[發明專利]電池結構體及其制造方法以及燃料電池

有效

• 申請號: 201580061586.5
• 申請日: 2015-10-20
• 公開（公告）號: CN107112564B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 東野孝浩;野田陽平;平巖千尋;水原奈保;俵山博匡;竹內久雄;真島正利
• 申請（專利權）人: 住友電氣工業株式會社
• 主分類號: H01M8/1253
• 分類號: H01M8/1253;H01M8/126;H01M8/1246
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 王靜;高釗

本發明提供了一種電池結構體，該電池結構體包括陰極、陽極、和具有質子傳導性并介于所述陰極和所述陽極之間的固體電解質層。該固體電解質層包含具有鈣鈦礦結構并且含有鋯、鈰和除鈰以外的稀土元素的化合物。如果T為所述固體電解質層的厚度，則在距離所述固體電解質層的陰極側的表面0.25T的位置處的鋯與鈰的元素比：即Zr_C/Ce_C，以及在距離所述固體電解質層的陽極側的表面0.25T的位置處的鋯與鈰的元素比：即Zr_A/Ce_A，滿足Zr_C/Ce_CZr_A/Ce_A，且Zr_C/Ce_C1。

技術領域

本發明涉及包括質子傳導性固體電解質的電池結構體和燃料電池。

背景技術

燃料電池是通過諸如氫氣和空氣(氧氣)之類的燃料之間的電化學反應來發電的裝置，并且由于燃料電池可以將化學能直接轉化為電，所以其具有高發電效率。特別地，工作溫度為700℃以上、特別為800℃至1,000℃左右的固體氧化物型燃料電池(以下稱為SOFC)具有高的反應速度，并且由于所有的電池元件均為固體，所以該固體氧化物型燃料電池易于處理。然而，因為SOFC的工作溫度非常高，所以它們的應用限于大型發電系統和家用發電。隨著當今對節能日益增長的需求，需要擴大發電效率高、噪音低、環境有害物質排放少并且電池結構簡單的SOFC的應用范圍。

SOFC具有高的工作溫度，使得氧化物離子可以遷移通過陶瓷固體電解質。因此，由于質子可以在中溫范圍(例如，400℃至600℃)內遷移，所以研究已經涉及使用氫離子(質子)而不是氧化物離子作為電荷載體的質子陶瓷燃料電池(PCFC)。這些燃料電池需要質子傳導性固體電解質。已知的質子傳導性固體電解質的實例包括具有鈣鈦礦結構的化合物，例如，諸如釔摻雜的鋯酸鋇(以下稱為BZY)和釔摻雜的鈰酸鋇(以下稱為BCY)之類的金屬氧化物(專利文獻1)。

金屬氧化物易于受潮。特別地，據報道含有鈰的金屬氧化物比含有鋯的金屬氧化物更容易受潮(非專利文獻1)。

引用列表

專利文獻

專利文獻1：日本未審查專利申請公開No.2001-307546

非專利文獻

非專利文獻1：固態離子，145(2001)，349-355

發明內容

技術問題

雖然包括由BCY形成的固體電解質層的燃料電池最初表現出良好的發電性能，但其耐久性低。這可能是因為：在發電期間，在燃料電池的陰極處產生的水與BCY反應，從而使BCY分解并在陰極和固體電解質層之間的界面中產生反應產物。

另一方面，雖然包括由BZY形成的固體電解質層的燃料電池具有高耐久性，但是其發電性能低。這是因為：盡管BZY對濕氣相對穩定，但是其燒結性低，因此含有許多導致高電阻的晶粒間界。

專利文獻1提出了含有鋯和鈰的鈣鈦礦型氧化物(BZCY)，然而其具有比BCY高的電阻，因此發電性能比BCY低。

問題的解決方案