CN100590922C - 固体电解质及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种固体电解质，包括具有透氢性的金属部分和具有质子传导性的金属氧化物部分。金属部分和金属氧化物部分被一体地形成。因为透氢金属部分和固体电解质部分被一体地形成，所以在透氢金属部分和固体电解质部分之间的边界处形成的界面受到约束。提高了透氢金属部分和固体电解质部分之间的剥离强度。
Description
技术领域
本发明一般地涉及具有质子传导性的固体电解质和制造该电介质的方法。
背景技术
本发明的一个或者多个方面一般地涉及具有质子传导性的固体电解质。
一般而言，燃料电池是从燃料，氢和氧，获得电能的装置。燃料电池系统正在被广泛地开发作为能量供应系统，因为燃料电池在环境方面的优异性并可以获得高的能效。
在包括具有质子传导性的固体电解质的燃料电池中，由阳极提供的一部分氢转化为质子，这些质子在固体电解质中传导并且与由阴极供应的氧反应。由此发电。此燃料电池具有其中沉积有透氢金属和固体电解质的构造。
例如，日本专利申请公布No.2004-146337提出了一种在具有透氢性的致密金属的基板上形成电解质层的方法。根据该方法，因为具有透氢性的金属是致密的，所以可以减小电解质层的厚度。
然而，将电解质层沉积在基板上降低了电解质层和基板之间的界面强度。因此，可能发生电解质层和基板之间的边界分离。
考虑到上述情况，完成了本发明的各个方面。本发明的一个或者多个方面提供一种固体电解质，其中不会发生具有质子传导性的固体电解质层和具有透氢性的金属基板之间的边界分离。
发明内容
在示例性实施例中，固体电解质包括具有透氢性的金属部分和具有质子传导性的金属氧化物部分。金属部分和金属氧化物部分被一体地形成。
在示例性实施例中，制造固体电解质的方法包括：提供透氢金属基板，所述透氢金属基板具有形成其至少一部分的阀金属；以及随后通过阳极化阀金属的至少一部分，形成具有质子传导性的金属氧化物部分。
本发明的效果
根据本发明，在金属氧化物部分和金属部分之间形成的界面被约束。提高了金属氧化物部分和金属部分之间的剥离强度。
附图说明
本发明的一个或者多个方面的示例性实施例将参考附图进行描述，在附图中：
图1示出了根据第一实施例的示例性固体电解质的示意图；
图2A-2C示出了根据第一实施例的制造固体电解质的方法；
图3示出了根据第二实施例的固体电解质的示意图；
图4A-4D示出了根据第二实施例的制造固体电解质的方法；
图5示出了根据第三实施例的示例性固体电解质的示意图；以及
图6A-6D示出了根据第三实施例的制造固体电解质的方法。
具体实施方式
<第一实施例>
图1示出了根据第一实施例的固体电解质100的示意图。如图1所示，固体电解质100可以具有如下结构，其中，固体电解质部分1和透氢金属部分2可以被一体地形成。就是说，在固体电解质部分1和透氢金属部分2之间没有物理界面。固体电解质部分1可以由具有质子传导性的金属氧化物形成。透氢金属部分2可以由透氢金属形成。形成固体电解质部分1的金属可以与形成透氢金属部分2的金属相同。在此实施例中，氧化钽可被用于固体电解质部分1，钽可被用于透氢金属部分2。
在根据此实施例的固体电解质100中，因为固体电解质部分1和透氢金属部分2被一体地形成，所以在固体电解质部分1和透氢金属部分2之间的边界处形成的界面受到约束。固体电解质部分1和透氢金属部分2之间的剥离强度由此提高。此外，因为形成固体电解质部分1的金属与形成透氢金属部分2的金属相同，所以在固体电解质部分1和透氢金属部分2之间的边界处形成的界面受到约束。
图2A-2C示出了制造固体电解质100的方法。如图2A所示，可以提供透氢金属基板10。透氢金属基板10可以例如由钽之类的透氢阀金属形成。如在本文中所使用的，阀金属表示可以通过阳极化被氧化的金属。
