專(zhuān)利名稱(chēng)：固體電解質(zhì)燃料電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體電解質(zhì)燃料電池及其制備方法，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及這樣一種固體電解質(zhì)燃料電池及其制備方法，其具有在固體電解質(zhì)層的一側(cè)上形成的陰極層、以及在該固體電解質(zhì)層的另一側(cè)上形成的陽(yáng)極層。
背景技術(shù)：
以下引用的專(zhuān)利文獻(xiàn)1提出了一種簡(jiǎn)單的燃料電池，其可以被設(shè)置在燃燒火焰中或燃燒火焰附近以產(chǎn)生電能。這種燃料電池在圖13中示出。圖13所示的燃料電池100(下文稱(chēng)之為“固體電解質(zhì)燃料電池100”)具有在固體電解質(zhì)層102的一側(cè)上形成的具有致密結(jié)構(gòu)的陰極層104、以及在該固體電解質(zhì)層102的另一側(cè)上形成的陽(yáng)極層110。陰極層104和陽(yáng)極層110各自為多孔層的形式，并且其中分別嵌有或固定有網(wǎng)狀金屬106、112。引線(xiàn)108、114分別從網(wǎng)狀金屬106、112延伸出來(lái)。
JP-A-2005-63686當(dāng)圖13所示的固體電解質(zhì)燃料電池100的陽(yáng)極層110那一側(cè)被放置在燃燒火焰中或燃燒火焰附近時(shí)，固體電解質(zhì)燃料電池100能夠產(chǎn)生電能，并由引線(xiàn)108、114輸出所產(chǎn)生的電能。
然而，當(dāng)圖13所示的固體電解質(zhì)燃料電池100的陽(yáng)極層110那一側(cè)被反復(fù)暴露于火焰(熱沖擊)中時(shí)，會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象如用于說(shuō)明固體電解質(zhì)燃料電池100的發(fā)電性能的圖14中的箭頭A所示，引線(xiàn)108、114輸出的電功率(由圖14中的實(shí)心圓圈表示)逐漸減小，這表明固體電解質(zhì)燃料電池100缺乏耐久性。而且，引線(xiàn)108、114輸出的電功率也不夠充足。由此，需要改善圖13所示的固體電解質(zhì)燃料電池100的耐久性和電功率輸出。
在圖14中，空白圓圈表示在引線(xiàn)108、114上的電壓輸出。
為了研究圖13所示的固體電解質(zhì)燃料電池100耐久性差的原因，本發(fā)明人觀(guān)察了其陽(yáng)極層110那一側(cè)被反復(fù)暴露于火焰中的固體電解質(zhì)燃料電池100的剖面電子顯微照片。結(jié)果發(fā)現(xiàn)如圖15所示，多孔陰極層104與具有致密結(jié)構(gòu)的固體電解質(zhì)層102這二者的界面發(fā)生了剝離，并且固體電解質(zhì)層102發(fā)生了斷裂。
經(jīng)進(jìn)一步觀(guān)察發(fā)現(xiàn)嵌在陰極層104中的用于構(gòu)成網(wǎng)狀金屬的金屬線(xiàn)與陰極層104之間的附著作用遭到破壞。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供這樣一種固體電解質(zhì)燃料電池，當(dāng)其陽(yáng)極層那一側(cè)被放置在燃燒火焰中或燃燒火焰附近以產(chǎn)生電能時(shí)，該固體電解質(zhì)燃料電池可以提供較高的電功率，并且具有更好的耐久性。
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明人進(jìn)行了深入的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在陰極層為具有第一陰極層和第二陰極層的雙層結(jié)構(gòu)，并且其中，所述第一陰極層與固體電解質(zhì)層接觸，而所述第二陰極層覆蓋所述第一陰極層，其中所形成的第二陰極層比所述第一陰極層具有更高的孔隙率，并且所述第一陰極層被分成多個(gè)島狀部分的情況下，可以提高固體電解質(zhì)燃料電池的供電功率和耐久性。由此得到本發(fā)明。
換句話(huà)說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種固體電解質(zhì)燃料電池，其具有固體電解質(zhì)層，形成在該固體電解質(zhì)層的一側(cè)上的陰極層和形成在該固體電解質(zhì)層的另一側(cè)上的陽(yáng)極層，其中，所述陰極層包含與所述固體電解質(zhì)層接觸的第一陰極層和覆蓋所述第一陰極層的第二陰極層，其中所述第二陰極層比所述第一陰極層具有更高的孔隙率，并且所述第一陰極層被分成多個(gè)島狀部分。
在根據(jù)本發(fā)明的固體電解質(zhì)燃料電池中，構(gòu)成第一陰極層的多個(gè)島狀部分是周期性形成的。通過(guò)這種方式，可以使島狀部分之間的間隙的寬度恒定，從而可以使各島狀部分的耐久性等恒定。通過(guò)用構(gòu)成第二陰極層的模塑材料填充島狀部分之間的間隙，可以進(jìn)一步提高固體電解質(zhì)燃料電池的輸出。
此外，固體電解質(zhì)層的面向陰極層這一側(cè)的表面被周期性的粗糙化以得到粗糙化表面，粗糙化部分的凹進(jìn)側(cè)設(shè)置有構(gòu)成第一陰極層的島狀部分、而突起側(cè)設(shè)置有位于島狀部分之間的間隙。通過(guò)這種方式，可以容易地形成構(gòu)成第一陰極層的島狀部分。通過(guò)在第一粗糙化部分(其上具有周期性地依次出現(xiàn)的與島狀部分相對(duì)應(yīng)的凹進(jìn)部分和具有島狀部分之間的間隙的突起部分)的表面上形成其周期比第一粗糙化部分更短的第二粗糙化部分，可以進(jìn)一步提高島狀部分和固體電解質(zhì)層之間的抗剝離強(qiáng)度。
通過(guò)為構(gòu)成第一陰極層的每個(gè)島狀部分提供金屬線(xiàn)，該金屬線(xiàn)用于構(gòu)成被嵌入在第二陰極層中或者固定到第二陰極層的集電用網(wǎng)狀金屬或者線(xiàn)狀金屬，可以提高固體電解質(zhì)燃料電池的輸出。
此外優(yōu)選的是，第一陰極層的孔隙率為10體積％或更低，第二陰極層的孔隙率為50體積％或更高。
可以通過(guò)加入在煅燒陰極層的煅燒溫度下發(fā)生氣化的造孔劑來(lái)獲得其孔隙率落入上述限定范圍內(nèi)的第二陰極層，可以通過(guò)在不加入造孔劑的條件下進(jìn)行煅燒來(lái)獲得第一陰極層。在此要摻入的造孔劑其添加量?jī)?yōu)選為50-70體積％。
通過(guò)形成包含了用于形成固體電解質(zhì)層的電解質(zhì)以及與之混合的電極材料這二者的第一陰極層和第二陰極層，可以盡可能地降低第一陰極層和第二陰極層以及固體電解質(zhì)層之間的熱膨脹系數(shù)的差別。尤其是，通過(guò)使第一陰極層中的固體電解質(zhì)的混合比率比第二陰極層中的高，可以進(jìn)一步提高固體電解質(zhì)燃料電池的熱阻。
