專利名稱：高溫結構材料、用于固體電解質燃料電池的結構體以及固體電解質燃料電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及高溫結構材料、使用該高溫結構材料形成的用于固體電解質燃料電池的結構體以及具有該結構體的固體電解質燃料電池。
背景技術：
通常，平板型固體電解質燃料電池(也稱為固體氧化物燃料電池(SOFC))由作為發電要素的多個平板狀的電池單元和配置在多個電池單元之間的隔離物形成，其中，上述電池單元分別由陽極(負極、燃料電極)、固體電解質以及陰極(正極、空氣電極)形成。隔離物配置于多個電池單元之間，以將多個電池單元相互電性串聯，且將提供給各個電池單元的氣體分離，具體地，將提供給陽極作為陽極氣體的燃料氣體(例如氫氣)和提供給陰極作為陰極氣體的氧化劑氣體(例如空氣)分離。 —直以來，隔離物由高耐熱性的金屬材料或者鉻酸鑭(LaCrO3)等導電陶瓷材料形成。如果使用這種導電材料形成隔離物，可以構成用一種材料就能實現上述電連接和氣體分離功能的構件。然而，若使用鉻酸鑭等導電材料，存在為了設法使其和構成電池單元的其它構件燒結成一體而導致制造工序變多的問題。另外，若使用鉻酸鑭等導電材料，存在因材料成本較高而使制造成本變昂貴的問題。另外，由于固體電解質燃料電池的工作溫度較高，構成電池單元的發電要素構件、將電池單元之間分離的隔離物構件、將氣體分離地進行供給的氣體歧管構件等固體電解質燃料電池的各構成部件的強度和熱膨脹系數成為了問題。特別地，各構成部件的熱膨脹系數要求與電解質材料釔穩定氧化鋯(YSZ)的熱膨脹系數接近。然而，由于上述現有技術中的固體電解質燃料電池的構成部件的熱膨脹系數不一定與釔穩定氧化鋯的熱膨脹系數近似，所以在工作溫度范圍內存在因熱膨脹差產生應力和變形的問題。對此，在日本專利特開平5-275106號公報(專利文獻I)中記載的固體電解質燃料電池中，隔離物包括隔離物主體、和設置成貫通該隔離物主體的隔離部的電子通路。隔離物主體由MgO和MgAl2O4的復合材料構成。在這種情況下，可以通過改變MgO和MgAl2O4的混合比例來使上述復合材料的熱膨脹系數與YSZ的熱膨脹系數近似。由此，該復合材料可以適用于隔離物等固體電解質燃料電池的各構成部件。然而，該復合材料由于燒結性能差，所以在耐水性、耐二氧化碳氣體性上可靠性較低。例如，該復合材料即使在1500°C以上的溫度下燒結，由于MgO會在存在H2O或者CO2的氣氛中選擇性地溶出，長時間后會變成僅有MgAl2O4的多孔體，存在機械強度下降的問題。為解決該問題，如日本專利特開平6-5293號公報(專利文獻2)和日本專利特開平6-111833號公報(專利文獻3)所記載的那樣，需要在由上述復合材料形成的構成部件的表面涂敷MgAl2O4或者Al2O3。另外，使用以MgO和MgAl2O4為主要成分的隔離物時，隔離物材料間或者隔離物材料和電池單元材料之間通過MgO -Al2O3的復合氧化物接合。此時，由于MgO -Al2O3復合氧化物的熔點較高，燒結接合時的溫度為1400°C以上，會有由于燃料電極和空氣電極被暴露在高溫下而劣化造成電池性能受損的問題。為解決該問題，如日本專利特開平8-231280號公報(專利文獻4)所記載的那樣，在隔離物之間或者隔離物和電池單元材料之間，通過Mg0:Si02=l:0. 5 5(重量比)的接合材料，使其在1300°C以下的燒結溫度下接合。現有技術文獻專利文獻專利文獻I:日本專利特開平5-275106號公報專利文獻2:日本專利特開平6-5293號公報 專利文獻3:日本專利特開平6-111833號公報專利文獻4:日本專利特開平8-231280號公報
