高温结构材料、用于固体电解质燃料电池的结构体以及固体电解质燃料电池的制作方法

文档序号:7257653阅读:295来源:国知局
专利名称:高温结构材料、用于固体电解质燃料电池的结构体以及固体电解质燃料电池的制作方法
技术领域
本发明涉及高温结构材料、使用该高温结构材料形成的用于固体电解质燃料电池的结构体以及具有该结构体的固体电解质燃料电池。
背景技术
通常,平板型固体电解质燃料电池(也称为固体氧化物燃料电池(SOFC))由作为发电要素的多个平板状的电池单元和配置在多个电池单元之间的隔离物形成,其中,上述电池单元分别由阳极(负极、燃料电极)、固体电解质以及阴极(正极、空气电极)形成。隔离物配置于多个电池单元之间,以将多个电池单元相互电性串联,且将提供给各个电池单元的气体分离,具体地,将提供给阳极作为阳极气体的燃料气体(例如氢气)和提供给阴极作为阴极气体的氧化剂气体(例如空气)分离。 —直以来,隔离物由高耐热性的金属材料或者铬酸镧(LaCrO3)等导电陶瓷材料形成。如果使用这种导电材料形成隔离物,可以构成用一种材料就能实现上述电连接和气体分离功能的构件。然而,若使用铬酸镧等导电材料,存在为了设法使其和构成电池单元的其它构件烧结成一体而导致制造工序变多的问题。另外,若使用铬酸镧等导电材料,存在因材料成本较高而使制造成本变昂贵的问题。另外,由于固体电解质燃料电池的工作温度较高,构成电池单元的发电要素构件、将电池单元之间分离的隔离物构件、将气体分离地进行供给的气体歧管构件等固体电解质燃料电池的各构成部件的强度和热膨胀系数成为了问题。特别地,各构成部件的热膨胀系数要求与电解质材料钇稳定氧化锆(YSZ)的热膨胀系数接近。然而,由于上述现有技术中的固体电解质燃料电池的构成部件的热膨胀系数不一定与钇稳定氧化锆的热膨胀系数近似,所以在工作温度范围内存在因热膨胀差产生应力和变形的问题。对此,在日本专利特开平5-275106号公报(专利文献I)中记载的固体电解质燃料电池中,隔离物包括隔离物主体、和设置成贯通该隔离物主体的隔离部的电子通路。隔离物主体由MgO和MgAl2O4的复合材料构成。在这种情况下,可以通过改变MgO和MgAl2O4的混合比例来使上述复合材料的热膨胀系数与YSZ的热膨胀系数近似。由此,该复合材料可以适用于隔离物等固体电解质燃料电池的各构成部件。然而,该复合材料由于烧结性能差,所以在耐水性、耐二氧化碳气体性上可靠性较低。例如,该复合材料即使在1500°C以上的温度下烧结,由于MgO会在存在H2O或者CO2的气氛中选择性地溶出,长时间后会变成仅有MgAl2O4的多孔体,存在机械强度下降的问题。为解决该问题,如日本专利特开平6-5293号公报(专利文献2)和日本专利特开平6-111833号公报(专利文献3)所记载的那样,需要在由上述复合材料形成的构成部件的表面涂敷MgAl2O4或者Al2O3。另外,使用以MgO和MgAl2O4为主要成分的隔离物时,隔离物材料间或者隔离物材料和电池单元材料之间通过MgO -Al2O3的复合氧化物接合。此时,由于MgO -Al2O3复合氧化物的熔点较高,烧结接合时的温度为1400°C以上,会有由于燃料电极和空气电极被暴露在高温下而劣化造成电池性能受损的问题。为解决该问题,如日本专利特开平8-231280号公报(专利文献4)所记载的那样,在隔离物之间或者隔离物和电池单元材料之间,通过Mg0:Si02=l:0. 5 5(重量比)的接合材料,使其在1300°C以下的烧结温度下接合。现有技术文献专利文献专利文献I:日本专利特开平5-275106号公报专利文献2:日本专利特开平6-5293号公报 专利文献3:日本专利特开平6-111833号公报专利文献4:日本专利特开平8-231280号公报