當(dāng)在開(kāi)放大氣中將該固體電解質(zhì)燃料電池的一側(cè)暴露在火焰中以產(chǎn)生電能時(shí)，將其陽(yáng)極層這一側(cè)暴露于火焰中，而其陰極層那一側(cè)則暴露在大氣中，從而可產(chǎn)生電能。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種制備固體電解質(zhì)燃料電池的方法，其包括下列步驟在固體電解質(zhì)層的一側(cè)層壓其中摻有陰極層電極材料的第一陰極片，在第一陰極片上層壓其中摻有陰極層電極材料和造孔劑的第二陰極片，在固體電解質(zhì)層的另一側(cè)層壓其中摻有陽(yáng)極層電極材料的陽(yáng)極片；在使得造孔劑氣化的溫度下煅燒第一陰極片、第二陰極片和陽(yáng)極片以形成第一陰極層、第二陰極層和陽(yáng)極層，其中，在煅燒前或煅燒中，第一陰極片被分成多個(gè)島狀部分以在固體電解質(zhì)層的一側(cè)上形成具有多個(gè)島狀部分的第一陰極層。
在根據(jù)本發(fā)明的制備固體電解質(zhì)燃料電池的方法中，固體電解質(zhì)層的其上層壓有第一陰極片的這一側(cè)的表面上形成有粗糙化部分，該粗糙化部分具有與構(gòu)成第一陰極層(由煅燒第一陰極片而得到)的島狀部分相對(duì)應(yīng)的凹進(jìn)部分、以及與島狀部分之間的間隙相對(duì)應(yīng)的突起部分，該凹進(jìn)部分和突起部分周期性地依次出現(xiàn)，由此可以容易地形成構(gòu)成第一陰極層的島狀部分。從而，可以周期性地形成島狀部分。
此外，固體電解質(zhì)層具有兩種周期彼此不同的粗糙化部分以在其層壓有第一陰極片的表面上形成粗糙化表面，其中，這兩種粗糙化部分由第一粗糙化部分和第二粗糙化部分組成，在第一粗糙化部分中，與構(gòu)成第一陰極層(由煅燒第一陰極片而得到)的島狀部分相對(duì)應(yīng)的凹進(jìn)部分、以及與島狀部分之間的間隙相對(duì)應(yīng)的突起部分周期性地依次出現(xiàn)，第二粗糙化部分形成在第一粗糙化部分的表面上并且其周期比第一粗糙化部分的周期短。通過(guò)這種方式，可以進(jìn)一步增強(qiáng)構(gòu)成第一陰極層的島狀部分與固體電解質(zhì)層之間的附著作用。
可以通過(guò)以下方法容易地形成前述的固體電解質(zhì)層把由有機(jī)纖維或金屬纖維制成的織物壓到構(gòu)成固體電解質(zhì)層的固體電解質(zhì)生片的至少一側(cè)上，從而，通過(guò)織物中緯線(xiàn)與經(jīng)線(xiàn)的交叉而在生片的所述那至少一側(cè)的表面上形成具有一定周期的、凹進(jìn)部分和突起部分周期性地依次出現(xiàn)的第一粗糙化部分，并且通過(guò)構(gòu)成所述緯線(xiàn)和所述經(jīng)線(xiàn)的單纖維而在所述第一粗糙化部分的表面上形成其周期比第一粗糙化部分短的第二粗糙化部分；以及煅燒該固體電解質(zhì)生片。
可以通過(guò)以下方法用形成第二陰極層的模塑材料來(lái)填充位于構(gòu)成第一陰極層的島狀部分之間的間隙，所述方法為在固體電解質(zhì)層的一側(cè)上層壓第一陰極片，其中所述固體電解質(zhì)層具有與構(gòu)成第一陰極層(由煅燒第一陰極片而得到)的島狀部分相對(duì)應(yīng)的凹進(jìn)部分、以及與島狀部分之間的間隙相對(duì)應(yīng)的突起部分，該凹進(jìn)部分和突起部分周期性地依次出現(xiàn)；暫時(shí)性煅燒第一陰極片，使得構(gòu)成第一陰極層的多個(gè)島狀部分分別形成在固體電解質(zhì)層的粗糙化部分的凹進(jìn)部分中；在第一陰極層上層壓第二陰極片，在固體電解質(zhì)層的另一側(cè)上層壓陽(yáng)極片；以及對(duì)第一陰極層、第二陰極片和陽(yáng)極片進(jìn)行煅燒。
此外，如果集電用網(wǎng)狀金屬或線(xiàn)狀金屬被嵌入到或者固定到第二陰極片或陽(yáng)極片，可以為構(gòu)成第一陰極層(由煅燒第一陰極片而得到)的各個(gè)島狀部分配設(shè)用于構(gòu)成集電用網(wǎng)狀金屬或線(xiàn)狀金屬的金屬線(xiàn)；作為所述的這種網(wǎng)狀金屬或線(xiàn)狀金屬，可以采用其中設(shè)有與第一陰極片的島狀部分相對(duì)應(yīng)的金屬線(xiàn)的網(wǎng)狀金屬或線(xiàn)狀金屬。
而且，如果加入第二陰極片中的造孔劑的量為50-70體積％，則有可能使第一陰極層的孔隙率為10體積％或更低，使第二陰極層的孔隙率為50體積％或更大。
此外，如果第一陰極片和第二陰極片分別包含構(gòu)成固體電解質(zhì)層的電解質(zhì)以及與之混合的電極材料，則可以盡可能地降低第一陰極層和第二陰極層以及固體電解質(zhì)層之間的熱膨脹系數(shù)的差別。尤其是，通過(guò)使第一陰極層中的固體電解質(zhì)的混合比率比第二陰極層中的高，可以進(jìn)一步提高固體電解質(zhì)燃料電池的熱阻。
根據(jù)本發(fā)明的固體電解質(zhì)燃料電池，當(dāng)該固體電解質(zhì)燃料電池被放置在燃燒火焰中或燃燒火焰附近以產(chǎn)生電能時(shí)，可以提高本發(fā)明的固體電解質(zhì)燃料電池的供電功率和耐久性。據(jù)考慮，該機(jī)理的原因如下所述。
首先，在根據(jù)本發(fā)明的固體電解質(zhì)燃料電池中，陰極層包含與固體電解質(zhì)層接觸的第一陰極層和覆蓋第一陰極層的、孔隙率比第一陰極層高的第二陰極層。第二陰極層具有嵌在其中或固定到其上的集電用網(wǎng)狀金屬或線(xiàn)狀金屬。通過(guò)這種方式，當(dāng)通過(guò)煅燒而形成這種陰極層時(shí)，由于孔的存在而可以減小陰極層電極材料和網(wǎng)狀金屬或線(xiàn)狀金屬之間的熱性能的差別，從而使得有可能增強(qiáng)網(wǎng)狀金屬或線(xiàn)狀金屬和電極材料之間的附著作用。
此外，第一陰極層被分成多個(gè)島狀部分。因此，在固體電解質(zhì)燃料電池的陽(yáng)極層這一側(cè)被放置在燃燒火焰中或燃燒火焰附近以產(chǎn)生電能時(shí)，由于第一陰極層和固體電解質(zhì)層之間的熱膨脹系數(shù)的差別而產(chǎn)生的應(yīng)力就會(huì)被分散，從而使得有可能防止固體電解質(zhì)層和構(gòu)成第一陰極層的島狀部分之間彼此剝離。
而且，在根據(jù)本發(fā)明的固體電解質(zhì)燃料電池中，可以增大氣體(例如氧氣)、電極材料和電解質(zhì)材料彼此相接觸的三相界面的面積。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的固體電解質(zhì)燃料電池中，第二陰極層具有比第一陰極層高的孔隙率。通過(guò)這種方式，在第一陰極層與固體電解質(zhì)層的界面處氧離子可以容易地向固體電解質(zhì)層傳導(dǎo)。
