專利名稱：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出了各種類型的燃料電池，在這些燃料電池中，已知的一種燃料電池構(gòu)造是通過將包含具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的固體氧化物的電解質(zhì)材料沉積在可透氫金屬層上而形成電解質(zhì)層。這里，通過將電解質(zhì)層沉積在由基材料組成的可透氫金屬層上，電解質(zhì)層可被制作得更薄，使燃料電池能夠在較低的溫度下工作。

發(fā)明內(nèi)容
然而，當(dāng)可透氫金屬層與包含陶瓷層的固體氧化物層相鄰時，由于金屬材料和陶瓷材料的膨脹系數(shù)(即，氫脹或熱膨脹過程中的膨脹系數(shù))不同，因而在可透氫金屬層與固體氧化物層之間的界面會產(chǎn)生不期望的應(yīng)力。此界面應(yīng)力可導(dǎo)致對包括電解質(zhì)層的整個分層結(jié)構(gòu)的損壞，例如層的分離。
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是防止燃料電池中的金屬與固體氧化物材料的膨脹系數(shù)差異對燃料電池造成損壞，其中燃料電池包括可透氫金屬層和由固體氧化物材料構(gòu)成的電解質(zhì)層。
為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的第一方面提供了一種燃料電池。本發(fā)明的第一方面的燃料電池包括含有可透氫金屬的可透氫金屬層、由具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的金屬氧化物材料組成的電解質(zhì)層以及設(shè)置在所述可透氫金屬層與所述電解質(zhì)層之間并且由至少一個金屬層構(gòu)成的中間層，其中與所述電解質(zhì)層接觸的所述金屬層包含與所述電解質(zhì)層共有的金屬元素。
根據(jù)具有上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的第一方面的燃料電池，由于與電解質(zhì)層相鄰的金屬層包含與其共有的金屬元素，因此該共有的金屬元素有利于金屬層與電解質(zhì)層之間的結(jié)合，從而提高了金屬氧化物層與金屬層之間的界面處的結(jié)合強度。因此，可以改善包括可透氫金屬層和電解質(zhì)層的層疊體中的界面強度，并且可以防止在熱膨脹或氫脹過程中由于層的膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致的層的分離。
本發(fā)明的第二方面提供了一種燃料電池。本發(fā)明的第二方面的燃料電池包括含有可透氫的金屬的可透氫金屬層、形成在所述可透氫金屬層上并且由至少一個金屬層組成的金屬中間層、形成在所述金屬中間層上并且由至少一個金屬氧化物層組成的陶瓷中間層以及形成在所述陶瓷中間層上并且由具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的金屬氧化物材料組成的電解質(zhì)層，其中與所述金屬中間層接觸的所述金屬氧化物層包含與和所述陶瓷中間層接觸的金屬層共有的金屬元素，并且與所述電解質(zhì)層接觸的所述金屬氧化物層包含與所述電解質(zhì)層共有的金屬元素。
根據(jù)具有上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的第二方面的燃料電池，金屬氧化物層與相鄰的金屬層具有共有的金屬元素，因此該共有的金屬元素有利于陶瓷中間層與金屬中間層之間的結(jié)合，從而提高了陶瓷中間層與金屬中間層之間的界面處的結(jié)合強度。此外，由于金屬氧化物層與相鄰的電解質(zhì)層具有共有的金屬元素，因此該共有的金屬元素有利于陶瓷中間層與電解質(zhì)層之間的結(jié)合，從而提高了陶瓷中間層與電解質(zhì)層之間的界面處的結(jié)合強度。因此，可以改善包括可透氫金屬層和電解質(zhì)層的層疊體中的界面強度，并且可以防止在熱膨脹或氫脹過程中由于層的膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致的層的分離。
