[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

CN1954455A - 燃料电池 - Google Patents

燃料电池 Download PDF

Info

Publication number
CN1954455A
CN1954455A CNA200580006893XA CN200580006893A CN1954455A CN 1954455 A CN1954455 A CN 1954455A CN A200580006893X A CNA200580006893X A CN A200580006893XA CN 200580006893 A CN200580006893 A CN 200580006893A CN 1954455 A CN1954455 A CN 1954455A
Authority
CN
China
Prior art keywords
dielectric substrate
catalytic metal
fuel cell
decomposition reaction
soild oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CNA200580006893XA
Other languages
English (en)
Inventor
饭岛昌彦
荻野温
伊藤直树
青山智
井口哲
木村宪治
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Publication of CN1954455A publication Critical patent/CN1954455A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H01M8/126—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides the electrolyte containing cerium oxide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9041—Metals or alloys
    • H01M4/905—Metals or alloys specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明提供具有单电池(20)的燃料电池，其包括作为层形式、配置有催化金属的透氢金属层(22)和阴极(24)，所述催化金属用于在燃料电池发电过程中促进供给至燃料电池的反应性材料的反应。此外，该燃料电池具有由固体氧化物形成的电解质层(21)。该电解质层(21)具有高晶界密度电解质层(27)，和作为分解反应抑制部、用于抑制由催化金属导致的固体氧化物分解反应的低晶界密度电解质层(25)与(26)。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池。
背景技术
过去已提出了各种类型的燃料电池。例如，公知的有用于电解质的结构，其中在具有质子传导性的钙钛矿型固体氧化物层上形成钯金属膜。
这样，当在固体氧化物上形成钯金属膜时，由于邻近电解质层设置的金属例如钯，有可能进行固体氧化物的分解反应。进一步详细地说，贵金属钯作为分解作为复合氧化物的固体氧化物的催化剂起作用，并且由于固体氧化物的分解导致固体氧化物的质子传导性逐渐降低，从而存在燃料电池性能降低的可能性。这一问题并不限于上述情形，例如在固体氧化物上设置作为电极的金属层的情况下也可发生，并且在将固体氧化物和具有促进固体氧化物分解反应活性的金属相邻设置的情况下也是共有的问题。
发明内容
本发明的意图在于解决上述常规问题，本发明目的是在固体氧化物型燃料电池中防止由邻近电解质层的金属而导致电解质层的分解。
为实现该目的，本发明提供第一燃料电池。该第一燃料电池包括配备有催化金属的催化金属部，该催化金属部用于在燃料电池发电过程中促进供给至燃料电池的反应性材料的反应；和由固体氧化物形成的电解质层，其邻近于催化金属部设置，具有分解反应抑制部，用于抑制由催化金属导致的固体氧化物分解反应。
根据本发明的第一燃料电池，电解质层具有邻近于催化金属部设置的分解反应抑制部，因此可以抑制因催化金属而导致的电解质层分解反应，并防止燃料电池性能的降低。
在本发明的第一燃料电池中，分解反应抑制部可以是在邻近催化金属部的电解质层侧的表面附近形成的区域，其中所述区域的固体氧化物中晶界密度比电解质层中其它区域低。
根据这样的结构，通过在邻近催化金属部的电解质层侧的表面附近提供与电解质层中晶粒内相比晶界密度低、受到分解和其它反应的反应性高的区域，可以抑制电解质层中分解反应的进行。
另外，在本发明的第一燃料电池中，分解反应抑制部可以是在邻近催化金属部的电解质层侧的表面附近形成的区域，其中所述区域由固体氧化物形成，该固体氧化物的由催化金属导致分解的分解反应性比电解质层中其它区域低。
根据这样的结构，通过由催化金属导致的分解反应性比其它区域低的固体氧化物形成邻近催化金属部的电解质层侧的表面附近的区域，可以抑制电解质层中分解反应的进行。
在本发明的第一燃料电池中，用于形成分解反应抑制部的固体氧化物可具有比形成其它区域的固体氧化物低的离子传导性。通常，离子传导性越低，则构成固体氧化物的晶体内的原子间结合就越强，从而使分解反应性降低。因此，使用具有低离子传导性的固体氧化物，可容易地形成带有分解反应抑制部的电解质层。
本发明的第二燃料电池包含由固体氧化物制成的电解质层；具有催化金属的催化金属部，所述催化金属用于在燃料电池发电过程中促进供给至燃料电池的反应性材料的反应；和设置于电解质层和催化金属部之间的分解反应抑制部，其用于抑制由催化金属导致的固体氧化物分解反应。
根据本发明的第二燃料电池，在电解质层和催化金属部之间具有用于抑制由催化金属导致的固体氧化物分解反应的分解反应抑制部，因此燃料电池中电解质层的分解可被抑制，从而防止了燃料电池性能的下降。
在本发明的第二燃料电池中，分解反应抑制部可由耐分解材料构成，该耐分解材料具有可使相同传导类型的离子通过电解质层的离子传导性，并且其由催化金属导致分解的分解反应性比固体氧化物低。