發明內容
發明所要解決的問題如上所述，使用含有MgAl2O4 (鎂鋁尖晶石)作為隔離物主體材料的材料時，為防止機械強度下降，需要在構成部件的表面進行涂敷；為了使隔離物材料之間或者隔離物材料和電池單元材料之間在1300°C以下的燒結溫度下接合，需要使用含有SiO2的接合材料等，都需要下一番功夫。因此，由于制造工序變多所以生產成本也變高。因此，本發明的目的是提供一種不僅熱膨脹系數與電解質材料的熱膨脹系數接近，即使在還原氣氛中機械強度也不會降低，僅通過添加規定的燒結助劑即可以在相對較低的溫度下燒結的高溫結構材料、使用該高溫材料形成的用于固體電解質燃料電池的結構體以及具有該結構體的固體電解質燃料電池。解決技術問題所采用的技術方案本發明人為解決上述問題進行了許多探討，其結果是發現通過在鈦酸鍶中添加氧化鋁，與僅含有鈦酸鍶的材料相比，可以使熱膨脹系數變小，機械強度提高。另外，本發明人發現作為通過添加氧化錳或者氧化鈮作為燒結助劑，可以很容易地使燒結溫度降低。本發明的實現基于上述本發明人的見解并具有以下特征。本發明的高溫結構材料含有鈦酸鍶和鋁，當鈦酸鍶的摩爾份數設為100時，鋁的摩爾份數為10以上、60以下。優選地，本發明的高溫結構材料還包含氧化錳或氧化鈮。本發明的用于固體電解質燃料電池的結構體是在固體電解質燃料電池中，配置在分別由按順序進行堆疊的陽極層、固體電解質層以及陰極層構成的多個電池單元之間或者周圍的用于固體電解質燃料電池的結構體。用于固體電解質燃料電池的結構體包括由電絕緣體制成的主體部和形成于該主體部內的電子通路部。主體部由上述高溫結構材料形成。優選地，在本發明用于固體電解質燃料電池的結構體中，主體部和電子通路部以共燒結的方式形成。本發明的固體電解質燃料電池包括分別由按順序進行堆疊的陽極層、固體電解質層以及陰極層構成的多個電池單元、和配置在多個電池單元之間或者周圍的上述用于固體電解質燃料電池的結構體。發明的效果如上所述，根據本發明，可以得到一種不僅熱膨脹系數與電解質材料的熱膨脹系數接近，而且即使在還原氣氛中機械強度也不會降低，僅通過添加規定的燒結助劑就可以在相對較低的溫度下燒結的高溫結構材料、使用該高溫材料形成的用于固體電解質燃料電池的結構體以及具有該結構體的固體電解質燃料電池。
圖I為將構成本發明的一種實施方式的平板狀固體電解質燃料電池的各構件分解而示出的分解立體圖。圖2為將構成本發明的一種實施方式的平板狀固體電解質燃料電池的各片材的 堆疊狀態分解而示出的分解立體圖。圖3為將構成本發明的一種實施方式的平板狀固體電解質燃料電池的剖面示意性示出的剖視圖。圖4為將構成本發明的一種實施方式且作為用本發明的一種實施例制備出的試料的平板狀固體電解質燃料電池的各構件分解而示出的分解立體圖。圖5為將構成本發明的一種實施方式且作為用本發明的一種實施例制備出的試料的平板狀固體電解質燃料電池的各片材的堆疊狀態分解而示出的分解立體圖。圖6為將構成本發明的一種實施方式且作為用本發明的一種實施例制備出的試料的平板狀固體電解質燃料電池的剖面示意性示出的剖視圖。圖7為將作為導電體的一部分由本發明的電子通路部所用的材料形成的一個例子的平板狀固體電解質燃料電池的剖面示意性示出的剖視圖。圖8為將作為導電體的一部分由本發明的電子通路部所用的材料形成的另一個例子的平板狀固體電解質燃料電池的剖面示意性示出的剖視圖。圖9為將作為導電體的一部分由本發明的電子通路部的所用材料形成的其它例子的平板狀固體電解質燃料電池的剖面示意性示出的剖視圖。
