[發明專利]固體氧化物型燃料電池

有效

• 申請號: 201280016340.2
• 申請日: 2012-01-31
• 公開（公告）號: CN103534854A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 島津惠美;上野晃;阿部俊哉;宮尾元泰;樋渡研一
• 申請（專利權）人: TOTO株式會社
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;C04B35/48;C04B41/87;H01B1/06;H01M4/86;H01M8/12
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉力;楊思捷

技術領域

本發明涉及一種固體氧化物型燃料電池。

背景技術

以往，固溶有氧化釔的氧化鋯(以下記為YSZ)這樣的固體電解質材料被應用于固體氧化物型燃料電池(以下簡稱為SOFC)等的用途。由于SOFC與其它的燃料電池即磷酸型、熔融碳酸鹽型等相比，發電效率高，排熱溫度也高，因此作為下一代類型的節能發電系統而受到關注。

SOFC的基本構成具備固體電解質層、燃料極層及氧極層，氫(H₂)等的燃料氣體與面向固體電解質層的一側的燃料極層貫流接觸，空氣或氧(O₂)等的氧化劑氣體與面向固體電解質層的相反面的氧極層貫流接觸時，氧極層中產生的氧離子(O^2-)沿固體電解質層移動并到達燃料極層，在燃料極層中O^2-與H₂發生反應，通過電化學反應而得到電力輸出。

在這種反應機理中，作為SOFC的固體電解質材料所要求的特性可列舉出：(1)具有高氧離子導電性；(2)長期耐久性優異；(3)具有高材料強度等，在氧化鋯系固體電解質材料中，尤其從長期耐久性的觀點出發，最為優選的材料是YSZ。

作為SOFC的氧極層，通常使用固溶有鍶的錳酸鑭(以下表示為LSM)、固溶有鍶的鐵酸鑭(以下表示為LSF)以及固溶有鍶和鐵的鈷酸鑭(以下表示為LSCF)。由于在使用上述材料并用燒結法制造氧極層時及運行時，單電池處于高溫，因此使用LSM的情況下則錳(Mn)擴散至固體電解質層即YSZ中，而使用LSF及LSCF的情況下則鐵(Fe)擴散至固體電解質層即YSZ中，使氧離子導電性下降。因而提出了一種為了抑制該擴散而在YSZ中含有氧化鋁的固體電解質層(參照日本國特開平11-354139)。另外，雖然在日本國特開平11-354139中未記載擴散抑制效果，但是其它發明中的關于在固溶有氧化鈧的氧化鋯中含有氧化鋁的固體電解質層則記述有擴散效果，推測具有同樣的效果(參照日本國特開平8-250135)。

通過在YSZ中含有氧化鋁，可以抑制Mn、Fe從氧極向YSZ內部固溶擴散。但是，無法使固溶量完全為0，即使在YSZ的燃料極層界面附近也依然固溶擴散有微量的Mn、Fe。

在將LSM用于氧極層而在固體電解質層中具備YSZ的SOFC中，進行幾百～幾千小時的長期耐久試驗時，確認了在燃料極附近同體電解質層的一部分發生粉末化。經過各種調查，結果發現固溶擴散至YSZ中的Mn因被置于還原氣氛中而從YSZ脫離，結果表明此時使作為穩定劑的氧化釔同時從結晶抽離，固體電解質層發生晶變(從立方晶變化為正方晶)。

可以認為燃料極界面附近的Mn的固溶擴散量因氣氛而變化，當SOFC被置于還原氣氛時，所固溶的Mn的一部分從YSZ向燃料極側脫出，推測關于Fe也發生與Mn同樣的現象。

在固體電解質層中的被燃料極層覆蓋的部分上，雖然在幾千小時的長期耐久試驗中未確認到粉末化，但是由于與發生粉末化的部分同樣發生了晶變，因此推測如若進行幾萬小時運行則終究會發生粉末化，在固體電解質層和燃料極層之間發生剝離(以下表示為粉化剝離)。如果發生粉化剝離則變得無法取出電力，導致無法發電。SOFC要求在投放期為40000小時、在普及期為90000小時左右的壽命，在此所示的粉化剝離是在市場投放中必須解決的技術課題。

對粉末化部分進行SEM觀察，結果可知粒子從晶界脫落，發生粉末化。推測這是因為從立方晶變化為正方晶而導致體積收縮，從而在晶界發生斷裂(參照圖1)。

發明內容

本發明人提供一種具備固體電解質層的SOFC，該固體電解質層具備如下特性，在具備擴散有來自氧極層的Mn、Fe的YSZ的SOFC中，抑制固溶擴散至YSZ中的Mn、Fe因被置于還原氣氛而從YSZ脫離時作為穩定劑的氧化釔從結晶抽離，并且為了即使發生晶變也能消除伴隨晶變的晶界斷裂而提高粒子間強度。