在本發(fā)明的第二方面的燃料電池中，陶瓷中間層可以由單一的金屬氧化物層組成，與陶瓷中間層接觸的金屬層可以包含與電解質(zhì)層和陶瓷中間層共有的金屬元素，并且與電解質(zhì)層相比，陶瓷中間層可以包含更高百分比的與電解質(zhì)層共有的金屬元素。
采用此結(jié)構(gòu)，金屬氧化物層與金屬層(它們的膨脹系數(shù)具有顯著差異)的界面處的結(jié)合強度可以被有效地提高。
在本發(fā)明的第二方面的燃料電池中，陶瓷中間層可以由包含與所述陶瓷中間層接觸的金屬層的組成組分的金屬的氧化物組成，并且電解質(zhì)層可以由含有包括所述共有的金屬元素的多種金屬元素的復(fù)合氧化物材料組成。
采用此結(jié)構(gòu)，可以顯著提高與陶瓷中間層和相鄰的金屬層相同并且包含在所述陶瓷中間層中的所述共有的金屬元素的百分比，從而進一步提高界面結(jié)合強度。
在本發(fā)明的第二方面的燃料電池中，組成陶瓷中間層的金屬氧化物層可以包含與和其接觸的層共有的金屬元素。
通過使金屬氧化物層包含與相鄰的層共有的金屬元素，可以提高金屬氧化物層與和其相鄰的層之間的界面結(jié)合強度。
在本發(fā)明的第二方面的燃料電池中，本發(fā)明的第二方面的燃料電池還可以包括復(fù)合層，該復(fù)合層被設(shè)置在組成陶瓷中間層的金屬氧化物層與和此金屬氧化物層接觸的層之間，并由兩個相鄰的層的組分的混合物形成。
復(fù)合層的使用有效地增大了具有共有的金屬元素的兩個相鄰的層的界面，從而提高了界面強度。
在本發(fā)明的第二方面的燃料電池中，本發(fā)明的第二方面的燃料電池還可以包括催化層，所述催化層被設(shè)置于在可透氫金屬層與電解質(zhì)層之間分層的各種層的界面之中的、具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的層的界面處，具有由氫原子生成質(zhì)子的活性并且具有多個小孔，所述小孔可使所述催化層上面和下面的層彼此接觸。
采用這樣的結(jié)構(gòu)，當(dāng)試圖通過使用包含金屬層和金屬氧化物層的中間層來提高界面結(jié)合強度時，由于這樣的中間層，對電解質(zhì)層的質(zhì)子供給并未減少或者燃料電池性能并無下降。這里，由于催化層具有可使上面和下面的層相互接觸的小孔，因此可以保持中間層的界面結(jié)合增強效果。
本發(fā)明可以根據(jù)除上述實施方式以外的各種方式實施，并且可以以例如燃料電池制造方法等形式實現(xiàn)。


圖1為單電池的基本結(jié)構(gòu)的簡化剖面圖；
圖2為層疊的可透氫金屬層、中間層和電解質(zhì)層的具體結(jié)構(gòu)實例的示意圖；圖3為第二實施方式的層疊的可透氫金屬層、中間層和電解質(zhì)層的具體結(jié)構(gòu)實例的示意圖；圖4為第三實施方式的可透氫金屬層、中間層和電解質(zhì)層的具體結(jié)構(gòu)實例的示意圖。
具體實施例方式
下面基于一些實施方式來描述本發(fā)明。
A.第一實施方式圖1為包含此實施方式的燃料電池的單電池20的基本結(jié)構(gòu)的簡化剖面圖。單電池20具有分層結(jié)構(gòu)，所述分層結(jié)構(gòu)具有可透氫金屬層22、形成在所述可透氫金屬層22的一個表面上的中間層23、形成在所述中間層23上的電解質(zhì)層21和形成在所述電解質(zhì)層21上的陰電極24。單電池20還包括兩個氣體分離器28、29，氣體分離器28、29從兩個側(cè)面將所述分層結(jié)構(gòu)夾在中間。含氫燃料氣體通過的電池內(nèi)燃料氣體流動通道30被形成在氣體分離器28與可透氫金屬層22之間。另外，含氧氧化氣體通過的電池內(nèi)氧化氣體流動通道32被形成在氣體分離器29與陰電極24之間。
例如，可透氫金屬層22是由具有透氫性的金屬(例如鈀(Pd)或Pd合金)形成的致密層。或者，可透氫金屬層22可以包含多層膜，所述多層膜通過在由5族金屬(例如釩(V)(或鈮、鉭或其它5族金屬))或5族金屬合金組成的基材的至少一個表面(在電池內(nèi)燃料氣體通道30一側(cè)的表面)上形成Pd或Pd合金所形成。在本發(fā)明的燃料電池中，此可透氫金屬層22起到陽電極的作用。此外，可透氫金屬層22是充當(dāng)用于形成電解質(zhì)層21的基層的層，并且可以形成到數(shù)十微米的厚度(例如大約40μm)。