根据这样的结构，在电解质层和催化金属部之间设置耐分解材料，从而可抑制电解质层的分解，防止燃料电池性能的降低。
另外，在本发明的第二燃料电池中，分解反应抑制部可由低分解材料构成，该低分解材料具有可使相同传导类型的离子通过电解质层的离子传导性，并且其分解固体氧化物的活性比催化金属低。
根据这样的结构，在电解质层和催化金属部之间设置低分解材料，从而可抑制电解质层的分解，防止燃料电池性能的降低。该低分解材料还可具有导电性。
在本发明的该第二燃料电池中，分解反应抑制部可以由耐分解材料或低分解材料以覆盖电解质层表面的层状形成，并且催化金属部可设置于该分解反应抑制部之上。
在此情况下，通过以覆盖电解质层表面的层状形成的分解反应抑制部，可抑制电解质层的分解。
或者，在本发明的该第二燃料电池中，催化金属部可由以粒子状态以承载物形式(support formation)分散于电解质层上的催化金属形成，分解反应抑制部可由覆盖所述催化金属的一部分粒子表面、从而置于所述催化金属粒子和所述电解质层之间的耐分解材料或低分解材料形成。
在此情况下，通过覆盖一部分催化金属粒子表面的反应抑制部可抑制电解质层的分解。
在本发明的第一和第二燃料电池中，固体氧化物可具有质子传导性，催化金属可以是透氢金属，催化金属部可以是覆盖置于电解质层上的分解抑制部的精细透氢金属层。
在此情况下，在透氢金属层上形成具有质子传导性的电解质层的燃料电池中，可抑制由透氢金属导致的电解质层的分解。
本发明除上述提及的方式外尚可以诸多方式实现。例如，可以燃料电池的制造方法、防止燃料电池劣化的方法等形式实现本发明。
附图简述
图1是概括性地显示单电池构造的断面示意图。
图2是表示电解质层构造的说明图。
图3是表示电解质层构造的说明图。
图4是表示第三实施方案的燃料电池构造的说明图。
图5是表示第四实施方案的燃料电池阴极构造的说明图。
图6是表示用于形成阴极的制造方法的说明图。
图7是表示第五实施方案的燃料电池阴极构造的说明图。
图8是表示第五实施方案的变形例的燃料电池构造说明图。
图9是表示第五实施方案的变形例的燃料电池构造说明图。
本发明最优实施方式
下文基于实施方案描述本发明的实现方式。
A.第一实施方案：
参照图1，其概括性地给出了对构成本实施方案燃料电池的单电池20的结构描述。图1是断面示意图，其示出了构成本实施方案燃料电池的单电池20的概括结构。单电池20具有由透氢金属层22、在透氢金属层22表面上形成的电解质层21、和形成于电解质层21上的阴极24构成的层构造。另外，单电池20的层结构具有两个从两侧夹持的气体分离器28和29。在气体分离器28和透氢金属层22之间形成单电池内燃料气体通道30，供含氢的燃料气体通过。另外，在气体分离器29和阴极24之间形成单电池内氧化气体通道32，供含氧的氧化气体通过。
透氢金属层22是由具有透氢性的金属形成的致密层。例如，该层可由钯(Pd)或Pd合金形成。另外，以V族金属如钒(V)(除钒外还有铌、钽等)或其合金作为基材，在其至少一个表面(单电池内燃料气体通道表面)上形成Pd或Pd合金层的多层膜也是可以的。透氢金属层22在本发明燃料电池中起阳极作用。
电解质层21由具有质子传导性的固体氧化物形成。钙钛矿型陶瓷质子导体如BaCeO3或SrCeO3型可用作构成电解质层的固体电解质。可通过在透氢金属层22上生成固体氧化物而形成电解质层21。这样，在精细的透氢金属层22上形成膜形式的电解质层21，使得可以将电解质层21充分薄膜化。通过形成电解质层21薄膜，可减少其膜电阻，从而可在约200～600℃下运行燃料电池，该温度比常规固体电解质型燃料电池的运行温度低。电解质层21的厚度可以是例如0.1～5μm之间。
下面参照图2详细描述电解质层21的构造。图2表示电解质层21的结构说明图。本实施方案的电解质层21由具有晶体结构的固体氧化物形成。如图2所示，电解质层21具有三层结构，包括邻近透氢金属层22的低晶界密度电解质层25，邻近阴极24的低晶界密度电解质层26，和置于其间的高晶界密度电解质层27。低晶界密度电解质层25和26由晶体粒径比高晶界密度电解质27大的固体氧化物形成。进一步详述，构成电解质层的固体氧化物的晶界密度比高晶界密度电解质层27的低。本实施方案的特征在于，通过在电解质层21中提供低晶界密度电解质层25和26，防止由构成透氢金属层22和阴极24的催化金属导致的电解质层21分解。
这样的电解质层21可通过例如物理气相沉积(PVD)而形成。为在透氢金属层22上形成低晶界密度电解质层25，对包含衬底的透氢金属层22的温度、及当固体氧化物与衬底碰撞时使用的能量进行调节，从而在成膜过程中提供充分的结晶化能量，从而使晶粒生长至期望的尺寸。为在低晶界密度电解质层25上形成高晶界密度电解质层27，对衬底(表面上形成有低晶界密度电解质层25的透氢金属层22)的温度、及当固体氧化物与衬底碰撞时使用的能量进行调节，从而减少成膜过程中的结晶化能量，从而使晶粒直径生长至比低晶界密度电解质层25小的尺寸。为在高晶界密度电解质层27上形成低晶界密度电解质层26，对固体氧化物与衬底碰撞时使用的能量进行调节，从而使成膜过程中的结晶化能量增加，从而使膜生长的晶粒直径比高晶界密度电解质层27的大。或者，在高晶界密度电解质层27上形成固体氧化物层之后，可采用例如激光退火对所形成的固体氧化物层进行加热，从而增加晶粒直径，并且形成低晶界密度电解质层26。通过该过程，可形成具有三层结构的电解质层21。可采用PVD之外的方法形成该电解质层21，只要形成高晶界密度电解质层置于两个低晶界密度电解质层之间的三层结构即可。例如，采用当朝向衬底排出固体氧化物材料时晶粒直径变大的方法来增加晶粒直径，由此可形成低晶界密度电解质层25和26。作为与PVD相比向衬底排出材料时增加晶粒直径的方法，例如可以列举：生成包括小滴的各种尺寸的簇的弧离子电法，及团簇沉积法。另外，通过在成膜过程中调节方法的条件，例如施加的电压，可进一步控制成膜过程中的晶粒直径。低晶界密度电解质层25和低晶界密度电解质层26的厚度可以是，例如0.05～0.1μm之间。
