固体电解质隔膜、燃料电池单元及燃料电池制造技术

提供一种固体电解质隔膜，用于在燃料电池中实现强电动势，还提供一种使用该隔膜生产的燃料电池。固体电解质隔膜包括基底和设在所述基底的至少其中一面上的固体电解质层，所述基底由片材料制成，并具有在基底厚度方向上穿过基底的多个开孔。燃料电池单元包括固体电解质隔膜和具有贵金属的催化剂层，其中固体电解质层设在所述基底的其中一面上，且催化剂层设在所述基底的另一面上，固体电解质层和催化剂层在所述基底的开孔内彼此接触。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及固体电解质隔膜、燃料电池单元及它们的制造方法。本专利技术还涉及具有燃料电池单元的燃料电池。
技术介绍
专利公布文本I披露了一项涉及燃料电池的专利技术，该燃料电池包含作为固体电解质的层状金属氧化物NaCo2CV该专利技术的目的在于，即使在大约20到80° C的温度下，即从大约室温开始的低温下，也能获得较大的电动势，而不需使用有害物质或钼。专利公布文本I教导了厚度少于O. 3mm的固体电解质层在强度上存在欠缺。在该公布文本的例子中，具有厚度为大约Imm的固体电解质层的样品被用于制造燃料电池，并评估了这些燃料电池的电动势。从公布文本的图6所示的电流-电压曲线上可以看出，在 75° C的工作温度下，开路电压(OCV)大约为O. 68V，测得的电流密度仅达到30mA/cm2。在实际使用这种具有固体电解质层的燃料电池时，需把固体电解质层做得比常规的电解质层更薄以降低固体电解质层的内电阻。但另一方面，为了得到燃料电池的完好性能，需要固体电解质层密度大。_5] 在先技术文献专利公布文本专利公布文本I :W0 2010/007949
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供固体电解质隔膜，以使燃料电池具有较大的电动势以及优良的电流-电压特性，还提供具有这种隔膜的燃料电池单元及其制造方法。本专利技术的另一个目的是提供固体电解质隔膜，以使燃料电池具有较大的电动势以及优良的电流-电压特性，特别是抑制了电压降并具有优良的负载特性，还提供具有这种隔膜的燃料电池单元及其制造方法。专利技术人在使固体电解质隔膜维持较大密度的
深入研究后发现，通过采用特殊结构的基底，可以把固体电解质隔膜做的比常规隔膜薄得多，但依旧保持其机械强度。通过在燃料电池中使用具有这种结构的固体电解质隔膜，专利技术人实现了足够高的开路电压(0CV),以及优异的电流-电压特性，从而完成了本专利技术。根据本专利技术，提供一种固体电解质隔膜，包括基底和设在所述基底的至少其中一面上的固体电解质层，所述基底由片材料制成，并具有在基底厚度方向上穿过基底的多个开孔。通过使用这样的基底，固体电解质隔膜的内电阻保持较低，同时可改善大密度固体电解质隔膜的机械强度。根据本专利技术，还提供一种制造固体电解质隔膜的方法，包括以下步骤制备包括固体电解质粉末、胶粘剂和溶剂的浆料；将所述浆料涂至基底的至少一面上，所述基底由片材料制成且具有在基底厚度方向上穿过基底的多个开孔；以及干燥和/或烘焙涂有浆料的所述基底。根据本专利技术，还提供一种燃料电池单元，包括上述的根据本专利技术的固体电解质隔膜和包括贵金属的催化剂层，其中固体电解质层设在所述基底的其中一面上，且所述催化剂层设在所述基底的另一面上，固体电解质层和催化剂层在所述基底的开孔内彼此接触。根据本专利技术，还提供一种燃料电池单元，包括上述根据本专利技术的固体电解质隔膜和包括贵金属的催化剂层，其中固体电解质层设在所述基底的每一面上，两层固体电解质在基底的开孔内彼此接触，并且其中所述催化剂层被层压在其中一个固体电解质层上且与该固体电解质层直接接触。 根据本专利技术，还提供一种制造燃料电池单元的方法，包括以下步骤制备包括固体电解质粉末、胶粘剂和溶剂的第一浆料；制备包括具有贵金属的催化剂粉末和溶剂的第二浆料；将所述第一浆料涂至基底的其中一面上，所述基底由片材料制成且具有在基底厚度方向上穿过基底的多个开孔；以及干燥和/或烘焙涂有第一浆料的所述基底，用于在所述其中一面上形成固体电解质层；将所述第二浆料涂至基底的没有固体电解质层的另一面上；以及干燥和/或烘焙涂有第二浆料的基底，用于在所述另一面上形成催化剂层。