中間層23是金屬層，并且電解質(zhì)層21是由具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的固體氧化物材料組成的層。這里，鈣鈦礦型陶瓷質(zhì)子傳導(dǎo)材料(例如BaCeO3系列或SrCeO3系列)可被用作形成電解質(zhì)層21的固體氧化物材料，并且中間層是含有包含電解質(zhì)層21的組成組分的金屬元素的金屬層。圖2為層疊的可透氫金屬層22、中間層23和電解質(zhì)層21的放大示意圖，以示意方式示出了這三層的具體結(jié)構(gòu)的實例。在圖2中，可透氫金屬層22是由Pd形成的，電解質(zhì)層21是由BaCe0.8Y0.2O3形成的，并且中間層23是由鈰(Ce)(其為包含在電解質(zhì)層21中的金屬元素)形成的。
通過物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、電鍍等，可以將金屬中間層23形成在可透氫金屬層22上。中間層23的厚度范圍可為10-100nm。這里，中間層23可以包含例如厚度不超過15nm的多孔層。
通過生成上述固體氧化物材料，可將電解質(zhì)層21形成在位于可透氫金屬層22之上的中間層23上。以此方式將電解質(zhì)層21沉積在致密的可透氫金屬層22上，可使電解質(zhì)層21變得足夠薄。使電解質(zhì)層21變薄，可以進一步減小電解質(zhì)層21的膜電阻，以及使燃料電池能夠在約200-600℃的溫度范圍內(nèi)工作，此溫度低于現(xiàn)有技術(shù)的基于固體電解質(zhì)材料的燃料電池的工作溫度。例如，電解質(zhì)層21的厚度可為1-5μm?？梢允褂肞VD、CVD或類似方法作為電解質(zhì)層21的沉積方法。
陰電極24是包括具有促進電化學(xué)反應(yīng)的催化活性的催化金屬的層。在此實施方式中，陰電極24是由Pd形成的。當(dāng)陰電極是由不具有透氫性的不同的貴金屬(例如鉑(Pt等)形成時，通過形成厚度足夠小的整體為多孔的陰電極24，可以確保三相界面。陰電極24可以使用例如PVD、CVD或電鍍的方法來形成。
盡管圖1中未示出，導(dǎo)電且可滲透氣體的電荷收集器可以被設(shè)置在可透氫金屬層22與氣體分離器28之間和/或陰電極24與氣體分離器29之間。電荷收集器可以由多孔泡沫金屬板或金屬網(wǎng)板、碳布或碳紙、導(dǎo)電陶瓷等形成。電荷收集器優(yōu)選由與和其接觸的氣體分離器28、29相同的材料形成。
氣體分離器28、29是由碳、金屬或其它導(dǎo)電材料形成的不可滲透氣體的板狀構(gòu)件。如圖1所示，預(yù)定的突起或凹陷被形成在氣體分離器28、29的表面上，以分別形成電池內(nèi)燃料氣體流動通道30或電池內(nèi)氧化氣體流動通道32。在此實施方式的燃料電池中，實際上氣體分離器28與29之間并無區(qū)別；一個氣體分離器可以在一個表面上充當(dāng)給定的單電池20的具有電池內(nèi)燃料氣體流動通道30的氣體分離器28；另一個氣體分離器可以在另一個表面上充當(dāng)與給定的單電池20相鄰的電池的具有電池內(nèi)氧流動通道32的氣體分離器29?；蛘?，冷卻劑流動通道可以被形成在燃料電池中的相鄰單電池20之間(即，氣體分離器28與29之間)。
當(dāng)燃料電池發(fā)電時，在可透氫金屬層22的表面上，通過包含催化金屬的可透氫的金屬的作用，供給至電池內(nèi)燃料氣體流動通道30的燃料氣體中的氫分子被分離成氫原子或質(zhì)子。然后，分離的氫原子或質(zhì)子作為質(zhì)子經(jīng)由可透氫金屬層22和中間層23通過電解質(zhì)層21。與此同時，在陰電極24上，由于陰電極24包含的催化金屬(Pd)的作用，由通過電解質(zhì)層21后到達陰電極24的質(zhì)子和供給至電池內(nèi)氧化氣體流動通道32的氧化氣體中的氧生成水，并且促進電化學(xué)反應(yīng)。
