CN102208651A - 金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料及燃料电池 - Google Patents

金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料及燃料电池 Download PDF

Info

Publication number
CN102208651A
CN102208651A CN2010102432938A CN201010243293A CN102208651A CN 102208651 A CN102208651 A CN 102208651A CN 2010102432938 A CN2010102432938 A CN 2010102432938A CN 201010243293 A CN201010243293 A CN 201010243293A CN 102208651 A CN102208651 A CN 102208651A
Authority
CN
China
Prior art keywords
oxide
composite material
stabilized
metal oxide
yttrium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2010102432938A
Other languages
English (en)
Inventor
柳韩蔚
张宰赫
金昌三
全星运
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Original Assignee
Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung Electro Mechanics Co Ltd filed Critical Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Publication of CN102208651A publication Critical patent/CN102208651A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H01M8/1253—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides the electrolyte containing zirconium oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/45—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on copper oxide or solid solutions thereof with other oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/45—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on copper oxide or solid solutions thereof with other oxides
    • C04B35/4504—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on copper oxide or solid solutions thereof with other oxides containing rare earth oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9016—Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
    • H01M4/9025—Oxides specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
    • H01M4/9033—Complex oxides, optionally doped, of the type M1MeO3, M1 being an alkaline earth metal or a rare earth, Me being a metal, e.g. perovskites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
    • C04B2235/3225—Yttrium oxide or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3244—Zirconium oxides, zirconates, hafnium oxides, hafnates, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3246—Stabilised zirconias, e.g. YSZ or cerium stabilised zirconia
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/327—Iron group oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3279—Nickel oxides, nickalates, or oxide-forming salts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

公开了一种金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料，该金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料含有金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料以及金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料，所述金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为25～75重量％，所述金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为75～25重量％。还提供了一种固体氧化物燃料电池，该固体氧化物燃料电池含有金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料作为阳极层或者阳极层的支撑层。

Description

