固体氧化物燃料电池的单电池制造技术

一种用于在低温下工作的ＳＯＦＣ的单电池，即使在大约６００－９００℃的低温范围内也具有优异的发电性能和可靠性，并且当用在ＳＯＦＣ中时能够以低集流损失粘接到隔板上。该单电池具有：第一固体电解质，它在８００℃的氧化物离子导电率是０．０１５Ｓ／ｃｍ或更高，弯曲强度是６００ＭＰａ或更高；燃料电极，由催化剂和第二固体电解质的金属陶瓷构成，所述第二固体电解质在８００℃的氧化物离子导电率是０．０８Ｓ／ｃｍ或更高并结合到第一固体电解质的一侧；和空气电极，由第一钙钛矿型氧化物与第三固体电解质的混合物构成，选择性地借助由第四固体电解质构成的中间层结合到第一固体电解质的另一侧，该电极优选分别涂覆有燃料和空气电极接触层。

【技术实现步骤摘要】
固体氧化物燃料电池的单电池
本专利技术涉及在低温下工作的固体氧化物燃料电池的单电池，尤其涉及适合于城市中的分布式电源、热电联合系统或类似装置的低温工作固体氧化物燃料电池的单电池。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(以下称作“SOFC”)是这样的一种燃料电池：在这种燃料电池中把表现出氧化物离子导电率的固体电解质用作电解质。在SOFC中，由于电解质是固体的，因此不存在电解质损耗的问题，可获得长寿命。此外，由于工作温度高达约1000℃，因此废热的利用率高。并且，由于输出功率密度高，因此可以把SOFC做得更小并获得高效率。通常把这种SOFC的结构广义上分成平面型SOFC、管状SOFC和整体式SOFC。其中，平面型SOFC具有以下优点：由于内部电阻比较低，因此具有高发电效率；由于是薄电池堆叠而成，因此每单位体积具有高输出功率密度。平面型SOFC进一步广义上分为自支撑电解质膜型SOFC和被支撑电解质膜型SOFC。前者通常具有多个单电池借助隔板堆叠而成的结构，其中，将提供有燃料气体如氢气和城市煤气的燃料电极结合到平面自支撑固体电解质的一侧，把提供有氧化剂气体如空气和氧气的空气电极结合到固体电解质的另一侧。对于在SOFC的单电池中所用的固体电解质，通常采用氧化钇稳定的氧化锆(下面有时也称作“YSZ”)。但YSZ是高内阻的，并表现出低氧化物离子导电率。因此，近来，出于对SOFC的输出功率密度等方面的考虑，人们开始关注氧化钪稳定的氧化锆(下面有时也称-->作“ScSZ”)，它具有比YSZ更高的氧化物离子导电率，并已经进行了各种研究。此外，对于燃料电极材料，通常采用Ni和含8mol％Y2O3的YSZ的金属陶瓷(下面有时也称作“Ni-8YSZ”)或类似材料。对于空气电极材料，采用(La，Sr)MnO3或类似材料。对于隔板材料，采用LaCrO3或类似材料。本申请人经研究证实，由于四方晶体ScSZ表现出高氧化物离子导电率和优异的机械特性如强度和韧性，因此利用它作为固体电解质的单电池和通过堆叠多个这种单电池制成的SOFC表现出优异的发电性能和可靠性(参见未审公开号为JP2004-055326的日本专利申请)。然而，虽然上述单电池和SOFC在实际应用中表现出优异的发电性能和可靠性，但是工作温度却仍旧高达约950℃。因此，需要进一步改进以便实现低温工作。这是因为，如果能够在不损害发电性能和可靠性的条件下改进低温工作特性，就更能保证其早日商业化。顺便指出，为了利用上述单电池和SOFC实现低温工作，对于组成构件应分别选择适合于低温工作的材料。然而，依靠这些材料的组合，相对削弱了发电性能和可靠性。