根據(jù)具有上述配置的此實施方式的燃料電池，因為由電解質(zhì)層21中包含的金屬元素形成的中間層23被設(shè)置在可透氫金屬層22與電解質(zhì)層21之間，共有的金屬元素的存在可以提高電解質(zhì)層21與中間層23之間的結(jié)合力(界面強度)。因此，當(dāng)整個層疊體(其中可透氫金屬層22、中間層23和電解質(zhì)層21被層疊在一起)(在下文中，從可透氫金屬層到電解質(zhì)層21的層疊結(jié)構(gòu)以術(shù)語“電解質(zhì)層疊體”表示)經(jīng)歷氫脹或熱膨脹時，上述電解質(zhì)層疊體的耐久性可被改善。
這里，當(dāng)中間層23與電解質(zhì)層21共用一種金屬元素時，在中間層23與電解質(zhì)層21的界面處發(fā)生此共有的金屬元素的金屬的鍵合，從而增強了其間的結(jié)合力。此外，在中間層23與電解質(zhì)層21的界面上，中間層23中存在的所述金屬元素可以與電解質(zhì)層21中存在的氧原子結(jié)合。在此情況下，由于在電解質(zhì)層21一側(cè)與氧原子結(jié)合的金屬元素與在中間層23一側(cè)的鍵合金屬元素相同，因此金屬元素與氧原子的結(jié)合是穩(wěn)定的，并且此結(jié)合可以提高中間層23與電解質(zhì)層21之間的結(jié)合強度。
在此燃料電池中，當(dāng)上述電解質(zhì)層疊體經(jīng)歷氫脹或熱膨脹時，由于陶瓷與金屬的膨脹系數(shù)存在極大的差異，因此在包含金屬層的中間層23與包含陶瓷層的電解質(zhì)層21之間產(chǎn)生顯著的應(yīng)力。在此實施方式中，由于中間層23與電解質(zhì)層21之間的結(jié)合強度如上所述被增強，因此即使在中間層23與電解質(zhì)層21的界面處由于它們不同的膨脹系數(shù)而產(chǎn)生較大的應(yīng)力，也可以防止由于電解質(zhì)層21與中間層23的分離等對上述電解質(zhì)層疊體造成的損壞。換言之，中間層23的存在可以使電解質(zhì)層疊體整體上的耐久性與電解質(zhì)層21直接形成在可透氫金屬層22上的情況相比得到顯著提高。
以此方式包括中間層23意味著中間層23與可透氫金屬層22(二者由不同的金屬形成)彼此接觸，但是兩個金屬層的膨脹系數(shù)的差異遠小于金屬層與陶瓷層之間的相應(yīng)差異。而且，通過形成金屬鍵合，在兩個金屬層之間可以得到足夠的結(jié)合強度，即使這些層包含不同的金屬。因此，即使存在中間層23，在這樣的層與可透氫金屬層22之間也不缺乏結(jié)合強度，并且不損失電解質(zhì)層疊體的耐久性。
構(gòu)成本實施方式的中間層23的Ce具有一定程度的可透氫性，盡管程度與可透氫金屬層22的不同。通過使中間層23更薄，燃料電池的內(nèi)部電阻可被保持足夠低。此外，如果中間層23被制成甚至更薄(例如，15nm或更小)且是多孔的，則可透氫金屬層22和電解質(zhì)層21可以通過多孔中間層23的小孔直接接觸，確保足夠的透氫性。即使中間層23如上所述被制成多孔的，由于在除上述小孔區(qū)域以外的區(qū)域可以確保中間層23與電解質(zhì)層21之間的強結(jié)合，因此可以在足夠的程度上達到上述耐久性改善效果。
B.第二實施方式在第一實施方式中，僅使用金屬層作為中間層23，但是也可以另外使用陶瓷層。此結(jié)構(gòu)作為第二實施方式將在下文描述。由于第二實施方式的燃料電池的結(jié)構(gòu)與圖1所示的第一實施方式的燃料電池相同，因此使用相同的附圖標(biāo)記來表示相同的部分(其說明被省略)，并且僅對這兩種實施方式之間的不同之處進行描述。
第二實施方式的燃料電池包括在可透氫金屬層22與電解質(zhì)層21之間的中間層123而不是中間層23。圖3為用與圖2相同的方式以放大方式表示層疊的可透氫金屬層22、中間層123和電解質(zhì)層21的示意圖，并且示出了這些層的具體結(jié)構(gòu)的簡化實例。如圖3所示，第二實施方式的中間層123不包含單個金屬層，而是包含與可透氫金屬層22相鄰設(shè)置的金屬中間層40和與電解質(zhì)層21相鄰設(shè)置的陶瓷中間層42。這里，金屬中間層40是由Ce形成的，而陶瓷中間層42是由氧化鈰(CeO2)形成的。
金屬中間層40的厚度范圍可為10-100nm，并且可以用與第一實施方式的中間層23的相同方式形成。類似地，陶瓷中間層42可以具有10-100nm的相同厚度范圍，并且可以通過PVD或CVD方法被形成在金屬中間層40上。