发明内容
发明所要解决的问题如上所述,使用含有MgAl2O4 (镁铝尖晶石)作为隔离物主体材料的材料时,为防止机械强度下降,需要在构成部件的表面进行涂敷;为了使隔离物材料之间或者隔离物材料和电池单元材料之间在1300°C以下的烧结温度下接合,需要使用含有SiO2的接合材料等,都需要下一番功夫。因此,由于制造工序变多所以生产成本也变高。因此,本发明的目的是提供一种不仅热膨胀系数与电解质材料的热膨胀系数接近,即使在还原气氛中机械强度也不会降低,仅通过添加规定的烧结助剂即可以在相对较低的温度下烧结的高温结构材料、使用该高温材料形成的用于固体电解质燃料电池的结构体以及具有该结构体的固体电解质燃料电池。解决技术问题所采用的技术方案本发明人为解决上述问题进行了许多探讨,其结果是发现通过在钛酸锶中添加氧化铝,与仅含有钛酸锶的材料相比,可以使热膨胀系数变小,机械强度提高。另外,本发明人发现作为通过添加氧化锰或者氧化铌作为烧结助剂,可以很容易地使烧结温度降低。本发明的实现基于上述本发明人的见解并具有以下特征。本发明的高温结构材料含有钛酸锶和铝,当钛酸锶的摩尔份数设为100时,铝的摩尔份数为10以上、60以下。优选地,本发明的高温结构材料还包含氧化锰或氧化铌。本发明的用于固体电解质燃料电池的结构体是在固体电解质燃料电池中,配置在分别由按顺序进行堆叠的阳极层、固体电解质层以及阴极层构成的多个电池单元之间或者周围的用于固体电解质燃料电池的结构体。用于固体电解质燃料电池的结构体包括由电绝缘体制成的主体部和形成于该主体部内的电子通路部。主体部由上述高温结构材料形成。优选地,在本发明用于固体电解质燃料电池的结构体中,主体部和电子通路部以共烧结的方式形成。本发明的固体电解质燃料电池包括分别由按顺序进行堆叠的阳极层、固体电解质层以及阴极层构成的多个电池单元、和配置在多个电池单元之间或者周围的上述用于固体电解质燃料电池的结构体。发明的效果如上所述,根据本发明,可以得到一种不仅热膨胀系数与电解质材料的热膨胀系数接近,而且即使在还原气氛中机械强度也不会降低,仅通过添加规定的烧结助剂就可以在相对较低的温度下烧结的高温结构材料、使用该高温材料形成的用于固体电解质燃料电池的结构体以及具有该结构体的固体电解质燃料电池。


图I为将构成本发明的一种实施方式的平板状固体电解质燃料电池的各构件分解而示出的分解立体图。图2为将构成本发明的一种实施方式的平板状固体电解质燃料电池的各片材的 堆叠状态分解而示出的分解立体图。图3为将构成本发明的一种实施方式的平板状固体电解质燃料电池的剖面示意性示出的剖视图。图4为将构成本发明的一种实施方式且作为用本发明的一种实施例制备出的试料的平板状固体电解质燃料电池的各构件分解而示出的分解立体图。图5为将构成本发明的一种实施方式且作为用本发明的一种实施例制备出的试料的平板状固体电解质燃料电池的各片材的堆叠状态分解而示出的分解立体图。图6为将构成本发明的一种实施方式且作为用本发明的一种实施例制备出的试料的平板状固体电解质燃料电池的剖面示意性示出的剖视图。图7为将作为导电体的一部分由本发明的电子通路部所用的材料形成的一个例子的平板状固体电解质燃料电池的剖面示意性示出的剖视图。图8为将作为导电体的一部分由本发明的电子通路部所用的材料形成的另一个例子的平板状固体电解质燃料电池的剖面示意性示出的剖视图。图9为将作为导电体的一部分由本发明的电子通路部的所用材料形成的其它例子的平板状固体电解质燃料电池的剖面示意性示出的剖视图。
