[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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℃以下的环境下使用。还有，实际的使用温度为80℃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“SOFC”)。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)[La_1-X(M)_x]_yMnO₃(M：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铂催化剂，但是，就在200℃以上的高温下使用的SOFC而言，其特征是完全不需要如铂等催化剂，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℃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。另外，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℃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。