具體實施例方式本發明人為了得到以下高溫結構材料，從各種觀點進行了研究，該高溫結構材料能夠適用于配置在固體電解質燃料電池中分別由按順序進行堆疊的陽極層、固體電解質層以及陰極層構成的多個電池單元之間或者周圍的用于固體電解質燃料電池的結構體，不僅熱膨脹系數與電解質材料的熱膨脹系數接近，而且即使在還原氣氛中機械強度也不會降低，可以在相對較低的溫度下燒結。基于該研究，本發明人對將鈦酸鍶用作固體電解質燃料電池的結構體的材料進行探討。鈦酸鍶是被使用于介質材料等電子元器件的穩定材料。然而，鈦酸鍶在用于固體電解質燃料電池的結構材料時，熱膨脹系數大且機械強度較小。因此，本發明人發現通過在鈦酸鍶中添加氧化鋁可以減小熱膨脹系數并使強度提高。而且，本發明人發現在上述鈦酸鍶和氧化鋁的復合氧化物中添加氧化錳或者氧化鈮可以很容易地在1300°C以下的溫度燒結。然后，本發明人發現此復合氧化物可以和固體電解質材料、陰極(空氣電極)材料以及陽極(燃料電極)材料通過共燒結實現接合。此外，在鈦酸鍶中添加氧化鋁并在不足1200°C的低溫下使其燒結后得到的燒結體中，鋁至少以氧化鋁的形式包含在其中。另外，在鈦酸鍶中添加氧化鋁并在1200°C以上的高溫下使其燒結后得到的燒結體中，鋁至少以鋁鍶化合物的形式包含在其中，例如SrAl12O19或SrAl8Ti3O19等。在得到的燒結體中，氧化鋁也可以和如上所述的鋁鍶化合物混合存在。基于本發明人的上述見解，本發明的高溫結構材料含有鈦酸鍶和鋁，當鈦酸鍶的摩爾份數設為100時，招的摩爾份數為10以上、60以下。構成本發明高溫結構材料的鈦酸鍶和氧化鋁是化學性質穩定且廉價的材料。另外，鈦酸鍶和氧化鋁的復合氧化物或者如SrAl12019、SrAl8Ti3O19等的鋁鍶化合物具有抗氧化性以及抗還原性。而且，當鈦酸鍶的摩爾份數設為100時鋁的摩爾份數為10以上、60以下的材料的熱膨脹系數與固體電解質材料釔穩定氧化鋯(YSZ)接近。為了將兩種材料共燒結得到致密的燒結體，不同種材料間的熱膨脹系數差的理想值為0.6X10_6/K以下。例 如，用添加量為8摩爾％的氧化釔實現部分穩定的氧化鋯(8YSZ)被用于固體電解質燃料電池的固體電解質材料。8YSZ的熱膨脹系數在1000°C的溫度下為10. 5X10_6/K，相對較小。由于含有前述摩爾比率的Al2O3的本發明的高溫結構材料與8YSZ的熱膨脹系數差在O. 6X IO-6A左右以下，因此本發明的高溫結構材料可以與8YSZ通過共燒結接合。優選地，本發明的高溫結構材料還包含氧化錳或氧化鈮。作為氧化錳或氧化鈮，可以列舉例如Mn3O4或者Nb205。此外，本發明的高溫結構材料中，即使含有將氧化錳或氧化鈮中的一部分用其它元素替換得到的復合氧化物，也能得到同樣的效果。如果將氧化錳或氧化鈮作為燒結助劑添加到本發明的高溫結構材料中，即使在相對較低的溫度，例如1300°C以下的溫度對本發明的高溫結構材料進行燒結，也能得到致密的燒結體。優選地，使高溫結構材料含有1.0重量％以上、5.0重量％以下的氧化錳或氧化鈮。另外，本發明的一種實施方式中的用于固體電解質燃料電池的結構體為固體電解質燃料電池中配置于分別由按順序進行堆疊的陽極層、固體電解質層以及陰極層構成的多個電池單元之間或者周圍的用于固體電解質燃料電池的結構體。用于固體電解質燃料電池的結構體包括由電絕緣體制成的主體部、和形成于該主體部內的電子通路部。主體部由上述高溫結構材料形成。