燃料电池的生产方法和燃料电池技术

首先，形成具有对氢和氧中之一的离子的传导性的固态电解质层（２０）。此后，在电解质层的表面上形成由电极材料制成的致密层（２２ａ），所述电极材料具有电子传导性、用以促进电化学反应的催化剂活性以及容许渗透氢和氧中的另一种的离子和／或原子的特性。然后，构造包括电解质层和致密层的燃料电池结构。此后，通过将燃料和氧供应至燃料电池结构中以使得电化学反应进行，使得在致密层中由于在电解质层和致密层之间产生的生成水导致在薄膜厚度方向上形成延伸穿过致密层的许多微孔。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池的生产方法和燃料电池
本专利技术涉及一种燃料电池的生产方法和一种燃料电池。
技术介绍
为了在燃料电池中使得电化学反应进行，充分保证用于电化学反应的位置是重要的，它具体为电极(催化剂)、电解质层和供应包含电极活性材料的反应气体并将反应气体有效地供应至三相界面的空间之间的三相界面。为了保证三相界面和将反应气体有效地供应至三相界面，电极已由具有透气性的多孔材料形成。此外，为了在燃料电池中使得电化学反应进行，保证电极的集电性也是重要的。亦即，在三相界面的电极和电极活性材料之间引起有效的电子交换是重要的，以便减小燃料电池的内阻。使整个电极为导电连续的可有效保证电极的集电性。例如，日本专利申请公开公报2002-324555号披露了一种构造，其中，通过由电极材料形成致密薄膜并通过致密薄膜的热处理在厚度方向上形成延伸穿过致密薄膜的无数微孔以制造网状的薄膜电极。然而，电极的生产方法需要加热工艺，而且还需要将得到的网状薄膜电极结合到电解质层上，这就造成生产工艺复杂。因此，需要一种更容易、更方便的电极生产方法。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是以容易和方便的方式生产具有充分的孔隙率与充分的集电性的电极。本专利技术的第一方面中，燃料电池的生产方法具有以下步骤：(a)形成具有对氢和氧中之一的离子的传导性的固态电解质层；(b)在电解质层的表面上形成由电极材料制成的致密层，所述电极材料具有电子传导性、用以促进电化学反应的催化剂活性并具有容许渗透氢和氧的另一种的离子和/或原子的特性；(c)构造包括电解质层和致密层的燃料电池结构；以-->及(d)通过将燃料和氧供应至燃料电池结构中以引起电化学反应，使得在致密层中由于电解质层和致密层之间产生的生成水导致在薄膜厚度方向上形成延伸穿过致密层的许多微孔。按照如上构造的本专利技术的燃料电池的生产方法，在电解质层上形成致密层，并且初始电化学反应在包括电解质层和致密层的燃料电池结构中进行，由此能够完成具有多孔电极的燃料电池。因此，能够十分容易和方便地生产设有多孔电极的燃料电池。由于通过在致密层中形成许多微孔来形成电极，因而能够在所形成的整个电极中充分保证导电连续性并增强电极的集电性。第一方面中，步骤(b)中形成的致密层可由固体氧化物制成，并可具有10nm～200nm的薄膜厚度。如果如前所述的致密层的薄膜厚度为10nm或更大，则能够保证由固体氧化物制成的致密层的密度，并增强由致密层形成的电极的集电性。而且，如果如前所述的致密层的膜厚为200nm或更小时，则能够提高在步骤(d)中由电解质和致密层之间产生的水引起的致密层中的微孔形成的效率，从而得到具有足够多微孔的电极。在第一方面及其相关方面中，步骤(b)可通过其中电极材料在原子水平上紧密粘结到电解质层的膜形成方法形成致密层。该构造将提高电解质层和电极之间的接触部分，从而能够形成更多的在其中发生电化学反应的三相界面。在原子水平上将电极材料紧密粘结到电解质层的膜形成方法例如可选自PVD(物理气相沉积)、CVD(化学气相沉积)、电镀(plating)、火焰喷涂和溶胶-凝胶法。在与第一方面相关的一个方面中，步骤(a)中形成的电解质层可以是具有平坦表面的固体氧化物。在电解质层由具有平坦表面的固体氧化物形成的情况下，当多孔电极在电解质层上形成时，通常难以保证在电解质层和电极之间的许多部分相接触。因此，通过将电极材料在原子水平上紧密粘结到电解质层的膜形成方法来形成致密层，能够更显著地得到增加电解质层和电极之间的接触部分(三相界面)的效果。-->在与第一方面相关的一个方面中，步骤(a)可以是以薄膜形式在氢渗透性金属层上形成质子导电固体氧化物的步骤。而且，致密层可具有氧离子(oxide ion)传导性和/或氧原子渗透性。该情况下，由于电解质层是以薄膜形式在具有氢渗透性的金属层上形成的，因此能够减小电解质层的厚度。从而能够通过容易和方便的生成工艺得到燃料电池，该燃料电池是一种操作温度较低的固体电解质燃料电池并设有具有优良孔隙率和优良集电性的阴极。在本专利技术的第二方面中，用于电极质-电极对的生产方法具有以下步骤：(a)形成具有对氢和氧中之一一的离子的传导性的固态电解质层；(b)在电解质层的表面上形成由电极材料制成的致密层，所述电极材料具有电子传导性、促进电化学反应的催化剂活性并具有容许渗透氢和氧的另一种的离子和/或原子的特性；(c)构造包括电解质层和致密层的燃料电池结构；以及(d)通过将燃料和氧供应至燃料电池结构中使得电化学反应进行，以从致密层形成多孔电极，使得在致密层中由于在电解质层和致密层之间产生的与电化学反应相关联的生成水导致在薄膜厚度方向上形成延伸穿过致密层的许多微孔。