阴极24是配备有具有促进电化学反应的催化活性的催化金属的层。在本实施方案中，通过在电解质层21上形成贵金属Pt层而设置该阴极24。本实施方案的阴极电解质24未作为致密金属膜完全覆盖电解质层21，而是整体充分薄地形成从而具有多孔性。这样，使阴极24具有多孔性，从而确保了阴极24中的三相界面。阴极24可由PVD、化学气相沉积(CVD)或电镀法等形成。
尽管图1中未给出，但在透氢金属层22与气体分离器28之间和/或阴极24与气体分离器29之间也可设置具有导电性和透气性的集电部。该集电部可由多孔发泡金属或金属网基材、碳布或碳纸、导电陶瓷等形成。希望的是由与邻近集电部的气体分离器28与29相同类型的材料形成集电部。
气体分离器28和29是不透气的板状构件，由导电材料如碳或金属形成。如图1中所示，气体分离器28和29各自的表面形成规定的凹凸形状，用于形成单电池内燃料气体通道30和单电池内氧化气体通道32。在本实施方案的燃料电池中，气体分离器28和29之间实际上无区别。在一个气体分离器的表面上，形成规定的单电池20的单电池内燃料气体通道30作为气体分离器28，在另一表面上，形成与上述规定的单电池20邻近的单电池的单电池内氧化气体通道32作为气体分离器29。另外，在燃料电池的相邻单电池20之间可设置冷却介质通道。
当燃料电池发电时，供给至单电池内燃料气体通道30的燃料气体中的氢分子由于作为催化金属的透氢金属的作用，而在透氢金属层22表面上分离成氢原子和质子。分离的氢原子和质子通过透氢金属层22，然后以质子状态通过电解质层21。此时，在构成阴极24的催化金属(Pt)的作用下，由通过电解质层21并到达阴极24的质子和供给至单电池内氧化气体通道32的氧化气体中的氧于阴极24处生成水，进行电化学反应。
根据具有上述结构的第一实施方案的燃料电池，低晶界密度电解质层形成于电解质层21表面附近(从表面跨越指定厚度)，从而可抑制电解质层21的分解，防止燃料电池性能的降低。由于构成透氢金属层22的Pd或其它此类金属、和构成阴极24的Pt或其它催化金属作为催化剂起作用，构成电解质层21的固体氧化物有可能潜在地逐渐分解。在构成固体氧化物的晶粒边界，一般进行分解等反应的反应性显著高于晶粒内。在本实施方案中，在与电解质层21中的催化金属邻近的一侧设置具有该低晶界密度的层，从而提供了在可能受催化金属影响的电解质层21内的区域中具有很少分解反应位点的状态，从而抑制电解质层21中分解反应的进行。进一步详述，在本实施方案中，设置于电解质层21中的低晶界密度电解质层25和26起分解反应抑制部的作用，抑制电解质层21的分解。另外，一般地，固体氧化物具有晶粒直径越大强度越是下降的性能，但在本实施方案中，在低晶界密度电解质层25和26之间设置了高晶界密度电解质层27，从而可确保整个电解质层21的强度。当形成电解质层21时，考虑通过设置低晶界密度电解质层25和26对阻碍电解质层21分解的效果、以及与电解质层21整体的强度的平衡，低晶界密度电解质层25和26及高晶界密度电解质层27各自的厚度(与电解质层21总厚度的比)可任意设置。
可对低晶界密度电解质层25和26及高晶界密度电解质层27进行构造，使得构成各层的固体氧化物的晶粒直径在各层内比较均匀地形成，并使得作为全体的每一层内的平均粒径不相同，或构造成使得层内的晶粒直径不均匀。层内晶粒直径不均匀的构造实例是：与相邻金属层(透氢金属层22或阴极24)的接触面越靠近时，低晶界密度电解质层25和26的晶粒直径变得越大。或者，与相邻金属层(透氢金属层22或阴极24)的接触面越靠近时，可以增加低晶界密度电解质层25和26中粒径大的晶粒的比例。在任一情况下，在与具有分解构成电解质层21的固体氧化物的分解活性的金属层相邻的区域附近，构成电解质层21的固体氧化物的晶界密度降低，因此得到类似的效果。
B.第二实施方案
在第一实施方案中，在电解质层21中邻近透氢金属层22和阴极24的表面附近，设置分解反应抑制部，其是晶界密度比其它区域低的区域，但分解反应抑制部可以由与其它区域具有不同类型的固体氧化物形成。下文作为第二实施方案描述该构造。
参照图3描述在第二实施方案的燃料电池中设置的电解质层121的结构。图3是表示在实施方案2的燃料电池中设置的电解质层121的构造的说明图。除具有电解质层121代替电解质层21外，第二实施方案的燃料电池具有与第一实施方案类似的构造，因此共同的部分以相同的标号表示，并省略对其的详述。与图2一样，图3仅示出透氢金属层22、阴极24和设置于其间的层。
如图3所示，电解质层121具有三层结构，该结构具有邻近透氢金属层22的耐分解性电解质层125，邻近阴极24的耐分解性电解质层126，和设置于上述两层之间的高质子传导性电解质层127。在本实施方案中，高质子传导性电解质层127由BaCeO3固体氧化物形成。另外，耐分解性电解质层125和126由作为耐分解材料的固体氧化物构成，该耐分解材料具有比BaCeO3固体氧化物高的化学稳定性。构成耐分解性电解质层125和126的耐分解材料可选自陶瓷质子导体，例如SrZrO3、CaZrO3、CeO2、Al2O3或沸石。可采用PVD、CVD或其它此类方法，在透氢金属层22上依次形成耐分解性电解质层125、高质子传导性电解质层127和耐分解性电解质层126，从而形成电解质层121。
根据上述构造的第二实施方案的燃料电池，在电解质层121的两侧形成具有高化学稳定性的耐分解性电解质层，从而可抑制电解质层121的分解，防止燃料电池性能的降低。对于具有质子传导性的固体氧化物而言，通常质子传导性越高，构成固体氧化物的晶体内原子间结合就越弱。因此，固体氧化物中质子传导性越高，固体氧化物由催化金属作用导致的分解就越容易。在本实施方案中，在邻近透氢金属层22和阴极24的侧面上，设置了由具有高化学稳定性和相对弱原子间结合的固体氧化物制成的层，从而抑制了电解质层121内分解反应的进行。进一步详述，在本实施方案中，设置于电解质层121中的耐分解性电解质层125和126起到了分解反应抑制部的作用，用于抑制电解质层121的分解。另外，通过在上述耐分解性电解质层125和126之间提供由具有高质子传导性的固体氧化物制成的高质子传导性电解质层127，确保了整个电解质层121的质子传导性。当形成电解质层121时，考虑通过设置耐分解性电解质层125和126对阻碍电解质层121分解的效果、以及与整个电解质层121质子传导性的平衡，耐分解性电解质层125和126及高质子传导性电解质层127各自的厚度(与电解质层121总厚度的比)可任意设置。