具体实施例方式本发明人为了得到以下高温结构材料,从各种观点进行了研究,该高温结构材料能够适用于配置在固体电解质燃料电池中分别由按顺序进行堆叠的阳极层、固体电解质层以及阴极层构成的多个电池单元之间或者周围的用于固体电解质燃料电池的结构体,不仅热膨胀系数与电解质材料的热膨胀系数接近,而且即使在还原气氛中机械强度也不会降低,可以在相对较低的温度下烧结。基于该研究,本发明人对将钛酸锶用作固体电解质燃料电池的结构体的材料进行探讨。钛酸锶是被使用于介质材料等电子元器件的稳定材料。然而,钛酸锶在用于固体电解质燃料电池的结构材料时,热膨胀系数大且机械强度较小。因此,本发明人发现通过在钛酸锶中添加氧化铝可以减小热膨胀系数并使强度提高。而且,本发明人发现在上述钛酸锶和氧化铝的复合氧化物中添加氧化锰或者氧化铌可以很容易地在1300°C以下的温度烧结。然后,本发明人发现此复合氧化物可以和固体电解质材料、阴极(空气电极)材料以及阳极(燃料电极)材料通过共烧结实现接合。此外,在钛酸锶中添加氧化铝并在不足1200°C的低温下使其烧结后得到的烧结体中,铝至少以氧化铝的形式包含在其中。另外,在钛酸锶中添加氧化铝并在1200°C以上的高温下使其烧结后得到的烧结体中,铝至少以铝锶化合物的形式包含在其中,例如SrAl12O19或SrAl8Ti3O19等。在得到的烧结体中,氧化铝也可以和如上所述的铝锶化合物混合存在。基于本发明人的上述见解,本发明的高温结构材料含有钛酸锶和铝,当钛酸锶的摩尔份数设为100时,招的摩尔份数为10以上、60以下。构成本发明高温结构材料的钛酸锶和氧化铝是化学性质稳定且廉价的材料。另外,钛酸锶和氧化铝的复合氧化物或者如SrAl12019、SrAl8Ti3O19等的铝锶化合物具有抗氧化性以及抗还原性。而且,当钛酸锶的摩尔份数设为100时铝的摩尔份数为10以上、60以下的材料的热膨胀系数与固体电解质材料钇稳定氧化锆(YSZ)接近。为了将两种材料共烧结得到致密的烧结体,不同种材料间的热膨胀系数差的理想值为0.6X10_6/K以下。例 如,用添加量为8摩尔%的氧化钇实现部分稳定的氧化锆(8YSZ)被用于固体电解质燃料电池的固体电解质材料。8YSZ的热膨胀系数在1000°C的温度下为10. 5X10_6/K,相对较小。由于含有前述摩尔比率的Al2O3的本发明的高温结构材料与8YSZ的热膨胀系数差在O. 6X IO-6A左右以下,因此本发明的高温结构材料可以与8YSZ通过共烧结接合。优选地,本发明的高温结构材料还包含氧化锰或氧化铌。作为氧化锰或氧化铌,可以列举例如Mn3O4或者Nb205。此外,本发明的高温结构材料中,即使含有将氧化锰或氧化铌中的一部分用其它元素替换得到的复合氧化物,也能得到同样的效果。如果将氧化锰或氧化铌作为烧结助剂添加到本发明的高温结构材料中,即使在相对较低的温度,例如1300°C以下的温度对本发明的高温结构材料进行烧结,也能得到致密的烧结体。优选地,使高温结构材料含有1.0重量%以上、5.0重量%以下的氧化锰或氧化铌。另外,本发明的一种实施方式中的用于固体电解质燃料电池的结构体为固体电解质燃料电池中配置于分别由按顺序进行堆叠的阳极层、固体电解质层以及阴极层构成的多个电池单元之间或者周围的用于固体电解质燃料电池的结构体。用于固体电解质燃料电池的结构体包括由电绝缘体制成的主体部、和形成于该主体部内的电子通路部。主体部由上述高温结构材料形成。