[发明专利]固体电解质层叠体、固体电解质层叠体的制造方法、以及燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及固体电解质层叠体、固体电解质层叠体的制造方法以及燃料电池。具体而言，本发明涉及这样的固体电解质层叠体，该固体电解质层叠体中燃料气体流动通过燃料电极的阻力低，从而能够使大量燃料气体在燃料电极上反应，本发明还涉及制造这种固体电解质层叠体的方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(下文称作“SOFC”)的效率高，并且不需要铂等昂贵催化剂。然而，SOFC的问题在于其在高温(即，800℃至1,000℃)下运行，在这种温度下连接体(interconnectors)等部件易于劣化。

为了解决上述问题，人们期待可使用在600℃以下的温度下工作的中温SOFC。不利的是，在低运行温度下工作的SOFC存在效率低且不能提供所需的发电性能的问题。因此，需要这样一种固体电解质，这种固体电解质能够在低工作温度下具有高效率，并且能够提供所需的发电性能。

固体电解质包括氧离子传导性固体电解质和质子传导性固体电解质。使用氧离子传导性固体电解质的问题在于：在燃料电极上氧离子与氢结合而生成水，水会将燃料稀释从而使效率降低。

诸如钇掺杂锆酸钡(下文称作“BZY”)之类的质子传导性固体电解质具有较低的载流子输送活化能，因此可在低温下提供高质子传导率，人们期待可将这种质子传导性固体电解质用作氧离子传导性固体电解质的替代品。质子传导性固体电解质的使用也消除了上述氧离子传导性固体电解质的问题。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利No.3733030

发明内容

技术问题

为了提高中温SOFC的发电效率，需要向燃料电极提供大量燃料气体并使之在燃料电极上反应。为了提高燃料电极上的气体的反应效率，可使用多孔燃料电极从而为燃料气体提供更大的可供反应的面积。

然而，燃料电极要求具有一定的密度，以提供与固体电解质层之间所需的接合强度。形成燃料电极的部分也常用作供固体电解质层形成于其上的基材。因此，难以形成具有高孔隙率的多孔燃料电极。

为了减小燃料电池的尺寸并提高固体电解质层叠体的效率，优选的是将固体电解质层叠体的厚度降至最小。然而，薄的固体电解质层叠体的机械强度低，因此易于发生破损。

为了解决上述问题而进行了本发明，本发明的目的是提供一种固体电解质层叠体以及制造这种固体电解质层叠体的方法，该固体电解质层叠体能够使得大量的气体被提供至燃料电极，同时其还具有更高的强度。

问题的解决手段

本发明的实施方案为一种固体电解质层叠体，其包括固体电解质层、设置于该固体电解质层的一侧的第一电极层、以及设置于固体电解质层的另一侧的第二电极层。第一电极层形成为燃料电极，至少第一电极层包括与固体电解质层接合的接合层、以及具有连通孔且一体地形成于接合层上的多孔层。

在本发明的一个实施方案中，至少形成为燃料电极的第一电极层包括接合层和多孔层。接合层的密度高于多孔层，其能够提供与固体电解质层间足够的接合强度。

多孔层具有连通孔，并具有足够高的孔隙率以使燃料气体易于流动。这使得燃料气体能够流过多孔层，从而使大量燃料气体在第一电极层(燃料电极)上发生反应。

即使接合层比常规燃料电极更薄，多孔层仍能起到加强层的功能，从而提供足够的强度。这提高了固体电解质层叠体的强度。

接合层和多孔层优选由金属材料制成。如果这些层由金属材料制成，则能够容易地使之接合为一体。由金属材料制成的多孔层还能够形成可变形电极。这种多孔层可起到保护层的作用，不仅能够缓解机械冲击，还能缓解热冲击或外部冲击。在燃料电池发生故障时，氧可能会流至阳极并将其氧化，阳极会发生体积变化，从而使固体电解质层叠体损坏。然而，如果使用镍-铁金属阳极，则铁快速发生氧化并形成致密的表层，其能够阻止镍的内部氧化，从而几乎不会发生体积变化。

为了提供在中温范围内、即在600℃以下充分运行的燃料电池，优选将质子传导性固体电解质用于固体电解质层。如果使用了质子传导性固体电解质，则阳极上的反应不会生成水，因此多孔阳极不会形成排水通路。由此，与氧离子传导性固体电解质相比，能够更高效地向固体电解质提供燃料气体。可使用的质子传导性固体电解质的例子包括由钇掺杂锆酸钡(BZY)、钇掺杂的铈酸钡(BCY)、BaZr_xCe_1-x-yY_yO_3-δ(BZCY)等材料制成的质子传导性固体电解质。