此外，在单电池和SOFC中，不同类型的组成构件彼此结合或相互接触，即，固体电解质和电极彼此结合，电极与隔板接触。因此，必须全面地考虑到各组成构件的材料性质和在不同类型构件之间的相互作用。如上所述，对于单电池和SOFC来说，考虑到在各组成构件的材料性能和在不同类型构件之间的相互作用方面的全面改善是至关重要的。尤其是，为了改善在对单电池和SOFC不利条件下即低温工作的电池性能，如上所述的技术开发表现得更为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述问题，提供一种在低温范围内工作的-->SOFC用单电池，即使在大约600-900℃的低温下，这种单电池比常规单电池具有更优异的发电性能和可靠性。本专利技术的另一目的是提供一种在低温下工作的SOFC用单电池，当用在SOFC中时，这种单电池能很好地附着在隔板上，具有低集流损失。为了实现这些目的并根据本专利技术的意图，提供一种在低温下工作的SOFC用单电池，该单电池具有：第一固体电解质，它在800℃的氧化物离子导电率是0.015S/cm或更高，弯曲强度是600MPa或更高；燃料电极，由催化剂和第二固体电解质的金属陶瓷构成，所述第二固体电解质在800℃的氧化物离子导电率是0.08S/cm或更高，结合到第一固体电解质的一侧；和空气电极，由第一钙钛矿型氧化物与第三固体电解质的混合物构成，结合到第一固体电解质的另一侧，以及由第四固体电解质构成的中间层，可选地，所述中间层插在空气电极和第一固体电解质之间。作为优选，在以上单电池中，第一固体电解质是氧化钪稳定的氧化锆，其中含有3-6mol％Sc2O3且晶相主要由四方晶体构成，或者第一固体电解质是分散体加强固体电解质，其中以含有3-6mol％Sc2O3的氧化钪稳定的氧化锆为基础分散了0.3-5wt％Al2O3，该晶相主要由四方晶体构成。作为优选，在以上单电池中，催化剂是Ni，第二固体电解质是含有9-12mol％Sc2O3的氧化钪稳定的氧化锆。作为优选，在以上单电池中，第二固体电解质是氧化钪稳定的氧化锆，其中，含有大于0mol％且不大于2mol％从Y2O3和CeO2中选出的至少一种氧化物，该晶相主要由立方晶体构成。作为优选，在以上单电池中，第一钙钛矿型氧化物是从La1-xSrxCo1-yFeyO3(其中，0.2≤x≤0.6，0.6≤y≤0.9)、Pr1-xSrxMnO3(其中，0.2≤x≤0.6)和La1-xSrxCoO3(其中，0.1≤x≤0.6)中选出的至少一种钙钛矿型过渡金属氧化物，第三固体电解质是由含有8-10mol％Y2O3的氧化钇稳定的氧化锆、含有9-12mol％Sc2O3的氧化钪稳定的氧化锆、含有10-35mol％选自Gd2O3、Y2O3和Sm2O3中至-->少一种氧化物的二氧化铈基固溶体、以及它们的组合之一构成的混合固体电解质。作为优选，在以上单电池中，第四固体电解质是含有10-35mol％从Gd2O3、Y2O3和Sm2O3中选出的至少一种氧化物的二氧化铈基固溶体。作为优选，以上单电池进一步具有燃料电极接触层和空气电极接触层，所述燃料电极接触层由至少含有第一金属粉末并涂覆燃料电极表面的燃料电极接触材料构成，所述空气电极接触层由至少含有第二金属粉末和第二钙钛矿型氧化物粉末并涂覆空气电极表面的空气电极接触材料构成。作为优选，在以上单电池中，第一金属粉末是Ni粉末和Ni合金粉末之一。