金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料及燃料电池
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年3月30日递交的、名称为“金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料以及使用该复合材料的固体氧化物燃料电池”的韩国专利申请No.10-2010-0028670的优先权，在此将其整体引入本申请中作为参考。
技术领域
本发明涉及一种金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料及使用该复合材料的固体氧化物燃料电池。
背景技术
在燃料电池领域中，固体氧化物燃料电池(SOFCs)的运行温度最高(700～1000℃)，并利用固体氧化物(氧离子或氢离子进行导电)作为电解质，由于固体氧化物燃料电池的所有组分都由固体构成，因此固体氧化物燃料电池是具有优势的，相比于其它的燃料电池，固体氧化物燃料电池的构造更简单，由于直接内重整(direct internal reforming)，而消除了对贵重金属催化剂的需求并有利于燃料供应，杜绝了电解质的损耗、添加和腐蚀问题。此外，SOFC能够利用释放的热气产生的废热来实现热电联产。因此，包括美国和日本在内的发达国家已经对SOFC开展了全面的研究，以在21世纪前期实现商业化。
SOFC通常包括：具有高氧离子电导率的电解质层，多孔且分别位于电解质层的两个表面上的阴极层和阳极层。
根据SOFC的操作原理，SOFC通常通过氢气和一氧化碳的氧化来产生电能，SOFC的阳极层和阴极层发生的反应如下面的反应1所示。
反应1
阳极：H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→CO2+2e-
阴极：O2+4e-→2O2-
总反应：H2+CO+O2→H2O+CO2
具体地说，氧气通过多孔的阴极层到达电解质层，然后通过电解质层将氧气输送到阳极层，由氧气的还原而生成的氧离子在此富集，从而使氧离子与供给至多孔的阳极层的氢气反应，由此生成水。这样，由于阳极层生成电子，而阴极层使用电子，因此两个电极彼此连接，并产生电流流动。
所述燃料电池的关键在于基于多孔的阴极层和阳极层的孔隙率的气体渗透性，通过多孔的阴极层和阳极层的氧气和氢气的量增加，电池效率也得以提高。然而，这就引发了一个问题，阳极层的强度会随孔隙率而成比例地降低。阳极层强度的降低会缩短燃料电池的机械寿命(mechanical lifetime)，这个问题可以通过燃料电池的单电池(unit cells)来解决，这能确保至少40000小时的长期耐用性。
出于强度和经济利益的考虑，传统的SOFC主要采用阳极支撑型SOFC(anode-supported SOFC)。因为这样的阳极支撑型SOFC导致约90％的电化学反应发生在阳极层和电解质层的界面处，因此阳极层被划分成负责功能性的层(功能层)和提供支撑的层(支撑层)。
这样，为了保持预定水平的或高于预定水平的电导率和孔隙率，支撑层由含有8摩尔％氧化钇(Y2O3)的氧化钇稳定的氧化锆制成。然而，需将支撑层增厚，才能使支撑层的强度保持为预定水平或者高于预定水平。这是因为含有8摩尔％氧化钇(Y2O3)的氧化钇稳定的氧化锆具有高的氧离子电导率，但是强度较含有3摩尔％氧化钇的氧化钇稳定的氧化锆低了四倍。
发明内容
因此，本发明致力于解决相关领域遇到的问题，旨在提供一种金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料，该金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料具有与传统的氧化钇稳定的氧化锆一样高的孔隙率，能够降低支撑层的厚度，同时表现出较高的强度，适于作为SOFC的阳极层或阳极层的支撑层。
所述金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料能够应用于SOFC的阳极层或阳极层的支撑层，该金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料含有预定量的含有3摩尔％氧化钇(Y2O3)的氧化钇稳定的氧化锆，该含有3摩尔％氧化钇(Y2O3)的氧化钇稳定的氧化锆具有低的氧离子电导率(oxygen-ion conductivity)，但是具有高的机械强度，用于提高通常用于形成阳极层的含有8摩尔％氧化钇(Y2O3)的氧化钇稳定的氧化锆的强度。
本发明还旨在提供一种固体氧化物燃料电池，该固体氧化物燃料电池含有由金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料作为阳极层或者阳极层的支撑层，所述金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料具有高的强度和氧离子电导率。
本发明的一个方面提供了一种金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料，该金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料含有金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料以及金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料，所述金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为25～75重量％，所述金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为75～25重量％。
在这一方面中，所述金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为45～55重量％，所述金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为55～45重量％。
在这一方面中，所述金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料中的金属氧化物可以是氧化镍或氧化铜。
本发明的另一个方面提供了一种固体氧化物燃料电池，该固体氧化物燃料电池包括：阳极层，该阳极层含有金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料并具有燃料气渗透性，所述金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料含有金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料以及金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料，所述金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为25～75％重量％，所述金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为75～25重量％；形成于所述阳极层上的电解质层；形成于所述电解质层上的阴极层，该阴极层具有氧气渗透性。