C.第三实施方案：
参照图4描述第三实施方案的燃料电池构造。图4是表示第三实施方案燃料电池的构造的说明图。除第三实施方案的燃料电池具有低分解性质子传导层225和226、及代替电解质层21的电解质层221之外，第三实施方案的燃料电池具有与第一实施方案类似的构造，因此共同的部分以相同的标号表示并省略对其的描述。与图2和图3一样，图4中示出了透氢金属层22、阴极24和设置于其间的层。
如图4中所示，低分解性质子传导层225、电解质层221、低分解性质子传导层226和阴极24依次层压于实施方案3的透氢金属层22上。在本实施方案中，电解质层221由陶瓷质子导体如BaCeO3、SrCeO3等形成，这与第一实施方案的电解质层21一样。另外，低分解性质子传导层225和226具有质子传导性，并由对构成电解质层221的固体氧化物的分解活性比透氢金属层22和阴极24低的低分解材料构成。在本实施方案中，将具有质子传导性和电子传导性的化合物导体氧化钨(WO3)用作构成低分解性质子传导层225和226的低分解材料。由氧化钨制成的低分解性质子传导层225和226可通过例如浸渍法而形成。进一步详述，在将钨溶液例如仲钨酸盐水溶液((NH4)10[W12O42H2]·10H2O)浸渍后，将其煅烧，浸渍的钨被氧化而在用于形成低分解性质子传导层225和226的表面上形成低分解性质子传导层225和226。或者，可用浸渍之外的其它方法例如PVD或CVD法形成低分解性质子传导层225和226。
在该燃料电池中，通过透氢金属层22的质子经由低分解性质子传导层225而被供给至电解质层221，通过电解质层221后，质子通过低分解性质子传导层226，并供给与阴极24中的氧反应。
根据具有上述构造的第三实施方案的燃料电池，电解质层221的两面上均形成低分解性质子传导层，因此可抑制电解质层221的分解，并防止燃料电池性能的降低。进一步详述，在本实施方案中，设置于电解质层221与透氢金属层22或阴极24之间的低分解性质子传导层225和226分别起分解反应抑制部的作用，用于抑制电解质层221的分解。除由分解构成电解质层221的固体氧化物的分解活性比构成透氢金属层22和阴极24的催化金属低的分解材料构成以外，该低分解性质子传导层225和226还可由耐分解材料构成，所述耐分解材料由催化金属导致分解的分解反应性比电解质层221低。
在上述第三实施方案中，将金属氧化物用作构成低分解性质子传导层225和226的低分解材料，但也可采用其它具有质子传导性的金属。例如可使用钛(Ti)、镁(Mg)或Ti与Mg的合金，或使用其它公知作为氢吸藏金属的金属。可使原子或离子状态的氢以及使质子穿过电解质层221，并且如果低分解材料分解电解质层221的活性比构成电极或透氢金属层的贵金属低，则可以类似的方式形成低分解性质子传导层225和226。
D.第四实施方案：
在上述第一至第三实施方案中，阴极24是作为设置于形成层状的分解反应抑制部之上的金属薄膜，但也可采用不同的结构。下文作为实施方案4描述由表面的一部分被分解反应抑制部所覆盖的金属粒子形成阴极的结构。
参照图5描述第四实施方案的燃料电池构造。图5是表示第四实施方案燃料电池的构造的说明图。图5中仅示出靠近阴极的结构。构成燃料电池的其它部分具有与第一实施方案燃料电池中类似的构造，但采用与第二实施方案或第三实施方案的燃料电池类似的结构也没有问题。第四实施方案燃料电池中所设置的阴极324形成于与第三实施方案电解质层221类似的电解质层上。阴极324的形成方法是使粒子以承载物形式分散于电解质层221上，所述粒子为具有促进电化学反应的催化活性的催化金属粒子(下文称作电极粒子340)，其在粒子表面上以承载物形式分散由具有质子传导性的低分解材料制成的遮蔽微粒子342。在本实施方案中，将Pt用作形成电极粒子340的催化金属，而将与第三实施方案类似的氧化钨用作构成遮蔽微粒子342的低分解材料。
参照图6描述阴极324的制造方法。图6是表示形成阴极324的制造方法说明图。在形成阴极324时，首先制备Pt粒子作为电极粒子340(步骤S100)。此时Pt粒子的直径越小，越可以增大电极324中可与氧接触的电极表面。Pt粒子的直径可为例如0.1至数μm。随后，在步骤S100中制备的Pt粒子中浸渍含钨的溶液中(步骤S110)。将以钨溶液浸渍的Pt粒子煅烧(步骤S120)，将钨氧化，从而得到表面上具有氧化钨微粒子的分散承载物的Pt粒子。以承载物形式分散于Pt粒子上的氧化钨量越多，就越能避免电极粒子340与电极层221之间的接触，并且被承载的氧化钨量越小，发电时可确保与氧接触的电极面积就越大。考虑燃料电池性能和防止电极粒子340与电解质层221之间接触的效果，对浸渍于Pt粒子上的溶液中的钨量可任意设置。当得到表面上具有氧化钨微粒子的分散承载物的Pt粒子时，随后将粘合剂加入至氧化钨承载的Pt粒子中，将其转化为浆料，并将其涂布于电解质层221上(步骤S130)，由此完成了阴极324的制备。
根据具有上述构造的阴极324的本实施方案燃料电池，阴极是由催化金属粒子形成的，遮蔽微粒子342在催化金属粒子表面提供了分散的承载物，因此可防止催化金属与电解质层221之间的接触。由此可抑制电解质层221由催化剂导致的分解，防止燃料电池性能的降低。进一步详述，在本实施方案中，以承载物形式分散于电极粒子340表面、并在使电极粒子340在电解质层221上提供分散承载物时设置于电极粒子340与电解质层221之间的遮蔽微粒子342，起到了分解反应抑制部的作用。此处，并不需要具有质子传导性的低分解材料以承载物形式分散于电极粒子340表面上；如果将其设置于电极粒子340和电解质层221之间同时使电极粒子340的一部分表面被覆盖，则可得到类似的效果。当以规定量的低分解材料覆盖电极粒子340时，希望使低分解材料的晶粒直径尽可能小，并使其以承载物形式分散于电极粒子340的整个表面上。这就使得可以改善防止电解质层221与催化金属之间接触的可靠性，并可充分确保发电过程中向催化金属供氧。
