[發明專利]離子電解質膜結構體及其制造方法以及使用離子電解質膜結構體的固體氧化物型燃料電池

有效

• 申請號: 201010151083.6
• 申請日: 2010-03-23
• 公開（公告）號: CN101847731A
• 公開（公告）日: 2010-09-29
• 發明（設計）人: 伊東雅宏
• 申請（專利權）人: 住友金屬礦山株式會社
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M2/16;H01M8/10
• 代理公司: 隆天國際知識產權代理有限公司 72003
• 代理人: 菅興成;吳小瑛

技術領域

本發明涉及具有高離子傳導率的離子電解質膜結構體及其制造方法，以及使用離子電解質膜結構體的固體氧化物型燃料電池。

背景技術

隨著生活水平的提高，在生活的各個方面使用電器，房間也比以前更喜歡明亮，與此相應地導致照明用電消費量的增加。另外，隨著電腦用因特網、數字通信的盛行，也導致電消費量的增加。然而，現狀是發電廠的建設不能滿足電消費量的增加，今后，為了滿足日益增加的電需求量，還必須考慮太陽能電池等可再生能源的利用。

目前，大型發電廠的建設較困難，另外，在以往的發電送電方式中，不能忽視輸電損耗，因此，認為今后分散型發電會成為主流。在每個家庭安裝太陽能電池，以供應自家的大部分電力消費的方式也被認為是重要的方法。另外，利用城市煤氣等的燃料電池的利用也會成為重要的選擇方式。

燃料電池有各種方式。在目前作為主流燃料電池的固體高分子型燃料電池(以下，有時稱作“PEFC”)中，由于作為質子(氫離子)傳導的輔助機理必須使用水分，因此，受限于只能在100℃以下的環境下使用。還有，實際的使用溫度為80℃以下，熱的利用受限，還有將薄樹脂用作電解質膜，因此，在壽命上有問題。

另一方面，作為被認為最適合每個家庭、便利店、商店這樣的中等程度的電力消費者的方式，有固體氧化物型燃料電池(以下，有時稱作“SOFC”)。作為SOFC的基本構成要素，有具有離子的選擇透過性的固體電解質和從兩側夾住該固體電解質而配置的兩個電極(空氣電極和燃料電極)。而且，通過向空氣電極流入氧、向燃料電極流入氫而進行化學反應，從而發電。作為電解質，只要是能夠使氧離子和氫離子中的任意一者通過的材料即可，通常，由于在材料方面受限，因此，使用具有氧離子透過性的材料。作為電解質材料，使用向氧化鋯添加氧化釔來使其結構穩定的穩定氧化鋯(以下，有時稱作“YSZ”)，作為空氣電極，使用具有鈣鈦礦結構且鑭的一部分被堿土類金屬取代的錳酸鑭(Lanthanum?Manganite)[La_1-X(M)_x]_yMnO₃(M：堿土類金屬)，作為燃料電極，使用在YSZ中混合規定量的Ni而調整的鎳-氧化鋯金屬陶瓷。

而且，作為SOFC的結構，例如，已知如圖1所示的由具有燃料通路47和氧化劑通路48的連接器44夾持單電池40的、向電解質賦予了機械強度的結構，其中，所述單電池40是在固體電解質41的兩面設置空氣電極42和燃料電極43而成。

由于上述SOFC是將無機材料用于電解質中，因此在壽命方面有優點，由于使用溫度高，因此也可以利用熱，總效率達到50％以上，超過PEFC的35％左右的效率。另外，在PEFC中作為催化劑必須使用高價的鉑催化劑，但是，就在200℃以上的高溫下使用的SOFC而言，其特征是完全不需要如鉑等催化劑，或者只采用至少比在室溫下工作的PEFC少的使用量即可，從這一點也可以說比SOFC優異，因此，有望實現實用化。

而且，在以往的SOFC中，如上所述地將YSZ等用作電解質材料，利用氧離子傳導，但由于離子傳導率低，因此，為了確保所需的離子傳導率，必須達到某種程度的高溫，通常在800℃左右發電。但是，當使用溫度為高溫時，有時電池內部會產生大的溫度差，由于該原因，有時因熱膨脹差導致斷裂。

作為應對措施，在啟動SOFC或關閉SOF時，有必要花幾個小時使溫度緩慢變化，不能用于頻繁操作ON-OFF的家庭用途等中，而是適用于晝夜連續使用電的便利店等中。另外，由于在高溫下使用，因此，除了因熱膨脹差導致的破壞以外，還有因電解質膜內的粒生長或形狀變化導致的破壞等。而且，為了將能量效率高的SOFC的使用范圍擴大至包括普通家庭的范圍，由于上述理由，降低使用溫度成了要解決的課題。為此，希望能夠開發出在500℃以下、或者在更低的接近室溫的溫度下也具有高離子傳導率的材料。