作为优选，在以上单电池中，第二金属粉末是Ag粉末、Ag合金粉末和通过将Ag粉末和Ag合金粉末中的至少一种与从Pd、Ru、Pt、Rh、Ir和Au中选出的至少一种贵金属粉末或这些贵金属的合金粉末混合而制成的混合粉末中的一种，第二钙钛矿型氧化物是La1-xSrxCoO3(其中，0.1≤x≤0.6)。作为优选，在以上单电池中，燃料电极接触材料和空气电极接触材料是以含粘合剂的浆料形式。作为优选，在以上单电池中，当通过激光光学非接触3D形状测量装置测量时，燃料电极的表面粗糙度落在以下范围内：最大粗糙深度Rmax为5-25μm，平均粗糙高度Rz为3-20μm；空气电极的表面粗糙度落在以下范围内：最大粗糙深度Rmax为3-20μm，平均粗糙高度Rz为2-18μm。作为优选，在以上单电池中，当通过激光光学非接触3D形状测量装置测量时，燃料电极接触层的表面粗糙度落在以下范围内：最大粗糙深度Rmax为5-25μm，平均粗糙高度Rz为3-22μm；空气电极接触层的表面粗糙度落在以下范围内：最大粗糙深度Rmax为3-24μm，平均粗糙高度Rz为2-20μm。-->作为优选，在以上单电池中，当通过激光光学非接触3D形状测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在低温工作的固体氧化物燃料电池的单电池，该单电池包括：第一固体电解质，它在８００℃的氧化物离子导电率是０．０１５Ｓ／ｃｍ或更高，弯曲强度是６００ＭＰａ或更高；燃料电极，由催化剂和第二固体电解质的金属陶瓷构成，所述第二固体电解质在８００℃的氧化物离子导电率是０．０８Ｓ／ｃｍ或更高，结合到第一固体电解质的一侧；空气电极，由第一钙钛矿型氧化物与第三固体电解质的混合物构成，结合到第一固体电解质的另一侧；和　中间层，由第四固体电解质构成，选择性地插在空气电极和第一固体电解质之间。

【技术特征摘要】
JP 2004-5-11 2004-1405461.一种用于在低温工作的固体氧化物燃料电池的单电池，该单电池包括：第一固体电解质，它在800℃的氧化物离子导电率是0.015S/cm或更高，弯曲强度是600MPa或更高；燃料电极，由催化剂和第二固体电解质的金属陶瓷构成，所述第二固体电解质在800℃的氧化物离子导电率是0.08S/cm或更高，结合到第一固体电解质的一侧；空气电极，由第一钙钛矿型氧化物与第三固体电解质的混合物构成，结合到第一固体电解质的另一侧；和中间层，由第四固体电解质构成，选择性地插在空气电极和第一固体电解质之间。2.根据权利要求1的单电池，其中当通过激光光学非接触3D形状测量装置测量时，燃料电极的表面粗糙度落在以下范围内：最大粗糙深度Rmax为5-25μm，平均粗糙高度Rz为3-20μm；空气电极的表面粗糙度落在以下范围内：最大粗糙深度Rmax为3-20μm，平均粗糙高度Rz为2-18μm。3.根据权利要求1的单电池，进一步包括：燃料电极接触层，由至少含有第一金属粉末的燃料电极接触材料构成，涂覆燃料电极表面；和空气电极接触层，由至少含有第二金属粉末和第二钙钛矿型氧化物粉末的空气电极接触材料构成，涂覆空气电极表面。4.  根据权利要求3的单电池，其中当通过激光光学非接触3D形状测量装置测量时，燃料电极接触层的表面粗糙度落在以下范围内：最大粗糙深度Rmax为5-25μm，平均粗糙高度Rz为3-22μm；空气电极接触层的表面粗糙度落在以下范围内：最大粗糙深度Rmax为3-24μm...

【专利技术属性】
技术研发人员：鹈饲健司，久田浩二，秦和男，相川规一，下村雅俊，
申请(专利权)人：东邦瓦斯株式会社，株式会社日本触媒，
类型：发明
国别省市：JP[日本]