质子陶瓷燃料电池及其制造方法技术

本发明专利技术涉及电解质材料为BaZr

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】质子陶瓷燃料电池及其制造方法
本专利技术涉及以透氢膜（hydrogenpermeablemembrane）为阳极的质子陶瓷燃料电池及其制造方法。相关申请的相互参照本申请主张于2018年2月27日申请的日本特愿2018-32702号的优先权，其全部记载通过引用特别公开于此。
技术介绍
固体氧化物燃料电池（SOFC）不仅能使用纯氢而且还能使用各种燃料，另外不需要使用昂贵的Pt，因此期望作为运输车辆的动力源或生物质分散电源。然而，当前正在开发的SOFC因为工作温度极高，为700℃以上，所以存在寿命/维护的问题，另外将其引入车辆中非常困难。因而迫切需要开发一种将SOFC的工作温度降低到500℃以下的方法。与现有的SOFC中使用的氧化物离子传导性Y0.1Zr0.9O2相比，质子传导性陶瓷BaZr1-xCe0.9-xY0.2O3（x＝0.1-0.8）在400-600℃的中温区域发挥高的离子传导性（非专利文献1）。因此，期望将它用作电解质材料的质子陶瓷燃料电池（在下文中有时缩写为PCFC）成为取代现有的SOFC的中温工作型燃料电池。然而，其输出仍然很小，甚至最新的论文都将500℃下0.5Wcm-2作为基准（非专利文献2、3）。作为其主要因素，可举出阴极/电解质界面的大的极化电阻（非专利文献3）。图1中，关于最近报告的阳极支撑型PCFC，对于表现出较良好的输出特性的那些，列出了在各工作温度下的峰值输出（非专利文献2、4、5）。PCFC的目标区域为在550℃以下、优选为500℃以下尽可能得到高输出的区域，即图1的带有灰色背景的区域（约350～570℃，约0.3～1.5Wcm-2）。非专利文献1：K.D.Kreuer,Annu.Rev.Mater.Res.33（2003）333.非专利文献2：C.Duan等人,Science,349,1321（2015）.非专利文献3：E.Fabbri等人,Chem.Soc.Rev.,39,4335（2010）.非专利文献4：K.Bae等人,NatureCommun.,8,14553（2017）.非专利文献5：J.Kim等人,ChemSusChem.,7,2811（2010）.非专利文献6：F.Wang等人,Appl.Phys.Lett.,67,1692（1998）.非专利文献7：Y.Aoki等人,J.Phys.Chem.C,120,15876（2016）.非专利文献8：M.Ohishi等人,SolidStateIonics,129,2240（2008）.非专利文献1～8的全部记载通过引用特别公开于此。
技术实现思路
专利技术要解决的课题但是，从图1可以清楚地看到，进入约350～570℃、输出密度约0.3～1.5Wcm-2的区域的PCFC的报告数很少。本专利技术的目的是提供一种具有超过500℃下0.5Wcm-2基准的输出的PCFC。本专利技术的目的在于提供一种提高将BaZrxCe1-x-zYzO3（x＝0.1～0.8，z＝0.1～0.25，x＋z≤1.0）（以下简称为BZCY）用于电解质材料的PCFC的输出的新的方案，从而提供一种具有超过上述基准（500℃下0.5Wcm-2）的输出的PCFC。用于解决课题的方案本专利技术的专利技术人发现，在将以通过溅射等的蒸镀法制作的BZCY薄膜为电解质的透氢膜作为阳极的PCFC中，如果在该薄膜表面例如通过蒸镀形成1～100nm左右的La0.5Sr0.5CoO3（以下，有时缩写为LSC）等的电子传导性氧化物（electronconductiveoxide（以下，有时缩写为ECO））薄膜，则与不具有该薄膜的情况相比，电池的输出可能数倍增加，由此完成了本专利技术。本专利技术如下。[1]一种质子陶瓷燃料电池，其电解质材料为BaZrxCe1-x-zYzO3（x＝0.1～0.8，z＝0.1～0.25，x＋z≤1.0），且以透氢膜为阳极，其中，在由所述材料构成的电解质与阴极之间，具有膜厚在1～100nm的范围的电子传导性氧化物薄膜。[2][1]中记载的燃料电池，其中，电子传导性氧化物为含镧的钙钛矿化合物、镍氧化物、锰氧化物、锌氧化物或铟氧化物。