因此，網(wǎng)狀金屬或線(xiàn)狀金屬和電極材料之間的附著作用得到增強(qiáng)、固體電解質(zhì)層和構(gòu)成第一陰極層的島狀部分之間的彼此剝離被防止、氣體(例如氧氣)和電極材料以及電解質(zhì)材料彼此相接觸的三相界面的面積增大、以及在第一陰極層與固體電解質(zhì)層的界面處促進(jìn)氧離子向固體電解質(zhì)層傳導(dǎo)這些因素結(jié)合在一起，使得本發(fā)明的固體電解質(zhì)燃料電池可以比相關(guān)技術(shù)的固體電解質(zhì)燃料電池具有更高的電功率輸出和更好的耐久性。


圖1是示出本發(fā)明固體電解質(zhì)燃料電池的實(shí)例的部分剖視圖；圖2是示出制備圖1所示固體電解質(zhì)層的方法的實(shí)例的示意圖；圖3A和3B是示出由圖2所示制備方法得到的固體電解質(zhì)層來(lái)制備圖1所示固體電解質(zhì)燃料電池的方法的流程圖；圖4是示出加入到構(gòu)成第二陰極層14的多孔層膏體中的造孔劑的量與所得到的固體電解質(zhì)燃料電池的電功率之間的關(guān)系的圖；圖5是示出通過(guò)熱沖擊對(duì)圖1所示的固體電解質(zhì)燃料電池進(jìn)行性能劣化測(cè)試的結(jié)果的圖；圖6為比較例固體電解質(zhì)燃料電池的部分剖視圖；圖7是示出通過(guò)熱沖擊對(duì)圖6所示的固體電解質(zhì)燃料電池進(jìn)行性能劣化測(cè)試的結(jié)果的圖；圖8A和8B是顯示圖1所示的固體電解質(zhì)燃料電池耐久性?xún)?yōu)異的示意圖；
圖9A到9C是示出制備圖1所示固體電解質(zhì)燃料電池的方法的另一實(shí)例的流程圖；圖10是示出由圖9所示制備方法得到的固體電解質(zhì)燃料電池的發(fā)電性能的圖；圖11是示出形成第二陰極層12的另一種方法的部分剖視圖；圖12是示出實(shí)施例1得到的固體電解質(zhì)燃料電池的剖面的電子顯微鏡照片；圖13為相關(guān)技術(shù)固體電解質(zhì)燃料電池的剖視圖；圖14是示出通過(guò)熱沖擊對(duì)圖13所示的固體電解質(zhì)燃料電池進(jìn)行性能劣化測(cè)試的結(jié)果的圖；圖15是示出通過(guò)熱沖擊對(duì)圖13所示的固體電解質(zhì)燃料電池進(jìn)行性能劣化測(cè)試后其剖面的電子顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的固體電解質(zhì)燃料電池的一個(gè)例子如圖1所示。圖1為該固體電解質(zhì)燃料電池的部分剖視圖。固體電解質(zhì)層10的一側(cè)上設(shè)置有陰極層16、另一側(cè)上設(shè)置有陽(yáng)極層18，其中陰極層16具有嵌入其中并且構(gòu)成集電用網(wǎng)狀金屬的鉑金屬線(xiàn)20、20…，陽(yáng)極層18具有嵌入其中并且構(gòu)成集電用網(wǎng)狀金屬的鉑金屬線(xiàn)20、20…。
固體電解質(zhì)層10為致密結(jié)構(gòu)?？梢允褂萌魏我阎墓腆w電解質(zhì)作為用于構(gòu)成固體電解質(zhì)層10的固體電解質(zhì)。在此可使用的固體電解質(zhì)的例子包括YSZ(氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯)、ScSz(氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯)、用Ce、Al等摻雜上述這些氧化鋯而得到的氧化鋯基陶瓷、二氧化鈰基陶瓷(例如SDC(氧化釤摻雜的二氧化鈰)和GDC(氧化釓摻雜的二氧化鈰))、以及LSGM(鎵酸鑭)等。
圖1所示的固體電解質(zhì)層10具有兩種周期不同的粗糙化部分以形成粗糙化表面。這兩種粗糙化部分由周期長(zhǎng)的第一粗糙化部分和其周期比第一粗糙化部分的短的第二粗糙化部分組成，其中，第二粗糙化部分形成在第一粗糙化部分的表面上。
形成在固體電解質(zhì)層10的一側(cè)上的陰極層16具有由第一陰極層12和第二陰極層14構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，其中，第一陰極層12被設(shè)置成與固體電解質(zhì)層10的一側(cè)相接觸，第二陰極層14被設(shè)置成覆蓋第一陰極層12、并且具有嵌入該第二陰極層中的構(gòu)成集電用網(wǎng)狀金屬的鉑金屬線(xiàn)20、20…。第二陰極層14的孔隙率比第一陰極層12的大。具體而言，第一陰極層12是孔隙率小于或等于10體積％的致密層，第二陰極層14是孔隙率大于或等于50體積％的多孔層(優(yōu)選為小于或等于70體積％)。
同樣，可以使用任何已知的陰極層電極材料作為用于形成陰極層16的陰極層電極材料。在此可使用的陰極層電極材料的例子包括其中含有鍶(Sr)的在日本使用的元素周期表中的第3族元素(例如鑭)的錳酸鹽化合物(例如亞錳酸鍶鑭等)、鈷酸鹽化合物(例如高鈷酸釤鍶(samarium strontium cobaltite)、高鈷酸鑭鍶(lanthanumstrontium cobaltite)等)、或者鐵酸鹽化合物(例如，鐵酸鍶鑭等)。
在構(gòu)成陰極層16的第一陰極層12和第二陰極層14均由陰極層電極材料和構(gòu)成固體電解質(zhì)層10的電解質(zhì)相混合而形成時(shí)，可以盡可能地降低陰極層16和固體電解質(zhì)層10之間的熱膨脹系數(shù)的差別，從而可以防止固體電解質(zhì)層10和陰極層16彼此剝離。
尤其是，在第一陰極層12(其被設(shè)置成與固體電解質(zhì)層10緊密接觸)和第二陰極層14中，將第一陰極層12中的電解質(zhì)的混合比率預(yù)先確定為比第二陰極層14中的高，從而使得有可能形成作為電解質(zhì)梯度層的陰極層16，并且進(jìn)一步提高固體電解質(zhì)燃料電池的熱阻。
第二陰極層14可以通過(guò)以下方法制成將通過(guò)混合預(yù)定量的陰極電極材料和電解質(zhì)以及造孔劑而得到的多孔層膏體制成片狀，然后在不低于造孔劑的氣化溫度的溫度下對(duì)該混合物進(jìn)行煅燒。作為造孔劑，優(yōu)選使用碳基造孔劑。
第一陰極層12可以通過(guò)以下方法得到將通過(guò)混合預(yù)定量的不含造孔劑的陰極層電極材料和電解質(zhì)而得到的致密層膏體制成片狀，然后在預(yù)定溫度下對(duì)該混合物進(jìn)行煅燒。
此外，在圖1所示的固體電解質(zhì)燃料電池中，第一陰極層12被分成多個(gè)島狀部分12a、12a…。通過(guò)這種方式，由于固體電解質(zhì)層10和第一陰極層12之間的熱膨脹系數(shù)差別而產(chǎn)生的應(yīng)力就會(huì)被分散。由此，這種效果與形成在固體電解質(zhì)層10的一側(cè)上的、具有短周期的第二粗糙化部分的效果相結(jié)合，使得可以防止固體電解質(zhì)層10和第一陰極層12彼此剝離。
構(gòu)成第一陰極層12的多個(gè)島狀部分12a、12a…均被設(shè)置在第一粗糙化部分(其在固體電解質(zhì)層10的一側(cè)上形成并且具有長(zhǎng)周期)的凹進(jìn)側(cè)，島狀部分12a和島狀部分12a之間的間隙被設(shè)置在第一粗糙化部分的突起側(cè)。因此，島狀部分12a、12a…可以按照基本相同的尺寸形成，并且島狀部分12a、12a…之間的間隙可以基本相同。島狀部分12a、12a…之間的間隙的寬度取決于島狀部分12a的尺寸，但是優(yōu)選為大約10μm到100μm。