在这一方面中，所述阳极层的金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料中，所述金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为45～55重量％，所述金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为55～45重量％。
在这一方面中，所述阳极层的金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料中的金属氧化物可以是氧化镍或者氧化铜。
在这一方面中，所述阳极层可以包括支撑层和功能层，该功能层形成于所述支撑层上并与所述电解质层接触，其中，所述支撑层可以由金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料制成，所述金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料含有金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料以及金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料，所述金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为25～75％重量％，所述金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为75～25重量％；所述功能层可以由金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆制成。
所述支撑层的金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料中，所述金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为45～55重量％，所述金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为55～45重量％。
附图说明
通过下面结合附图的详细描述能够更清楚地理解本发明的特点和优势，其中：
图1到图3为根据本发明的一种实施方式的金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料的SEM图；
图4为弯曲强度随氧化钇稳定的氧化锆复合材料中氧化钇的摩尔百分数而变化的曲线图；
图5为弯曲强度随根据本发明的一种实施方式的金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料中金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料和金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的重量比而变化的曲线图；
图6为断裂韧性随根据本发明的一种实施方式的金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料中金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料和金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的重量比而变化的曲线图；
图7为示例性地说明根据本发明的另一种实施方式的SOFC的截面示意图，所述SOFC含有金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料作为阳极层；以及
图8为示例性地说明根据本发明的又一种实施方式的SOFC的截面示意图，所述SOFC含有金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料作为阳极层的支撑层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行更详细地描述。在所有附图中，同样的附图标记指代同样或相似的元件，并省略多余的描述。而且，在说明书中，对属于本发明的已知技术进行描述是不必要的，因为这些描述会使得本发明的特征的不清楚，出于描述的目的，详细的描述可以省略。
此外，对本说明书和权利要求中使用的术语和词语的解释不能局限于它们的通常的含义或者字典定义，而是应当基于发明人能够恰当地定义该术语所表示的概念的原则来解释该术语或词语所具有的与本发明的技术范围相关的含义和概念，从而更好地描述发明人所知道的实施本发明的方法。
图1到图3是根据本发明的一种实施方式的金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料的SEM图。
以下参考这些附图来描述根据本发明的金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料。
根据本发明的实施方式的金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料含有金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料以及金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料，所述金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为25～75重量％，所述金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为75～25重量％。
如图1到图3所示，所述金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆(以下称为“MO-YSZ”)复合材料含有预定重量比的金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆(以下称为“MO-3YSZ”)和金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆(以下称为“MO-8YSZ”)。图1中MO-YSZ复合材料含有的MO-3YSZ和MO-8YSZ的重量比为75重量％∶25重量％，图2和3中的重量比分别为50重量％∶50重量％和25重量％∶75重量％。