在本实施方案的燃料电池中，可将第三实施方案中给出的其它类型低分解材料代替氧化钨用作构成遮蔽微粒子342的材料。另外，可以使用第二实施方案中所用的耐分解性电解质。通过阻碍催化金属与形成电解质层221的固体氧化物之间的直接接触，并插入分解固体氧化物的活性比催化金属低的材料、或插入由催化金属导致分解的分解反应性比固体氧化物低的材料，可防止电解质层221的分解。在本实施方案中，通过浸渍法将遮蔽微粒子342用作催化金属上的承载物，但依所用的构成遮蔽微粒子342和催化金属的材料，也可采用离子交换或其它方法。
E.第五实施方案
下文参照图7作为第五实施方案描述在反应抑制部上以承载物形式分散催化金属粒子并形成阴极而得到的结构。图7是表示第五实施方案燃料电池的构造的说明图。图7中仅示出了靠近阴极的结构。构成燃料电池的其它部分所具有的结构与第一实施方案的燃料电池中类似，但采用与第二实施方案或第三实施方案的燃料电池中类似的结构也没有问题。第五实施方案燃料电池中设置的阴极424是通过在设置于电解质层221上的第三实施方案的低分解性质子传导层226上、将电极粒子444以承载物形式进行分散而形成的，所述电极粒子444由具有促进电化学反应的催化活性的催化金属制成。在本实施方案中，将Pt用作形成电极粒子444的催化金属。Pt粒子的直径可以是例如0.1至数μm。为形成该阴极42，可制备具有上述直径的Pt粒子，在随后步骤中将可除去的溶剂加入至Pt粒子中，并将所产生的浆料施用至低分解性质子传导层226。即便采用此种结构，通过低分解性质子传导层226阻碍催化金属与电解质层的接触，也可得到抑制电解质层分解的效果。
参照图8描述第五实施方案第一变形例的燃料电池中所设置的阴极524的结构。图8是表示第五实施方案第一变形例的燃料电池中设置的阴极524的结构的说明图。和第三实施方案一样，将阴极524设置于电解质层221之上。另外，阴极524的形成方法是：将电极粒子444以与第五实施方案类似的承载物形式分散于低分解质子传导部526上，所述低分解质子传导部526以彼此分离的多个岛状形式而形成。低分解质子传导部526可由与第三实施方案类似的化合物导电体而形成。在形成电极524时，例如可预先在电解质层221上不形成岛形低分解质子传导部526的区域施用光致抗蚀剂，形成与实施方案5类似的低分解质子传导材料层，然后将Pt粒子以承载物形式分散于低分解性质子传导层之上。然后，通过除去光致抗蚀剂可以得到所需形状的阴极524。根据这样的结构，通过以低分解质子传导部526阻碍催化金属与电解质层的接触，可得到抑制电解质层分解的效果。
在第五实施方案和其第一变形例中，电极粒子444以承载物形式分散于化合物导电体上，但该电极粒子444也可以承载物形式分散于如实施方案2中的耐分解性电解质层上。如果这样做，则可与第二实施方案的耐分解质子传导层226类似以岛状形式形成该耐分解性电解质，或可与第五实施方案第一变形例中的低分解质子传导部526类似以多个岛状形式形成该耐分解性电解质。
参照图9描述第五实施方案第二变形例的燃料电池中设置的阴极624的结构。图9是表示第五实施方案第二变形例的阴极624的结构的说明图。该阴极624的形成方法是：将电极粒子444以承载物形式分散于耐分解性电解质部626上，所述耐分解性电解质部626以彼此分离的多个岛状形式形成。该阴极624可以与阴极524类似的方法制得。即便采用该结构，通过采用耐分解性电解质部626阻碍催化金属与电解质层之间的接触，可得到抑制电解质层分解的效果。
如第五实施方案第二变形例中耐分解性电解质不具有电子传导性那样，如果用于使电极粒子444以承载物形式分散的反应抑制部不具有足够的电子传导性，则燃料电池发电过程中电极粒子444中的电子传递可能就不充分。进一步详述，如果电极粒子以承载物形式分散于化合物导电体上，则可将电子通过化合物导电体传递至电极粒子，但如果电极粒子以承载物形式分散在电子传导性不足的反应抑制部上，则可导致不能向电极粒子供给足够电子。因此，在设置有阴极624的燃料电池中，邻近阴极624设置有集流器648，该集流器648配置有微小导电纤维，如图9中所示。为了以碳材料例如碳布形成该集流器648，可将碳纳米管等的许多微小碳纤维646设置成附着至构成碳布的碳纤维。如果设置了许多此类微小碳纤维646，则将集流器648设置成与阴极624接触时，电极粒子444可接触任一微小碳纤维646。由此可将由气体分离器29(参看图1)提供的电子通过微小碳纤维646或构成集流器648的碳纤维传送至电极粒子444，从而可抑制燃料电池中的接触电阻。
F.变形例
本发明并不限于上述实施方案和方式，而是在不偏离其主题的范围内可以各种方式实施；例如可实施下列变形。
(1)关于反应抑制部的配置可有各种变形。在第一至第三实施方案中，电解质层两侧设置了类似的反应抑制部，但在阳极和阴极侧可设置不同类型的反应抑制部。或者，只要在电解质层的阳极侧或阴极侧发生的分解反应处于可容许的范围，则可仅在另一侧设置反应抑制部。
另外，可以设置将各实施方案的反应抑制部结构相结合的反应抑制部。例如，可将第一实施方案与第二实施方案相结合，通过由催化金属导致分解的分解反应性比其它区域低的耐分解性电解质层，可以在电解质层中形成晶界密度比其它区域高的表面区域。
(2)关于燃料电池中电极和电解质层的结构可作各种变形。对于第一至第五实施方案的燃料电池而言，在透氢金属层22上形成电解质层21，但是具有电解质层同时具有包含具有分散该电解质层的活性的催化金属的催化金属部的燃料电池也可以适用于本发明。例如，可在阳极侧设置由贵金属制成的阳极，在阴极侧设置透氢金属层，用以代替阳极侧和阴极侧上的结构。在此情况下，也可设置与本实施方案类似的分解反应抑制部，以防止由阳极导致的电解质层分解和由透氢金属层导致的电解质层分解。
或者，可在由固体氧化物制成的电解质层的两侧上，设置由具有催化活性的贵金属制成的电极作为催化金属部，而不设置透氢金属层。在此情况下，通过设置与本实施方案类似的分解反应抑制部，也可获得防止电解质层分解的类似效果。
配置有催化金属的催化金属部的形状可进一步改变。例如，可在邻近电解质层的一侧的表面上负载贵金属催化剂，从而在具有导电性和透气性的导电多孔体上形成作为催化金属部的电极。在此情况下，通过设置与本实施方案类似的分解反应抑制部，也可得到防止电解质层分解的类似效果。
另外，用于形成电解质层的固体氧化物可以是钙钛矿型以外的质子传导性固体氧化物；例如可采用烧绿石或尖晶石型。或者，即便在不限于质子传导性固体氧化物、而是采用具有氧化物离子传导性的燃料电池中，也可以应用本发明。