根據(jù)具有上述結(jié)構(gòu)的第二實施方式的燃料電池，除金屬中間層40外的陶瓷中間層42的存在使金屬層與陶瓷層(它們的膨脹系數(shù)差異大)之間的結(jié)合力(界面強度)得到進一步提高。換言之，因為與由BaCe0.8O3形成的電解質(zhì)層21相比，由CeO2形成的陶瓷中間層42包含更大百分比的與金屬中間層40共有的金屬元素Ce，所以與電解質(zhì)層21直接層疊在金屬中間層40上的情況相比，可以使由共有的金屬元素Ce所導(dǎo)致的層間結(jié)合力增強效果更加顯著。
此外，在此實施方式中，陶瓷中間層42與電解質(zhì)層21之間的結(jié)合力還可以通過它們的共有的金屬元素Ce被增強。換言之，由于陶瓷中間層42中的Ce與電解質(zhì)層21中的相同元素的氧化物結(jié)合(相同的金屬參與金屬鍵合，或者，Ce以穩(wěn)定方式與電解質(zhì)層21中的Ce結(jié)合物結(jié)合)，因此與不包含共有的金屬元素的金屬氧化物層之間的結(jié)合力相比，層間結(jié)合力可以被增強。由于這些陶瓷層之間的膨脹系數(shù)的差異小于陶瓷層與金屬層之間的相應(yīng)差異，因此由膨脹系數(shù)差異而在界面處產(chǎn)生的應(yīng)力也較小。
如第一實施方式，在本實施方式的燃料電池中，燃料電池的內(nèi)部電阻也可以通過減小由Ce形成的金屬中間層40的厚度來最小化。此外，通過形成具有更小厚度以使其成為多孔的金屬中間層40，由此在金屬中間層40中生成小孔，可以確?？赏笟浣饘賹?2與陶瓷中間層42之間的透氫性。
形成本實施方式的陶瓷中間層42的CeO2具有一定程度的質(zhì)子傳導(dǎo)性，盡管其程度不及電解質(zhì)層21。通過使陶瓷中間層42更薄，燃料電池的內(nèi)部電阻可被保持足夠低?；蛘?，如果陶瓷中間層42被制成甚至更薄(例如，15nm或更小)且是多孔的，則其上面的層和下面的層可以通過多孔陶瓷中間層42的小孔直接接觸，確保足夠的透氫性。即使陶瓷中間層42如上所述被制成多孔的，由于在除上述小孔區(qū)域以外的區(qū)域可以確保陶瓷中間層42與金屬中間層40之間以及陶瓷中間層42與電解質(zhì)層21之間的強結(jié)合，因此可以在足夠的程度上達到上述耐久性改善效果。
C.第三實施方式圖4為第三實施方式的燃料電池的結(jié)構(gòu)的示意圖。由于第三實施方式的燃料電池的結(jié)構(gòu)與第二實施方式的燃料電池相同，因此使用相同的附圖標(biāo)記來表示相同的部分(其說明被省略)，并且僅對這兩種實施方式之間的不同之處進行描述。第三實施方式的燃料電池包括在可透氫金屬層22與電解質(zhì)層21之間的中間層223而不是中間層123。圖4為用與圖3相同的方式以放大方式表示層疊的可透氫金屬層22、中間層223和電解質(zhì)層21的示意圖，并且示出了這些層的具體結(jié)構(gòu)的簡化實例。
如圖4所示，第三實施方式的中間層223(如同第二實施方式)包括與可透氫金屬層22相鄰設(shè)置的金屬中間層40和設(shè)置電解質(zhì)層21一側(cè)的陶瓷中間層42。此外，在第三實施方式中，第一復(fù)合層44被設(shè)置在金屬中間層40與陶瓷中間層42之間，并且第二復(fù)合層被設(shè)置在陶瓷中間層42與電解質(zhì)層21之間。這里，第一復(fù)合層44是由構(gòu)成金屬中間層40的Ce和構(gòu)成陶瓷中間層42的CeO2的混合物形成的層。此外，第二復(fù)合層46是由構(gòu)成陶瓷中間層42的CeO2和構(gòu)成電解質(zhì)層21的BaCe0.8Y0.2O3的混合物形成的層。
