固体氧化物型燃料电池制造技术

本发明专利技术提供一种固体氧化物型燃料电池，具有SOFC的普及期所需的90000小时左右的寿命。本发明专利技术的固体氧化物型燃料电池是具备固体电解质层、设置在所述固体电解质层一侧的面上的氧极层、及设置在所述固体电解质层另一侧的面上的燃料极层的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，所述氧极层由包含铁或锰的材料构成，所述固体电解质层由含有氧化铝的氧化钪稳定氧化锆电解质材料构成，并且所述固体电解质层中固溶有镧系氧化物及/或氧化钇。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】固体氧化物型燃料电池
本专利技术涉及一种固体氧化物型燃料电池。
技术介绍
以往，固溶有氧化钪的氧化锆(以下记为ScSZ)这样的固体电解质材料被应用于固体氧化物型燃料电池(以下简称为S0FC)等的用途。由于SOFC与其它的燃料电池即磷酸型、熔融碳酸盐型等相比，发电效率高，排热温度也高，因此作为下一代类型的节能发电系统而受到关注。SOFC的基本构成具备固体电解质层、燃料极层及氧极层，氢(H2)等的燃料气体与面向固体电解质层的一侧的燃料极层贯流接触，空气或氧(O2)等的氧化剂气体与面向固体电解质层的相反面的氧极层贯流接触时，氧极层中产生的氧离子(02-)沿固体电解质层移动并到达燃料极层，在燃料极层中O2-与H2发生反应，通过电化学反应而得到电力输出。在这种反应机理中，作为SOFC的固体电解质材料所要求的特性可列举出:(I)具有高氧离子导电性；(2)长期耐久性优异；(3)具有高材料强度等，氧化锆系固体电解质材料中最为优选的材料是ScSZ。作为SOFC的氧极层，通常使用固溶有锶的锰酸镧(以下表示为LSM)、固溶有锶的铁酸镧(以下表示为LSF)以及固溶有锶和铁的钴酸镧(以下表示为LSCF)。由于在使用上述材料并用烧结法制造氧极层时及运行时，单电池处于高温，因此使用LSM的情况下则锰(Mn)扩散至固体电解质层即ScSZ中，而使用LSF及LSCF的情况下则铁(Fe)扩散至固体电解质层即ScSZ中，使氧离子导电性下降。因而提出了一种为了抑制该扩散而在ScSZ中含有氧化铝的固体电解质层(参照日本国特开平8-250135号公报)。通过在ScSZ中含有氧化铝，可以抑制Mn、Fe从氧极向ScSZ内部固溶扩散。但是，无法使Mn、Fe的固溶量完全为0，即使在ScSZ的燃料极层界面附近也依然固溶扩散有微量的 Mn、Fe。在将LSM用于氧极层而在固体电解质层中具备ScSZ的SOFC中，进行几百?几千小时的长期耐久试验时，确认了在燃料极附近固体电解质层的一部分发生粉末化。经过各种调查，结果发现固溶扩散至ScSZ中的Mn因被置于还原气氛中而从ScSZ脱离，结果表明此时作为稳定剂的氧化钪同时从结晶抽离，固体电解质层发生晶变(从立方晶变化为正方晶)O可以认为燃料极界面附近的Mn的固溶扩散量因气氛而变化，当SOFC被置于还原气氛时，所固溶的Mn的一部分从ScSZ向燃料极侧脱出，推测关于Fe也发生与Mn同样的现象。在固体电解质层中的被燃料极层覆盖的部分上，虽然在几千小时的长期耐久试验中未确认到粉末化，但是由于与发生粉末化的部分同样发生了晶变，因此推测如若进行几万小时运行则终究会发生粉末化，在固体电解质层和燃料极层之间发生剥离(以下表示为粉化剥离)。如果发生粉化剥离则变得无法取出电力，导致无法发电。SOFC要求在投放期为40000小时、在普及期为90000小时左右的寿命，在此所示的粉化剥离是在市场投放中必须解决的技术课题。对粉末化部分进行SEM观察，结果可知粒子从晶界脱落，发生粉末化。推测这是因为从立方晶变化为正方晶而导致体积收缩，从而在晶界发生断裂(参照图1)。
技术实现思路
本专利技术人提供一种具备固体电解质层的S0FC，该固体电解质层具备如下特性，在作为固体电解质层而具备扩散有来自氧极层的Mn、Fe的ScSZ的SOFC中，抑制固溶扩散至ScSZ中的Mn、Fe因被置于还原气氛而从ScSZ脱离时作为稳定剂的氧化钪从结晶抽离，并且为了即使发生晶变也能消除伴随晶变的晶界断裂而提高粒子间强度。 为了解决上述课题，本专利技术所涉及的SOFC是具备固体电解质层、设置在固体电解质层一侧的面上的氧极层、及设置在固体电解质层另一侧的面上的燃料极层的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，所述氧极层由包含铁或锰的材料构成，所述固体电解质层由含有氧化铝的ScSZ电解质材料构成，并且所述ScSZ电解质材料中固溶有镧系氧化物及/或氧化钇。通过在ScSZ中含有氧化铝，从而Mn、Fe固溶扩散至ScSZ内部的量减少，因此，Mn、Fe从ScSZ脱离时作为稳定剂的氧化钪同时从结晶抽离的量也减少。但是，仅此而已无法使Mn、Fe的固溶量为0，因此，无法消除微量的Mn、Fe从ScSZ脱离这样的现象。于是，在本专利技术中，除在ScSZ中含有氧化铝以外，还固溶镧系氧化物及/或氧化钇，由此，即使Mn、Fe从ScSZ脱离，也可以抑制氧化钪从ScSZ抽离这样的现象自身的发生。