Claims (13)

1.一种燃料电池，其包含：
由固体氧化物形成的电解质层；
包括催化金属的催化金属部，所述催化金属用于在所述燃料电池发电过程中促进供给至所述燃料电池的反应性材料的反应；和
设置于电解质层和催化金属部之间的分解反应抑制部，其用于抑制由催化金属而导致的所述固体氧化物的分解反应。
2.权利要求1的燃料电池，其中
所述分解反应抑制部由耐分解材料构成，所述耐分解材料具有使得相同传导类型的离子可以通过所述电解质层的离子传导性，并且其由催化金属导致分解的分解反应性比所述固体氧化物低。
3.权利要求2的燃料电池，其中
所述分解反应抑制部由耐分解材料以覆盖所述电解质层表面的层状形成，且
所述催化金属部设置于所述分解反应抑制部之上。
4.权利要求2的燃料电池，其中
所述催化金属部由以粒子状态以承载物形式分散于所述电解质层上的催化金属形成，且
所述分解反应抑制部由覆盖所述催化金属的一部分粒子表面、从而置于所述催化金属粒子和所述电解质层之间的耐分解材料形成。
5.权利要求1的燃料电池，其中
所述分解反应抑制部由低分解材料形成，所述低分解材料具有使得相同传导类型的离子可以通过所述电解质层的离子传导性，并且其分解所述固体氧化物的活性比所述催化金属低。
6.权利要求5的燃料电池，其中所述低分解材料还具有导电性。
7.权利要求1或权利要求6的燃料电池，其中
所述分解反应抑制部由低分解材料以覆盖所述电解质层表面的层状形成，且
所述催化金属部设置于所述分解反应抑制部之上。
8.权利要求1或权利要求6的燃料电池，其中
所述催化金属部由以粒子状态以承载物形式分散于所述电解质层上的催化金属形成，且
所述分解反应抑制部由覆盖所述催化金属的一部分粒子表面、从而置于所述催化金属粒子和所述电解质层之间的低分解材料形成。
9.一种燃料电池，其包含：
包括催化金属的催化金属部，所述催化金属用于在所述燃料电池发电过程中促进供给至所述燃料电池的反应性材料的反应；和
由固体氧化物形成的电解质层，其邻近于所述催化金属部设置并具有分解反应抑制部，所述分解反应抑制部用于抑制由催化金属而导致的所述固体氧化物的分解反应。
10.权利要求9的燃料电池，其中
所述分解反应抑制部是在邻近所述催化金属部的电解质层侧的表面附近形成的区域，其具有的固体氧化物晶界密度比所述电解质层中其它区域低。
11.权利要求9的燃料电池，其中
所述分解反应抑制部是在邻近所述催化金属部的电解质层侧的表面附近形成的区域，且
所述固体氧化物的由催化金属导致分解的分解反应性比所述电解质层中其它区域低。
12.权利要求11的燃料电池，其中形成所述分解反应抑制部的所述固体氧化物具有的离子传导性比形成其它区域的所述固体氧化物低。
13.权利要求1～3、5～7或9～12任一项的燃料电池，其中
所述固体氧化物具有质子传导性，
所述催化金属是透氢金属，且
所述催化金属部是覆盖置于所述电解质层上的所述分解反应抑制部的精细透氢金属层。
CNA200580006893XA 2004-03-04 2005-02-17 燃料电池 Pending CN1954455A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004060069A JP2005251550A (ja) 2004-03-04 2004-03-04 燃料電池
JP060069/2004 2004-03-04