此外，用于固體電解質燃料電池的結構體可以是用于固體電解質燃料電池的隔離物主體、用于固體電解質燃料電池的氣體歧管主體或者用于固體電解質燃料電池的支撐主體中的任意一種。隔離物主體配置于多個電池單元之間，并且由電絕緣體形成，以將提供給各個電池單元作為陽極氣體的燃料氣體和作為陰極氣體的空氣分離。氣體歧管主體配置于多個電池單元之間或者周圍并且由電絕緣體形成，以將作為陽極氣體的燃料氣體和作為陰極氣體的空氣分離并分別提供給各個電池單元。支撐主體由配置在多個電池單元周圍的電絕緣體形成。優選地，在本發明用于固體電解質燃料電池的結構體中，主體部和電子通路部以共燒結的方式形成。而且，本發明的固體電解質燃料電池包括多個電池單元和配置在多個電池單元之間或者周圍的上述用于固體電解質燃料電池的結構體，其中，上述電池單元分別由按順序進行堆疊的陽極層、固體電解質層以及陰極層構成。以下，通過附圖對作為本發明實施方式的固體電解質燃料電池的結構造進行說明。如圖I 圖3所示，作為本發明的一種實施方式的固體電解質燃料電池I包括由作為陽極層的燃料電極層11、固體電解質層12以及作為陰極層的空氣電極層13形成的多個電池單元；以及配置在多個電池單元之間和周圍的結構體(隔離物、氣體歧管、支撐體)。結構體由將提供給各個電池單元作為陽極氣體的燃料氣體和作為陰極氣體的空氣分離的電絕緣體形成的主體部14、和形成在主體部14內而且作為將多個電池單元相互電連接的導電體的電子通路部(互連接器)15形成。主體部14由含有鈦酸鍶和鋁且當鈦酸鍶的摩爾份數設為100時鋁的摩爾份數為10以上、60以下的材料形成。電子通路部15使用例如組成式為La(Fei_xAlx) O3 (其中，x為摩爾比，滿足0〈x〈0. 5)的陶瓷組成物形成。另外，圖3所示的固體電解質燃料電池I為包括一個電池單元的電池，在電池單元的兩側及周圍配置有結構體。該結構體由配置在電池單元兩側和周圍(多個電池單元之間和周圍)的主 體部14、和配置在主體部14內的電子通路部15形成。而且，燃料電極層11和電子通路部15之間配置有燃料電極集電層31，空氣電極層13和電子通路部15之間配置有空氣電極集電層32。作為本發明的一種實施方式的固體電解質燃料電池I按如下所述制造。首先，在構成結構體的主體部14的生坯上，如圖I中虛線所示，形成多個用于供電子通路部15的生坯填充的通孔15a。另外，在主體部14的生坯上，如圖I中虛線所示，分別通過用機械沖孔機實施開孔加工，形成用于形成如圖2所示的燃料氣體供給通路21和空氣供給通路22的細長通孔 21a、22a。并且，在配置燃料電極層11、固體電解質層12、空氣電極層13的主體部14的生坯上，分別形成用于供燃料電極層11、固體電解質層12、空氣電極層13的生坯嵌入的嵌合部 11a、12a、13a。并且，在配置燃料電極集電層31、空氣電極集電層32的主體部14的生坯上，分別形成用于供燃料電極集電層31、空氣電極集電層32的生坯嵌入的嵌合部31a、32a。此外，燃料電極集電層31和空氣電極集電層32的生坯使用與燃料電極層11以及空氣電極層13各自的材料粉末具有相同組成的物質制作在如上所述制作出的主體部14的生坯的各部分上，將電子通路部15的生坯嵌入到通孔15a中，將燃料電極層11、固體電解質層12、空氣電極層13的生坯嵌入到嵌合部lla、12a、13a中，將燃料電極集電層31、空氣電極集電層32的生坯嵌入到嵌合部31a、32a中。將如此得到的5張生坯如圖2所示按順序進行堆疊。將該堆疊后得到的產物在規定壓力、規定溫度下，在規定時間內通過熱等靜壓成型(WIP)壓接。在對該壓接體在規定溫度范圍內實施脫脂處理后，通過在規定溫度下保持規定時間進行燒結。