構(gòu)成集電用網(wǎng)狀金屬的由鉑制成的金屬線(xiàn)20被設(shè)置在第二陰極層14內(nèi)并且分別與島狀部分12a、12a…對(duì)應(yīng)。
可以使用任何已知的陽(yáng)極層電極材料作為用于在固體電解質(zhì)層10的另一側(cè)上形成陽(yáng)極層18的陽(yáng)極層電極材料。在此可使用的陽(yáng)極層電極材料的例子包括鎳和鈷與氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯基陶瓷、氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯基陶瓷或者二氧化鈰基陶瓷(例如SDC、GDC、YDC)形成的金屬陶瓷。作為陽(yáng)極層電極材料，還可以使用包含導(dǎo)電性氧化物(50-99重量％)作為主要成分的燒結(jié)材料?？梢允褂闷渲泻幸怨虘B(tài)溶解的鋰的氧化鎳等作為導(dǎo)電性氧化物。由于這種燒結(jié)材料具有非常好的抗氧化性，所以它可以防止由于陽(yáng)極層18發(fā)生氧化而出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，例如發(fā)電效率降低、或者由于陽(yáng)極層18的電極電阻系數(shù)升高而造成不能發(fā)電、以及陽(yáng)極層18與固體電解質(zhì)層10剝離。此外，通過(guò)在前述的陽(yáng)極層電極材料中摻入大約1-10重量％的諸如鉑族元素之類(lèi)的金屬或其氧化物，由此而得到的陽(yáng)極層電極材料也可以形成具有高發(fā)電能力的陽(yáng)極層18。
當(dāng)前述的陽(yáng)極層18也通過(guò)混合陽(yáng)極層電極材料和電解質(zhì)來(lái)得到時(shí)，可以盡可能地降低陽(yáng)極層18和固體電解質(zhì)層10之間的熱膨脹系數(shù)的差異，使得可以防止固體電解質(zhì)層10和陽(yáng)極層18彼此脫離。
陽(yáng)極層18可以通過(guò)以下方法得到將通過(guò)混合預(yù)定量的陽(yáng)極層電極材料和電解質(zhì)而得到的陽(yáng)極層膏體制成片狀，然后在預(yù)定溫度下對(duì)該混合物進(jìn)行煅燒。
為了制備圖1所示的固體電解質(zhì)燃料電池，首先制備固體電解質(zhì)層10。固體電解質(zhì)層10可以通過(guò)以下方法得到如圖2所示，在將由有機(jī)纖維或金屬纖維制成的織物22、22壓靠到由固體電解質(zhì)制成的固體電解質(zhì)生片10a的兩側(cè)上；從生片10a剝離織物22、22；然后在預(yù)定溫度下煅燒生片10a。通過(guò)煅燒而得到的如圖3A所示的固體電解質(zhì)層10具有形成在其兩側(cè)上的周期彼此不同的兩種粗糙化部分，從而形成粗糙化表面。在這兩種粗糙化部分中，周期較長(zhǎng)的第一粗糙化部分11a由位于織物22的經(jīng)線(xiàn)22a和緯線(xiàn)22b的交叉部位之間的部分形成。周期較短的、形成在第一粗糙化部分11a的表面上的第二粗糙化部分11b由構(gòu)成經(jīng)線(xiàn)22a或緯線(xiàn)22b的單纖維形成。
接著，如圖3所示，將前述的多孔層膏體印刷到由印刷致密層膏體而形成的第一陰極片32上，以在圖3A所示的固體電解質(zhì)層10的一側(cè)上形成第二陰極片34。
此外，將前述的陽(yáng)極層膏體印刷到固體電解質(zhì)層10的另一側(cè)上，以形成陽(yáng)極片38。
第二陰極片34和陽(yáng)極片38分別具有由嵌入其中的金屬線(xiàn)20、20…所構(gòu)成的網(wǎng)狀金屬。通過(guò)焊接將引線(xiàn)(圖中未示出)固定到網(wǎng)狀金屬。
以這樣一種方式將網(wǎng)狀金屬嵌在第二陰極片34中，即，把構(gòu)成網(wǎng)狀金屬的金屬線(xiàn)20、20…分別置于固體電解質(zhì)層10的周期較長(zhǎng)的第一粗糙化部分11a的凹進(jìn)側(cè)的上方。也可以將網(wǎng)狀金屬固定到第二陰極片34的表面。
然后，在可以使第二陰極片34中的造孔劑發(fā)生氣化的溫度下煅燒圖3B所示的疊層，以得到圖1所示的固體電解質(zhì)燃料電池。
詳細(xì)地說(shuō)，在第一陰極片32中，相應(yīng)于形成在固體電解質(zhì)層10的表面上的周期較長(zhǎng)的第一粗糙化部分11a的突起部分的這一部分比相應(yīng)于第一粗糙化部分11a的凹進(jìn)部分的那一部分薄。通過(guò)這種方式，則由于圖3B所示疊層的熱膨脹或熱收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力，第一陰極片32的薄的部分就會(huì)斷開(kāi)從而形成多個(gè)島狀部分12a、12a…。如此，在第一陰極片32被煅燒的同時(shí)，相應(yīng)于形成在固體電解質(zhì)層10的表面上的周期較長(zhǎng)的第一粗糙化部分11a的突起部分而使得該第一陰極片被分成多個(gè)部分。由此，島狀部分12a、12a…可以形成為基本相同的尺寸。島狀部分12a彼此之間的間隙的寬度可以基本相同。
此外，由于加入到第二陰極片34中的造孔劑被氣化，從而形成比第一陰極層12具有更多孔的第二陰極層14。由此可得到圖1所示的固體電解質(zhì)燃料電池。
如前所述，圖1所示的固體電解質(zhì)燃料電池的陽(yáng)極層18這一側(cè)在開(kāi)放大氣中被放置在火焰中或者火焰附近。陽(yáng)極層18與火焰相向地設(shè)置使得容易利用存在于火焰中的烴類(lèi)、氫氣、自由基(OH、CH、C2、O2H、CH3)作為燃料。
此外，固體電解質(zhì)燃料電池的陰極層16這一側(cè)的表面可以暴露于大氣中，使得容易利用大氣中的氧氣。而且，可以向陰極層16吹送含氧氣氣體(空氣、富氧氣氣體等)，以使陰極層16可以有效地利用氧氣。
雖然如前所述將固體電解質(zhì)燃料電池放置在火焰中或者火焰附近，但是固體電解質(zhì)燃料電池優(yōu)選被放置在火焰根部的還原焰中。將固體電解質(zhì)燃料電池放置在還原焰中的方式使得該燃料電池可以利用還原焰中存在的烴類(lèi)、氫氣、自由基等作為燃料。甚至在使用由含有可能容易被氧化和劣化的陽(yáng)極層電極材料制備的陽(yáng)極層18時(shí)，所得固體電解質(zhì)燃料電池仍可保持其耐久性。
作為燃料，可以使用可被燃燒和氧化以產(chǎn)生火焰的任何材料(可燃物質(zhì))。
加入到圖3所示的用于構(gòu)成第二陰極片34的多孔層膏體中的造孔劑的量與由此得到的固體電解質(zhì)燃料電池的電功率之間的關(guān)系如圖4所示。
