电解质层-阳极复合部件以及电池结构体制造技术

本发明专利技术提供了包含具有钙钛矿型晶体结构的第一金属氧化物的阳极、以及包含具有钙钛矿型晶体结构的第二金属氧化物的固体电解质层。阳极包含镍和/或镍化合物。阳极呈片状形状，并且固体电解质层呈片状形状。固体电解质层层叠在阳极上。阳极的厚度Ta为850μm以上。阳极的厚度Ta和固体电解质层的厚度Te可以满足0.003≤Te/Ta≤0.036的关系。阳极的厚度Ta和阳极的直径Da可以满足55≤Ta/Da≤300的关系。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电解质层-阳极复合部件以及电池结构体
本公开涉及电解质层-阳极复合部件以及电池结构体。本申请要求于2018年3月6日提交的日本专利申请No.2018-039522的优先权。该日本专利申请中描述的全部内容通过引用并入本文。
技术介绍
燃料电池是通过诸如氢之类的燃料和空气(氧)之间的电化学反应产生电力的装置。燃料电池可以将化学能直接转化成电能，从而具有高发电效率。其中，工作温度为700℃以上、特别是为约800℃至1000℃的固体氧化物燃料电池(以下称为“SOFC”)的反应速度快，并且其电池结构体的构成要素全部为固体，因此该电池易于处理。该电池结构体包括阴极、阳极和介于阴极和阳极之间的固体电解质层。例如，通过使阳极的前体成形，然后将固体电解质涂布到阳极前体的表面，并进行共烧结，来获得由固体电解质层和阳极制成的复合部件。在由此获得的复合部件中，固体电解质层和阳极通过烧结而一体化。由于在共烧结步骤中固体电解质层的前体和阳极的前体之间存在膨胀系数的差异，因此电解质层-阳极复合部件可能具有翘曲。电解质层-阳极复合部件的翘曲导致发电性能下降。当翘曲太大时，电解质层-阳极复合部件可能断裂。因此，日本专利特开No.2013-206702(专利文献1)教导了控制固体电解质的热膨胀系数。引用列表专利文献专利文献1：日本专利特开No.2013-206702
技术实现思路
本公开的一个方面涉及一种电解质层-阳极复合部件，其包括：包含具有钙钛矿型晶体结构的第一金属氧化物的阳极；以及包含具有钙钛矿型晶体结构的第二金属氧化物的固体电解质层，阳极包含镍和镍化合物中的至少一者，阳极呈片状形状，固体电解质层呈片状形状，固体电解质层层叠在阳极上，阳极的厚度Ta为850μm以上。本公开的另一方面涉及一种电池结构体，其包括：上述电解质层-阳极复合部件；以及阴极，阴极呈片状形状，阴极层叠在电解质层-阳极复合部件的固体电解质层上。附图说明图1为示意性地示出了根据本公开的一个实施方案的电解质层-阳极复合部件的截面图。图2为示出了阳极的厚度和复合部件的翘曲之间的关系的模拟结果的图。图3为示出了阳极的厚度和复合部件的残余应力之间的关系的模拟结果的图。图4为示意性地示出了根据本公开的一个实施方案的阳极的平面图。具体实施方式[本公开要解决的问题]通过比专利文献1中更简单的技术抑制了电解质层-阳极复合部件的翘曲。此外，抑制了固体电解质层和阳极之间的界面处的残余应力。[本公开的有利效果]根据本公开，抑制了电解质层-阳极复合部件的翘曲和残余应力。因此，使用该电解质层-阳极复合部件的燃料电池具有更高的发电性能。[本公开的实施方案的描述]首先，将列举本公开的实施方案的内容。(1)根据本公开的一个实施方案的电解质层-阳极复合部件包括：含有具有钙钛矿型晶体结构的第一金属氧化物的阳极，以及含有具有钙钛矿型晶体结构的第二金属氧化物的固体电解质层，阳极包含镍和镍化合物中的至少一者，阳极呈片状形状，固体电解质层呈片状形状，固体电解质层层叠在阳极上，阳极的厚度Ta为850μm以上。因此，降低了电解质层-阳极复合部件的翘曲和残余应力。(2)第一金属氧化物可为由下式(1)表示的化合物：A1mB1nC11-nO3-δ式(1)，其中元素A1为选自由Ba、Ca和Sr组成的组中的至少一种，元素B1为选自由Ce和Zr组成的组中的至少一种，元素C1为选自由Y、Yb、Er、Ho、Tm、Gd、In和Sc组成的组中的至少一种，0.85≤m≤1，0.5≤n＜1，并且δ表示氧空位浓度。(3)第二金属氧化物可为由下式(2)表示的化合物：A2xB2yC21-yO3-δ式(2)，其中元素A2为选自由Ba、Ca和Sr组成的组中的至少一种，元素B2为选自由Ce和Zr组成的组中的至少一种，元素C2为选自由Y、Yb、Er、Ho、Tm、Gd、In和Sc组成的组中的至少一种，0.85≤x≤1，0.5≤y＜1，并且δ表示氧空位浓度。(4)阳极的厚度Ta和固体电解质层的厚度Te可以满足0.003≤Te/Ta≤0.036的关系。(5)固体电解质层的厚度Te可为5μm以上30μm以下。