如此，制造出了作為本發明的一種實施方式的固體電解質燃料電池I。如圖4 圖6所示，作為本發明的另一種實施方式的固體電解質燃料電池I包括由作為陽極層的燃料電極層11、固體電解質層12以及作為陰極層的空氣電極層13形成的多個電池單元；以及配置在多個電池單元之間和周圍的結構體。此處，燃料電極層11含有鎳。配置于多個電池單元周圍的結構體由將提供給各個電池單元作為陽極氣體的燃料氣體和作為陰極氣體的空氣分離的作為電絕緣體的主體部14形成。配置在多個電池單元之間的結構體由將多個電池單元相互電連接的作為導電體的電子通路部15形成。主體部14由含有鈦酸鍶和鋁且當鈦酸鍶的摩爾份數設為100時鋁的摩爾份數為10以上、60以下的復合氧化物形成。電子通路部15使用例如組成式為La(Fei_xAlx)O3(其中，x為摩爾比，滿足0〈x〈0. 5)的陶瓷組成物形成。圖6所示的固體電解質燃料電池I為包括一個電池單元的電池，電池單元的兩側及周圍配置有結構體。該結構體由配置在電池單元周圍(多個電池單元周圍)的主體部14、和主體部14內配置在電池單元兩側(多個電池單元之間)的電子通路部15形成。而且，燃料電極層11和電子通路部15之間配置有燃料電極集電層31，空氣電極層13和電子通路部15之間配置有空氣電極集電層32。燃料電極集電層31和空氣電極集電層32使用與燃料電極層11以及空氣電極層13具有相同組成的物質制作。在電子通路部15和燃料電極層11之間，具體地，在電子通路部15和燃料電極集電層31之間配置中間層18。中間層18由表示為A1IBxTi^CyO3 (其中，A為選自由Sr、Ca以及Ba所構成的群中的最少一種元素，B為稀土類元素，C為Nb或者Ta, x和y為摩爾比， 滿足O < X < O. 5、0< y < O. 5)的鈦類鈣鈦礦型氧化物，例如SrTiO3形成。如此，將由組成式為La(Fei_xAlx)03的陶瓷組成物形成的電子通路部15和含有鎳的燃料電極層11以及燃料電極集電層31共燒結時，為了防止電子通路部15中的Fe和燃料電極層11以及燃料電極集電層31中的Ni發生反應，例如，在兩者中間配置由表示為SrTiO3的鈦類鈣鈦礦型氧化物形成的中間層18。在這里，電子通路部15形成得致密，以增大導電率，即減小電阻值，使空氣、燃料氣體無法通過。形成中間層18的材料可以是非致密的，也可以是多孔的。下文中發明人的觀點基于如上所述在由組成式為La(Fei_xAlx)03的陶瓷組成物形成的電子通路部15和含有鎳的燃料電極層11以及燃料電極集電層31之間配置由鈦類鈣鈦礦型氧化物形成的中間層18。若將由組成式為La(Fei_xAlx)03的陶瓷組成物形成的電子通路部15和含有鎳的燃料電極層11通過共燒結接合，Fe和Ni會發生反應，在接合部(界面)產生缺少Fe的LaAlO30若生成低導電率的LaAlO3,會阻礙由組成式為La (FehAlx) O3的陶瓷組成物形成的電子通路部15和含有鎳的燃料電極層11的電接合。因此，若配置由在燃料氣氛下導電率(電阻的倒數)變高的鈦類鈣鈦礦型氧化物例如SrTi O3形成的中間層18，可以得到良好的電連接。這是因為即使將形成中間層18的AhBxTipyCyO3 (其中，A為選自由Sr、Ca以及Ba所構成的群中的最少一種元素，B為稀土類元素，C為Nb或者Ta, x和y為摩爾比，滿足O彡X彡O. 5、0彡y彡O. 5)中的一種，如SrTiO3,與組成式為La(Fe1^xAlx)O3的陶瓷組成物形成的電子通路部15和含有鎳的燃料電極層11進行共燒結，也不會形成高電阻層。