图1中，所述复合材料含有大量单斜相的MO-3YSZ和少量立方相的MO-8YSZ。而且，立方相的MO-8YSZ的量在图1、图2和图3中是按顺序递增的。
如图1到图3所示，所述MO-YSZ复合材料可以用于SOFC的阳极层或阳极层的支撑层(被视为阳极)。
特别地，在为阳极支撑型SOFC时，所述阳极层应当具有适用于支撑多层单电池的机械性能，同时应当满足适于燃料氧化的电化学性质，此外，还应当具有出众的电导率或气体渗透性，并且还应当具有包括孔的多孔结构，从而有效地释放燃料氧化时产生的水蒸汽。根据本发明的含有预定重量比的MO-3YSZ和MO-8YSZ的MO-YSZ复合材料满足上述性质。
根据本发明的MO-YSZ复合材料由金属氧化物(MO)和氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)组成。
在具有多孔结构的MO-YSZ复合材料中，金属氧化物(MO)具有燃料催化活性和导电性，氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)是一种具有离子导电性的氧化物。这样，MO可以包括过渡金属氧化物，尤其是具有高电导率的氧化镍或氧化铜。
在所述复合材料中，MO与YSZ的重量比可以根据机械强度、热膨胀系数、电导率和气体渗透性来进行调整。例如，MO和YSZ的重量比可以处于70重量％∶30重量％-50重量％∶50重量％的范围内。
根据本发明的实施方式的MO-YSZ复合材料中，MO和YSZ以相同(或相等)的重量比使用，所述MO-YSZ复合材料由两种MO-YSZ复合材料形成，上述两种MO-YSZ复合材料具有以不同的摩尔百分量添加到YSZ中的氧化钇(Y2O3)。
上述两种MO-YSZ复合材料包括3摩尔％YSZ(以下称为“3YSZ”)以及8摩尔％YSZ(以下称为“8YSZ”)。
简单地说，根据本发明的复合材料含有MO-3YSZ和MO-8YSZ。
YSZ的氧离子电导率依赖于氧空穴(empty hole)的浓度，强度基于YSZ的体积，强度的增加依赖于添加到YSZ中的氧化钇的摩尔百分率。例如，当单斜相转换成四方相(tetragonal phase)时，体积增大约4.5％，而强度则降低了。
以下参考图4描述依赖于YSZ中的氧化钇的摩尔百分数的弯曲强度。如图4所示，可以看出，弯曲强度在3YSZ和8YSZ之间的中部呈线性降低。这可能是因为在氧化钇的含量为约4～6摩尔％时，主要形成t’型四方(t’-formtetragonal)YSZ。
四方YSZ的形态(form)随氧化钇的摩尔百分数而变化。具体地说，随氧化钇的摩尔百分数的增加，四方YSZ以t型，t’型或t”型存在。当YSZ中氧化钇的含量最高为3摩尔％时，YSZ以t型存在，被称为可能发生转变的四方YSZ，而当YSZ中氧化钇的含量最高为6.5摩尔％时，YSZ以t’型存在，被称为难以转变的四方YSZ。t”型存在于氧化钇的含量为7摩尔％的YSZ中，被称为接近立方相的四方YSZ。
以四方相存在的YSZ在如上所述的宽泛的范围内都具有降低的强度。当氧化钇的含量为8摩尔％或8摩尔％以下时，四方相和立方相共存。另一方面，如果氧化钇的量高于8摩尔％，YSZ则以立方相存在。
而且，氧空穴的浓度以与氧化钇的摩尔百分数成比例的方式提高，使离子电导率得以提高。因此，根据本发明的实施方式的MO-YSZ复合材料中，含有3YSZ的MO-3YSZ提高了所述复合材料的强度，含有8YSZ的MO-8YSZ提高了离子电导率。
因此，即使根据本发明的MO-YSZ复合材料具有较薄的厚度，该MO-YSZ复合材料也具有预定水平或者高于预定水平的强度和提高的离子电导率。
同样，所述MO-YSZ复合材料的强度和离子电导率随3YSZ和8YSZ的重量比而改变，下面参考图5进行描述。
图5为弯曲强度随根据本发明的实施方式的所述MO-YSZ复合材料中3YSZ和8YSZ的重量比(重量％)而变化的曲线图(与MO-3YSZ和MO-8YSZ的弯曲强度非常相似)。
在3YSZ的用量为100重量％时，测定的弯曲强度为1000MPa，然而由于8YSZ的量为0％，因此离子电导率非常差。
如果MO-YSZ复合材料含有75重量％的3YSZ和25重量％的8YSZ，则强度相对得以保持，而离子电导率也提高了。而且，当MO-YSZ复合材料含有25重量％的3YSZ和75重量％的8YSZ时，强度得到提高，而离子电导率相对于8YSZ为100重量％时的离子电导率也同样得以保持。
因此，特别优选含有45～55重量％的3YSZ和55～45重量％的8YSZ的MO-YSZ复合材料。相对于含有75重量％的3YSZ和25重量％的8YSZ的MO-YSZ复合材料，该MO-YSZ复合材料的弯曲强度降低了约50MPa，但是离子电导率得到显著地提高。
图6为断裂韧性随根据本发明的实施方式的MO-YSZ复合材料中3YSZ和8YSZ的重量比(重量％)而变化的曲线图(与MO-3YSZ和MO-8YSZ的断裂韧性非常相似)。
参考图6得到的结果与图5的结果非常相似。因此，就断裂韧性与离子电导率而言，特别优选为含有45～55重量％的3YSZ和55～45重量％的8YSZ的MO-YSZ复合材料。
如上所述的MO-YSZ复合材料可以按如下方法制得。具体地说，将以预定重量比混合的MO-3YSZ和MO-8YSZ粉末与乙醇一起在氧化锆罐(jar)中干燥24小时。接下来，将粉末混合物置于铸模(如条形)中，在75MPa的压力下制得MO-YSZ复合材料坯体(green body)，然后在1400℃下烧结3小时，从而得到根据本发明的MO-YSZ复合材料。
图7为示例性地说明根据本发明的另一种实施方式中SOFC的截面示意图，所述SOFC含有MO-YSZ复合材料作为阳极层。下面参考该附图描述根据本发明的实施方式中的SOFC。
如图7所示，SOFC 1含有具有燃料气渗透性的阳极层10、电解质层20和具有氧气渗透性的阴极层30。
阳极层10由如上参考图1到图6所述的MO-YSZ复合材料形成。在使用上述复合材料时，在保持离子电导率的同时提高了强度。因此，即使当所述SOFC长时间使用时，也能够防止阳极层10的性能降低，并且降低了所述SOFC单电池的厚度。所述复合材料特别适用于阳极支撑的SOFC。
电解质层20形成于阳极层10上。电解质层20是固体氧化物电解质层，具有低于液体电解质(如水溶液或者熔盐)的离子电导性，因此由于电阻极化(resistance polarization)，电压降(voltage drop)也降低了。基于此，所形成的电解质层要尽可能的薄。电解质层20用与阳极层10常用的材料相同的材料作为离子导电氧化物，特别优选为8YSZ。可选择地，可以使用添加了钐(Sm)或钆(Gd)的铈土(ceria)。然而，本发明并不限于此。
阴极层30形成于电解质层20上，并且能够透过氧气。通常，阴极层30可以含有添加有锶的具有钙钛矿结构(ABO3，A为稀土金属和碱土金属，B为过渡金属，O为氧)的镧(La)-锰(Mn)氧化物(La1-xSrxMnO3：以下缩写为LSM)、或者LSM/YSZ复合材料。然而，本发明并不限于此。