接着，如图2B所示，可以对与透氢金属基板10的一个面紧邻的区域进行阳极氧化处理。该区域由此被氧化。固体电解质部分1由此可以紧邻透氢金属基板10的面形成，如图2C所示。在此情况下，可以通过用带子将除了要进行阳极氧化处理的部分之外的部分掩蔽，来氧化与透氢金属基板10的一个面紧邻的区域。可以通过上述操作来制备固体电解质100。
在此实施例中，因为通过阳极氧化方法来氧化透氢金属基板10，所以固体电解质部分1被均匀地形成。此外，因为不必产生在CVD方法、PVD方法、溅射方法等情况下的真空条件，所以降低了固体电解质100的制造成本。此外，因为不必在阳极氧化处理中加热透氢金属基板10，所以防止了固体电解质部分1和透氢金属部分2之间的由于这些部分的热膨胀系数的差异导致的边界分离的发生。
此外，因为固体电解质部分1和透氢金属部分2由透氢金属基板10形成，所以固体电解质部分1和透氢金属部分2被一体地形成。由此，在固体电解质部分1和透氢金属部分2之间的边界处形成的界面受到约束。因此，固体电解质部分1和透氢金属部分2之间的剥离强度提高。此外，因为只要提供单组分金属基板作为透氢金属基板10，所以降低了固体电解质100的制造成本。
此外，透氢金属基板10可以包括另一种具有更低价的阀金属，如锆、钛、铝等。在此情况下，通过阳极化透氢金属基板10，在固体电解质部分1中形成氧空位。由此提高了固体电解质部分1的质子传导性。
在此实施例中，透氢金属部分2对应于金属部分，固体电解质部分1对应于金属氧化物部分。
<第二实施例>
图3示出了根据第二实施例的固体电解质100a的示意图。如图3所示，固体电解质100a可以具有如下结构，其中，阀金属部分22被夹在固体电解质部分21和透氢金属部分23之间。固体电解质部分21、阀金属部分22和透氢金属部分23可以被一体地形成。阀金属部分22可以冶金地结合到透氢金属部分23。
固体电解质部分21可以由具有质子传导性的金属氧化物形成。阀金属部分22可以由阀金属形成。透氢金属部分23可以由透氢金属形成。形成固体电解质部分21的金属可以与形成阀金属部分22的金属相同。在此实施例中，氧化钽可被用于固体电解质部分21，钽可被用于阀金属部分22，并且钒等可以可被用于透氢金属部分23。
在根据此实施例的固体电解质100a中，因为固体电解质部分21和阀金属部分22被一体地形成，所以在固体电解质部分21和阀金属部分22之间的边界处形成的界面受到约束。固体电解质部分21和阀金属部分22之间的剥离强度由此提高。此外，因为阀金属部分22被冶金地结合到透氢金属部分23，所以固体电解质部分21和阀金属部分22之间的界面强度提高。由此，阀金属部分22和透氢金属部分23之间的剥离强度提高。
此外，形成透氢金属部分23的金属可以不是阀金属。由此，扩宽了对于透氢金属部分23的材料的选择范围。例如，诸如钒之类的便宜的金属可被用于透氢金属部分23。由此可以降低制造成本。
此外，钒容易氧化，而钽具有抗氧化性。由此防止了透氢金属部分23被固体电解质部分21的氧所氧化。
图4A-4D示出了制造固体电解质100a的方法。如图4A所示，可以提供透氢金属基板30。透氢金属基板30可以例如由钒之类的金属形成。接着，如图4B所示，可以通过溅射方法等在透氢金属基板30的一个面上形成阀金属层31。阀金属层31可以由钽之类的阀金属形成。然后，如图4C所示，可以对与阀金属层31的一个面紧邻的区域进行阳极氧化处理。该区域由此可被氧化。在此情况下，可以通过用带子将除了要进行阳极氧化处理的部分之外的部分掩蔽，来氧化与阀金属层31的一个面紧邻的区域。如图4D所示，固体电解质部分21和阀金属部分22可以由阀金属层31形成。透氢金属部分23也可以对应于透氢金属基板30。可以通过上述操作来制备固体电解质100a。
