固体电解质燃料电池制造技术

一种固体电解质燃料电池，其具有在固体电解质层的一个表面上形成的阴极层和在该固体电解质层的另一个表面上形成的阳极层，其中所述阴极层为包括至少两个亚层的多层结构，该多层结构的最外层为多孔层，并且用来集电的网状金属或线状金属嵌入该多孔层中或固定在该多孔层上，该多孔层通过添加造孔剂而制得，在烧制所述阴极层的过程中，所述造孔剂在所述阴极层的烧制温度下气化；所述阴极层的与所述固体电解质层接触设置的最内层为致密层，该致密层是通过在烧制阴极层的过程中焙烧不含造孔剂的材料而得到的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种固体电解质燃料电池，更具体地说，本专利技术涉及这样一种固体电解质燃料电池，其具有在固体电解质层的一个表面上形成的阴极层、以及在该固体电解质层的另一个表面上形成的阳极层。
技术介绍
专利文献1提出了一种简单的燃料电池，其可以被设置在燃烧火焰中或燃烧火焰附近以产生电能。这种燃料电池在图8中示出。图8所示的燃料电池100是一种固体电解质燃料电池(下文称为“固体电解质燃料电池100”)，其具有形成在固体电解质层102的一个表面上的具有致密结构的阴极层104、以及形成在该固体电解质层102的另一个表面上的阳极层110。阴极层104和阳极层110各自为多孔层的形式，其中，网状金属106和112分别被嵌入阴极层104中和阳极层110中、或者分别被固定在阴极层104上和阳极层110上。引线108和114分别从网状金属106和112延伸出来。[专利文献1]JP-A-2005-63686图8所示的固体电解质燃料电池100可以被设置成这样的方式，使得阳极层110那侧的表面处于燃烧火焰中或燃烧火焰附近以产生电能，产生的电能可以通过引线108和114导出。然而，当图8所示的固体电解质燃料电池100的阳极层110那侧的表面被反复暴露于火焰中时，会出现这样的现象：引线108、114导出的电功率逐渐减小，这表明该固体电解质燃料电池缺乏耐久性。而且，引线108、114导出的电功率也不够充足。由此，需要提高图8所示的固体电解质燃料电池100的耐久性和电功率。本专利技术人认为图8所示的固体电解质燃料电池100的耐久性不-->足的原因是：由于多孔层形式的阴极层104与致密的固体电解质层102具有不同的热膨胀系数，使得它们在二者的界面上彼此剥离。为了使阴极层和固体电解质层之间的热膨胀系数的差异最小化，本专利技术人试图用电极材料和电解质材料的混合物来形成阴极层。为了用电极材料和电解质材料的混合物来形成阴极层，电极材料和电解质材料的混合比通常预定为70∶30到80∶20。由此，本专利技术人制备了一种固体电解质燃料电池，其具有设置在致密的固体电解质层的一个表面上的阴极层，该阴极层由混合比为50∶50的电极材料和电解质材料制成、并且有网状金属嵌入其中。与图8所示的固体电解质燃料电池100相比，如此制备的固体电解质燃料电池显示出耐久性得到提高，但是电功率输出提高得很少或者没有提高。造成这种现象的原因可能是：由混合比为50∶50的电极材料和电解质材料制成的阴极层具有致密的结构，使得氧离子向致密的固体电解质层转移的移动阻力减小，但是也使得气体(例如氧气)、电极材料和电解质材料彼此相接触的三相界面的面积减小。如此制备的固体电解质燃料电池还明显地表现出：网状金属的附着性降低，这是因为嵌在阴极层中的网状金属的热性质与电极材料的热性质不相同。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种固体电解质燃料电池，当以阳极层侧的表面处于燃烧火焰中或者位于燃烧火焰附近以产生电能这样的方式进行设置时，与阴极层为致密结构形式的固体电解质燃料电池相比而言，本专利技术的固体电解质燃料电池可以提供较高的电功率，并且可显示出更好的耐久性。为解决上述问题，本专利技术人进行了广泛的研究。结果发现：通过使阴极层包含两个亚层，其中该阴极层的最外层为多孔层的形式(用来集电的网状金属嵌在其中)，该阴极层的最内层(其与具有致密结构的固体电解质层相接触)为致密层的形式，由此可以提高固体电解质燃料电池的供电功率和耐久性。由此得到本专利技术。-->根据本专利技术，提供了一种固体电解质燃料电池，其包含：固体电解质层，在该固体电解质层的一个表面上形成的阴极层，和在该固体电解质层的另一个表面上形成的阳极层，其中，该阴极层为包含至少两个亚层的多层结构，该多层结构的最外层是多孔层，用来集电的网状金属或者线状金属嵌在该多孔层中或者固定在该多孔层上，该多孔层是通过添加造孔剂而得到的，其中，在烧制阴极层的过程中，该造孔剂在阴极层的烧制温度下气化，以及该多层结构的最内层为致密层，该致密层与固体电解质层接触设置，其中，该致密层是通过在烧制阴极层的过程中对不含造孔物质的材料进行焙烧而得到的。