[发明专利]电池结构体及其制造方法以及燃料电池

说明书

本发明提供了一种电池结构体，该电池结构体包括阴极、阳极、和具有质子传导性并介于所述阴极和所述阳极之间的固体电解质层。该固体电解质层包含具有钙钛矿结构并且含有锆、铈和除铈以外的稀土元素的化合物。如果T为所述固体电解质层的厚度，则在距离所述固体电解质层的阴极侧的表面0.25T的位置处的锆与铈的元素比：即Zr_C/Ce_C，以及在距离所述固体电解质层的阳极侧的表面0.25T的位置处的锆与铈的元素比：即Zr_A/Ce_A，满足Zr_C/Ce_CZr_A/Ce_A，且Zr_C/Ce_C1。

技术领域

本发明涉及包括质子传导性固体电解质的电池结构体和燃料电池。

背景技术

燃料电池是通过诸如氢气和空气(氧气)之类的燃料之间的电化学反应来发电的装置，并且由于燃料电池可以将化学能直接转化为电，所以其具有高发电效率。特别地，工作温度为700℃以上、特别为800℃至1,000℃左右的固体氧化物型燃料电池(以下称为SOFC)具有高的反应速度，并且由于所有的电池元件均为固体，所以该固体氧化物型燃料电池易于处理。然而，因为SOFC的工作温度非常高，所以它们的应用限于大型发电系统和家用发电。随着当今对节能日益增长的需求，需要扩大发电效率高、噪音低、环境有害物质排放少并且电池结构简单的SOFC的应用范围。

SOFC具有高的工作温度，使得氧化物离子可以迁移通过陶瓷固体电解质。因此，由于质子可以在中温范围(例如，400℃至600℃)内迁移，所以研究已经涉及使用氢离子(质子)而不是氧化物离子作为电荷载体的质子陶瓷燃料电池(PCFC)。这些燃料电池需要质子传导性固体电解质。已知的质子传导性固体电解质的实例包括具有钙钛矿结构的化合物，例如，诸如钇掺杂的锆酸钡(以下称为BZY)和钇掺杂的铈酸钡(以下称为BCY)之类的金属氧化物(专利文献1)。

金属氧化物易于受潮。特别地，据报道含有铈的金属氧化物比含有锆的金属氧化物更容易受潮(非专利文献1)。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本未审查专利申请公开No.2001-307546

非专利文献

非专利文献1：固态离子，145(2001)，349-355

发明内容

技术问题

虽然包括由BCY形成的固体电解质层的燃料电池最初表现出良好的发电性能，但其耐久性低。这可能是因为：在发电期间，在燃料电池的阴极处产生的水与BCY反应，从而使BCY分解并在阴极和固体电解质层之间的界面中产生反应产物。

另一方面，虽然包括由BZY形成的固体电解质层的燃料电池具有高耐久性，但是其发电性能低。这是因为：尽管BZY对湿气相对稳定，但是其烧结性低，因此含有许多导致高电阻的晶粒间界。

专利文献1提出了含有锆和铈的钙钛矿型氧化物(BZCY)，然而其具有比BCY高的电阻，因此发电性能比BCY低。

问题的解决方案