如上所述，因为阀金属部分22和固体电解质部分由阀金属层31形成，所以阀金属部分22和固体电解质部分21被均匀地形成。由此，在阀金属部分22和固体电解质部分21之间的边界处形成的界面受到约束。此外，因为阀金属层31通过溅射形成在透氢金属基板30的面上，所以透氢金属基板30被冶金地结合到阀金属层31。由此，阀金属部分22和透氢金属部分23之间的界面强度提高。
此外，阀金属层31可以包括另一种具有更低价的阀金属，如锆、钛、铝等。在此情况下，通过阳极化阀金属层31，在固体电解质部分21中形成氧空位。固体电解质部分21的质子传导性被提高。
在此实施例中，阀金属部分22对应于金属部分，固体电解质部分21对应于金属氧化物部分，而透氢金属部分23对应于第二金属部分。
<第三实施例>
图5示出了根据第三实施例的固体电解质100b的示意图。如图5所示，固体电解质100b可以具有如下结构，其中，固体电解质部分41和透氢金属部分42可以被一体地形成。固体电解质部分41可以由具有质子传导性的金属氧化物形成。透氢金属部分42可以由透氢金属形成。形成固体电解质部分41的金属可以与形成透氢金属部分42的金属相同。在此实施例中，氧化钽可被用于固体电解质部分41，钯可被用于透氢金属部分42。
在根据此实施例的固体电解质100b中，因为固体电解质部分41和透氢金属部分42被一体地形成，所以在固体电解质部分41和透氢金属部分42之间的剥离强度提高。
此外，钯可以分解分子氢。如果钯被用于透氢金属部分42，则透氢金属部分42也可以分解分子氢。因此，当制造燃料电池时，不必提供阳极。由此可以降低包括固体电解质100b的燃料电池的制造成本。
此外，钽的氢胀系数大于钯的氢胀系数。在根据此实施例的固体电解质100b中，在透氢金属部分42和固体电解质部分41之间没有形成钽层。因此，防止了在透氢金属部分42和固体电解质部分41之间产生裂纹。
图6A-6D示出了制造固体电解质100b的方法。如图6A所示，可以提供透氢金属基板50。透氢金属基板50可以例如由钯之类的金属形成。接着，如图6B所示，通过溅射方法等，在透氢金属基板50的一个面上形成阀金属层51。阀金属层51可以由钽之类的阀金属形成。然后，如图6C所示，可以对整个阀金属层51进行阳极氧化处理，并且整个阀金属层51可以被阳极氧化。在此情况下，通过用带子掩蔽透氢金属基板50，可以氧化整个阀金属层51。如图6D所示，固体电解质部分41可以由阀金属层51形成。透氢金属部分42还可以对应于透氢金属基板50。可以通过上述操作来制备固体电解质100b。
如上所述，因为阀金属层51被形成在透氢金属基板50的一个面上，所以透氢金属基板50被冶金地结合到阀金属层51。由此提高了在阳极氧化之后的固体电解质部分41和透氢金属部分42之间的界面强度。
此外，阀金属层51可以包括另一种具有更低价的阀金属，如锆、钛、铝等。在此情况下，通过阳极化阀金属层51，在固体电解质部分41中形成氧空位。固体电解质部分41的质子传导性被提高。
在此实施例中，透氢金属部分42对应于金属部分，固体电解质部分41对应于金属氧化物部分。
在随后的描述中，阐明了多种具体的构思和结构，以提供对于本发明的充分理解。不是要使用这些具体构思和结构中的全部才可以实施本发明。在其它例子中，对于公知的元件没有进行详细图示或者描述，由此可以将重点集中在本发明上。
根据本发明的一个或者多个方面的固体电解质可以包括具有透氢性的金属部分和具有质子传导性的金属氧化物部分。金属部分和金属氧化物部分可以一体地形成。
在示例性实施例中，因为金属氧化物部分和金属部分被一体地形成，所以在金属氧化物部分和金属部分之间的边界处形成的界面受到约束。由此，提高了金属氧化物部分和金属部分之间的剥离强度。