第三實施方式的金屬中間層40的厚度范圍可為10-100nm，并且可以用與第二實施方式的金屬中間層40的相同方式形成。使用PVD、CVD或類似方法，用上述的包含待沉積材料的復(fù)合材料，在金屬中間層40上形成第三實施方式的第一復(fù)合層44。如第二實施方式，陶瓷中間層42的厚度范圍可為10-100nm，并且可以使用PVD、CVD或類似方法形成在金屬中間層40上。使用PVD、CVD或類似方法，用上述的包含待沉積材料的復(fù)合材料，第二復(fù)合層44可被形成在陶瓷中間層42上。第一和第二復(fù)合層可以比上述金屬中間層40或陶瓷中間層42更薄，并且其厚度范圍例如可為5-80nm。此外，第一和第二復(fù)合層并不必僅僅是結(jié)合相鄰的上層和下層的組成組分的層；而是，組成組分的含量百分比可以從與一個相鄰表面的界面到與另一個相鄰表面的界面而逐漸變化，從而形成梯度界面。換言之，可以采用這樣一種結(jié)構(gòu)在與一個相鄰的層的界面處，該層的組成組分的含量百分比高，而另一層的含量百分比在朝向與所述另一層的界面的方向上逐漸增大。
根據(jù)具有上述結(jié)構(gòu)的第三實施方式的燃料電池，除了通過包括金屬中間層40和陶瓷中間層42在第二實施方式中得到的效果之外，還可以獲得在第一和第二復(fù)合層存在的界面處增強結(jié)合力以及提高粘附性的效果。換言之，通過包括包含上層和下層的組成組分的復(fù)合層，包括上層和下層中的共有的金屬元素的鍵合的結(jié)合界面在微觀上增大，上層與下層之間的結(jié)合力增強，并且可以從整體上進一步提高電解質(zhì)層疊體的耐久性。
金屬元素具有逐漸擴散到陶瓷層內(nèi)的特性。因此，在某些情況下，復(fù)合層44在制造時不一定形成在金屬中間層40與陶瓷中間層42之間。即使第一復(fù)合層44在制造時不被形成，第一復(fù)合層44也可以隨著時間而在制造的電池內(nèi)部有效地生成。
D.變化本發(fā)明不限于上述實施方式和實例，并且可以在其實質(zhì)范圍內(nèi)以各種形式實施，包括以下的變化。
D1.變化1(關(guān)于催化層)在第一至第三實施方式中，包含Pt或Pd的催化層可以被設(shè)置在金屬層與陶瓷層之間。換言之，由氫原子產(chǎn)生質(zhì)子的催化層可以被設(shè)置在具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的層與不具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的層之間。此催化層的存在使質(zhì)子可以更有效地從金屬層被供給至陶瓷層。
例如，催化層可以被設(shè)置在中間層23與電解質(zhì)層21之間。此外，在第二實施方式中，催化層可以被設(shè)置在金屬中間層40與陶瓷中間層42之間。當(dāng)以此方式使用催化層時，應(yīng)當(dāng)形成厚度足夠小的催化層，以使其具有多孔性。這使得上層和下層的共有的金屬元素通過催化層中的小孔形成金屬鍵合，確保獲得提高層間結(jié)合力的效果。
此外，在第三實施方式中，設(shè)置在金屬中間層40與陶瓷中間層42之間的第一復(fù)合層44可以由復(fù)合材料形成，所述復(fù)合材料除了Ce或CeO2之外還包括諸如Pt的催化金屬。這樣做除了通過催化層的存在來確保質(zhì)子生成效率的效果之外，還可以獲得提高金屬中間層40與陶瓷中間層42之間的結(jié)合力的效果。
D2.變化2(關(guān)于中間層)在第一實施方式中，中間層23包括Ce層，但是可以用Ba層替代。在此情況下，中間層23與電解質(zhì)層21之間的結(jié)合力可以通過共有的金屬元素的存在而被增強，并且在氫脹或熱膨脹過程中電解質(zhì)層疊體的強度可以被提高。此外，盡管在第二實施方式中金屬中間層40是Ce層并且陶瓷中間層42是CeO3層，但金屬中間層40可以包括Ba層來進行替代并且陶瓷中間層42可以包括氧化鋇(BaO)層。在此情況下，通過使金屬中間層40與陶瓷中間層42以及陶瓷中間層42與電解質(zhì)層21共用共有的金屬元素，可以提高層間結(jié)合力。
此外，第一實施方式的中間層23或第二實施方式的金屬中間層40可以由釔(Y)形成，盡管在電解質(zhì)層21中，這種元素的含量百分比低于Ce或Ba。在此情況下，第二實施方式的陶瓷中間層42應(yīng)當(dāng)由氧化釔(Y2O3)形成。通過使電解質(zhì)層21與中間層23(或電解質(zhì)層21、陶瓷中間層42與金屬中間層40)包含共有的金屬元素，即使該共有的金屬元素是混合(摻雜)到金屬氧化物材料中以提供質(zhì)子傳導(dǎo)性的附加金屬(例如Y)，也可以到達增強層間結(jié)合力的效果。
