[发明专利]固体氧化物型燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体氧化物型燃料电池。

背景技术

以往，固溶有氧化钇的氧化锆(以下记为YSZ)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SOFC)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(O^2-)沿固体电解质层移动并到达燃料极层，在燃料极层中O^2-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：(1)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，在氧化锆系固体电解质材料中，尤其从长期耐久性的观点出发，最为优选的材料是YSZ。

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YSZ中，而使用LSF及LSCF的情况下则铁(Fe)扩散至固体电解质层即YSZ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YSZ中含有氧化铝的固体电解质层(参照日本国特开平11-354139)。另外，虽然在日本国特开平11-354139中未记载扩散抑制效果，但是其它发明中的关于在固溶有氧化钪的氧化锆中含有氧化铝的固体电解质层则记述有扩散效果，推测具有同样的效果(参照日本国特开平8-250135)。

通过在YSZ中含有氧化铝，可以抑制Mn、Fe从氧极向YSZ内部固溶扩散。但是，无法使固溶量完全为0，即使在YSZ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YSZ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同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YSZ中的Mn因被置于还原气氛中而从YSZ脱离，结果表明此时使作为稳定剂的氧化钇同时从结晶抽离，固体电解质层发生晶变(从立方晶变化为正方晶)。

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YSZ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)。

发明内容

本发明人提供一种具备固体电解质层的SOFC，该固体电解质层具备如下特性，在具备扩散有来自氧极层的Mn、Fe的YSZ的SOFC中，抑制固溶扩散至YSZ中的Mn、Fe因被置于还原气氛而从YSZ脱离时作为稳定剂的氧化钇从结晶抽离，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。