在圖4中，橫坐標(biāo)表示加入到多孔層膏體中的碳基造孔劑的量，縱坐標(biāo)表示由此得到的固體電解質(zhì)燃料電池的最大輸出。圖4顯示出由不同的構(gòu)成陽(yáng)極層18的陽(yáng)極層電極材料所得到的固體電解質(zhì)燃料電池的最大輸出。
從圖4中可以看出，當(dāng)加入到多孔層膏體中的造孔劑的量為50-70體積％時(shí)，可以提高由此得到的固體電解質(zhì)燃料電池的最大輸出。
雖然前面的描述都是參照在第二陰極層14和陽(yáng)極層18中分別設(shè)置有網(wǎng)狀金屬的情況而做出的，但是也可以在這些層中設(shè)置線(xiàn)狀金屬。
由燃燒器產(chǎn)生的以丁烷氣體為燃料的預(yù)混火焰被施加到圖1所示的固體電解質(zhì)燃料電池的陽(yáng)極層18這一側(cè)的表面上，以測(cè)試其發(fā)電性能。之后，將該固體電解質(zhì)燃料電池與火焰充分隔離以便使固體電解質(zhì)燃料電池整體的溫度恢復(fù)到室溫。接著，由燃燒器產(chǎn)生的預(yù)混火焰被再一次施加到該固體電解質(zhì)燃料電池的陽(yáng)極層18這一側(cè)。然后重復(fù)進(jìn)行這些過(guò)程，從而通過(guò)熱沖擊對(duì)固體電解質(zhì)燃料電池進(jìn)行性能劣化測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從圖5所示的發(fā)電性能可以看出，與圖14所示的相關(guān)技術(shù)的固體電解質(zhì)燃料電池相比，圖1所示的固體電解燃料電池表現(xiàn)出即使在經(jīng)受10次重復(fù)熱沖擊之后，發(fā)電性能下降的幅度也顯著降低。
在圖5中，圓形標(biāo)記表示沒(méi)有經(jīng)受熱沖擊時(shí)的電功率(實(shí)心標(biāo)記)和電壓(空白標(biāo)記)，三角形標(biāo)記表示經(jīng)受5次重復(fù)熱沖擊后的電功率(實(shí)心標(biāo)記)和電壓(空白標(biāo)記)，矩形標(biāo)記表示經(jīng)受10次重復(fù)熱沖擊后的電功率(實(shí)心標(biāo)記)和電壓(空白標(biāo)記)。
另一方面，圖6所示的固體電解質(zhì)燃料電池由與圖1所示的固體電解質(zhì)燃料電池的組成材料相同的組分構(gòu)成。在圖6所示的固體電解質(zhì)燃料電池中，兩側(cè)均為平坦?fàn)畹墓腆w電解質(zhì)層200的一側(cè)上層壓有陰極層206，其另一側(cè)上層壓有陽(yáng)極層210。陰極層206為第一陰極層202和第二陰極層204所構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，其中，第一陰極層202被設(shè)置成與固體電解質(zhì)層200的一側(cè)相接觸，第二陰極層204被設(shè)置成覆蓋第一陰極層202。第二陰極層204的孔隙率比第一陰極層202的大。第一陰極層202沒(méi)有被分成多個(gè)部分，它是片狀的形式。
第二陰極層204和陽(yáng)極層210分別具有嵌入其中的構(gòu)成集電用網(wǎng)狀金屬的鉑金屬線(xiàn)208、208…。
對(duì)圖6所示的固體電解質(zhì)燃料電池進(jìn)行與上文所述方法相同的通過(guò)熱沖擊而進(jìn)行的性能劣化測(cè)試。結(jié)果呈現(xiàn)出圖7所示的發(fā)電性能。從圖7所示的發(fā)電性能可以看出，與圖5所示的圖1所示固體電解質(zhì)燃料電池的發(fā)電性能相比，圖6所示的固體電解燃料電池在經(jīng)受10次重復(fù)熱沖擊之后其發(fā)電性能劣化得較多。
在圖7中，圓形標(biāo)記表示沒(méi)有經(jīng)受熱沖擊時(shí)的電功率(實(shí)心標(biāo)記)和電壓(空白標(biāo)記)，三角形標(biāo)記表示經(jīng)受5次重復(fù)熱沖擊后的電功率(實(shí)心標(biāo)記)和電壓(空白標(biāo)記)，矩形標(biāo)記表示經(jīng)受10次重復(fù)熱沖擊后的電功率(實(shí)心標(biāo)記)和電壓(空白標(biāo)記)。
據(jù)推測(cè)，與圖1所示的固體電解質(zhì)燃料電池相比、圖6所示的固體電解燃料電池在經(jīng)受10次重復(fù)的熱沖擊之后其發(fā)電性能下降得較多的原因如下。
換句話(huà)說(shuō)，如圖8A所示，與固體電解質(zhì)層200的一側(cè)相接觸設(shè)置的第一陰極層202沒(méi)有被分成多個(gè)部分。因此，當(dāng)片狀的固體電解質(zhì)燃料電池受到熱沖擊時(shí)，固體電解質(zhì)層200與第一陰極層202的界面處受到由這兩層的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的大的應(yīng)力。結(jié)果固體電解質(zhì)層200與第一陰極層202的結(jié)合力低的部位處就會(huì)發(fā)生部分剝離。
另一方面，如圖8B所示，在與固體電解質(zhì)層10的一側(cè)相接觸的第一陰極層12具有多個(gè)島狀部分12a、12a…的情況下，當(dāng)固體電解質(zhì)燃料電池受到熱沖擊時(shí)，在固體電解質(zhì)層10與構(gòu)成第一陰極層12的島狀部分12a、12a…的界面處，由這兩層的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的應(yīng)力被分散開(kāi)。結(jié)果防止了固體電解質(zhì)層10與構(gòu)成第一陰極層12的島狀部分12a、12a…彼此剝離。
從圖5所示的發(fā)電性能中可以看出，圖1所示的固體電解質(zhì)燃料電池在10次重復(fù)熱沖擊后其發(fā)電性能會(huì)下降一些。本發(fā)明人推測(cè)，發(fā)電性能之所以會(huì)下降一些是因?yàn)榈谝魂帢O片32和第二陰極片34是被同時(shí)煅燒的。于是，本發(fā)明人對(duì)相繼煅燒第一陰極片32和第二陰極片34的方式進(jìn)行了研究。
首先，如圖9A所示，本發(fā)明人將前述的致密層膏體印刷到固體電解質(zhì)層10的一側(cè)上，以形成第一陰極片32。然后對(duì)第一陰極片32進(jìn)行暫時(shí)性煅燒，以形成暫時(shí)性煅燒的材料32’。在暫時(shí)性煅燒的過(guò)程中，由于熱膨脹或者熱收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力，使得第一陰極片32的薄的部分被分開(kāi)從而形成多個(gè)島狀部分32a’、32a’…，如圖9B所示。
接著，如圖9C所示，將前述的多孔層膏體印刷到經(jīng)暫時(shí)性煅燒的材料32’上，以形成第二陰極片34。同時(shí)，將前述的陽(yáng)極膏體印刷到固體電解質(zhì)層10的另一側(cè)上，以形成陽(yáng)極片38。
第二陰極片34和陽(yáng)極片38分別具有嵌入其中的由金屬線(xiàn)20、20…構(gòu)成的網(wǎng)狀金屬。通過(guò)焊接將引線(xiàn)(圖中未示出)固定到網(wǎng)狀金屬。