(6)阳极呈圆形的片状形状，并且阳极的厚度Ta和阳极的直径Da可以满足55≤Ta/Da≤300的关系。(7)阳极的直径Da可为5cm以上15cm以下。在上述情况下，进一步降低了电解质层-阳极复合部件的翘曲和残余应力。(8)阳极的厚度Ta可为1500μm以下。因此，提高了阳极的气体扩散率。(9)根据本公开的一个实施方案的电池结构体包括上述电解质层-阳极复合部件以及阴极，阴极呈片状形状，阴极层叠在电解质层-阳极复合部件的固体电解质层上。包括这种电池结构体的燃料电池具有优异的发电性能。[本专利技术的实施方案的细节]下面将参考附图适当地描述本专利技术的实施方案的具体实例。应当注意，本专利技术并不限于这些实例；相反，本专利技术由所附权利要求限定，并且旨在包括在与权利要求的条款等同的含义和范围内的任何修改。在本说明书中，“X至Y”形式的表述是指范围的上限和下限(即，X以上Y以下)，并且当X后没有任何单位且仅Y后有单位时，X的单位与Y的单位相同。根据本实施方案的电解质层-阳极复合部件(以下可简称为“复合部件”)包括阳极和固体电解质层，并且(例如)装入燃料电池中使用。阳极包含具有钙钛矿型晶体结构的第一金属氧化物。固体电解质层包含具有钙钛矿型晶体结构的第二金属氧化物。将固体电解质层和阳极共烧结并一体化。在本实施方案的一个方面中，阳极可呈片状形状，固体电解质层可呈片状形状，并且固体电解质层可以层叠在阳极上。除了具有钙钛矿型晶体结构的金属氧化物之外，进行共烧结的阳极的前体还包含(例如)氧化镍(NiO)，氧化镍是作为催化剂的镍的前体。NiO的线膨胀系数高于具有钙钛矿型晶体结构的金属氧化物(例如，上述第一金属氧化物和第二金属氧化物)的线膨胀系数。因此，包含NiO的阳极的前体的热膨胀系数高于固体电解质层的热膨胀系数。由于在共烧结步骤中阳极的前体和固体电解质层的前体之间的热膨胀系数的差异，因此在获得的复合部件中，在阳极和固体电解质层之间的界面处出现残余应力，并且在阳极侧成为内侧的方向上出现翘曲。在本实施方案中，通过极其简单的控制阳极厚度的技术来抑制复合部件的残余应力和翘曲。即，将阳极的厚度Ta设定为850μm以上。这抑制了共烧结步骤中阳极的前体在厚度方向上的变形，从而减少了复合部件的残余应力和翘曲。在本文中，阳极的“厚度”是指呈片状形状的阳极的一个主表面和另一主表面之间的最小距离。这同样适用于后述的固体电解质层的厚度和阴极的厚度。通常，阳极的厚度为约600μm至700μm，因为阳极过厚会导致气体扩散性降低且成本增加。然而，这种较薄的阳极在共烧结步骤中更易于在厚度方向上变形。因此，复合部件的残余应力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电解质层-阳极复合部件，其包括：/n包含具有钙钛矿型晶体结构的第一金属氧化物的阳极；以及/n包含具有钙钛矿型晶体结构的第二金属氧化物的固体电解质层，/n所述阳极包含镍和镍化合物中的至少一者，/n所述阳极呈片状形状，/n所述固体电解质层呈片状形状，/n所述固体电解质层层叠在所述阳极上，/n所述阳极的厚度Ta为850μm以上。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180306 JP 2018-0395221.一种电解质层-阳极复合部件，其包括：
包含具有钙钛矿型晶体结构的第一金属氧化物的阳极；以及
包含具有钙钛矿型晶体结构的第二金属氧化物的固体电解质层，
所述阳极包含镍和镍化合物中的至少一者，
所述阳极呈片状形状，
所述固体电解质层呈片状形状，
所述固体电解质层层叠在所述阳极上，
所述阳极的厚度Ta为850μm以上。


2.根据权利要求1所述的电解质层-阳极复合部件，其中所述第一金属氧化物由下式(1)表示：
A1mB1nC11-nO3-δ式(1)，
其中元素A1为选自由Ba、Ca和Sr组成的组中的至少一种，元素B1为选自由Ce和Zr组成的组中的至少一种，元素C1为选自由Y、Yb、Er、Ho、Tm、Gd、In和Sc组成的组中的至少一种，0.85≤m≤1，0.5≤n＜1，并且δ表示氧空位浓度。


3.根据权利要求1或2所述的电解质层-阳极复合部件，其中所述第二金属氧化物由下式(2)表示：
A2xB2yC21-yO3-δ式(2)，
其中元素A2为选自由Ba、Ca和Sr组成的组中的至少一种，元素B2为选自由Ce和Zr组成的组中的至少一种，元素C2...

【专利技术属性】
技术研发人员：平岩千寻，水原奈保，小川光靖，俵山博匡，东野孝浩，真岛正利，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP