質(zhì)-電極層疊體11包括燃料電極2、電解質(zhì)層I和空氣電極3。
[0052][固體電解質(zhì)的制造]
[0053]關于根據(jù)實施方案的固體電解質(zhì)，將碳酸鋇、氧化鋯、氧化鈰和氧化釔粉末以預定的比例混合，使用球磨機將混合物粉碎并捏合，然后進行單軸壓縮成形，由此形成圓盤狀成形體。隨后，在I，600°C下進行燒制10小時以引發(fā)固相反應，由此形成圓盤狀固體電解質(zhì)。隨后，使用粉碎機將圓盤狀固體電解質(zhì)粉碎，然后使用球磨機進行粉碎并捏合，從而得到固體電解質(zhì)粉末。通過改變氧化鋯和氧化鈰的混合量，獲得以下固體電解質(zhì)。需注意的是:在附圖的曲線圖中所示出的樣品的組成也如下所示:
[0054]BaCe0.8Y0.202.9(以下稱為 BCY)
[0055]BaZr0.1Ce0.7Y0.2Ο2.9(以下稱為 BZCY17)
[0056]BaZr0.25Ce0.55Y0.2O2.9 (以下稱為 BZCY2555)
[0057]BaZr0.4Ce0.4Y0.2Ο2.9 (以下稱為 BZCY44)
[0058]BaZr0.yCe0.ιΥο.2Ο2.9 (以下稱為 BZCY71)
[0059]BaZr0.8Y().202.9(以下稱為 BZY)
[0060][對CO2的抗性的驗證實驗]
[0061]在100%二氧化碳氣體的氣氛中，在600°C下將各固體電解質(zhì)粉末處理2小時，隨后測定各固體電解質(zhì)的分解率。關于分解率，基于熱處理后的XRD衍射結果，采用RIR方法(參考強度比方法)，由各物質(zhì)所確定的參考強度比和峰強度比來計算原始固體電解質(zhì)和BaCo3的質(zhì)量比，并且由產(chǎn)生的BaCo3的量和固體電解質(zhì)的剩余量之比來計算分解率。
[0062]圖2示出了各固體電解質(zhì)的分解率。由圖2顯而易見的是，在BCY中，電解質(zhì)層100%分解，而在BZCY2555中，分解率降低至大約18 %。此外，發(fā)現(xiàn)當鋯組分的混合量超過10摩爾％時，對CO2的抗性得以提高。這個結果表明，為了提高對CO2的抗性，優(yōu)選以這樣的方式混合材料，使得相對于固體電解質(zhì)組分中的鋯組分、鈰組分和釔組分的總量，鋯組分的混合量超過10摩爾％。在這種情況下，由于釔組分的混合比在BCY和BZY中是相同的，因此以摩爾計，鋯組分與鈰組分的混合比超過1:7。
[0063][具有陽極支撐結構的固體電解質(zhì)-電極層疊體的制造]
[0064]以使各固體電解質(zhì)材料包含70體積％的附作為催化劑組分的方式，將N1添加到各固體電解質(zhì)材料中，并將各固體電解質(zhì)材料混合，利用球磨機進行粉碎捏合，然后進行單軸壓縮成形，由此形成構成燃料電極的圓盤狀成形體。將得到的成形體在I，ooo°c下進行暫時燒結，通過絲網(wǎng)印刷將BCY糊劑涂布至成形體的一側(cè)，并在750°C下除去粘結劑，接著在I，400°C下進行一體化燒結。由此獲得了固體電解質(zhì)-燃料電極層疊體。接下來，將用于形成空氣電極的鑭鈷-氧化鈰系材料(LSFC)涂布到固體電解質(zhì)層的表面上，隨后在I，000°C下進行燒結。以這種方式，制造了固體電解質(zhì)-電極層層疊體11。需要注意的是，表示樣品的符號與在上述對CO2的抗性的驗證實驗中所使用的那些符號相同。
[0065][反應產(chǎn)物的生成量的檢測]
[0066]利用X射線衍射法(XRD)，對各燃料電極的產(chǎn)物進行組分分析。
[0067](測量條件)
[0068]使用的X射線:Cu-Ka輻射
[0069]線焦點:45kV40mA
[0070]Θ-2Θ掃描:2Θ = 10。至80°
[0071]步長:0.03°
[0072]計算時間:I秒
[0073]圖4至6中示出了部分X射線衍射數(shù)據(jù)。圖4示出了通過向BZY中添加作為催化劑組分的Ni而形成的燃料電極的測量數(shù)據(jù)。圖5示出了通過向BCY中添加作為催化劑組分的Ni而形成的燃料電極的測量數(shù)據(jù)。圖6示出了通過向BCZY44中添加作為催化劑組分的Ni而形成的燃料電極的測量數(shù)據(jù)。從這些數(shù)據(jù)中顯而易見的是，在BZCY44中，BaY2N15的生成量小于BZY和BCY中的BaY2N15的生成量。
[0074]使用各個樣品的X射線衍射數(shù)據(jù)，繪制圖3所示的曲線圖。在圖3中，由質(zhì)量比和各混合物質(zhì)的式量來計算摩爾比，縱軸表示通過將反應產(chǎn)物BaY2N15的摩爾百分比除以各BZCY的摩爾百分比而獲得的數(shù)值(摩爾比)，橫軸表示BZCY的組成(鋯組分的混合量相對于鋯組分、鈰組分和釔組分的總量的重量比)。
[0075]從圖3中可清楚地看出，在橫軸的中間部分，反應產(chǎn)物BaY2N15的生成量降低。即，與通過向BCY或BZY中添加Ni催化劑而形成燃料電極的情況相比，反應產(chǎn)物BaY2N15的生成量降低，并且遠遠低于由材料混合比而預期的產(chǎn)量的變化(由虛線所示)。
[0076]此原因據(jù)推測為固溶體的形成使鈣鈦礦相穩(wěn)定，從而降低了反應性。
[0077][燃料電池的制造]
[0078]如圖7所示，設置有燃料電極的固體電解質(zhì)-電極層疊體包括:電解質(zhì)層1、燃料電極2和空氣電極3，其中該燃料電極是通過向BZCY44中添加Ni而形成的。在燃料電極2和空氣電極3的表面上設置由鉑網(wǎng)形成的集電體4和5，從而制造了圖8中所示的燃料電池。作為比較例，使用了具有通過向BZY中添加Ni而形成的燃料電極的固體電解質(zhì)-電極層疊體。
[0079]燃料電池10包括支撐在管狀容器12的中間部的固體電解質(zhì)-電極層疊體11，用于使燃料氣體作用于固體電解質(zhì)-電極層疊體11的一側(cè)的流路13和14，以及能夠使空氣作用于另一側(cè)的流路15和16。鉑網(wǎng)4和5分別連接至延伸到外部的引線17和18。由測量儀器(未示出)測定引線17和18之間的電流值和電壓值。
[0080]在燃料電池10中，使作為燃料氣體的氫氣以lOOcc/min流至燃料電極并作用于其上，并使空氣以lOOcc/min流至陰極并作用于其上。在使用由BZCY形成的燃料電極的情況中，測量在700°C下運行時的發(fā)電性能;并且在使用由BZY形成的燃料電極的情況中，測量在750°C下運行時的發(fā)電性能。
[0081 ]如圖9所示，在包括根據(jù)本實施方案的由BZCY形成的燃料電極的固體電解質(zhì)-電極層疊體中，獲得的發(fā)電性能為llOmW/cm2。與之相比，在利用BZY形成燃料電極的情況中，獲得的發(fā)電性能僅為23mW/cm20
[0082]由圖2顯而易見的是，為了確保對CO2的抗性，以摩爾比計，優(yōu)選將構成燃料電極的固體電解質(zhì)組分中的鋯組分的量設定為超過鈰組分的量的1/7。另一方面，為了通過抑制與Ni催化劑組分間的反應而確保發(fā)電性能，以摩爾比計，優(yōu)選將構成燃料電極的固體電解質(zhì)組分中的鋯組分的量設定為小于鈰組分的量的7倍。即，以摩爾比計，通過將構成燃料電極的固體電解質(zhì)組分中的鋯組分與鈰組分的混合比設定為1:7至7:1，能夠獲得同時具有對CO2的抗性和高發(fā)電性能的燃料電極用電極材料。