以這樣一種方式將網(wǎng)狀金屬嵌入第二陰極片34中，即，金屬線(xiàn)20、20…分別被設(shè)置在經(jīng)暫時(shí)性煅燒的材料32’的島狀部分32a’的上方。也可以將網(wǎng)狀金屬固定到第二陰極片34的表面。
之后，煅燒圖9C所示的疊層，以使得位于構(gòu)成第一陰極層的島狀部分12a之間的間隙由構(gòu)成第二陰極層14的材料填充。
由此可以有效地利用位于島狀部分12a之間的空間。
由燃燒器產(chǎn)生的以丁烷氣體為燃料的預(yù)混火焰被施加到由此得到的固體電解質(zhì)燃料電池的陽(yáng)極層這一側(cè)的表面，以測(cè)試其發(fā)電性能。測(cè)試結(jié)果如圖10所示。從圖10所示的發(fā)電性能可以看出，與第一陰極片32未進(jìn)行暫時(shí)性煅燒而得到的固體電解燃料電池相比，通過(guò)對(duì)形成在固體電解質(zhì)層10的一側(cè)上的第一陰極片32進(jìn)行暫時(shí)性煅燒而得到的固體電解質(zhì)燃料電池顯示出提高的發(fā)電性能。
在圖10中，圓形標(biāo)記分別表示未進(jìn)行暫時(shí)性煅燒而得到的產(chǎn)品，矩形標(biāo)記分別表示通過(guò)暫時(shí)性煅燒而得到的產(chǎn)品(實(shí)心標(biāo)記電功率；空白標(biāo)記電壓(電位))。
雖然前述的圖1到圖10所示的固體電解質(zhì)燃料電池都是以這樣一種方式而獲得的，即，利用在固體電解質(zhì)層10的一側(cè)上形成的第一粗糙化表面，在煅燒過(guò)程中形成具有多個(gè)島狀部分12a、12a…的第一陰極層12，但是如圖11所示，也可以在平坦?fàn)畹碾娊赓|(zhì)層10的一側(cè)上形成之前已經(jīng)被分成島狀部分32a、32a…的第一陰極片32。可以通過(guò)在平坦?fàn)畹碾娊赓|(zhì)層10的一側(cè)絲網(wǎng)印刷致密層膏體而得到所述的之前已經(jīng)被分成島狀部分32a、32a…的第一陰極片32。
雖然圖1到圖10所述的固體電解質(zhì)燃料電池都包含在其兩側(cè)都具有周期彼此不同的兩種粗糙化部分以形成粗糙化表面的固體電解質(zhì)層10作為固體電解質(zhì)層，但是也可以使用其一側(cè)僅由周期長(zhǎng)的第一粗糙化部分形成的粗糙化表面的固體電解質(zhì)層。可以通過(guò)向固體電解質(zhì)生片10a的一側(cè)壓靠具有預(yù)定間隔的突起部分的掩模來(lái)形成這種固體電解質(zhì)層。
(1)固體電解質(zhì)燃料電池的制備為了制備固體電解質(zhì)層10，采用壓力為150kg/cm2的水壓機(jī)用刮刀法將平紋織物22、22壓到固體電解質(zhì)生片的兩側(cè)。然后將織物22、22從生片的兩側(cè)剝離。然后觀(guān)察如此剝離后的固體電解質(zhì)生片的兩側(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)形成了周期性的棋盤(pán)狀的第一粗糙化部分。還發(fā)現(xiàn)該第一粗糙化部分具有形成在其上的由構(gòu)成織物22、22的單纖維所形成的周期短的第二粗糙化部分。
將固體電解質(zhì)生片沖壓成圓形，然后在1,300℃煅燒以得到由Sm0.2Ce0.8O1.9(氧化釤摻雜二氧化鈰SDC)制成的陶瓷基體，其厚度為180μm，直徑φ為15mm。
然后把通過(guò)向Sm0.5Sr0.5CoO3(高鈷酸釤鍶SSC)中摻入50重量％的SDC而制成的致密層膏體薄板印刷(sheet-printed)(印刷面積1.3cm2)到所得的作為固體電解質(zhì)層10的陶瓷基體的一側(cè)(面積1.8cm2)，作為構(gòu)成第一陰極層12的第一陰極片32。
此外，把通過(guò)混合20重量％SDC、5重量％Rh2O3(氧化銠)和8摩爾％Li-NiO2而得到的陽(yáng)極層膏體薄板印刷(印刷面積1.3cm2)到陶瓷基體的另一側(cè)，作為構(gòu)成陽(yáng)極層18的陽(yáng)極片38。
而且，把通過(guò)向SSC中摻入55體積％碳基造孔劑和30重量％SDC而制成的多孔層膏體薄板印刷(印刷面積1.3cm2)到第一陰極片32上，作為構(gòu)成第二陰極層14的第二陰極片34。
接著，把通過(guò)焊接鉑線(xiàn)而形成的網(wǎng)狀金屬(#80；金屬線(xiàn)間距320μm)嵌入第二陰極片34和陽(yáng)極片38中。然后在大氣中將該疊層在1,200℃下煅燒1小時(shí)，以得到固體電解質(zhì)燃料電池。
(2)剖面觀(guān)測(cè)由此得到的固體電解質(zhì)燃料電池的剖面的電子顯微鏡照片如圖12所示。從圖12所示的電子顯微鏡照片可以看出，在固體電解質(zhì)燃料電池的一側(cè)上形成了具有多個(gè)島狀部分的第一陰極層，該固體電解質(zhì)燃料電池的兩側(cè)都形成有周期為300μm的第一粗糙化部分。第一陰極層被第二陰極層覆蓋。(第一陰極層具有形成在第一粗糙化部分的表面上、并且其周期比第一粗糙化部分的周期短的第二粗糙化部分，但是在圖12所示的電子顯微鏡照片中沒(méi)有明確的示出)第一陰極層的島狀部分均位于固體電解質(zhì)層的粗糙化部分的凹進(jìn)部分上。島狀部分之間的間隙均位于固體電解質(zhì)層的第一粗糙化部分的突起部分中。
此外，網(wǎng)狀金屬的金屬線(xiàn)位于第一陰極層的島狀部分上，并且被構(gòu)成第二陰極層的材料包圍。
第一陰極層的島狀部分的長(zhǎng)度為100μm到300μm，島狀部分之間的間隙為10μm到100μm。
(3)發(fā)電性能將以6.5％的丁烷氣體為燃料的燃燒器產(chǎn)生的預(yù)混火焰施加到如此得到的固體電解質(zhì)燃料電池的陽(yáng)極層這一側(cè)的表面，以測(cè)試其發(fā)電性能。之后，將該固體電解質(zhì)燃料電池與火焰充分隔開(kāi)，以便使固體電解質(zhì)燃料電池整體的溫度恢復(fù)到室溫。接著，將燃燒器產(chǎn)生的預(yù)混火焰再一次施加到固體電解質(zhì)燃料電池的陽(yáng)極層18這一側(cè)。然后將該過(guò)程重復(fù)進(jìn)行10次，以通過(guò)熱沖擊對(duì)固體電解質(zhì)燃料電池進(jìn)行性能劣化測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。
從圖5所示的發(fā)電性能可以看出，該固體電解質(zhì)燃料電池即使在經(jīng)受10次重復(fù)熱沖擊后也幾乎沒(méi)有或者沒(méi)有表現(xiàn)出發(fā)電性能的劣化。
按照實(shí)施例1的方法實(shí)施，不同之處在于對(duì)沒(méi)有將織物22、22壓向其兩側(cè)的固體電解質(zhì)生片進(jìn)行煅燒，以形成兩側(cè)均為平坦?fàn)畹墓腆w電解質(zhì)層，并且陰極層16只由第一陰極層12(致密層)構(gòu)成。由此，制備得到圖13所示的固體電解質(zhì)燃料電池。