此外,用于固体电解质燃料电池的结构体可以是用于固体电解质燃料电池的隔离物主体、用于固体电解质燃料电池的气体歧管主体或者用于固体电解质燃料电池的支撑主体中的任意一种。隔离物主体配置于多个电池单元之间,并且由电绝缘体形成,以将提供给各个电池单元作为阳极气体的燃料气体和作为阴极气体的空气分离。气体歧管主体配置于多个电池单元之间或者周围并且由电绝缘体形成,以将作为阳极气体的燃料气体和作为阴极气体的空气分离并分别提供给各个电池单元。支撑主体由配置在多个电池单元周围的电绝缘体形成。优选地,在本发明用于固体电解质燃料电池的结构体中,主体部和电子通路部以共烧结的方式形成。而且,本发明的固体电解质燃料电池包括多个电池单元和配置在多个电池单元之间或者周围的上述用于固体电解质燃料电池的结构体,其中,上述电池单元分别由按顺序进行堆叠的阳极层、固体电解质层以及阴极层构成。以下,通过附图对作为本发明实施方式的固体电解质燃料电池的结构造进行说明。如图I 图3所示,作为本发明的一种实施方式的固体电解质燃料电池I包括由作为阳极层的燃料电极层11、固体电解质层12以及作为阴极层的空气电极层13形成的多个电池单元;以及配置在多个电池单元之间和周围的结构体(隔离物、气体歧管、支撑体)。结构体由将提供给各个电池单元作为阳极气体的燃料气体和作为阴极气体的空气分离的电绝缘体形成的主体部14、和形成在主体部14内而且作为将多个电池单元相互电连接的导电体的电子通路部(互连接器)15形成。主体部14由含有钛酸锶和铝且当钛酸锶的摩尔份数设为100时铝的摩尔份数为10以上、60以下的材料形成。电子通路部15使用例如组成式为La(Fei_xAlx) O3 (其中,x为摩尔比,满足0〈x〈0. 5)的陶瓷组成物形成。另外,图3所示的固体电解质燃料电池I为包括一个电池单元的电池,在电池单元的两侧及周围配置有结构体。该结构体由配置在电池单元两侧和周围(多个电池单元之间和周围)的主 体部14、和配置在主体部14内的电子通路部15形成。而且,燃料电极层11和电子通路部15之间配置有燃料电极集电层31,空气电极层13和电子通路部15之间配置有空气电极集电层32。作为本发明的一种实施方式的固体电解质燃料电池I按如下所述制造。首先,在构成结构体的主体部14的生坯上,如图I中虚线所示,形成多个用于供电子通路部15的生坯填充的通孔15a。另外,在主体部14的生坯上,如图I中虚线所示,分别通过用机械冲孔机实施开孔加工,形成用于形成如图2所示的燃料气体供给通路21和空气供给通路22的细长通孔 21a、22a。并且,在配置燃料电极层11、固体电解质层12、空气电极层13的主体部14的生坯上,分别形成用于供燃料电极层11、固体电解质层12、空气电极层13的生坯嵌入的嵌合部 11a、12a、13a。并且,在配置燃料电极集电层31、空气电极集电层32的主体部14的生坯上,分别形成用于供燃料电极集电层31、空气电极集电层32的生坯嵌入的嵌合部31a、32a。此外,燃料电极集电层31和空气电极集电层32的生坯使用与燃料电极层11以及空气电极层13各自的材料粉末具有相同组成的物质制作在如上所述制作出的主体部14的生坯的各部分上,将电子通路部15的生坯嵌入到通孔15a中,将燃料电极层11、固体电解质层12、空气电极层13的生坯嵌入到嵌合部lla、12a、13a中,将燃料电极集电层31、空气电极集电层32的生坯嵌入到嵌合部31a、32a中。将如此得到的5张生坯如图2所示按顺序进行堆叠。将该堆叠后得到的产物在规定压力、规定温度下,在规定时间内通过热等静压成型(WIP)压接。在对该压接体在规定温度范围内实施脱脂处理后,通过在规定温度下保持规定时间进行烧结。