固体氧化物燃料电池用燃料电极和使用其的固体氧化物燃料电池制造技术

本发明专利技术的固体氧化物燃料电池用燃料电极包含金属陶瓷，该金属陶瓷含有具有氧离子导电性的氧化物相和金属相，另外，该燃料电极构成三维网状结构，氧化物相形成网状结构的骨架，并且在邻近金属相处具有孔隙。因此，可以增加燃料电极的三相界面，从而改善ＳＯＦＣ的输出。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】固体氧化物燃料电池用燃料电极和使用其的固体氧化物燃料电池
本专利技术涉及一种固体氧化物燃料电池(SOFC)用燃料电极和使用该燃料电极的SOFC。更具体地说，本专利技术涉及一种SOFC用燃料电极，该燃料电极能增加作为燃料电极反应场的三相界面，提高燃料电极的孔隙率，并改进SOFC发电时的输出，本专利技术还涉及使用该燃料电极的SOFC。
技术介绍
传统地，已经建议以下述方式制备燃料电极，从而防止由于镍粒子烧结和电解质热膨胀差引起的界面剥离(参见日本专利申请公报No.H6-89723)。在一个相关技术的燃料电极形成方法中，首先制备用作燃烧电极的金属的金属盐水溶液，然后，向其中掺入多孔材料粉末。随后，对该粉末进行热处理，以在多孔材料表面支撑金属。将支撑金属的粉末铸型、煅烧来制备燃料电极。在一个相关技术中还建议：用喷雾热分解法将起始原料溶液粉化，以获得比无定形次级电极粒子具有更大的粒子间接触部分的球形电极形成粒子(参见日本专利申请公报No.H7-267613)。
技术实现思路
然而，在相关技术中并不能完全避免高温煅烧时出现的金属粒子如镍的聚集。而且，在相关技术中，形成作为燃料电极反应场的三相界面的数量不足以获得足够的性能。在相关技术中，燃料电极的孔隙率低，因此必需提高孔隙率。顺便提一下，三相界面是指电子、离子和气相彼此相互接触的位置。本专利技术是在考虑了上述问题的基础上获得的，本专利技术的目的-->是提供一种SOFC用燃料电极，它能增加燃料电极的三相界面，增加孔隙率，以提高SOFC的输出；本专利技术还提供使用该燃料电极的SOFC。本专利技术的第一个方面是提供一种固体氧化物燃料电池用燃料电极，其包含：金属陶瓷，该金属陶瓷含有具有氧离子导电性的氧化物相和金属相，其中，该燃料电极构成三维网状结构，氧化物相形成网状结构的骨架，并且在邻近金属相处具有孔隙。本专利技术的第二方面是提供一种固体氧化物燃料电池，其包含：固体氧化物燃料电池用燃料电极，该燃料电极包含金属陶瓷，所述金属陶瓷含有具有氧离子导电性的氧化物相和金属相，其中，该燃料电极构成三维网状结构，氧化物相形成网状结构的骨架，并且在邻近金属相处具有孔隙。对附图的简要说明图1是根据本专利技术的SOFC用燃料电极的SEM(扫描电子显微镜)图；和图2是显示使用根据本专利技术的SOFC用燃料电极的单个电池的示意图。实施本专利技术的最佳方式下面将参照附图对根据本专利技术的SOFC用燃料电极进行更详细的说明。如图1所示，根据本专利技术的SOFC用燃料电极1含有金属陶瓷，该金属陶瓷包括传导氧离子的氧化物相3和金属相5，其中，该燃料电极1形成三维网状结构，而氧化物相3形成网状结构的骨架，并且在邻近金属相5处具有孔隙7。按总体上的理解，燃料电极的反应场是三种成分即氧离子、-->电子和氢原子彼此接近的地方。即，反应在一个称作三相界面的地方发生，三相界面即：由具有氧离子导电性的氧化物相、具有电子导电性的金属相、和扩散燃料气体如氢气的孔隙(气相)组成的三相之间的接触面。当三相界面增大时，燃料电极的反应面积就增大，从而获得更大的电流。就常规金属电极来说，电极的反应场受限于电极与电解质之间的接触面积，而燃料电极1具有氧化物相3和金属相5的金属陶瓷结构，从而能获得更大的三相界面。另外，本专利技术的整个燃料电极1都具有三维网状结构，通过该网状结构燃料气体可以有效地扩散到整个燃料电极1内。燃料电极1的三维网状结构的骨架是由氧化物相3构成的，这样氧离子就可以通过该氧化物相3，从电解质10和燃料电极1之间的接触面沿厚度方向扩散至燃料电极内。也就是说，由氧化物相3构成的骨架充当氧离子传导的通道，让氧离子扩散到整个燃料电极1中，从而显著地改善整个燃料电极1的氧离子导电性。如图1所示，金属相5也出现在整个燃料电极1中，这样就可以提供大量的三相界面。在燃料电极1中，金属相5在氧化物相3上连续出现，以形成电子传导通道。因此，燃料电极的电子导电性改善，从而允许从燃料电极有效地获得电子。孔隙7也出现在金属相附近，这样燃料气体通过孔隙7扩散到整个燃料电极1，从而达到燃料气体和氧离子之间的有效反应。在根据本专利技术的SOFC用燃料电极1中，在孔隙7界面处的金属相5与氧化物相3的理想比例在50∶50至90∶10的范围内。当氧化物相3的比例超过50％时，燃料电极1的电导率和催化活性可能下降，从而会对燃料电极1的活性产生负面作用。当氧化物相3的比例低于10％时，则难以抑制构成金属相5的金属粒子的聚集。在孔隙界面处的金属相5与氧化物相3的比例可以在形成燃料电极1的-->过程中，通过调节构成金属相5的金属的量和构成氧化物相3的氧化物的量来进行调整。