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN1954455A true CN1954455A (zh) 2007-04-25

Family

ID=34918003

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNA200580006893XA Pending CN1954455A (zh) 2004-03-04 2005-02-17 燃料电池

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20070243443A1 (zh)
EP (1) EP1721356A1 (zh)
JP (1) JP2005251550A (zh)
CN (1) CN1954455A (zh)
CA (1) CA2557831A1 (zh)
WO (1) WO2005086272A1 (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102947989A (zh) * 2010-04-26 2013-02-27 3M创新有限公司 退火纳米结构化薄膜催化剂
CN103700801A (zh) * 2013-12-30 2014-04-02 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种固体氧化物燃料电池堆及其电池连接件
CN108604698A (zh) * 2015-12-17 2018-09-28 法国电力公司 集成重整的质子导电电化学装置及相关生产方法
CN109935876A (zh) * 2019-03-25 2019-06-25 熵零技术逻辑工程院集团股份有限公司 一种化学能电能转换装置
JP7394190B1 (ja) 2022-09-21 2023-12-07 日本碍子株式会社 電気化学セル

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006318870A (ja) * 2005-05-16 2006-11-24 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及び燃料電池
JP2007090132A (ja) * 2005-09-27 2007-04-12 Sumitomo Electric Ind Ltd 水素透過膜、及びこれを用いた燃料電池
JP4994661B2 (ja) * 2005-12-28 2012-08-08 住友電気工業株式会社 プロトン導電性膜、その製造方法、水素透過構造体及び燃料電池
EP1847311A1 (en) * 2006-04-19 2007-10-24 Universität Hannover Composite Membrane
JP5352943B2 (ja) * 2006-05-31 2013-11-27 大日本印刷株式会社 固体酸化物形燃料電池、及びそのスタック構造
JP2010529591A (ja) * 2007-05-16 2010-08-26 本田技研工業株式会社 原子層堆積によってチューンされた固体酸化物形燃料電池構成要素
FR2969395B1 (fr) * 2010-12-17 2013-01-11 Ass Pour La Rech Et Le Dev De Methodes Et Processus Ind Armines Pile a combustible avec ensemble electrolytes-membrane monolithique
KR101215338B1 (ko) * 2011-06-20 2012-12-26 주식회사 엑스에프씨 고체 산화물 연료전지용 전해질막, 그 제조방법 및 이를 채용한 연료전지
KR102063420B1 (ko) * 2019-08-12 2020-01-07 한양대학교 산학협력단 연료전지 및 그 제조 방법
JP7304066B2 (ja) * 2019-08-26 2023-07-06 国立研究開発法人産業技術総合研究所 燃料電池用電極部材および燃料電池

