[發明專利]固體電解質，固體電解質的制造方法，固體電解質層疊體，固體電解質層疊體的制造方法和燃料電池

有效

• 申請號: 201380017143.7
• 申請日: 2013-03-26
• 公開（公告）號: CN104205451A
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發明（設計）人: 平巖千尋;真島正利;山口篤;水原奈保;宇田哲也;韓東麟;倉滿晶子
• 申請（專利權）人: 住友電氣工業株式會社;國立大學法人京都大學
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;C04B35/48;H01B1/06;H01M8/12
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 丁業平;常海濤

技術領域

本申請的發明涉及固體電解質，固體電解質的制造方法等。具體而言，本發明涉及在小于或等于600℃范圍的中等溫度下操作并且容易制造的固體電解質，該固體電解質的制造方法等。

背景技術

固體氧化物燃料電池(以下稱作“SOFC”)高效且無需使用諸如鉑等昂貴的催化劑。另一方面，由于其操作溫度高達800℃至1000℃，出現這樣的問題：諸如內部連接件等的結構材料容易劣化。

為了解決上述問題，人們期待具有小于或等于600℃的較低操作溫度的在中等溫度下操作的SOFC。然而，在較低的操作溫度下，效率會降低，不利地導致不能確保預定的發電性能。因此，人們需要即使在低操作溫度下也能表現出高效率且能夠確保預定的發電性能的固體電解質。

作為固體電解質，采用具有氧離子傳導性或質子傳導性的物質。在采用具有氧離子傳導性的固體電解質的情況下，在燃料電極上，氧離子與氫結合以生產水。不利的是，該水稀釋了燃料從而降低了效率。

另一方面，具有質子傳導性的固體電解質，如釔摻雜鋯酸鋇(以下稱作“BZY”)，由于電荷轉移的活化能低，其能夠在低溫下獲得高質子傳導性，預期這樣的固體電解質是作為上述具有氧離子傳導性的固體電解質替代品的固體電解質材料。在采用具有質子傳導性的固體電解質的情況下，不會發生上述采用具有氧離子傳導性的固體電解質所存在的問題。

引用文獻列表

專利文獻

專利文獻1：日本專利特開No.2001-307546

發明內容

發明要解決的問題

上述BZY具有優異的化學穩定性，但存在以下不利之處：其作為多晶材料，燒結性不良，并且由于其晶粒小，晶界比率大，抑制了質子傳導性并降低了總導電率。因此，迄今為止上述BZY未被有效地利用。

具體而言，如果釔的摻雜量小于或等于10mol％(摩爾％)，那么，燒結時晶粒難以生長。因而，晶界表面密度增大，從而電阻增大。如果將其用于燃料電池，發電性能將會降低。

另一方面，如果摻雜了大于或等于15mol％的釔，將很難以分散的方式均勻地溶解釔。因此，在200℃至400℃的溫度范圍內，將會出現如下現象：非平衡相的弛豫發生，從而熱膨脹系數發生改變。

圖4示出了具有不同釔摻雜量的固體電解質的晶格常數相對于溫度變化而發生的變化。如該圖所示，在未摻雜釔的情況下，晶格常數相對于溫度變化的變化率基本上是恒定的，并且晶格常數按照具有預定斜率的線性圖型的線性函數增加。另一方面，隨著釔的摻雜量增加，相對于同一溫度的晶格常數以確定的比例增加，并且在400℃左右的溫度范圍內，出現了這樣的區域：晶格常數的數值偏離線性函數的直線附近而大大增加。晶格常數大大增加的上述區域在釔的摻雜量超過15mol％時出現，并且在20mol％時變得顯著。這推測是因為在上述溫度區間發生了非平衡相的弛豫。

需要說明的是，通過從高溫XRD測定結果的Rietveld分析來計算上述晶格常數。

由于晶格常數表示晶體的單位晶胞的各邊的長度，熱膨脹系數將根據晶格常數的上述變化而變化。即，當釔的摻雜量增加時，在400℃左右的區域內熱膨脹系數大大改變。在使用上述燃料電池用固體電解質的情況下，電極層層疊在薄膜固體電解質層的兩側上。構成上述電極層的材料具有基本不變的熱膨脹系數，且熱膨脹與溫度成正比。因此，在采用具有大的釔摻雜量的固體電解質的情況下，在400℃左右，在通過層疊上述固體電解質和上述電極材料而形成的層疊體的界面處產生了大的剪切力，出現的問題是：在固體電解質層中產生裂縫，電極層被剝離。因此，不利的是，不能確保制造工藝的產率和燃料電池的耐久性。

為解決上述問題，得出了本申請的發明，本發明的目的在于提供一種由釔摻雜鋯酸鋇制成的固體電解質及其制備方法等，在所述固體電解質中，即使釔的摻雜量增加時，熱膨脹系數也不會發生上述變化。

解決問題的方案

本申請的權利要求1限定的發明涉及一種由具有氫離子傳導性的釔摻雜鋯酸鋇制成的固體電解質，上述釔的摻雜量為15mol％至20mol％(大于或等于15mol％且小于或等于20mol％)，并且上述固體電解質的晶格常數在100℃至1000℃(大于或等于100℃且小于或等于1000℃)下相對于溫度變化的增長率基本上是恒定的。

在本申請的發明中，釔的摻雜量設為15mol％至20mol％。由此，可以確保高的質子傳導性，并能提高燒結性。