[3][2]中记载的燃料电池，其中，含镧的钙钛矿化合物含有锶和/或钴。[4][2]中记载的燃料电池，其中，含镧的钙钛矿化合物为La0.5Sr0.5CoO3。[5][1]～[4]的任一项中记载的燃料电池，其中，薄膜的膜厚在5～80nm的范围。[6][1]～[5]的任一项中记载的燃料电池，其中，电子传导性氧化物为多晶或非晶颗粒的聚集体或它们的混合物。[7][1]～[6]的任一项中记载的燃料电池，其中，工作温度在400～600℃的范围。[8]一种以透氢膜为阳极的质子陶瓷燃料电池的制造方法，包括：在由BaZrxCe1-x-zYzO3（x＝0.1～0.8，z＝0.1～0.25，x＋z≤1.0）构成的电解质与阴极之间，形成膜厚在1～100nm的范围的薄膜，所述薄膜由电子传导性氧化物构成。[9][8]中记载的制造方法，其中，电子传导性氧化物为含镧的钙钛矿化合物、镍氧化物、锰氧化物、铁氧化物、锌氧化物或铟氧化物。[10][8]或[9]中记载的制造方法，其中，电子传导性氧化物为多晶或非晶颗粒的聚集体或它们的混合物。[11][8]～[10]的任一项中记载的制造方法，其中，电子传导性氧化物的薄膜通过溅射法或溶胶-凝胶法形成。专利技术效果依据本专利技术，能够提供一种新的方案，其中，在将BZCY用于电解质材料且以透氢膜为阳极的PCFC中，能够提高PCFC的输出。此外，依据本专利技术，能够提供一种具有超过上述基准的输出的PCFC。附图说明图1示出最近的PCFC的峰值输出和工作温度的关系。显示较高的输出的非专利文献2、4、5的数据分别以●、■、×示出。此外本专利技术的实施例达成的设置了厚度30nm的ECO薄膜层的PCFC的输出以▲示出。图中所示的温度350～570℃、输出密度300～1500mWcm-2的区域为下一代固体氧化物燃料电池的目标。图2（a）示出在Pd衬底上制作的BZCY/LSC薄膜的截面TEM像；（b）示出在Si衬底上制作的作为ECO的LSC薄膜的XRD图案。图3示出具有作为ECO的LSC薄膜层（30nm）的燃料电池及不具有该薄膜层的燃料电池在550℃及500℃下的发电特性。图4示出设置了10～100nm范围的各种膜厚的LSC薄膜层的燃料电池：H2，Pd|BZCY/LSC|LSCF，空气在500℃下的输出特性。图5示出具有和不具有作为ECO的LSC薄膜层（30nm）的燃料电池在500℃的各电流条件下发电时的阻抗谱。实线示出OCV（0mAcm-2）条件的阻抗谱，另外阻抗谱上的点(dot)附近的数字表示该点的测定频率的指数。图6是从图5所示的各种DC条件下发电时的阻抗谱，标绘出由x截距确定的质子移动电阻和由圆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池，其是电解质材料为BaZr

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180227 JP 2018-0327021.一种燃料电池，其是电解质材料为BaZrxCe1-x-zYzO3（x＝0.1～0.8，z＝0.1～0.25，x＋z≤1.0），且以透氢膜为阳极的质子陶瓷燃料电池，其中，
在由所述材料构成的电解质与阴极之间，具有膜厚在1～100nm范围的电子传导性氧化物薄膜。


2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，电子传导性氧化物为含镧的钙钛矿化合物、镍氧化物、锰氧化物、锌氧化物或铟氧化物。


3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，含镧的钙钛矿化合物含有锶和/或钴。


4.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，含镧的钙钛矿化合物为La0.5Sr0.5CoO3。


5.根据权利要求1至4中的任一项所述的燃料电池，其中，薄膜的膜厚在5～80nm的范围。


6.根据权利要求1至5中的任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：青木芳尚，幅崎浩树，山口智之，
申请(专利权)人：国立大学法人北海道大学，
类型：发明
国别省市：日本;JP