如此,制造出了作为本发明的一种实施方式的固体电解质燃料电池I。如图4 图6所示,作为本发明的另一种实施方式的固体电解质燃料电池I包括由作为阳极层的燃料电极层11、固体电解质层12以及作为阴极层的空气电极层13形成的多个电池单元;以及配置在多个电池单元之间和周围的结构体。此处,燃料电极层11含有镍。配置于多个电池单元周围的结构体由将提供给各个电池单元作为阳极气体的燃料气体和作为阴极气体的空气分离的作为电绝缘体的主体部14形成。配置在多个电池单元之间的结构体由将多个电池单元相互电连接的作为导电体的电子通路部15形成。主体部14由含有钛酸锶和铝且当钛酸锶的摩尔份数设为100时铝的摩尔份数为10以上、60以下的复合氧化物形成。电子通路部15使用例如组成式为La(Fei_xAlx)O3(其中,x为摩尔比,满足0〈x〈0. 5)的陶瓷组成物形成。图6所示的固体电解质燃料电池I为包括一个电池单元的电池,电池单元的两侧及周围配置有结构体。该结构体由配置在电池单元周围(多个电池单元周围)的主体部14、和主体部14内配置在电池单元两侧(多个电池单元之间)的电子通路部15形成。而且,燃料电极层11和电子通路部15之间配置有燃料电极集电层31,空气电极层13和电子通路部15之间配置有空气电极集电层32。燃料电极集电层31和空气电极集电层32使用与燃料电极层11以及空气电极层13具有相同组成的物质制作。在电子通路部15和燃料电极层11之间,具体地,在电子通路部15和燃料电极集电层31之间配置中间层18。中间层18由表示为A1IBxTi^CyO3 (其中,A为选自由Sr、Ca以及Ba所构成的群中的最少一种元素,B为稀土类元素,C为Nb或者Ta, x和y为摩尔比, 满足O < X < O. 5、0< y < O. 5)的钛类钙钛矿型氧化物,例如SrTiO3形成。如此,将由组成式为La(Fei_xAlx)03的陶瓷组成物形成的电子通路部15和含有镍的燃料电极层11以及燃料电极集电层31共烧结时,为了防止电子通路部15中的Fe和燃料电极层11以及燃料电极集电层31中的Ni发生反应,例如,在两者中间配置由表示为SrTiO3的钛类钙钛矿型氧化物形成的中间层18。在这里,电子通路部15形成得致密,以增大导电率,即减小电阻值,使空气、燃料气体无法通过。形成中间层18的材料可以是非致密的,也可以是多孔的。下文中发明人的观点基于如上所述在由组成式为La(Fei_xAlx)03的陶瓷组成物形成的电子通路部15和含有镍的燃料电极层11以及燃料电极集电层31之间配置由钛类钙钛矿型氧化物形成的中间层18。若将由组成式为La(Fei_xAlx)03的陶瓷组成物形成的电子通路部15和含有镍的燃料电极层11通过共烧结接合,Fe和Ni会发生反应,在接合部(界面)产生缺少Fe的LaAlO30若生成低导电率的LaAlO3,会阻碍由组成式为La (FehAlx) O3的陶瓷组成物形成的电子通路部15和含有镍的燃料电极层11的电接合。因此,若配置由在燃料气氛下导电率(电阻的倒数)变高的钛类钙钛矿型氧化物例如SrTi O3形成的中间层18,可以得到良好的电连接。这是因为即使将形成中间层18的AhBxTipyCyO3 (其中,A为选自由Sr、Ca以及Ba所构成的群中的最少一种元素,B为稀土类元素,C为Nb或者Ta, x和y为摩尔比,满足O彡X彡O. 5、0彡y彡O. 5)中的一种,如SrTiO3,与组成式为La(Fe1^xAlx)O3的陶瓷组成物形成的电子通路部15和含有镍的燃料电极层11进行共烧结,也不会形成高电阻层。