离子电解质膜结构体及其制造方法以及使用离子电解质膜结构体的固体氧化物型燃料电池技术

本发明专利技术的目的在于提供一种离子传导层和离子非传导层的界面端面以平面方式露出从而能够与空气电极、燃料极接触的离子电解质膜结构体，其为仅使离子透过的离子电解质膜结构体，其特征在于，由基板和多个多层膜构成，所述基板具有在厚度方向上贯通的多个细孔，所述多层膜是将由离子传导性材料构成的离子传导层和由离子非传导性材料构成的离子非传导层多次交替层叠在上述基板的细孔的各内壁面而完全填埋细孔，通过设置于上述细孔内壁面的多层膜，只有离子在贯通方向上透过。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有高离子传导率的离子电解质膜结构体及其制造方法，以及使用离子电解质膜结构体的固体氧化物型燃料电池。
技术介绍
随着生活水平的提高，在生活的各个方面使用电器，房间也比以前更喜欢明亮，与 此相应地导致照明用电消费量的增加。另外，随着电脑用因特网、数字通信的盛行，也导致 电消费量的增加。然而，现状是发电厂的建設不能满足电消费量的增加，今后，为了满足日 益增加的电需求量，还必须考虑太阳能电池等可再生能源的利用。目前，大型发电厂的建設较困难，另外，在以往的发电送电方式中，不能忽视输电 损耗，因此，认为今后分散型发电会成为主流。在每个家庭安装太阳能电池，以供应自家的 大部分电力消费的方式也被认为是重要的方法。另外，利用城市煤气等的燃料电池的利用 也会成为重要的选择方式。燃料电池有各种方式。在目前作为主流燃料电池的固体高分子型燃料电池(以 下，有时称作“PEFC”)中，由于作为质子(氢离子)传导的辅助机理必须使用水分，因此，受 限于只能在100°C以下的环境下使用。还有，实际的使用温度为80°C以下，热的利用受限， 还有将薄树脂用作电解质膜，因此，在寿命上有问题。另一方面，作为被认为最适合每个家庭、便利店、商店这样的中等程度的电力消费 者的方式，有固体氧化物型燃料电池(以下，有时称作“S0FC”)。作为SOFC的基本构成要 素，有具有离子的选择透过性的固体电解质和从两侧夹住该固体电解质而配置的两个电极 (空气电极和燃料电极)。而且，通过向空气电极流入氧、向燃料电极流入氢而进行化学反 应，从而发电。作为电解质，只要是能够使氧离子和氢离子中的任意一者通过的材料即可， 通常，由于在材料方面受限，因此，使用具有氧离子透过性的材料。作为电解质材料，使用向 氧化锆添加氧化钇来使其结构稳定的稳定氧化锆(以下，有时称作“YSZ”)，作为空气电极， 使用具有钙钛矿结构且镧的一部分被碱土类金属取代的锰酸镧(Lanthanum Manganite) [Lai_x(M) JyMnO3 (Μ:碱土类金属)，作为燃料电极，使用在YSZ中混合规定量的Ni而调整的 镍-氧化锆金属陶瓷。而且，作为SOFC的结构，例如，已知如图1所示的由具有燃料通路47和氧化剂通 路48的连接器44夹持单电池40的、向电解质赋予了机械强度的结构，其中，所述单电池40 是在固体电解质41的两面设置空气电极42和燃料电极43而成。由于上述SOFC是将无机材料用于电解质中，因此在寿命方面有优点，由于使用温 度高，因此也可以利用热，总效率达到50%以上，超过PEFC的35%左右的效率。另外，在 PEFC中作为催化剂必须使用高价的钼催化剂，但是，就在200°C以上的高温下使用的SOFC 而言，其特征是完全不需要如钼等催化剂，或者只采用至少比在室温下工作的PEFC少的使 用量即可，从这一点也可以说比SOFC优异，因此，有望实现实用化。而且，在以往的SOFC中，如上所述地将YSZ等用作电解质材料，利用氧离子传导， 但由于离子传导率低，因此，为了确保所需的离子传导率，必须达到某种程度的高温，通常 在800°C左右发电。但是，当使用温度为高温时，有时电池内部会产生大的温度差，由于该原 因，有时因热膨胀差导致断裂。作为应对措施，在启动SOFC或关闭SOF时，有必要花几个小时使温度缓慢变化，不 能用于频繁操作ON-OFF的家庭用途等中，而是适用于昼夜连续使用电的便利店等中。另 夕卜，由于在高温下使用，因此，除了因热膨胀差导致的破坏以外，还有因电解质膜内的粒生 长或形状变化导致的破坏等。而且，为了将能量效率高的SOFC的使用范围扩大至包括普 通家庭的范围，由于上述理由，降低使用温度成了要解决的课题。