按照如上构造的本专利技术的用于电解质-电极对的生产方法，在电解质层上形成致密层，并且在包括电解质层和致密层的结构中进行初始电化学反应，由此能够完成具有多孔电极的电解质-电极对。因此，能够十分容易和方便地生产多孔的用于燃料电池的电极。由于通过在致密层中形成许多微孔来形成电极，因而能够在所形成的整个电极中充分保证导电连续性并增强电极的集电性。在本专利技术的第三方面中，燃料电池具有：对氢和氧中之一的离子具有传导性的固态电解质层；由固体氧化物制成的致密层，所述固体氧化物具有电子传导性、促进电化学反应的催化剂活性并具有容许渗透氢和氧的另一种的离子和/或原子的特性，所述致密层在所述电解质层的表面上形成。根据如上构造的本专利技术的燃料电池，如果通过将预定的反应气体供应至燃料电池以引起电化学反应的发生，使得产生氧和氢的另一种的离子和/或原子的气体被供应至致密层上，在电解质层和致密层之间产生与电化学反应相关联的水。因此，由于生成水W而导致在薄膜厚度方向上形成许多延伸穿过致密层的微孔，因而致密层能变为多孔层。因此，如果在本发-->明的燃料电池中进行初始电能的产生，则本专利技术的燃料电池变成能够用作具有多孔电极的燃料电池。在本专利技术的第三方面中，致密层可具有10nm～200nm的薄膜厚度。在所述第三方面及其相关方面中，电解质层可具有质子传导性，并且电解质层的另一侧表面可接触氢渗透性金属层。致密层可具有氧离子传导性和/或氧原子渗透性。本专利技术也能以不同于上述说明的各种形式实现。例如，能够以通过本专利技术的燃料电池的生产方法或类似方法生产的燃料电池的方式实现本专利技术。附图说明图1为示出作为本专利技术实施方式的燃料电池的结构的示意性剖视图；图2为示出作为本专利技术实施方式的燃料电池的生产方法的说明性示图；图3为示出初始电能产生期间燃料电池的内观的说明性示图；图4为示出初始电能产生之后燃料电池的内观的说明性示图；图5A和5B为第一实施方式中燃料电池中阴极22的外观的TEM观测照片；图6A和6B为第二实施方式中燃料电池中阴极22的外观的TEM观测照片；图7为第一对比例的燃料电池中电极和电解质层的外观的TEM观测照片；图8为其中比较在阴极22的薄膜厚度上互不相同的燃料电池的V-I特性的说明性示图。具体实施方式下一步将基于按照以下顺序的示例说明本专利技术的优选实施方式：-->A.燃料电池的结构：B.生产方法：C.变型：A.燃料电池的构造：图1为示出作为本专利技术实施方式的燃料电池的结构的示意性剖视图。图1示出单电池10的结构。许多这种单电池10堆叠起来以形成堆叠本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过电化学反应得到电动势的燃料电池的生产方法，包括步骤：（ａ）形成具有对氢和氧中之一的离子的传导性的固态电解质层；（ｂ）在电解质层的表面上形成由电极材料制成的致密层，所述电极材料具有电子传导性、促进电化学反应的催化剂活性 并具有容许渗透氢和氧的另一种离子和／或原子的特性；（ｃ）构造包括电解质层和致密层的燃料电池结构；以及　（ｄ）通过将燃料和氧供应至燃料电池结构中使得电化学反应进行，使得在致密层中由于在电解质层和致密层之间产生的生成水导致在薄膜 厚度方向上形成延伸穿过致密层的许多微孔。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2004-9-8 260921/20041.一种通过电化学反应得到电动势的燃料电池的生产方法，包括步骤：(a)形成具有对氢和氧中之一的离子的传导性的固态电解质层；(b)在电解质层的表面上形成由电极材料制成的致密层，所述电极材料具有电子传导性、促进电化学反应的催化剂活性并具有容许渗透氢和氧的另一种离子和/或原子的特性；(c)构造包括电解质层和致密层的燃料电池结构；以及(d)通过将燃料和氧供应至燃料电池结构中使得电化学反应进行，使得在致密层中由于在电解质层和致密层之间产生的生成水导致在薄膜厚度方向上形成延伸穿过致密层的许多微孔。2.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，步骤(b)中形成的所述致密层由固体氧化物制成并具有10nm～200nm的薄膜厚度。3.如权利要求1或2所述的生产方法，其特征在于，步骤(b)通过将所述电极材料在原子水平上紧密粘结到所述电解质层上的薄膜形成方法形成所述致密层。4.如权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述薄膜形成方法为选自物理气相沉积、化学气相沉积、电镀、火焰喷涂和溶胶-凝胶法的至少一种。5.如权利要求3或4所述的生产方法，其特征在于，在步骤(a)中形成的所述电解质层为具有平坦表面的固体氧化物。6.如权利要求5所述的生产方法，其特征在于：步骤(a)为以薄膜形式在氢渗透性金属层上形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：饭岛昌彦，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]