作为本发明的另一种实施方式的固体电解质燃料电池I按如下所述制造。首先,在主体部14的生坯上,如图4中虚线所示,分别通过用机械冲孔机实施开孔加工,形成用于形成如图5所示的燃料气体供给通路21和空气供给通路22的细长通孔 21a、22a。另外,在配置燃料电极层11、固体电解质层12、空气电极层13的主体部14的生坯上,分别形成用于供燃料电极层11、固体电解质层12、空气电极层13的生坯嵌入的嵌合部 11a、12a、13a。并且,在配置燃料电极层31、空气电极集电层32的主体部14的生坯上,分别形成用于供燃料电极层31、空气电极集电层32的生还嵌入的嵌合部31a、32a。此外,燃料电极集电层31和空气电极集电层32的生坯使用与燃料电极层11以及空气电极层13各自的材料粉末具有相同组成的物质制作。并且,在电子通路部15和中间层18的生坯上,如图4中虚线所示,分别通过用机械冲孔机实施开孔加工,形成用于形成如图5所示的燃料气体供给通路21和空气供给通路22的细长通孔21a、22a。在如上所述制作出的主体部14的生坯的各部分上,将燃料电极层11、固体电解质层12、空气电极层13的生坯嵌入到嵌合部lla、12a、13a中,将燃料电极集电层31、空气电极集电层32的生坯嵌入到嵌合部31a、32a中。在如此得到的3张生坯上将电子通路部15 和中间层18的生坯如图5所示按顺序进行堆叠。将该堆叠后得到的产物在规定压力、规定温度下,在规定时间内通过热等静压成型(WIP)压接。在对该压接体在规定温度范围内实施脱脂处理后,通过在规定温度下保持规定时间进行烧结。如此,制造出了作为本发明的另一种实施方式的固体电解质燃料电池I。另外,在上述实施方式中,如图3或图6所示,虽然将多个电池单元相互电连接的导电体全部由用于电子通路部的材料形成的电子通路部15形成,导电体也可以有一部分不由用于电子通路部的材料形成。图7 图9示意性表示了导电体的一部分由用于电子通路部的材料形成的几个实施例的平板固体电解质燃料电池的剖面的剖视图。如图7所示,结构体包括将提供给各个电池单元作为阳极气体的燃料气体和作为阴极气体的空气分离的由电绝缘体形成的主体部14、形成在主体部14内而且作为将多个电池单元相互电连接的导电体的由用于电子通路部的材料形成的电子通路部15、和形成为与该电子通路部15连接的电子通路部用导体16。电子通路部15形成于空气电极层13一侧,与空气接触,具体地,通过空气电极集电层32而与空气电极层13连接。电子通路部用导体16与燃料气体接触,具体地,通过燃料电极集电层31而与燃料电极层11连接,由例如氧化镍(NiO)和钇稳定氧化锆(YSZ)的混合物形成。另外,如图8所示,结构体包括将提供给各个电池单元作为阳极气体的燃料气体和作为阴极气体的空气分离的由电绝缘体形成的主体部14、形成在主体部14内而且作为将多个电池单元相互电连接的导电体的由本发明用于电子通路部的材料形成的电子通路部15、和形成为与该电子通路部15连接的电子通路部用导体17。电子通路部15形成于燃料电极层11 一侧,与燃料气体接触,具体地,通过燃料电极集电层31而与燃料电极层11连接。电子通路部用导体17与空气接触,具体地,通过空气电极集电层32而与空气电极层13连接,由例如锰酸镧((La,Sr)MnO3)和钇稳定氧化锆(YSZ)的混合物形成。并且,如图9所示,结构体包括将提供给各个电池单元作为阳极气体的燃料气体和作为阴极气体的空气分离的由电绝缘体形成的主体部14、形成在主体部14内而且作为将多个电池单元相互电连接的导电体的由用于电子通路部的材料形成的电子通路部15、和形成为与该电子通路部15连接的电子通路部用导体16、17。