作為本發明的另一種實施方式的固體電解質燃料電池I按如下所述制造。首先，在主體部14的生坯上，如圖4中虛線所示，分別通過用機械沖孔機實施開孔加工，形成用于形成如圖5所示的燃料氣體供給通路21和空氣供給通路22的細長通孔 21a、22a。另外，在配置燃料電極層11、固體電解質層12、空氣電極層13的主體部14的生坯上，分別形成用于供燃料電極層11、固體電解質層12、空氣電極層13的生坯嵌入的嵌合部 11a、12a、13a。并且，在配置燃料電極層31、空氣電極集電層32的主體部14的生坯上，分別形成用于供燃料電極層31、空氣電極集電層32的生還嵌入的嵌合部31a、32a。此外，燃料電極集電層31和空氣電極集電層32的生坯使用與燃料電極層11以及空氣電極層13各自的材料粉末具有相同組成的物質制作。并且，在電子通路部15和中間層18的生坯上，如圖4中虛線所示，分別通過用機械沖孔機實施開孔加工，形成用于形成如圖5所示的燃料氣體供給通路21和空氣供給通路22的細長通孔21a、22a。在如上所述制作出的主體部14的生坯的各部分上，將燃料電極層11、固體電解質層12、空氣電極層13的生坯嵌入到嵌合部lla、12a、13a中，將燃料電極集電層31、空氣電極集電層32的生坯嵌入到嵌合部31a、32a中。在如此得到的3張生坯上將電子通路部15 和中間層18的生坯如圖5所示按順序進行堆疊。將該堆疊后得到的產物在規定壓力、規定溫度下，在規定時間內通過熱等靜壓成型(WIP)壓接。在對該壓接體在規定溫度范圍內實施脫脂處理后，通過在規定溫度下保持規定時間進行燒結。如此，制造出了作為本發明的另一種實施方式的固體電解質燃料電池I。另外，在上述實施方式中，如圖3或圖6所示，雖然將多個電池單元相互電連接的導電體全部由用于電子通路部的材料形成的電子通路部15形成，導電體也可以有一部分不由用于電子通路部的材料形成。圖7 圖9示意性表示了導電體的一部分由用于電子通路部的材料形成的幾個實施例的平板固體電解質燃料電池的剖面的剖視圖。如圖7所示，結構體包括將提供給各個電池單元作為陽極氣體的燃料氣體和作為陰極氣體的空氣分離的由電絕緣體形成的主體部14、形成在主體部14內而且作為將多個電池單元相互電連接的導電體的由用于電子通路部的材料形成的電子通路部15、和形成為與該電子通路部15連接的電子通路部用導體16。電子通路部15形成于空氣電極層13一側，與空氣接觸，具體地，通過空氣電極集電層32而與空氣電極層13連接。電子通路部用導體16與燃料氣體接觸，具體地，通過燃料電極集電層31而與燃料電極層11連接，由例如氧化鎳(NiO)和釔穩定氧化鋯(YSZ)的混合物形成。另外，如圖8所示，結構體包括將提供給各個電池單元作為陽極氣體的燃料氣體和作為陰極氣體的空氣分離的由電絕緣體形成的主體部14、形成在主體部14內而且作為將多個電池單元相互電連接的導電體的由本發明用于電子通路部的材料形成的電子通路部15、和形成為與該電子通路部15連接的電子通路部用導體17。電子通路部15形成于燃料電極層11 一側，與燃料氣體接觸，具體地，通過燃料電極集電層31而與燃料電極層11連接。電子通路部用導體17與空氣接觸，具體地，通過空氣電極集電層32而與空氣電極層13連接，由例如錳酸鑭((La，Sr)MnO3)和釔穩定氧化鋯(YSZ)的混合物形成。并且，如圖9所示，結構體包括將提供給各個電池單元作為陽極氣體的燃料氣體和作為陰極氣體的空氣分離的由電絕緣體形成的主體部14、形成在主體部14內而且作為將多個電池單元相互電連接的導電體的由用于電子通路部的材料形成的電子通路部15、和形成為與該電子通路部15連接的電子通路部用導體16、17。