然后對(duì)如此獲得的圖13所示的固體電解質(zhì)燃料電池進(jìn)行與實(shí)施例1相同的熱沖擊測(cè)試。結(jié)果示于圖14。
從圖14所示的發(fā)電性能可以看出，該固體電解質(zhì)燃料電池每經(jīng)受一次熱沖擊，其發(fā)電性能就表現(xiàn)出一定程度的劣化。在圖14中，這種現(xiàn)象由表示電功率下降方向的箭頭A示出。
按照實(shí)施例1的方法實(shí)施，不同之處在于對(duì)沒(méi)有將織物22、22壓向其兩側(cè)的固體電解質(zhì)生片進(jìn)行煅燒，以形成兩側(cè)均為平坦?fàn)畹墓腆w電解質(zhì)層。由此制備得到圖6所示的固體電解質(zhì)燃料電池。
然后對(duì)如此獲得的圖6所示的固體電解質(zhì)燃料電池進(jìn)行與實(shí)施例1相同的熱沖擊測(cè)試。結(jié)果如圖7所示。
從圖7所示的發(fā)電性能可以看出，圖6所示的固體電解質(zhì)燃料電池在經(jīng)受10次熱沖擊后其發(fā)電性能表現(xiàn)出明顯的劣化。
(1)固體電解質(zhì)燃料電池的制備為了制備固體電解質(zhì)層10，采用壓力為150kg/cm2的水壓機(jī)用刮刀法將平紋織物22、22壓到固體電解質(zhì)生片的兩側(cè)。然后將織物22、22從生片的兩側(cè)剝離。然后觀(guān)察如此剝離后的固體電解質(zhì)生片的兩側(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)形成了周期性的棋盤(pán)狀的第一粗糙化部分。還發(fā)現(xiàn)該第一粗糙化部分具有形成在其上的由構(gòu)成織物22、22的單纖維所形成的周期短的第二粗糙化部分。
將固體電解質(zhì)生片沖壓成圓形，然后在1,300℃煅燒以得到由Sm0.2Ce0.8O1.9(氧化釤摻雜二氧化鈰SDC)制成的陶瓷基體，其厚度為180μm，直徑φ為15mm。
然后把通過(guò)向Sm0.5Sr0.5CoO3(高鈷酸釤鍶SSC)中摻入50重量％的SDC而制成的致密層膏體薄板印刷(印刷面積1.3cm2)到所得的作為固體電解質(zhì)層10的陶瓷基體的一側(cè)(面積1.8cm2)，作為構(gòu)成陰極層16中的第一陰極層12的第一陰極片32。
將由此得到的第一陰極片32在1,200℃的溫度下暫時(shí)性煅燒1小時(shí)，以形成暫時(shí)性煅燒的材料32’。此外，把通過(guò)混合20重量％SDC、5重量％Rh2O3(氧化銠)和8摩爾％Li-NiO2而得到的陽(yáng)極層膏體薄板印刷(印刷面積1.3cm2)到陶瓷基體的另一側(cè)，作為構(gòu)成陽(yáng)極層18的陽(yáng)極片38。
而且，把通過(guò)向SSC中摻入55體積％碳基造孔劑和30重量％SDC而制成的多孔層膏體薄板印刷(印刷面積1.3cm2)到經(jīng)暫時(shí)性煅燒的材料32’上，作為構(gòu)成陰極層16中的第二陰極層14的第二陰極片34。
接著，把通過(guò)焊接鉑線(xiàn)而形成的網(wǎng)狀金屬(#80；金屬線(xiàn)間距320μm)嵌入第二陰極片34和陽(yáng)極片38中。然后在大氣中將該疊層在1,200℃下煅燒1小時(shí)，以得到固體電解質(zhì)燃料電池。
(2)剖面觀(guān)測(cè)本實(shí)施例得到的固體電解質(zhì)燃料電池顯示出與實(shí)施例1得到的固體電解質(zhì)燃料電池基本相同的如圖12所示的剖面。
然而，從圖12所示的剖面可以看出，本實(shí)施例得到的固體電解質(zhì)燃料電池在構(gòu)成第一陰極層的多個(gè)島狀部分之間幾乎沒(méi)有或者沒(méi)有空間。
(3)發(fā)電性能將以6.5％的丁烷氣體為燃料的燃燒器產(chǎn)生的預(yù)混火焰施加到如此得到的固體電解質(zhì)燃料電池的陽(yáng)極層這一側(cè)的表面，以測(cè)試其發(fā)電性能。結(jié)果如圖10所示。圖10還描述了實(shí)施例1所得到的固體電解質(zhì)燃料電池的發(fā)電性能，并以其作為“未進(jìn)行暫時(shí)性煅燒而得到的產(chǎn)品”的結(jié)果的例子。
從圖10所示的發(fā)電性能可以看出，本實(shí)施例得到的固體電解質(zhì)燃料電池顯示出比實(shí)施例1得到的固體電解質(zhì)燃料電池更好的發(fā)電性能。
權(quán)利要求
1.一種固體電解質(zhì)燃料電池，其具有固體電解質(zhì)層，形成在該固體電解質(zhì)層的一側(cè)上的陰極層，和形成在該固體電解質(zhì)層的另一側(cè)上的陽(yáng)極層，其中，所述陰極層包含第一陰極層和第二陰極層，所述第一陰極層與所述固體電解質(zhì)層接觸，所述第二陰極層覆蓋所述第一陰極層，所述第二陰極層比所述第一陰極層具有更高的孔隙率，并且所述第一陰極層被分成多個(gè)島狀部分。
2.如權(quán)利要求1所限定的固體電解質(zhì)燃料電池，其中構(gòu)成所述第一陰極層的所述多個(gè)島狀部分是周期性地形成的。
3.如權(quán)利要求1所限定的固體電解質(zhì)燃料電池，其中所述第一陰極層的所述多個(gè)島狀部分之間的間隙由構(gòu)成所述第二陰極層的模塑材料填充。
4.如權(quán)利要求1所限定的固體電解質(zhì)燃料電池，其中所述固體電解質(zhì)層的面向陰極層這一側(cè)的表面被周期性地粗糙化以得到粗糙化表面，所述粗糙化部分的凹進(jìn)側(cè)設(shè)置有構(gòu)成所述第一陰極層的所述島狀部分，而突起側(cè)設(shè)置有位于所述島狀部分之間的間隙。
5.如權(quán)利要求1所限定的固體電解質(zhì)燃料電池，其中所述固體電解質(zhì)層的表面是具有彼此周期不同的兩種粗糙化部分的粗糙化表面，所述的兩種粗糙化部分由第一粗糙化部分和第二粗糙化部分組成，其中在所述的第一粗糙化部分中，凹進(jìn)部分和突起部分周期性地依次出現(xiàn)，其中所述凹進(jìn)部分與設(shè)置在其上并且構(gòu)成所述第一陰極層的所述島狀部分相對(duì)應(yīng)，所述突起部分上設(shè)置有位于所述島狀部分之間的間隙；以及所述的第二粗糙化部分形成在所述的第一粗糙化部分上，并且其周期比所述第一粗糙化部分的周期短。
6.如權(quán)利要求1所限定的固體電解質(zhì)燃料電池，其中構(gòu)成所述第一陰極層的每個(gè)所述的島狀部分均配置有金屬線(xiàn)，所述金屬線(xiàn)構(gòu)成集電用網(wǎng)狀金屬或線(xiàn)狀金屬，所述網(wǎng)狀金屬或線(xiàn)狀金屬被嵌入或固定到所述的第二陰極層。
7.如權(quán)利要求1所限定的固體電解質(zhì)燃料電池，其中所述第一陰極層的孔隙率為10體積％或更低，所述第二陰極層的孔隙率為50體積％或更高。
8.如權(quán)利要求1所限定的固體電解質(zhì)燃料電池，其中所述的第二陰極層是多孔層，該多孔層是通過(guò)在煅燒過(guò)程中加入在所述陰極層的煅燒溫度下會(huì)發(fā)生氣化的造孔劑而得到的，并且所述的第一陰極層是致密層，該致密層是通過(guò)在不加入造孔劑的條件下進(jìn)行煅燒而得到的。