电子通路部用导体16形成为与燃料气体接触,具体地,通过燃料电极集电层31而与燃料电极层11连接,由例如氧化镍和钇稳定氧化锆(YSZ)的混合物形成。电子通路部用导体17与空气接触,具体地,通过空气电极集电层32而与空气电极层13连接,由例如锰酸镧((La,Sr)MnO3)和钇稳定氧化锆(YSZ)的混合物形成。形成电子通路部15,使其连接在用于电子通路部用导体16和17之间。如上所述,图7 图9所示由用于电子通路部的材料形成的电子通路部15,可以如图7或图8所示,形成于作为阳极层的燃料电极层11或者作为阴极层的空气电极层13一侧,并与作为阳极气体的燃料气体或者作为阴极气体的空气接触,也可以如图9所示形成在导电体的中间部分。由这种结构,通过缩小由用于电子通路部的材料形成的、气体无法透过的致密部分,可以缓解结构体在制造时(共烧结时)或者固体电解质燃料电池在工作时等产生的热应力。此外,可以选择使用比用于电子通路部的材料电阻值更小的材料作为在上述导电体中构成电子流通路径的材料。 例如,采用如下方式制造图7所示的结构体的生坯。首先,制作用于主体部14的生坯。在用于主体部14的生坯上形成通孔,在此通孔中,填充混合了氧化镍(NiO)和8摩尔%的钇稳定氧化锆(YSZ)的糊料。该糊料以NiO的重量份为80、YSZ的重量份为20、媒介物的重量份为60的混合比例混合,用三辊机研磨制备。媒介物使用乙基纤维素和溶剂的混合物。另一方面,制作用于电子通路部15的生坯。然后,将用于电子通路部15的生坯切割成如图I所示的圆板状,将该圆板状的用于电子通路部15的生坯压接到用于主体部14的生坯的通孔部分的空气电极一侧,使其直径比上述通孔更大。此外,为了制作图6所示的电池单元间分离结构体的生坯,制作两张用于主体部14的生坯,将圆板状的用于电子通路部15的生坯夹在两张用于主体部14的生坯之间并压接实施例以下,对本发明的实施例进行说明。首先,按照以下所述,以多种组分比例来制备钛酸锶(SrTiO3)和氧化铝(Al2O3)的复合氧化物作为高温结构材料,并评价各试料。(高温结构材料试料的制备)准备作为原料的SrTiO3粉末和Al2O3粉末。将这些原料以SrTiO3: Al2O3=I-X:x的摩尔比进行称量。X的值如表I 表5所不。表I中所不的实施例I 5和比较例I 3、5的试料中,将SrTiO3粉末和Al2O3粉末与有机溶剂以及聚乙烯醇缩丁醛类粘合剂混合后制备浆料。表I中所示的比较例4的试料中,仅将SrTiO3粉末与有机溶剂以及聚乙烯醇缩丁醛类粘合剂混合后制备浆料。表2 表5所示的实施例6 25的试料中,在SrTiO3粉末和Al2O3粉末中以表2 表5中所示的重量百分比添加作为烧结助剂的氧化锰(Mn3O4)粉末或者氧化铌(Nb2O5)粉末后,与有机溶剂以及聚乙烯醇缩丁醛类粘合剂混合后制备浆料。将得到的各浆料通过刮刀法形成生坯。实施例I 5和比较例I 5的试料中,将得到的生坯在400°C 500°C的温度下脱脂后,通过在1400°C的温度下烧结4小时制作烧结体。实施例6 15的试料中,将得到的生坯在400°C 500°C的温度下脱脂后,通过在1300°C的温度下烧结4小时制作烧结体。实施例16 20的试料中,将得到的生坯在400°C 500°C的温度下脱脂后,通过在1260°C的温度下烧结6小时制作烧结体。实施例21 23的试料中,将得到的生坯在400°C 500°C的温度下脱脂后,通过在1240°C的温度下烧结6小时制作烧结体。