膜电极组件及其制造方法、燃料电池及其制造方法技术

提供了一种膜电极组件(5)，其设有固态电解质层(2)、设置在固态电解质层(2)的一侧的阳极层(3)以及设置在固态电解质层(2)的另一侧的阴极层(4)，其中阳极层(3)按压在该固态电解质层(2)上并堆叠在固态电解质层(2)上，并且阳极层(3)包括多孔导电阳极构件(8)。还提供了一种用于制造该膜电极组件(5)的方法。

Membrane electrode assembly, method of manufacturing the same, fuel cell and method of manufacturing the same

A membrane electrode assembly is provided (5), which is provided with a solid electrolyte layer (2), set in a solid electrolyte layer (2) side of the anode layer (3) disposed in a solid electrolyte layer (2) on the other side of the cathode layer (4), wherein the anode layer (3) in the press the solid electrolyte layer (2) and stacked on the solid electrolyte layer (2), and the anode layer (3) comprises a porous anode conductive member (8). A method for manufacturing the membrane electrode assembly (5) is also provided.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及膜电极组件、用于制造膜电极组件的方法、燃料电池和用于制造燃料电池的方法。具体地，本专利技术涉及能够改进燃料电池的性能并且能够减少零件数量和制造成本的膜电极组件等。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(下文中，称为“SOFC”)包括电解质-电极堆叠体，该电解质-电极堆叠体具有设置在固体电解质层的两侧的阳极层和阴极层。为了减小固体电解质层中的离子传导电阻，认为优选的是将固体电解质层形成为具有尽可能薄的厚度。另一方面，当固体电解质层被形成得很薄时，固体电解质层的强度减小，这可能在制造过程期间或在使用期间引起麻烦。因此，通常采用如下结构(即，阳极支撑结构)：其中堆叠在固体电解质层上的阳极层被设置成厚的，并且固体电解质层一体化地形成在阳极层上以确保与堆叠体一样的强度[日本专利公开第2012-099497(PTD1)号]。上述的电解质-电极堆叠体通常是这样制造的：将电解质粉末薄薄地涂在阳极层粉末压块上并同时烧制该电解质-阳极堆叠体。引用列表专利文献PTD1：日本专利公开第2012-099497号。
技术实现思路
技术问题通过采用上述配置，可以确保电解质-阳极堆叠体的强度，同时将固体电解质层设置为具有较小厚度。然而，由于固体电解质层的烧制温度高，构成阳极层和固体电解质层的部件在烧制期间在该阳极层与该固体电解质层之间的界面处起反应，从而引起诸如离子传导性降低以及电阻增大的问题。另外，当采用了将固体电解质层和阳极层烧制成一体的上述配置时，需要在固体电解质层与阳极层之间匹配烧制行为(诸如，收缩率)。因此，限制了构成固体电解质层和阳极层的材料的组合，并且无法改进燃料电池的性能。此外，利用传统技术，增加了制造上述电解质-电极堆叠体的步骤以及零件数量，从而引起诸如制造成本增加的问题。已想到本专利技术来解决上述问题，并且本专利技术的一个目的是提供能够改进燃料电池的性能并且能够减少制造步骤和零件数量的膜电极组件、以及用于制造该膜电极组件的方法。另外，本专利技术的另一目的是提供包括膜电极组件的燃料电池以及包括用于制造膜电极组件的方法的用于制造燃料电池的方法。针对问题的解决方案根据本专利技术的第一方面的膜电极组件是这样的一种膜电极组件，其包括：固体电解质层；阳极层，设置在固体电解质层的一侧；以及阴极层，设置在固体电解质层的另一侧，该阳极层堆叠在固体电解质层上以按压在该固体电解质层上，该阳极层包括具有导电性的多孔阳极构件。根据本专利技术的第二方面的燃料电池包括上述的根据第一方面的膜电极组件。根据本专利技术的第三方面的用于制造膜电极组件的方法是一种用于制造如下膜电极组件的方法，该膜电极组件包括固体电解质层、设置在固体电解质层的一侧的阳极层以及设置在固体电解质层的另一侧的阴极层，该方法包括如下步骤：形成固体电解质层；在固体电解质层的所述另一侧形成阴极层；准备多孔阳极构件；以及将多孔阳极构件堆叠在固体电解质层的所述一侧以按压在该固体电解质层上。根据本专利技术的第四方面的一种用于制造燃料电池的方法包括上述的根据第三方面的用于制造膜电极组件的方法。专利技术的有益效果根据本专利技术，能够改进燃料电池的性能，并且能够减少制造步骤和零件数量。另外，能够降低制造成本。附图说明图1是示出根据一个实施例的燃料电池单元的示意性配置的截面图。图2是图1中的主要部分的放大截面图。图3是示出根据一个实施例的膜电极组件的堆叠形式的截面图。图4是示出根据示例1的用于制造膜电极组件和燃料电池单元的方法的流程图。图5是示出根据示例2和示例3的用于制造膜电极和燃料电池单元的方法的流程图。图6是示出根据示例4的用于制造膜电极组件和燃料电池单元的方法的流程图。图7是示出根据示例1的使用膜电极组件构成的燃料电池单元的性能的曲线图。