如果適當(dāng)選擇構(gòu)成電解質(zhì)層21的金屬氧化物材料，則可以使用不同的金屬元素作為在每個層中包含的共用元素的金屬元素。當(dāng)每個層中共有的金屬元素是例如鋅(Zn)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鈷(Co)等過渡元素時，由于這些金屬元素具有可透氫性(氫存儲能力)，因此電解質(zhì)層疊體整體上的電阻可以被最小化，而這是期望的。當(dāng)具體使用Ni或Co時，由電解質(zhì)層疊體中的氫原子生成質(zhì)子的反應(yīng)可以被高效地促進，而不必包括由例如Pt的貴金屬形成的催化層。
優(yōu)選地，如上所述，中間層23(或金屬中間層40和陶瓷中間層42)包括在電解質(zhì)層21中存在的金屬元素，但是對于可透氫金屬層22和電解質(zhì)層21的組成元素并未特殊限制。因此，即使需要增強層間結(jié)合力，也可以保留選擇可透氫金屬層22和電解質(zhì)層21的組成金屬的自由度，而且由于可以對這兩個層分別選擇具有足夠透氫性或質(zhì)子傳導(dǎo)性的材料，可以從整體上確保燃料電池的性能。
中間層23和金屬中間層40不必由單一的金屬形成，而是可以由合金形成，所述合金與電解質(zhì)層21共用共有的金屬元素。然而，一般來講，隨著相鄰層中的共有的金屬元素的含量百分比提高，層間結(jié)合力增強，這是期望的。
D3.變化3通過在金屬層與相鄰的陶瓷層之間或在相鄰的陶瓷層之間存在共有的金屬元素，可以達到第一至第三實施方式的效果。用于中間層的可能結(jié)構(gòu)的幾個實例如下所述。這里，為了表明燃料電池裝置的單電池中從電解質(zhì)層到可透氫金屬層的每個層的結(jié)構(gòu)，用字母A至D表示金屬元素，并且用HM表示可透氫金屬層。例如，圖2所示的第一實施方式中的從電解質(zhì)層到可透氫金屬層的結(jié)構(gòu)被表示成AB1-xDxO3/B/HM。圖3所示的第二實施方式的結(jié)構(gòu)被表示成AB1-xDxO3/BO2/B/HM。
例如，中間層可以由多個不同的金屬層形成。此種結(jié)構(gòu)的一個實例可以被表示成AB1-xDxO3/AB/C/HM。這里，HM側(cè)的金屬中間層不具有與電解質(zhì)層共有的金屬元素。即使形成在電解質(zhì)層與可透氫金屬層之間的中間層包含如上所述不包含與電解質(zhì)層共有的金屬元素的層，由于共有的金屬元素AB存在于相鄰的金屬層(AB)與陶瓷層(AB1-xDxO3)之間，因此可以增強界面結(jié)合力。
還可以接受的是，陶瓷中間層包含如下的層，該層由與金屬中間層相比具有更高的與金屬中間層共有的共有金屬元素百分比的復(fù)合氧化物材料制成。此結(jié)構(gòu)可被表示成AB1-xDxO3/ABO3/B/HM。采用此結(jié)構(gòu)，由于共有的金屬元素存在于相鄰的金屬層(B)與陶瓷層(ABO3)之間以及相鄰的陶瓷層之間(即AB1-xDxO3層與ABO3層之間)，界面結(jié)合強度也可以被提高。一個具體實例是BaCe0.8Y0.2O3/BaCeO3/Ce/HM?；蛘撸梢越邮盏氖?，與金屬中間層共有的共有金屬元素的含量百分比在陶瓷中間層中被進一步提高，例如在BaCe0.8Y0.2O3/Ba0.7Ce1.3O3/Ce/HM的情形。
或者，電解質(zhì)層疊體的另一個實例可以具有以AB1-xDxO3/BCO3/BC/HM表示的結(jié)構(gòu)，所述電解質(zhì)層疊體包括陶瓷中間層，所述陶瓷中間層包含與電解質(zhì)層相比具有更高的與金屬中間層共有的共有金屬元素百分比的復(fù)合氧化物。陶瓷中間層可以由多個不同的金屬氧化物層形成。例如可以使用AB1-xDxO3/ABO3/BCO3/BC/HM。
當(dāng)使用陶瓷中間層時，不含包含電解質(zhì)層的組成組分的金屬元素的金屬層可以作為金屬中間層被包含。這樣的結(jié)構(gòu)可以被表示成AB1-xDxO3/AC1-xDxO3/C/HM。作為具體實例，可以使用BaZr0.8Y0.2O3/Zr/HM。