在本专利技术中，通过添加50-70体积％的造孔剂，就可以提高固体电解质燃料电池的最大电功率。进一步而言，通过用电极材料和构成固体电解质层的电解质这二者的混合物制成阴极层的各个亚层，就可以使阴极层和固体电解质层之间的热膨胀系数差异最小化。尤其是，通过使在阴极层的各个亚层中，离固体电解质层越近的亚层所含的固体电解质的量越高，这样就可以进一步提高固体电解质燃料电池的耐热性。而且，当在开放大气中将该固体电解质燃料电池的一个表面暴露在火焰中以产生电能时，其阳极层侧的表面暴露于火焰中，而其阴极层那侧的表面则暴露在大气中，从而可以产生电能。此外，当造孔剂的添加量为小于或等于10体积％时，可得到同样的效果。进一步而言，优选使用直径等于或小于5微米的碳基造孔剂(例如，石墨等)。当以阳极层侧的表面处于燃烧火焰中或位于燃烧火焰附近以产生电能这样的方式进行设置时，与阴极层为致密结构形式的固体电解质燃料电池相比而言，本专利技术的固体电解质燃料电池可以提供较高的电功率，并且可显示出更好的耐久性。本专利技术的固体电解质燃料电池-->具有这些优点的原因如下。在本专利技术的固体电解质燃料电池中，多层结构形式的阴极层中的最外层为多孔层，用来集电的网状金属或线状金属嵌在该多孔层中或者固定在该多孔层上。当通过烧制而形成这种排布方式的阴极层时，可以使构成阴极层的电极材料的热性质和网状金属或线状金属的热性质之间的差异减小，使得可以提高网状金属或线状金属和电极材料之间的附着性。本专利技术的固体电解质燃料电池可以使气体(例如氧气)、电极材料和电解质材料彼此相接触的三相界面的面积增大。进一步而言，在本专利技术的固体电解质燃料电池中，所述阴极层中的与固体电解质层接触设置的最内层为致密层，该致密层是通过不加入在烧制阴极层的过程中在阴极层的烧制温度下气化的造孔剂而得到的。在这种结构中，在阴极层的致密层与固体电解质层的界面上，氧离子可以容易地移动到固体电解质层中。由此，网状金属或线状金属和电极材料之间的附着性提高、气体(例如氧气)、电极材料和电解质材料彼此相接触的三相界面的面积增大、以及在阴极层的致密层与固体电解质层的界面上促进氧离子向固体电解质层移动这些因素结合在一起，使得本专利技术的固体电解质燃料电池可以比相关技术的固体电解质燃料电池具有更高的电功率输出和更好的耐久性。附图说明图1A为本专利技术的固体电解质燃料电池的实例的示意图；图1B为图1A的剖视图；图2为示出在阴极层20中的多孔层14的制备过程中向多孔层膏体中加入的造孔剂的量、与由此获得的固体电解质燃料电池的最大输出功率之间的关系的图；图3A为图1所示的固体电解质燃料电池的多孔层14的表面的显微照片，图3B是其电子显微照片；图4A为阴极层20仅由致密层12构成的固体电解质燃料电池的-->示意图，图4B是图4A的剖视图；图5A为图4所示的固体电解质燃料电池的致密层12的表面的显微照片，图5B是其电子显微照片；图6为示出固体电解质燃料电池的发电性能检测结果的图；图7A和7B为示出受热冲击的固体电解质燃料电池的发电性能检测结果的图；图8为相关技术的固体电解质燃料电池的剖视图。具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体电解质燃料电池，包含：固体电解质层，在该固体电解质层的一个表面上形成的阴极层，以及在该固体电解质层的一个表面上形成的阳极层，其中该阴极层为包括至少两个亚层的多层结构，所述多层结构的最外层为多孔 层，并且用来集电的网状金属或线状金属嵌入该多孔层中或固定在该多孔层上，其中，该多孔层通过添加造孔剂制得，在烧制所述阴极层的过程中，该造孔剂在所述阴极层的烧制温度下气化，并且所述多层结构的最内层为与该固体电解质层接触设置的致密层，该致 密层是通过在烧制所述阴极层的过程中焙烧不含造孔剂的材料而得到的。

【技术特征摘要】
JP 2005-11-25 2005-3403431.一种固体电解质燃料电池，包含：固体电解质层，在该固体电解质层的一个表面上形成的阴极层，以及在该固体电解质层的另一个表面上形成的阳极层，其中该阴极层为包括至少两个亚层的多层结构，所述多层结构的最外层为多孔层，并且用来集电的网状金属或线状金属嵌入该多孔层中或固定在该多孔层上，其中，该多孔层通过添加造孔剂制得，在烧制所述阴极层的过程中，该造孔剂在所述阴极层的烧制温度下气化，并且所述多层结构的最内层为与该固体电解质层接触设置的致密层，该致密层是通过在烧制所述阴极层的过...

【专利技术属性】
技术研发人员：片桐史雅，菅沼茂明，德武安卫，吉池润，
申请(专利权)人：新光电气工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]