另外，由于氧化铝存在于ScSZ粒子的晶界，使所述ScSZ粒子彼此牢固地连结，因此同时还具有如下效果，即使发生伴随晶变的微量的体积变化，也能抑制晶界断裂。其结果，由于不发生粉末化，因此可以提供具有普及期所需的90000小时的寿命的S0FC。在进一步优选的方式中，所述固体电解质层的所述燃料极侧的镧系氧化物及/或氧化钇的固溶量比所述氧极侧的镧系氧化物及/或氧化钇的固溶量大。例如，可列举出从燃料极侧至氧极侧，镧系氧化物的固溶量倾斜减少的情况等。由此，可防止燃料极层侧的粉化剥离，并将固体氧化物层整体的氧离子传导性的下降抑制于最低限。在本专利技术的优选方式中，在氧化锆中，相对于固体电解质材料中的氧化锆、氧化钪、镧系氧化物及/或氧化钇的总物质量(总摩尔量)，固溶有9~15mol%、更加优选为9~Ilmol %的氧化钪，2~5mol%、更加优选为3~5mol%的镧系氧化物及/或氧化钇。在本专利技术的进一步优选的方式中，相对于固体电解质材料中的氧化锆、氧化钪、镧系氧化物及/或氧化钇的总物质量(总摩尔量)，含有多于Imol %的氧化铝。优选氧化钪量为9~15mol %是因为小于911101%时则有可能生成正方晶，而超过15mol %则有可能生成菱面体晶，从而分别导致氧离子导电性下降。优选固溶2~5mol%的镧系氧化物及/或氧化钇是因为小于2m0l%时则抑制Mn、Fe从ScSZ脱离时的氧化钪抽离的效果降低，而超过5m0l%时则生成正方晶，变得容易发生晶变。含有多于Imol^的氧化铝是因为在Imol^以下时则减少Mn、Fe的固溶量的效果较小，而针对伴随晶变的体积变化的抑制晶界断裂的效果也较小。另外，优选本专利技术的固体电解质材料含有5mol%以下的氧化铝。这是因为氧化铝含量为5mol%以下时，不会带来固体电解质材料的氧离子导电性下降，或者即使带来下降也能抑制于最小限。在本专利技术的优选方式中，其特征在于，镧系氧化物是二氧化铈。优选二氧化铈的原因是因为不仅能抑制Mn、Fe从ScSZ脱离时的氧化钪抽离，还能提高固体电解质材料的氧离子导电性。在本专利技术的优选方式中，固体电解质层由形成在所述氧极层侧的第一层和形成在所述燃料极层侧的第二层的两层构成，所述第二层中的所述镧系氧化物及/或氧化钇的固溶量比所述第一层中的所述镧系氧化物及/或氧化钇的固溶量大，所述第二层中的所述氧化铝的含量比所述第一层中的所述氧化铝的含量大。更加优选第一层中未固溶所述镧系氧化物及/或氧化钇，并且第一层不含有所述氧化铝。另外，第一层既可以是使用氧化钪稳定氧化锆的层，也可以是使用氧化钇稳定氧化锆的层。具备本固体电解质层的SOFC效率高并且具有普及期所需的90000小时的寿命。这是因为在燃料极层侧的第二层中，可以防止粉化剥离，但另一方面则因含有氧化铝等而导致离子导电性下降，对此由于在氧极层侧的第一层中保持为氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体氧化物型燃料电池，是具备固体电解质层、设置在所述固体电解质层一侧的面上的氧极层、及设置在所述固体电解质层另一侧的面上的燃料极层的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，所述氧极层由包含铁或锰的材料构成，所述固体电解质层包含含有氧化铝的氧化钪稳定氧化锆电解质材料，所述固体电解质材料中固溶有镧系氧化物及／或氧化钇。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.01.31 JP 2011-0187611.一种固体氧化物型燃料电池，是具备固体电解质层、设置在所述固体电解质层一侧的面上的氧极层、及设置在所述固体电解质层另一侧的面上的燃料极层的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，所述氧极层由包含铁或锰的材料构成，所述固体电解质层包含含有氧化铝的氧化钪稳定氧化锆电解质材料，所述固体电解质材料中固溶有镧系氧化物及/或氧化钇。2.根据权利要求1所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，相对于固体电解质材料中的氧化锆、氧化钪、镧系氧化物及/或氧化钇的总摩尔量，所述固体电解质材料中固溶有9?15mol%的氧化钪、2?5mol%的镧系氧化物及/或氧化宇乙。3.根据权利要求2所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，相对于固体电解质材料中的氧化锆、氧化钪、镧系氧化物及/或氧化钇的总摩尔量，所述固体电解质材料含有多于Imol %的氧化铝。4.根据权利要求2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：岛津惠美，上野晃，阿部俊哉，宫尾元泰，樋渡研一，
申请(专利权)人：TOTO株式会社，
类型：
国别省市：