希土類元素を酸化物としたときのドープ量が１０ｍｏｌ％超３０ｍｏｌ％未満のＣｅＯ
２
を用いる構成が開示されている。
【０００８】
また、特許文献３において、固体酸化物形燃料電池の燃料極に、Ｃｅアルコキシド、及び、Ｓｍアルコキシドを含む溶液を燃料極に含侵させ、燃料極内にＣｅ
０．９
Ｓｍ
０．１
Ｏ
１．９５
のような電極活性酸化物を析出させることができる構成が開示されている。
【０００９】
また、特許文献４において、マンガンを含むペロブスカイト型酸化物からなる空気極空気極を備えた固体酸化物形燃料電池の構成が開示されている。
同文献には、このような固体酸化物形燃料電池は、出力性能、及び、耐久性に優れている点が記載されている。
【００１０】
しかし、固体電解質としてＣｅＯ
２
系の材料を用いたとしても、ＳＯＥＣ等の動作温度はまだ高く、燃料極に供給される水素製造の原料となる水蒸気の温度は７００℃以上の高温となっているのが現状である。
このような過酷な環境下では、Ｈ
２
Ｏ電解時に生成される水酸化物種により活性種であるＮｉ系粒子等が酸化（水酸化物化）され、Ｎｉ系粒子等が蒸散し、燃料極の電極性能が経時劣化してしまう。このため、何らかの対策が急務となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
（【００１１】以降は省略されています）

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