如上所述，本發(fā)明是一種燃料電池，其中中間層被設(shè)置在包含金屬氧化物材料的電解質(zhì)層與可透氫金屬層之間，其中包括一個或多個金屬層的金屬中間層被形成在至少可透氫金屬層上。此外，包括一個或多個金屬氧化物層的陶瓷中間層可以被設(shè)置在金屬中間層與電解質(zhì)層之間。在此燃料電池中，共有的金屬元素被包含在金屬層和金屬氧化物層中，并且在其界面處存在。此外，共有的金屬元素存在于相鄰的兩個金屬氧化物層中。使用此結(jié)構(gòu)，界面結(jié)合強度可被提高，并且電解質(zhì)層疊體整體的耐久性可被增加。
當(dāng)陶瓷中間層包含例如鈣鈦礦型氧化物材料的復(fù)合氧化物時，此陶瓷中間層可以由具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的電解質(zhì)材料形成(與電解質(zhì)層一樣)，或者由僅具有導(dǎo)電性或除質(zhì)子傳導(dǎo)性外還具有導(dǎo)電性的金屬氧化物材料形成。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括可透氫金屬層，其包含可透氫金屬；電解質(zhì)層，其由具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的金屬氧化物材料組成；和中間層，其被設(shè)置在所述可透氫金屬層與所述電解質(zhì)層之間，并且由至少一個金屬層構(gòu)成，其中，與所述電解質(zhì)層接觸的所述金屬層包含與所述電解質(zhì)層共有的金屬元素。
2.一種燃料電池，包括可透氫金屬層，其包含可透氫金屬；金屬中間層，其形成在所述可透氫金屬層上，并且由至少一個金屬層構(gòu)成；陶瓷中間層，其形成在所述金屬中間層上，并且由至少一個金屬氧化物層構(gòu)成；和電解質(zhì)層，其形成在所述陶瓷中間層上，并且由具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的金屬氧化物材料組成，其中，與所述金屬中間層接觸的所述金屬氧化物層包含與和所述陶瓷中間層接觸的所述金屬層共有的金屬元素，并且與所述電解質(zhì)層接觸的所述金屬氧化物層包含與所述電解質(zhì)層共有的金屬元素。
3.如權(quán)利要求2的燃料電池，其中所述陶瓷中間層由單個所述金屬氧化物層構(gòu)成，與所述陶瓷中間層接觸的所述金屬層包含與所述電解質(zhì)層和所述陶瓷中間層共有的金屬元素，并且與所述電解質(zhì)層相比，所述陶瓷中間層包含更高百分比的與所述電解質(zhì)層共有的所述金屬元素。
4.如權(quán)利要求3的燃料電池，其中所述陶瓷中間層由包含與所述陶瓷中間層接觸的所述金屬層的組成組分的金屬的氧化物構(gòu)成，并且所述電解質(zhì)層由包含包括所述共有的金屬元素在內(nèi)的多種金屬元素的復(fù)合氧化物材料組成。
5.如權(quán)利要求2的燃料電池，其中構(gòu)成所述陶瓷中間層的所述金屬氧化物層包含與和其接觸的層共有的金屬元素。
6.如權(quán)利要求2-5中任何一項的燃料電池，還包括復(fù)合層，其被設(shè)置在構(gòu)成所述陶瓷中間層的所述金屬氧化物層與和此金屬氧化物接觸的層之間，并且由這兩個相鄰的層的組成組分的混合物形成。
7.如權(quán)利要求1-5中任何一項的燃料電池，還包括催化層，其被設(shè)置在層疊在所述可透氫金屬層與所述電解質(zhì)層之間的各種層的界面中的具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的層的界面上，具有由氫原子生成質(zhì)子的活性，并且還具有允許所述催化層上面和下面的層彼此接觸的多個小孔。
全文摘要
一種燃料電池，包括包含可透氫金屬的可透氫金屬層22、包含具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的固體氧化物材料的電解質(zhì)層21和包括層壓在一起或可透氫金屬層22與電解質(zhì)層21之間的一個和多個金屬層的中間層23。這里，與電解質(zhì)層21接觸的金屬層包括與電解質(zhì)層21相同的共有的金屬元素。
文檔編號C04B35/50GK1973396SQ20058002056
公開日2007年5月30日 申請日期2005年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月9日
發(fā)明者飯島昌彥, 井口哲 申請人:豐田自動車株式會社