实施例24 25的试料中,将得到的生坯在400°C 500°C的温度下脱脂后,通过在1230°C的温度下烧结6小时制作烧结体。对于得到的实施例I 5和比较例I 5的试料,对下文评价项目(I) (3)进行评价。对于实施例6 15的试料,对下文评价项目(2) (4)进行评价。对于实施例16 25的烧结体,对下文评价项目(4)进行评价。(高温结构材料试料的评价)(I)热膨胀系数对于各试料,通过热分析仪器法对从30°C到1000°C升温过程中的热膨胀系数进行测定。 (2)弯曲强度(抗弯强度)测定各试料烧结后和还原后的弯曲强度。制作厚度在1_左右、宽度在3_左右的测定试料,通过跨距为30mm的三点弯曲实验测定弯曲强度。测定10个试料,并计算其测定值的平均值。还原后试料的测定是在将烧结后试料置于含有15体积%的H20、氢气和氮气的体积比为2:1的还原气氛中,并在900°C的温度下进行16小时的热处理后进行。(3)接合性将脱脂后厚度为200 μ m的生坯的各试料和厚度为200 μ m的生坯的8YSZ (用添加量为8摩尔%的氧化钇(Y2O3)实现部分稳定的氧化锆(ZrO2)切成65mmX50mm的方块后压接。将该压接体在140(TC的温度下使其烧结,确认并评价其是否有剥离或者裂纹。没有产生剥离或者裂纹从而高温结构材料和8YSZ牢固接合时评为「〇」,产生剥离或者裂纹从而高温结构材料和8YSZ没有接合时评为「X」。此外,8YSZ的生坯为将8YSZ的粉末和有机溶剂以及聚乙烯醇缩丁醛类粘合剂混合后制备浆料,使用该浆料通过刮刀法形成的生坯。(4)相对密度利用阿基米德法测定烧结后各试料的密度。测定5个试料,并计算其测定值的平均值。以上评价结果如表I 表5所示。[表 I]
权利要求
1.一种高温结构材料,其特征在于, 包含钛酸锶和铝,当钛酸锶的摩尔份数设为100时,铝的摩尔份数为10以上、60以下。
2.如权利要求I所述的高温结构材料,其特征在于, 所述高温结构材料还包含氧化锰或者氧化铌。
3.一种用于固体电解质燃料电池的结构体,在固体电解质燃料电池中配置于分别由按顺序进行堆叠的阳极层、固体电解质层以及阴极层构成的多个电池单元之间或者周围,其特征在于, 所述用于固体电解质燃料电池的结构体包括由电绝缘体制成的主体部、和形成于所述主体部内的电子通路部, 所述主体部由权利要求I或2所述的高温结构材料形成。
4.如权利要求3所述的用于固体电解质燃料电池的结构体,其特征在于, 所述主体部和所述电子通路部通过共烧结形成。
5.一种固体电解质燃料电池,其特征在于,包括 分别由按顺序进行堆叠的阳极层、固体电解质层以及阴极层构成的多个电池单元;以及 配置在多个电池单元之间或者周围的如权利要求3或4所述的用于固体电解质燃料电池的结构体。
全文摘要
本发明提供一种高温结构材料,使用该高温材料形成的用于固体电解质燃料电池的结构体以及具有该结构体的固体电解质燃料电池。该高温结构材料不仅热膨胀系数与电解质材料的热膨胀系数接近,而且即使在还原气氛中机械强度也不会降低,仅通过添加规定的烧结助剂即可以在相对较低的温度下烧结的高温结构材料。高温结构材料含有钛酸锶和铝,当钛酸锶的摩尔份数设为100时,铝的摩尔份数为10以上、60以下。
文档编号H01M8/02GK102884019SQ20118002282
公开日2013年1月16日 申请日期2011年4月27日 优先权日2010年5月7日
发明者高田和英 申请人:株式会社村田制作所
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