对构成氧化物相3的氧化物粒子3a并无特别地范围限制，只要其具有氧离子导电性即可，但可以利用钇稳定的氧化锆(YSZ)、钐掺杂的二氧化铈(SDC)、钐和钴掺杂的二氧化铈(SCC)、钇掺杂的二氧化铈(YDC)以及锶和镁掺杂的桔酸镧(LSGM)。在燃料电极1中使用的氧化物优选与在SOFC电解质中使用的氧化物相同；例如，当在SOFC电解质中使用YSZ时，在燃料电极1中使用金属和YSZ。这样，就可以防止由于电解质的热膨胀差引起的界面剥离和由于氧离子导电性的差异所引起的在界面上产生热量，从而改善燃料电极的性能。对于构成氧化物相3的氧化物粒子3a的粒径并无特别地范围限制，只要燃料电极1具有例如氧离子导电性的性能即可，但是氧化物粒子3a的平均粒径优选在氧化物相3平均长度的0.1-30％的范围内，并特别优选氧化物粒子3a的平均粒径在0.1-10μm的范围内。当粒径小于0.1μm时，离子导电性降低，而当粒径大于10μm时，氧离子的扩散距离增大，从而由于扩散会产生更大的电阻。“氧化物相的平均长度”是指沿着厚度方向连续形成的氧化物相3的平均长度。对于构成金属相5的金属粒子5a并无特别地范围限制，只要它具有必要的导电性和催化活性即可，但是典型地，可利用镍(Ni)、铜(Cu)、铂(Pt)或银(Ag)以及这些金属的任意组合。除贵金属之外的金属，除发电时处于氧化物形态，在发电时，金属暴露于燃料气体，即还原性气体中，这样通过还原作用，容易将金属氧化物转变为金属。相应地，其中的元素如Ni、Cu或Ag以氧化物的形态存在的燃料电极1落入本专利技术的范围之内。对于构成金属相5的金属粒子5a的粒径并无特别地范围限制，-->只要燃料电极1展现出例如导电性和催化活性的性能即可，但是金属粒子5a的平均粒径优选在金属相5平均长度的0.1-20％的范围内，特别优选金属粒子5a的平均粒径在1-30μm的范围内。当粒径小于1μm时，金属粒子，尤其是镍粒子的聚集会降低催化活性。当粒径大于30μm时，金属相的比表面积降低，从而减少吸收燃料气体的部位。“金属相的平均长度”是指沿厚度方向连续形成的金属相的平均长度。对于金属粒子5a的形状并无特别地范围限制，只要它具备上述性能即可，但是典型地，可以提及金属粒子5a为球形、椭圆形和纤维形，并且具有上述两种或多种形状的金属粒子5a可以任意混合使用。孔隙7的直径优选在0.1-10μm的范围内。当直径小于0.1μm时，燃料气体或产生的气体如水蒸气无法扩散，而当直径大于10μm时，燃料电极的导电性可能会降低。作为燃料气体，可以使用氢气、一氧化碳、以及烃如甲烷。下面，将对本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体氧化物燃料电池用燃料电极，其包含：金属陶瓷，该金属陶瓷含有具有氧离子导电性的氧化物相和金属相，其中，该燃料电极构成三维网状结构，氧化物相形成网状结构的骨架，并且在邻近金属相处具有孔隙。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2003-4-30 125131/20031.一种固体氧化物燃料电池用燃料电极，其包含：金属陶瓷，该金属陶瓷含有具有氧离子导电性的氧化物相和金属相，其中，该燃料电极构成三维网状结构，氧化物相形成网状结构的骨架，并且在邻近金属相处具有孔隙。2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池用燃料电极，其中，所述骨架是氧离子传导的通道。3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池用燃料电极，其中，在孔隙界面处的金属相与氧化物相的比例在50∶50-90∶10的范围内。4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池用燃料电极，其中，构成金属相的金属粒子的平均粒径在金属相平均长度的0.1-20％的范围内。5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池用燃料电极，其中，构成金属相的金属粒子的平均粒径在1-30μm的范围内。6.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池用燃料电极，其中，构成氧化物相的氧化物粒子的平均粒径在氧化物相平均长度的0.1-30％的范围内。7.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池用燃料电极，其中，构成氧化物相的氧化物粒子的平均粒径在0.1-10μm的范围内。8.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋东，秦野正治，
申请(专利权)人：日产自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]