[0083]在此所公開的實施方案在各個方面是說明性的，而非限制性的。本發(fā)明的范圍并非局限于上述實施方案，而是旨在由隨附權利要求所確定，并且包括與權利要求同等的含義和范圍內(nèi)的所有變形。
[0084]工業(yè)實用性
[0085]本發(fā)明能夠廉價地提供一種燃料電極用電極材料，該電極材料具有對CO2的抗性，并能夠形成具有高發(fā)電性能的燃料電池。
[0086]參考符號列表
[0087]I 電解質(zhì)層
[0088]2 燃料電極
[0089]3 空氣電極
[0090]4 鉑網(wǎng)
[0091]5 鉑網(wǎng)
[0092]10燃料電池
[0093]11固體電解質(zhì)-電極層疊體
[0094]12管狀容器
[0095]13流路(燃料氣體)
[0096]14流路(燃料氣體)
[0097]15流路(空氣)
[0098]16流路(空氣)
[0099]17 引線
[0100]18 引線
【主權項】
1.一種燃料電極用電極材料，該電極材料構成了包括質(zhì)子傳導性固體電解質(zhì)層的燃料電池的燃料電極，該電極材料包含: 鈣鈦礦型固體電解質(zhì)組分和鎳(Ni)催化劑組分， 其中所述固體電解質(zhì)組分包含鋇組分、鋯組分、鈰組分和釔組分;并且 以摩爾比計算，所述固體電解質(zhì)組分中的鋯組分與鈰組分的混合比為1:7至7:1。2.根據(jù)權利要求1所述的燃料電極用電極材料，其中相對于總體積而言，所述鎳(Ni)催化劑組分的含量為40體積％至80體積％。3.—種固體電解質(zhì)-電極層疊體，其是通過整體燒結固體電解質(zhì)層和燃料電極而形成的， 其中所述燃料電極由根據(jù)權利要求1或2所述的燃料電極用電極材料形成;并且所述固體電解質(zhì)層包含釔摻雜的鈰酸鋇(BCY)、釔摻雜的鋯酸鋇(BZY)、或這些材料的固溶體。4.根據(jù)權利要求3所述的固體電解質(zhì)-電極層疊體，其中所述固體電解質(zhì)層由與所述燃料電極用電極材料中的固體電解質(zhì)組分相同的組分構成。5.—種制造根據(jù)權利要求3或4所述的固體電解質(zhì)-電極層疊體的方法，該方法包括以下步驟: 燃料電極成形步驟，其中通過使所述燃料電極用電極材料成形，從而形成燃料電極成形體； 固體電解質(zhì)沉積步驟，其中使固體電解質(zhì)材料沉積在所述燃料電極成形體的一個表面上;和 燒結步驟，其中對其上沉積有所述固體電解質(zhì)材料的所述燃料電極成形體進行燒結。6.—種燃料電池，其包括由根據(jù)權利要求1所述的燃料電極用電極材料形成的燃料電極。
【專利摘要】本發(fā)明廉價地提供了一種燃料電極用電極材料，該電極材料具有對CO2的抗性并且能夠形成具有高發(fā)電性能的燃料電池。該燃料電極用電極材料能夠用于形成包括質(zhì)子傳導性固體電解質(zhì)層的燃料電池的燃料電極，該電極材料包含：鈣鈦礦型固體電解質(zhì)組分和鎳(Ni)催化劑組分；鋇組分、鋯組分、鈰組分和釔組分作為所述固體電解質(zhì)組分；并且以摩爾比計算，所述固體電解質(zhì)組分中的鋯組分與鈰組分的混合比設為1:7至7:1。
【IPC分類】H01M8/12, H01M4/90
【公開號】CN105531860
【申請?zhí)枴緾N201480046903
【發(fā)明人】東野孝浩, 真島正利, 水原奈保, 平巖千尋
【申請人】住友電氣工業(yè)株式會社
【公開日】2016年4月27日
【申請日】2014年8月5日
【公告號】EP3041072A1, US20160204446, WO2015029713A1