9.如權(quán)利要求8所限定的固體電解質(zhì)燃料電池，其中所述造孔劑的添加量為50-70體積％。
10.如權(quán)利要求1所限定的固體電解質(zhì)燃料電池，其中所述第一陰極層和所述第二陰極層各自包含構(gòu)成所述固體電解質(zhì)層的電解質(zhì)和摻入其中并與之混合的電極材料。
11.如權(quán)利要求10所限定的固體電解質(zhì)燃料電池，其中所述第一陰極層中的所述固體電解質(zhì)的混合比率大于所述第二陰極層中的所述固體電解質(zhì)的混合比率。
12.如權(quán)利要求1所限定的固體電解質(zhì)燃料電池，其中當(dāng)在開(kāi)放大氣中將所述固體電解質(zhì)燃料電池的一側(cè)暴露在火焰中以產(chǎn)生電能時(shí)，該固體電解質(zhì)燃料電池的陽(yáng)極層這一側(cè)暴露于火焰中，而其陰極層那一側(cè)則暴露在大氣中。
13.一種制備固體電解質(zhì)燃料電池的方法，該方法包括以下步驟在固體電解質(zhì)層的一側(cè)層壓第一陰極片，該第一陰極片中摻有陰極層電極材料，在所述的第一陰極片上層壓第二陰極片，該第二陰極片中摻有陰極層電極材料和造孔劑，在所述固體電解質(zhì)層的另一側(cè)層壓陽(yáng)極片，該陽(yáng)極片中摻有陽(yáng)極層電極材料，以及在使得所述造孔劑氣化的溫度下煅燒所述第一陰極片、所述第二陰極片和所述陽(yáng)極片，以形成第一陰極層、第二陰極層和陽(yáng)極層，其中在煅燒前或煅燒過(guò)程中，所述的第一陰極片被分成多個(gè)島狀部分，以在所述固體電解質(zhì)層的一側(cè)上形成具有多個(gè)島狀部分的第一陰極層。
14.如權(quán)利要求13所限定的制備固體電解質(zhì)燃料電池的方法，其中所述固體電解質(zhì)層的其上層壓有所述第一陰極片的這一側(cè)的表面上形成有粗糙化部分，該粗糙化部分具有凹進(jìn)部分和突起部分，其中所述凹進(jìn)部分與構(gòu)成所述第一陰極層的所述島狀部分相對(duì)應(yīng)，所述第一陰極層是由煅燒所述第一陰極片而得到的，所述突起部分與位于所述島狀部分之間的間隙相對(duì)應(yīng)，所述凹進(jìn)部分和所述突起部分周期性地依次出現(xiàn)，從而使得所述固體電解質(zhì)層的所述這一側(cè)的表面被粗糙化。
15.如權(quán)利要求13所限定的制備固體電解質(zhì)燃料電池的方法，其中所述固體電解質(zhì)層具有彼此周期不同的兩種粗糙化部分，以使所述其上層壓有所述第一陰極片的表面形成為粗糙化表面，其中所述的兩種粗糙化部分由第一粗糙化部分和第二粗糙化部分組成，其中在所述的第一粗糙化部分中，凹進(jìn)部分和突起部分周期性地依次出現(xiàn)，其中所述凹進(jìn)部分與構(gòu)成所述第一陰極層的所述島狀部分相對(duì)應(yīng)，所述突起部分與位于所述島狀部分之間的間隙相對(duì)應(yīng)，所述第一陰極層是由煅燒所述第一陰極片而得到的；以及所述的第二粗糙化部分形成在所述的第一粗糙化部分的表面上，并且其周期比所述第一粗糙化部分的周期短。
16.如權(quán)利要求15所限定的制備固體電解質(zhì)燃料電池的方法，還包括以下步驟把由有機(jī)纖維或金屬纖維制成的織物壓到構(gòu)成所述固體電解質(zhì)層的固體電解質(zhì)生片的至少一側(cè)上，從而，通過(guò)所述織物中緯線(xiàn)與經(jīng)線(xiàn)的交叉而在所述生片的所述那至少一側(cè)的表面上形成第一粗糙化部分，以及通過(guò)構(gòu)成所述緯線(xiàn)和所述經(jīng)線(xiàn)的單纖維而在所述第一粗糙化部分的表面上形成第二粗糙化部分，其中該第一粗糙化部分具有一定的周期、并且凹進(jìn)部分和突起部分周期性地依次出現(xiàn)，該第二粗糙化部分的周期比所述第一粗糙化部分的周期短；以及煅燒該固體電解質(zhì)生片。
17.如權(quán)利要求13所限定的制備固體電解質(zhì)燃料電池的方法，還包括以下步驟在固體電解質(zhì)層的一側(cè)上層壓第一陰極片，所述固體電解質(zhì)層具有凹進(jìn)部分和突起部分，其中所述凹進(jìn)部分與構(gòu)成所述第一陰極層的島狀部分相對(duì)應(yīng)，所述突起部分與所述島狀部分之間的間隙相對(duì)應(yīng)，所述凹進(jìn)部分和所述突起部分周期性地依次出現(xiàn)，并且所述第一陰極層是通過(guò)煅燒所述第一陰極片而得到的；暫時(shí)性煅燒所述的第一陰極片，使得構(gòu)成所述第一陰極層的所述多個(gè)島狀部分分別形成在所述固體電解質(zhì)層的所述粗糙化部分的所述凹進(jìn)部分中；在所述第一陰極層上層壓第二陰極片，在所述固體電解質(zhì)層的另一側(cè)上層壓陽(yáng)極片；以及對(duì)所述第一陰極層、所述第二陰極片和所述陽(yáng)極片進(jìn)行煅燒。
18.如權(quán)利要求13所限定的制備固體電解質(zhì)燃料電池的方法，其中，將集電用網(wǎng)狀金屬或線(xiàn)狀金屬嵌入或者固定到所述第二陰極片或所述陽(yáng)極片，并且作為所述的網(wǎng)狀金屬或所述的線(xiàn)狀金屬，采用其中設(shè)置有與構(gòu)成所述第一陰極層的所述島狀部分相對(duì)應(yīng)的金屬線(xiàn)的網(wǎng)狀金屬或線(xiàn)狀金屬，所述第一陰極層是由煅燒所述第一陰極片而得到的。
19.如權(quán)利要求13所限定的制備固體電解質(zhì)燃料電池的方法，其中摻入所述第二陰極片中的造孔劑的量為50-70體積％。
20.如權(quán)利要求13所限定的制備固體電解質(zhì)燃料電池的方法，其中所述第一陰極片和所述第二陰極片各自包含構(gòu)成所述固體電解質(zhì)層的電解質(zhì)和摻入其中并與之混合的電極材料。
21.如權(quán)利要求20所限定的制備固體電解質(zhì)燃料電池的方法，其中所述第一陰極片中所摻入的所述固體電解質(zhì)的量大于所述第二陰極片中所摻入的所述固體電解質(zhì)的量。
全文摘要
一種固體電解質(zhì)燃料電池，其具有形成在固體電解質(zhì)層10的一側(cè)上的陰極層16和形成在固體電解質(zhì)層10的另一側(cè)上的陽(yáng)極層18，其中，陰極層16包含與固體電解質(zhì)層接觸的第一陰極層12和覆蓋第一陰極層12的第二陰極層14，第二陰極層14的孔隙率比第一陰極層12的孔隙率高，并且第一陰極層12被分成多個(gè)島狀部分12a、12a…。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101047259SQ20071008756
公開(kāi)日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2007年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月30日
發(fā)明者片桐史雅, 菅沼茂明, 德武安衛(wèi), 吉池潤(rùn), 堀內(nèi)道夫 申請(qǐng)人:新光電氣工業(yè)株式會(huì)社