图8是示出与根据示例1的使用膜电极组件构成的燃料电池单元的性能相比、根据示例2的使用膜电极组件构成的燃料电池单元的性能的曲线图。图9是示出与根据示例1的使用膜电极组件构成的燃料电池单元的性能相比、根据示例3的使用膜电极组件构成的燃料电池单元的性能的曲线图。图10是示出与根据示例1的使用膜电极组件构成的燃料电池单元的性能和根据示例3的使用膜电极组件构成的燃料电池单元的性能相比、根据示例4的使用膜电极组件构成的燃料电池单元的性能的曲线图。具体实施方式[本专利技术的实施例的描述]根据本专利技术的一个实施例的膜电极组件是这样的一种膜电极组件，其包括：固体电解质层；阳极层，设置在固体电解质层的一侧；以及阴极层，设置在固体电解质层的另一侧，该阳极层堆叠在固体电解质层上以按压在该固体电解质层上，该阳极层包括具有导电性的多孔阳极构件。由于在本实施例中固体电解质层和阳极层没有被烧制为一体，因此在烧制步骤期间等在这些层之间的边界表面处的构成材料之间没有起反应，从而防止了电阻增大和离子传导性降低。另外，由于不必将固体电解质层与阳极层烧制在一起，因此可以减少制造步骤。此外，由于阳极层还可以用作集电器，因此还可以减少零件数量。此外，固体电解质层和阳极层被堆叠成彼此压靠。因此，甚至当热膨胀系数等在这些部件之间差异大时，不存在如在一体化烧制的情况一样可能发生由热膨胀系数等导致的裂缝等的可能性，因而，能够配置高质量燃料电池。此外，也不需要将构成固体电解质层和阳极层的材料的在烧制期间的行为、热膨胀系统等设置为相同的。相应地，对于构成固体电解质层和阳极层的材料的选择范围显著拓宽。因此，固体电解质层和阳极层可以由最佳材料形成，并且还可以改进燃料电池的性能。由于在本实施例中固体电解质层一般在没有保持在阳极层上的情况下形成，因此固体电解质层优选地具有预定强度。相应地，优选的是将固体电解质层设置为具有比在采用阳极支撑结构的情况下的厚度稍大的厚度。另一方面，固体电解质层的厚度的增大可能引起电阻的增大以及离子传导性的降低。然而，随着材料技术在近些年的进步，将固体电解质层设置为具有较大厚度没有导致导电性和离子传导性的显著降低。在本实施例中，固体电解质层优选地被设置为具有0.1mm至1mm的厚度，以便确保固体电解质层的强度。构成固体电解质层的材料不受特别地限制，并且可以采用由各种材料构成的任意固体电解质材料，只要其是通过烧制方法来形成的。例如，可以采用LSGM(镓酸镧)、YSZ(钇稳定化氧化锆)、GDC(钆掺杂氧化铈)等。构成阴极层的材料也不受特别地限制，并且可以采用任意材料，只要在堆叠在固体电解质层上之后可以对其进行烧制。例如，可以采用SSC(Sm0.5Sr0.5CoO3)、LSCF(镧锶钴铁氧体)等。另外，还可以采用如下配置：通过将阴极层设置为具有增大的厚度或强度来增大固体电解质-阴极堆叠体的强度。根据本实施例的阳极层可以被配置为包括各种多孔阳极构件，其具有导电性并且当按压在固体电解质层上时能够用作阳电极以及还用作集电器。例如，可以采用由碳纤维等构成的多孔体或由Ni等构成的金属多孔体。通过采用金属多孔体作为多孔阳极构件，可以确保高抗热性和导电性。另外，作为多孔阳极构件，优选地采用这样的构件，在其固体电解质层侧被压缩变形了预定量的状态下可以按压在固体电解质层上，以使得当多孔阳极构件被堆叠成按压在固体电解质层上时，能够呈现所需的导电性并且较大力未施加在固体电解质层的局部部分上。例如，多孔阳极构件可以由具有高孔隙度的片状多孔体构成。当从两个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种膜电极组件，包括：固体电解质层；阳极层，设置在所述固体电解质层的一侧；以及阴极层，设置在所述固体电解质层的另一侧，所述阳极层堆叠在所述固体电解质层上以按压在所述固体电解质层上，所述阳极层包括具有导电性的多孔阳极构件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.01 JP 2014-1359171.一种膜电极组件，包括：固体电解质层；阳极层，设置在所述固体电解质层的一侧；以及阴极层，设置在所述固体电解质层的另一侧，所述阳极层堆叠在所述固体电解质层上以按压在所述固体电解质层上，所述阳极层包括具有导电性的多孔阳极构件。2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述多孔阳极构件由具有导电性的金属多孔体构成。3.根据权利要求1或2所述的膜电极组件，其中，所述多孔阳极构件在其压缩变形了预定量的状态下，堆叠在所述固体电解质层上以按压在所述固体电解质层上。4.根据权利要求3所述的膜电极组件，其中，所述多孔阳极构件至少在与所述固体电解质层接触的界面附近塑性变形。5.根据权利要求2至4中任一项所述的膜电极组件，其中，在所述多孔阳极构件通过在5N/cm2至50N/cm2的压强下按压在所述固体电解质层上而压缩变形的状态下，所述多孔阳极构件堆叠在所述固体电解质层上。6.根据权利要求1至5中任一项所述的膜电极组件，其中，所述多孔阳极构件由具有导电性的金属多孔体构成，以及所述金属多孔体包括骨架，所述骨架具有外壳和由中空材料或导电材料中的一种或两种制成的核心部分，并且所述金属多孔体包括三维网状结构，在所述三维网状结构中所述骨架一体地延伸。7.根据权利要求1至6中任一项所述的膜电极组件，其中，所述多孔阳极构件由具有导电性的金属多孔体构成，并且所述金属多孔体由选自...

【专利技术属性】
技术研发人员：平岩千寻，真岛正利，俵山博匡，东野孝浩，野田阳平，水原奈保，石原达己，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，国立大学法人九州大学，
类型：发明
国别省市：日本;JP