電子通路部用導體16形成為與燃料氣體接觸，具體地，通過燃料電極集電層31而與燃料電極層11連接，由例如氧化鎳和釔穩定氧化鋯(YSZ)的混合物形成。電子通路部用導體17與空氣接觸，具體地，通過空氣電極集電層32而與空氣電極層13連接，由例如錳酸鑭((La，Sr)MnO3)和釔穩定氧化鋯(YSZ)的混合物形成。形成電子通路部15，使其連接在用于電子通路部用導體16和17之間。如上所述，圖7 圖9所示由用于電子通路部的材料形成的電子通路部15，可以如圖7或圖8所示，形成于作為陽極層的燃料電極層11或者作為陰極層的空氣電極層13一側，并與作為陽極氣體的燃料氣體或者作為陰極氣體的空氣接觸，也可以如圖9所示形成在導電體的中間部分。由這種結構，通過縮小由用于電子通路部的材料形成的、氣體無法透過的致密部分，可以緩解結構體在制造時(共燒結時)或者固體電解質燃料電池在工作時等產生的熱應力。此外，可以選擇使用比用于電子通路部的材料電阻值更小的材料作為在上述導電體中構成電子流通路徑的材料。 例如，采用如下方式制造圖7所示的結構體的生坯。首先，制作用于主體部14的生坯。在用于主體部14的生坯上形成通孔，在此通孔中，填充混合了氧化鎳(NiO)和8摩爾％的釔穩定氧化鋯(YSZ)的糊料。該糊料以NiO的重量份為80、YSZ的重量份為20、媒介物的重量份為60的混合比例混合，用三輥機研磨制備。媒介物使用乙基纖維素和溶劑的混合物。另一方面，制作用于電子通路部15的生坯。然后，將用于電子通路部15的生坯切割成如圖I所示的圓板狀，將該圓板狀的用于電子通路部15的生坯壓接到用于主體部14的生坯的通孔部分的空氣電極一側，使其直徑比上述通孔更大。此外，為了制作圖6所示的電池單元間分離結構體的生坯，制作兩張用于主體部14的生坯，將圓板狀的用于電子通路部15的生坯夾在兩張用于主體部14的生坯之間并壓接實施例以下，對本發明的實施例進行說明。首先，按照以下所述，以多種組分比例來制備鈦酸鍶(SrTiO3)和氧化鋁(Al2O3)的復合氧化物作為高溫結構材料，并評價各試料。(高溫結構材料試料的制備)準備作為原料的SrTiO3粉末和Al2O3粉末。將這些原料以SrTiO3: Al2O3=I-X:x的摩爾比進行稱量。X的值如表I 表5所不。表I中所不的實施例I 5和比較例I 3、5的試料中，將SrTiO3粉末和Al2O3粉末與有機溶劑以及聚乙烯醇縮丁醛類粘合劑混合后制備漿料。表I中所示的比較例4的試料中，僅將SrTiO3粉末與有機溶劑以及聚乙烯醇縮丁醛類粘合劑混合后制備漿料。表2 表5所示的實施例6 25的試料中，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為燒結助劑的氧化錳(Mn3O4)粉末或者氧化鈮(Nb2O5)粉末后，與有機溶劑以及聚乙烯醇縮丁醛類粘合劑混合后制備漿料。將得到的各漿料通過刮刀法形成生坯。實施例I 5和比較例I 5的試料中，將得到的生坯在400°C 500°C的溫度下脫脂后，通過在1400°C的溫度下燒結4小時制作燒結體。實施例6 15的試料中，將得到的生坯在400°C 500°C的溫度下脫脂后，通過在1300°C的溫度下燒結4小時制作燒結體。實施例16 20的試料中，將得到的生坯在400°C 500°C的溫度下脫脂后，通過在1260°C的溫度下燒結6小時制作燒結體。