为此，希望能够开发出在 500°C以下、或者在更低的接近室温的温度下也具有高离子传导率的材料。{01 (J. Garcia-Barriocanal, A. Rivera-Calzada, Μ. Varela, Ζ. Sefrioui，Ε. Iborra, C. Leon, S. J. Pennycook, J. Santamarial ；Science, 321 (2008) 676 "Colossal Ionic Conductivity At Interfaces Of EpitaxialZrO2:Y203/SrTi03 Heterostructures”)中，公开了作为氧离子传导性材料将以往举例的YSZ(混合了 8mol% 的Y2O3)和离子非导电材料即SrTiO3(有时记载为“ST0”)交替层叠时，氧在其两层的界面 传导，在200°C附近也显示出1 X 102S/cm这样的高传导率。通常，认为燃料电池必须在使用温度区域中具有lX10_2S/Cm以上的传导率，因 此，上述lX102S/cm的离子传导率可以说是足够高的离子传导率。另外，在上述提案的两 层膜中，若想使离子仅传导相同的距离，则尽量增加界面数时能够增加离子传导量。而且， 在上述传导方法中，层叠膜的情况下，氧在被层叠的界面内传导，因此，离子以与层叠膜平 行的方式传导。但是，在通常的燃料电池用电解质膜、离子分离膜中，离子必须在与膜垂直 的方向上传导，为了实际利用上述提案的两层膜，有必要在结构上进行改进。
技术实现思路
本专利技术是鉴于上述问题点而完成的，其要解决的课题在于得到具有高离子传导率 的离子电解质膜结构体及其制造方法，以及使用离子电解质膜结构体的固体氧化物型燃料 电池。为了应用非专利文献1中公开的上述传导方法，也可以将由离子传导性材料构成 的几原子层厚的离子传导层和由离子非传导性材料构成的几原子层厚的离子非传导层加 以层叠，得到厘米厚度级的层叠膜，以与层叠膜平面相垂直的方向切断层叠膜，从而得到易 于离子传导的膜层叠截面，使离子在该膜层叠截面之间(即，上述离子传导层与离子非传 导层的界面内)传导，由此可以得到具有高离子传导率的离子电解质膜。但是，将几原子层 厚的离子传导层和离子非传导层加以层叠而得到厘米厚度级的层叠膜，需要花费极为漫长 的时间，因此是不现实的。于是，本专利技术人经过悉心研究，发现在不采取上述切断方法的情况下，也可以使离 子传导层和离子非传导层的界面的端面(相当于上述膜层叠截面)以平面形式露出，由此 得到可与空气电极、燃料电极接触的离子电解质膜结构体，从而完成了本专利技术。即，本专利技术作为第一实施方式首先要提供的离子电解质膜结构体，是仅使离子通 过的离子电解质膜结构体，其特征在于，由基板和多个多层膜构成，所述基板具有在厚度方向上贯通的多个细孔，所述多层膜是将由离子传导性材料构成的离子传导层和由离子非传导性材料构 成的离子非传导层多次交替层叠在上述基板的细孔的各内壁面，从而完全填埋细孔，通过设置于上述细孔内壁面的多层膜，仅使离子在贯通方向上透过。接着，本专利技术作为第二实施方式提供的离子电解质膜结构体，是仅使离子通过的 离子电解质膜结构体，其特征在于，由一体化多层膜构成，所述一体化多层膜是将由离子传 导性材料构成的离子传导层和由离子非传导性材料构成的离子非传导层多次交替层叠而 成，且上述一体化多层膜是通过以下工序制造，即，将具有完全填埋细孔的多层膜的第一实施方式的离子电解质膜结构体的基板的 一侧面粘接在保持板本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离子电解质膜结构体，其是仅使离子透过的离子电解质膜结构体，其特征在于，由基板和多个多层膜构成，所述基板具有在厚度方向上贯通的多个细孔，所述多层膜是将由离子传导性材料构成的离子传导层和由离子非传导性材料构成的离子非传导层多次交替层叠在所述基板的细孔的各内壁面，从而完全填埋细孔，通过设置于所述细孔内壁面的多层膜，只有离子在贯通方向上透过。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：伊东雅宏，
申请(专利权)人：住友金属矿山株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]