[發(fā)明專利]用于燃料電池的電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件及其制造方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201680041824.0
• 申請(qǐng)日: 2016-07-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107851804A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 竹內(nèi)久雄;松浦尚;水原奈保;平巖千尋;粟津知之;真島正利
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 住友電氣工業(yè)株式會(huì)社
• 主分類號(hào): H01M4/86
• 分類號(hào): H01M4/86;H01M4/88;H01M8/02;H01M8/0258;H01M8/12
• 代理公司: 北京瑞盟知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11300
• 代理人: 劉昕

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及包括離子導(dǎo)電的固體電解質(zhì)的電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件以及制造該電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件的方法。

本申請(qǐng)要求2015年7月17日提交的日本專利申請(qǐng)2015-143012的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容在此通過(guò)引用并入。

背景技術(shù)

在包括離子導(dǎo)電的固體電解質(zhì)(SOFC)的燃料電池中，陽(yáng)極包括作為催化劑的鎳(Ni)成分和固體電解質(zhì)(金屬氧化物)。這種陽(yáng)極通常通過(guò)燒結(jié)包含固體電解質(zhì)和氧化鎳(NiO)的材料而形成。固體電解質(zhì)層和陽(yáng)極的復(fù)合部件(電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件)是例如通過(guò)使用包含固體電解質(zhì)和NiO的材料形成陽(yáng)極前驅(qū)體，然后將固體電解質(zhì)施加到陽(yáng)極前驅(qū)體的表面，隨后共燒結(jié)而制造的。此外，進(jìn)行處理以將NiO還原為Ni來(lái)增強(qiáng)Ni的催化劑功能，并使得陽(yáng)極多孔，允許陽(yáng)極滲透燃料氣體。在大多數(shù)情況下，還原處理是將電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件并入燃料電池中進(jìn)行的。

具體而言，當(dāng)釔摻雜的鈰酸鋇(BCY)被用作固體電解質(zhì)并且NiO被用作Ni時(shí)，形成包含BCY粉末和NiO粉末的粉末混合物(該混合物是陽(yáng)極材料)的陽(yáng)極，并且作為固體電解質(zhì)層材料的BCY粉末被薄薄地涂布在陽(yáng)極上。然后在使兩種材料變成致密的溫度(通常大約1,300℃至1,500℃)下進(jìn)行共燒結(jié)，以獲得包括含BCY的層和含BCY和NiO的層的電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件。然后將電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件結(jié)合到燃料電池中，并且在還原氣體比如氫氣的氣氛中進(jìn)行還原處理。

在電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件的制造過(guò)程和還原過(guò)程中，固體電解質(zhì)層與陽(yáng)極之間產(chǎn)生膨脹率和收縮率的差異。因此，電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件在這些過(guò)程中可能會(huì)翹曲。電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件的翹曲可能導(dǎo)致發(fā)電性能的降低，并且過(guò)度的翹曲可能導(dǎo)致電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件的破損。

專利文獻(xiàn)1公開(kāi)了控制固體電解質(zhì)的熱膨脹率。專利文獻(xiàn)2公開(kāi)了在NiO的還原期間控制電池的尺寸變化。

引用列表

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：特開(kāi)2013-206702號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：國(guó)際公開(kāi)號(hào)2011/074445

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一方面涉及用于燃料電池的電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件。電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件包括包含離子導(dǎo)電的金屬氧化物M1的固體電解質(zhì)層、包含離子導(dǎo)電的金屬氧化物M2和氧化鎳的第一陽(yáng)極層和介于固體電解質(zhì)層和第一陽(yáng)極層之間并且包含離子導(dǎo)電的金屬氧化物M3和氧化鎳的第二陽(yáng)極層。氧化鎳在第一陽(yáng)極層中的體積含量Cn1和氧化鎳在第二陽(yáng)極層中的體積含量Cn2滿足關(guān)系Cn1<Cn2。

本發(fā)明的另一方面涉及制造用于燃料電池的電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件的方法。該方法包括：第一步，制備包含離子導(dǎo)電的金屬氧化物M1的固體電解質(zhì)層材料、包含離子導(dǎo)電的金屬氧化物M2和鎳化合物N1的陽(yáng)極材料A以及包含離子導(dǎo)電的金屬氧化物M3和鎳化合物N2的陽(yáng)極材料B；第二步，形成包含陽(yáng)極材料A的第一陽(yáng)極層的前驅(qū)體層、包含陽(yáng)極材料B的第二陽(yáng)極層的前驅(qū)體層和包含固體電解質(zhì)層材料的固體電解質(zhì)層的前驅(qū)體層的積層體，以上多個(gè)前驅(qū)體層以該順序被放置在彼此上；和第三步，燒制積層體以形成第一陽(yáng)極層、第二陽(yáng)極層和固體電解質(zhì)層。氧化鎳在第一陽(yáng)極層中的體積含量Cn1和氧化鎳在第二陽(yáng)極層中的體積含量Cn2滿足關(guān)系Cn1<Cn2。

本發(fā)明的進(jìn)一步另一方面涉及燃料電池，其包括電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件、陰極、用于供給氧化劑至陰極的氧化劑流道和用于供給燃料至陽(yáng)極的燃料流道。

附圖說(shuō)明

圖1A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件的示意性截面圖。

圖1B是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件的示意性截面圖。

圖1C是根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步另一實(shí)施方式的電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件的示意性截面圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池的示意性截面圖。

圖3是傳統(tǒng)的電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件的示意性截面圖。

具體實(shí)施方式

[本公開(kāi)解決的問(wèn)題]

電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件(下文中簡(jiǎn)稱為復(fù)合部件)的翹曲由兩個(gè)因素引起：(i)在共燒結(jié)之后的冷卻期間固體電解質(zhì)層與陽(yáng)極之間的熱膨脹率的差異，和(ii)在NiO的還原處理期間固體電解質(zhì)層與陽(yáng)極之間的收縮量的差異。因此，專利文獻(xiàn)1和2中的方法不足以抑制電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件的翹曲。

[本公開(kāi)的效果]

根據(jù)本發(fā)明，可以有效地抑制制造過(guò)程中和還原過(guò)程中電解質(zhì)層陽(yáng)極復(fù)合部件的翹曲，而不降低燃料電池的發(fā)電性能。