實施例21 23的試料中，將得到的生坯在400°C 500°C的溫度下脫脂后，通過在1240°C的溫度下燒結6小時制作燒結體。實施例24 25的試料中，將得到的生坯在400°C 500°C的溫度下脫脂后，通過在1230°C的溫度下燒結6小時制作燒結體。對于得到的實施例I 5和比較例I 5的試料，對下文評價項目(I) (3)進行評價。對于實施例6 15的試料，對下文評價項目(2) (4)進行評價。對于實施例16 25的燒結體，對下文評價項目(4)進行評價。(高溫結構材料試料的評價)(I)熱膨脹系數對于各試料，通過熱分析儀器法對從30°C到1000°C升溫過程中的熱膨脹系數進行測定。 (2)彎曲強度(抗彎強度)測定各試料燒結后和還原后的彎曲強度。制作厚度在1_左右、寬度在3_左右的測定試料，通過跨距為30mm的三點彎曲實驗測定彎曲強度。測定10個試料，并計算其測定值的平均值。還原后試料的測定是在將燒結后試料置于含有15體積％的H20、氫氣和氮氣的體積比為2:1的還原氣氛中，并在900°C的溫度下進行16小時的熱處理后進行。(3)接合性將脫脂后厚度為200 μ m的生坯的各試料和厚度為200 μ m的生坯的8YSZ (用添加量為8摩爾％的氧化釔(Y2O3)實現部分穩定的氧化鋯(ZrO2)切成65mmX50mm的方塊后壓接。將該壓接體在140(TC的溫度下使其燒結，確認并評價其是否有剝離或者裂紋。沒有產生剝離或者裂紋從而高溫結構材料和8YSZ牢固接合時評為「〇」，產生剝離或者裂紋從而高溫結構材料和8YSZ沒有接合時評為「X」。此外，8YSZ的生坯為將8YSZ的粉末和有機溶劑以及聚乙烯醇縮丁醛類粘合劑混合后制備漿料，使用該漿料通過刮刀法形成的生坯。(4)相對密度利用阿基米德法測定燒結后各試料的密度。測定5個試料，并計算其測定值的平均值。以上評價結果如表I 表5所示。[表 I]
權利要求
1.一種高溫結構材料，其特征在于， 包含鈦酸鍶和鋁，當鈦酸鍶的摩爾份數設為100時，鋁的摩爾份數為10以上、60以下。
2.如權利要求I所述的高溫結構材料，其特征在于， 所述高溫結構材料還包含氧化錳或者氧化鈮。
3.一種用于固體電解質燃料電池的結構體，在固體電解質燃料電池中配置于分別由按順序進行堆疊的陽極層、固體電解質層以及陰極層構成的多個電池單元之間或者周圍，其特征在于， 所述用于固體電解質燃料電池的結構體包括由電絕緣體制成的主體部、和形成于所述主體部內的電子通路部， 所述主體部由權利要求I或2所述的高溫結構材料形成。
4.如權利要求3所述的用于固體電解質燃料電池的結構體，其特征在于， 所述主體部和所述電子通路部通過共燒結形成。
5.一種固體電解質燃料電池，其特征在于，包括 分別由按順序進行堆疊的陽極層、固體電解質層以及陰極層構成的多個電池單元；以及 配置在多個電池單元之間或者周圍的如權利要求3或4所述的用于固體電解質燃料電池的結構體。
全文摘要
本發明提供一種高溫結構材料，使用該高溫材料形成的用于固體電解質燃料電池的結構體以及具有該結構體的固體電解質燃料電池。該高溫結構材料不僅熱膨脹系數與電解質材料的熱膨脹系數接近,而且即使在還原氣氛中機械強度也不會降低,僅通過添加規定的燒結助劑即可以在相對較低的溫度下燒結的高溫結構材料。高溫結構材料含有鈦酸鍶和鋁,當鈦酸鍶的摩爾份數設為100時,鋁的摩爾份數為10以上、60以下。
文檔編號H01M8/02GK102884019SQ20118002282
公開日2013年1月16日 申請日期2011年4月27日 優先權日2010年5月7日
發明者高田和英 申請人:株式會社村田制作所