[發明專利]固體氧化物燃料電池

有效

• 申請號: 200710103760.5
• 申請日: 2007-05-23
• 公開（公告）號: CN101079495A
• 公開（公告）日: 2007-11-28
• 發明（設計）人: 堀內道夫;德武安衛;菅沼茂明;吉池潤;片桐史雅
• 申請（專利權）人: 新光電氣工業株式會社
• 主分類號: H01M8/24
• 分類號: H01M8/24;H01M2/02
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司
• 代理人: 丁業平;張天舒

技術領域

本發明涉及固體氧化物燃料電池，特別是涉及一種結構簡單的、能夠高密度地發電并易于控制的固體氧化物燃料電池。

背景技術

關于現代社會中的大問題，可以列舉出能源問題和環境問題。燃料電池技術作為一種有助于克服這些問題的技術備受期待，為了達到較高的效率和低的成本，人們正對燃料電池進行各種研究。

根據構成電池的電解質的種類，燃料電池被分為四種類型。也就是，1)電解質為聚合物交換膜的固體聚合物型燃料電池，2)電解質為磷酸的磷酸型燃料電池，3)電解質為碳酸鹽的熔融碳酸鹽型燃料電池，和4)電解質為固體氧化物的固體氧化物型燃料電池。

本發明涉及第四種燃料電池，也就是固體氧化物燃料電池(下文中，有時稱為“SOFC(固體氧化物燃料電池)”)。

SOFC

SOFC采用(例如)陶瓷類固體氧化物電解質。由于其可以在大約1000℃的高溫下工作，而不需要使用昂貴的催化劑(例如Pt(鉑))，因此可以降低操作成本。而且，由于工作溫度高，所以發電時排放的廢熱的溫度也高。從而，當這種廢熱被用來操作渦輪發電機時，由SOFC和渦輪發電機發的電組合起來能夠達到大約70％的發電效率。由于不必從外部供應提取氫氣所需的熱量，所以可以實現高效率地發電。從而，作為燃料，除了氫氣以外，也可以有利地依本來狀態使用通常的碳氫化合物(例如城市煤氣和生物質氣體)。

此外，由于SOFC的輸出密度高于其它電池，因此可以使系統小型化。在SOFC中，當由陶瓷(穩定的氧化鋯化合物，例如YSZ(氧化釔穩定的氧化鋯))形成的固體電解質暴露于高溫時氧化物離子可自由通過的這種性能有利于發電。

電池單元

固體氧化物燃料電池的電池單元2的結構如圖6所示。在固體氧化物燃料電池中，陰極電極層23(由斜向下的陰影線表示)形成在長方形的平面固體氧化物基體21的一個表面上，陽極電極層22(由斜向上的陰影線表示)形成在該基體的與上述表面相背的表面上，并且，由固體氧化物基體21、陰極電極層23和陽極電極層22構成一個固體氧化物燃料電池的電池單元2。在陰極電極層23這一側上供給氧氣或含氧氣體，在陽極電極層22這一側上供給燃料氣體(例如甲烷)。電池單元2可以被成形為圓形或其它形狀。

發電原理

下面將描述固體氧化物燃料電池單元2的發電原理。

在電池單元2中，供給到陰極電極層23的氧氣(O₂)在陰極電極層23和固體氧化物基體21之間的界面處被離子化而成為氧氣離子(O₂^-)，并且該氧氣離子穿過固體氧化物基體21而移動到陽極電極層22。在陽極電極層22界面，氧氣離子與供給到陽極電極層22的氣體(例如甲烷(CH₄)氣體)反應生成水(H₂O)、二氧化碳(CO₂)、氫氣(H₂)和一氧化碳(CO)。在這個反應中，電子從氧氣離子中釋放出來。

在這種情況下，當外部導線L1和L2被連接到陰極電極層23和陽極電極層22時，電子通過導線從陽極電極層22流到陰極電極層23這一側(也就是，電流通過導線從陰極電極層23流向陽極電極層22)，由此可以實現發電。

在發電過程中，氧氣離子移動進入固體氧化物基體21的內部以到達陽極電極層22。當固體氧化物基體溫度低時，由于內部阻抗變大，使得氧氣離子難以移動并且難以發生反應，因而不能發電。就此而論，為了促使反應，基體溫度必須被提高到大約800到1000℃范圍內的發電溫度。因此，必須加熱電池單元的周圍，或者必須燃燒燃料(參見專利文獻1)。

電池單元的構成材料

下面將說明構成電池單元2的固體氧化物基體21、陽極電極層22和陰極電極層23的材料和結構。

在固體氧化物基體21中，例如，可以使用下面所示的已知材料：

a)YSZ(氧化釔穩定的氧化鋯)，ScSz(鈧穩定的氧化鋯)，以及通過對它們摻雜Ce或Al而得到的氧化鋯基陶瓷；

b)二氧化鈰基陶瓷，例如SDC(氧化釤摻雜的二氧化鈰)和GDC(氧化釓摻雜的二氧化鈰)；以及

c)LSGM(鎵酸鑭)和鉍氧化物基陶瓷。

此外，在陽極電極層22中，例如，可以采用已知材料，并且可以使用下面所示的材料：