在示例性实施例中，金属部分可以接合在金属氧化物部分上，并且形成金属部分的金属可以与形成金属氧化物部分的金属相同。在此情况下，在金属氧化物部分和金属部分之间的边界处形成的界面受到约束。
在示例性实施例中，固体电解质还可以包括具有透氢性的第二金属部分。第二金属部分，金属部分和金属氧化物部分也可以按顺序接合，并且形成金属部分的金属可以与形成金属氧化物部分的金属相同。在此情况下，第二金属部分被冶金地结合到金属部分。由此，提高了第二金属部分和金属部分之间的界面强度。因此，提高了第二金属部分和金属部分之间的剥离强度。此外，如果便宜的金属被用于第二金属部分并且减小金属部分的厚度，则制造成本被降低。此外，因为金属部分被设置在第二金属部分和固体电解质部分之间，所以第二金属部分的氧化被限制。
根据本发明的一个或者多个方面的制造固体电解质的方法可以包括：提供透氢金属基板，所述透氢金属基板具有形成其至少一部分的阀金属；以及随后通过阳极化阀金属的至少一部分，形成具有质子传导性的金属氧化物部分。
在示例性实施例中，金属氧化物部分和透氢金属基板被一体地形成。因此，在金属氧化物部分和透氢金属基板之间的边界处形成的界面受到约束。因此，金属氧化物部分和透氢金属基板之间的剥离强度提高。
在示例性实施例中，透氢金属基板可以包括具有透氢性的阀金属。在此情况下，形成金属氧化物部分的金属与形成透氢金属基板的金属相同。因此，在透氢金属基板和金属氧化物部分之间的边界处形成的界面受到约束。此外，因为只要提供单组分的金属基板作为透氢金属基板，所以根据本发明的固体电解质的制造成本降低。
在示例性实施例中，提供透氢金属基板的步骤可以包括在透氢金属基板的一个面上形成具有透氢性的阀金属部分。在此情况下，阀金属部分和金属氧化物部分被一体地形成。因此，在阀金属部分和金属氧化物部分之间的边界处形成的界面受到约束。因此，金属氧化物部分和阀金属部分之间的剥离强度提高。此外，透氢金属基板被冶金地结合到阀金属部分。由此，阀金属部分和透氢金属基板之间的界面强度提高。
在示例性实施例中，提供透氢金属基板的步骤可以包括在透氢金属基板的一个面上形成具有透氢性的阀金属部分，并且形成金属氧化物部分的步骤可以包括通过阳极化整个阀金属部分形成具有质子传导性的金属氧化物部分。在此情况下，即使形成透氢金属基板的金属的氢胀系数和形成阀金属的金属的氢胀系数不同，也可防止在透氢金属基板和金属氧化物部分之间出现裂纹。
Claims (6)
1.一种固体电解质，包括：
具有透氢性的金属部分；以及
具有质子传导性的金属氧化物部分，
其中：
所述金属部分和所述金属氧化物部分一体地形成；
所述金属部分接合在所述金属氧化物部分上；并且
形成所述金属部分的金属与形成所述金属氧化部分的金属相同。
2.根据权利要求1所述的固体电解质，还包括具有透氢性的第二金属部分，
其中，所述第二金属部分，所述金属部分和所述金属氧化物部分按顺序地接合。
3.一种制造固体电解质的方法，包括：
提供透氢金属基板，所述透氢金属基板具有形成其至少一部分的阀金属；以及
随后通过阳极化所述阀金属的至少一部分，形成具有质子传导性的金属氧化物部分。
4.根据权利要求3所述的制造固体电解质的方法，其中所述透氢金属基板包括具有透氢性的阀金属。
5.根据权利要求3所述的制造固体电解质的方法，其中提供透氢金属基板的步骤包括在所述透氢金属基板的一个面上形成具有透氢性的阀金属部分。
6.根据权利要求3所述的制造固体电解质的方法，其中：
提供透氢金属基板的步骤包括在所述透氢金属基板的一个面上形成具有透氢性的阀金属部分；并且
形成金属氧化物部分的步骤包括通过阳极化整个所述阀金属部分来形成具有质子传导性的金属氧化物部分。
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