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5171645A (en) * 1991-01-08 1992-12-15 Gas Research Institute, Inc. Zirconia-bismuth oxide graded electrolyte
JP3218555B2 (ja) * 1995-09-18 2001-10-15 日本電信電話株式会社 保護層付きセリア系固体電解質
US6004688A (en) * 1997-07-16 1999-12-21 The Board Of Regents Of The University Of Texas System Solid oxide fuel cell and doped perovskite lanthanum gallate electrolyte therefor
DE19819453A1 (de) * 1998-04-30 1999-11-11 Forschungszentrum Juelich Gmbh SOFC-Brennstoffzelle mit einer Anodenzwischenschicht
US6428920B1 (en) * 2000-05-18 2002-08-06 Corning Incorporated Roughened electrolyte interface layer for solid oxide fuel cells
JP2001351646A (ja) * 2000-06-07 2001-12-21 Tokyo Gas Co Ltd ＬａＧａＯ３系固体電解質型燃料電池
JP3843766B2 (ja) * 2000-07-04 2006-11-08 日産自動車株式会社 固体電解質型燃料電池
US6803141B2 (en) * 2001-03-08 2004-10-12 The Regents Of The University Of California High power density solid oxide fuel cells
US6632554B2 (en) * 2001-04-10 2003-10-14 Hybrid Power Generation Systems, Llc High performance cathodes for solid oxide fuel cells
JP4079016B2 (ja) * 2002-08-28 2008-04-23 トヨタ自動車株式会社 中温域で作動可能な燃料電池
JP2005019041A (ja) * 2003-06-24 2005-01-20 Chiba Inst Of Technology 固体電解質層と水素透過性金属膜を用いた電池、燃料電池及びその製造方法

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102947989A (zh) * 2010-04-26 2013-02-27 3M创新有限公司 退火纳米结构化薄膜催化剂
CN102947989B (zh) * 2010-04-26 2015-12-16 3M创新有限公司 退火纳米结构化薄膜催化剂
CN103700801A (zh) * 2013-12-30 2014-04-02 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种固体氧化物燃料电池堆及其电池连接件
CN108604698A (zh) * 2015-12-17 2018-09-28 法国电力公司 集成重整的质子导电电化学装置及相关生产方法
CN108604698B (zh) * 2015-12-17 2022-03-25 法国电力公司 集成重整的质子导电电化学装置及相关生产方法
CN109935876A (zh) * 2019-03-25 2019-06-25 熵零技术逻辑工程院集团股份有限公司 一种化学能电能转换装置
JP7394190B1 (ja) 2022-09-21 2023-12-07 日本碍子株式会社 電気化学セル
JP2024044533A (ja) * 2022-09-21 2024-04-02 日本碍子株式会社 電気化学セル

Also Published As

Publication number Publication date
WO2005086272A1 (en) 2005-09-15
EP1721356A1 (en) 2006-11-15
JP2005251550A (ja) 2005-09-15
US20070243443A1 (en) 2007-10-18
CA2557831A1 (en) 2005-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5336685B2 (ja) 固体電気化学的装置のための複合電極
JP4186810B2 (ja) 燃料電池の製造方法および燃料電池
US8057847B2 (en) Method for preparing membranes and membrane electrode assemblies with hydrogen peroxide decomposition catalyst
AU2008291251B2 (en) Removal of impurity phases from electrochemical devices
CN1954455A (zh) 燃料电池
KR20000058668A (ko) 연료전지용 탄소 지지체에 직접 촉매를 코팅하는 방법 및그 방법에 의하여 제조된 전극
KR102398409B1 (ko) 일산화탄소를 이용한 코어-쉘 입자의 제조방법
TWI342635B (en) Fuel cell and passive support
US7862643B2 (en) Hydrogen separation membrane and fuel cell, and manufacturing method therefor
WO2010132041A1 (en) Carbide stabilized catalyst structures and method of making
JP4880876B2 (ja) 燃料電池用電解質
JP4876373B2 (ja) 燃料電池用カソードおよびその製造方法
EP1797609B1 (en) Fuel cell production method and fuel cell
US7691770B2 (en) Electrode structure and methods of making same
JP2006079889A (ja) 電解質−電極接合体の製造方法および燃料電池
JP2007073291A (ja) 燃料電池用電極触媒粒子及びこれを用いた燃料電池
US20230250543A1 (en) Catalyst layer, membrane electrode assembly
JP2012170833A (ja) 除湿装置
CA3055590A1 (en) Functionalized, porous gas conduction part for electrochemical module
KR20220100178A (ko) 삼원 합금 촉매 및 이의 제조 방법
JP2008130472A (ja) 燃料電池
KR20140140445A (ko) 멤브레인-전극 접합체 및 이의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20070425