根据本专利技术，还提供一种制造燃料电池单元的方法，包括以下步骤制备包括固体电解质粉末、胶粘剂和溶剂的第一浆料；制备包括具有贵金属的催化剂粉末和溶剂的第二浆料；将所述第一浆料涂至基底的每一面上，所述基底由片材料制成且具有在基底厚度方向上穿过基底的多个开孔；干燥和/或烘焙涂有第一浆料的所述基底，用于在所述其中一面上形成固体电解质层；将所述第二浆料涂至形成在基底的两面上的其中一个固体电解质层；以及干燥和/或烘焙涂有第二浆料的基底，用于在所述固体电解质层的表面上形成催化剂层。在本专利技术中，固体电解质层优选包含选自以下构成的组的其中一种金属氧化物NaCo204、LaFe3Sr3O10^ Bi4Sr14Fe24O56^ NaLaTi04、RbLaNb2O7^ KLaNb2O7 和Sr4Co1 6TI1 408 (OH)2 · χΗ20ο在经还原水化(reduction hydration)处理时，这些金属氧化物促进了氢氧根离子具有很好的导电性。这种情况下，催化剂层还可优选地包含携带有贵金属的这些金属氧化物。当固体电解质层和催化剂层都包含同一种金属氧化物时，二者间的界面为连续的，这使固体电解质层和催化剂层的叠层的内电阻足够低。对于固体氧化物燃料电池(S0FC)，鉴于高温下的耐热性和氧离子的导电性，固体电解质层可优选包含氧化钇稳定的氧化锆。根据本专利技术，采用具有多个开孔(所述开孔被当作结构元件)的特殊基底的固体电解质隔膜可以做的比常规隔膜更薄，并且其固体电解质层可具有较低的内阻而其密度可以保持较大，从而可以生产出具有足够强的电动势的燃料电池。附图说明图1(a)是根据本专利技术第一实施例的固体电解质隔膜的截面示意图，和图1(b)是具有图1(a)的固体电解质隔膜的燃料电池单元的截面示意图；图2是配有图I (b)所示的燃料电池单元的燃料电池的截面示意图；图3(a)是根据本专利技术第二实施例的固体电解质隔膜的截面示意图，和图3(b)是具有图3(a)的固体电解质隔膜的燃料电池单元的截面示意图；图4是用于评估燃料电池单元的设备的界面示意图；图5是基底的SEM图(打孔金属、26 μ m厚、孔尺寸Φ60 μ m);图6是基底的SEM图(金属筛、48 μ m厚、孔尺寸Φ38μπι)； 图7示出了示例I与对照示例I制造的燃料电池单元的电流-电压特性；图8示出了示例I与示例7制造的燃料电池单元的电流-电压特性；图9示出了示例7与示例8制造的燃料电池单元的电流-电压特性。具体实施例方式以下参照附图，说明本专利技术的优选实施例，除特别说明，其中相同的参考标记表示相同或相应的部件，另外尺寸比例也不受附图所示而限制。<第一实施例>图1(a)所不的固体电解质隔I旲IOA包括由片材料制成的基底1，该基底I具有在基底厚度方向上穿过基底的多个开孔la，固体电解质层3形成在基底I的其中一个面Fl上并至少部分地填充开孔la。通过在固体电解质隔膜IOA的没有固体电解质层3的面F2上提供催化剂层4制成图I (b)示出的燃料电池单元20A。基底I由片材料制成，这种片材料改善了固体电解质隔膜IOA的强度。基底I优选可为金属基底，其作用是加强机械强度。基底I的材料的例子可包括镍、镀镍材料、耐热镍合金、镍铬合金、不锈钢、铁铬合金和铝。可根据工作温度选择这些材料中的适合的一种。例如，在要求耐热的情况下，选择耐热性高的材料。诸如塑料的合成树脂也可用作基底1，从而替代具有导电性的金属基底。基底I具有在其厚度方向上穿过基底的多个开孔la。通过提供多个开孔la，固体电解质层3和催化剂层4在每个开孔Ia中的接触部分被独立地作为燃料电池工作，使得该单元可被整体看做为并列的燃料电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：松田基史，室田忠俊，竹口竜弥，上田涉，
申请(专利权)人：株式会社三德，国立大学法人北海道大学，
类型：
国别省市：