[发明专利]高温结构材料、用于固体电解质燃料电池的结构体以及固体电解质燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及高温结构材料、使用该高温结构材料形成的用于固体电解质燃料电池的结构体以及具有该结构体的固体电解质燃料电池。

背景技术

通常,平板型固体电解质燃料电池(也称为固体氧化物燃料电池(SOFC))由作为发电要素的多个平板状的电池单元和配置在多个电池单元之间的隔离物形成,其中,上述电池单元分别由阳极(负极、燃料电极)、固体电解质以及阴极(正极、空气电极)形成。隔离物配置于多个电池单元之间,以将多个电池单元相互电性串联,且将提供给各个电池单元的气体分离,具体地,将提供给阳极作为阳极气体的燃料气体(例如氢气)和提供给阴极作为阴极气体的氧化剂气体(例如空气)分离。

一直以来,隔离物由高耐热性的金属材料或者铬酸镧(LaCrO₃)等导电陶瓷材料形成。如果使用这种导电材料形成隔离物,可以构成用一种材料就能实现上述电连接和气体分离功能的构件。然而,若使用铬酸镧等导电材料,存在为了设法使其和构成电池单元的其它构件烧结成一体而导致制造工序变多的问题。另外,若使用铬酸镧等导电材料,存在因材料成本较高而使制造成本变昂贵的问题。

另外,由于固体电解质燃料电池的工作温度较高,构成电池单元的发电要素构件、将电池单元之间分离的隔离物构件、将气体分离地进行供给的气体歧管构件等固体电解质燃料电池的各构成部件的强度和热膨胀系数成为了问题。特别地,各构成部件的热膨胀系数要求与电解质材料钇稳定氧化锆(YSZ)的热膨胀系数接近。然而,由于上述现有技术中的固体电解质燃料电池的构成部件的热膨胀系数不一定与钇稳定氧化锆的热膨胀系数近似,所以在工作温度范围内存在因热膨胀差产生应力和变形的问题。

对此,在日本专利特开平5-275106号公报(专利文献1)中记载的固体电解质燃料电池中,隔离物包括隔离物主体、和设置成贯通该隔离物主体的隔离部的电子通路。隔离物主体由MgO和MgAl₂O₄的复合材料构成。在这种情况下,可以通过改变MgO和MgAl₂O₄的混合比例来使上述复合材料的热膨胀系数与YSZ的热膨胀系数近似。由此,该复合材料可以适用于隔离物等固体电解质燃料电池的各构成部件。

然而,该复合材料由于烧结性能差,所以在耐水性、耐二氧化碳气体性上可靠性较低。例如,该复合材料即使在1500℃以上的温度下烧结,由于MgO会在存在H₂O或者CO₂的气氛中选择性地溶出,长时间后会变成仅有MgAl₂O₄的多孔体,存在机械强度下降的问题。

为解决该问题,如日本专利特开平6-5293号公报(专利文献2)和日本专利特开平6-111833号公报(专利文献3)所记载的那样,需要在由上述复合材料形成的构成部件的表面涂敷MgAl₂O₄或者Al₂O₃。

另外,使用以MgO和MgAl₂O₄为主要成分的隔离物时,隔离物材料间或者隔离物材料和电池单元材料之间通过MgO‐Al₂O₃的复合氧化物接合。此时,由于MgO‐Al₂O₃复合氧化物的熔点较高,烧结接合时的温度为1400℃以上,会有由于燃料电极和空气电极被暴露在高温下而劣化造成电池性能受损的问题。

为解决该问题,如日本专利特开平8-231280号公报(专利文献4)所记载的那样,在隔离物之间或者隔离物和电池单元材料之间,通过MgO:SiO₂=1:0.5～5(重量比)的接合材料,使其在1300℃以下的烧结温度下接合。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本专利特开平5-275106号公报

专利文献2:日本专利特开平6-5293号公报

专利文献3:日本专利特开平6-111833号公报

专利文献4:日本专利特开平8-231280号公报

发明内容

发明所要解决的问题