根据本发明的SOFC 1含有阳极层10、电解质层20和阴极层30，可以制成任意形状，例如：平板形，圆柱形等等，不限于燃料电池所具有的特殊形状。
图8为示例性地说明根据本发明的又一种实施方式的SOFC的截面示意图，所述SOFC包括所述MO-YSZ复合材料作为阳极层的支撑层。下面参考附图对所述SOFC进行描述。与图7中描述过的组件相同的组件此处不再进行描述。
图8中的SOFC 1’包括具有支撑层10-1和功能层10-2的阳极层10。
由于作为多层单电池的支撑体，支撑层10-1应当具有机械性能，同时还应当满足燃料氧化所必需的电化学性质。因此，支撑层10-1由参考图1至图6所描述的MO-YSZ复合材料制成。
功能层10-2形成于支撑层10-1上，并与电解质层20接触。具体地说，功能层10-2位于支撑层10-1和电解质层20之间。功能层10-2可以含有MO-YSZ，优选含有MO-8YSZ。
阳极层10中的支撑层10-1和功能层10-2具有独立且互补的功能。在所使用的支撑层10-1具有适于提高气体渗透性的孔隙率，但是具有低的电化学活性时，离子能够被快速输送到电解质层附近。而且，为了弥补支撑层的低电化学活性，在支撑层10-1和电解质层20之间采用功能层10-2，电解质层20的活性可以得到改善。
如上所述，本发明提供了一种MO-YSZ复合材料以及使用该MO-YSZ复合材料的SOFC。根据本发明，所述MO-YSZ复合材料具有高的孔隙率和氧离子电导率，所述MO-YSZ复合材料薄且表现出出众的强度。
此外，根据本发明，所述SOFC含有MO-YSZ复合材料作为阳极层或者阳极层的支撑层，能够被制得很薄却仍能保持同样的强度。当燃料电池用于长时间使用时，能够确保阳极层的强度同时保持氧离子电导率，由此延长了SOFC的机械寿命。
尽管出于说明的目的，已经公开了与所述MO-YSZ复合材料以及使用该MO-YSZ复合材料的SOFC相关的本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以认识到的是，可以进行各种修改、添加和置换，而不背离在随附的权利要求书中公开的本发明的范围和精神。而且，上述修改、添加和置换也应当被理解为落入本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料，该金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料含有：
金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料，该金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为25～75重量％；以及
金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料，该金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为75～25重量％。
2.根据权利要求1所述的金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料，其中，所述金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为45～55重量％，所述金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为55～45％重量％。
3.根据权利要求1所述的金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料，其中，所述金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料中的金属氧化物为氧化镍或氧化铜。
4.一种固体氧化物燃料电池，该固体氧化物燃料电池包括：
阳极层，该阳极层含有金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料并具有燃料气渗透性，所述金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料含有金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料以及金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料，所述金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为25～75重量％，所述金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为75～25重量％；
形成于所述阳极层上的电解质层；以及
形成于所述电解质层上的阴极层，该阴极层具有氧气渗透性。
5.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池，其中，所述金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为45～55重量％，所述金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为55～45重量％。
6.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池，其中，所述阳极层的金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料中的金属氧化物为氧化镍或氧化铜。
7.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池，其中，所述阳极层包括支撑层和功能层，该功能层形成于所述支撑层上并与所述电解质层接触，其中所述支撑层含有金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料，该金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料含有金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料以及金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料，所述金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为25～75重量％，所述金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为75～25重量％，所述功能层含有金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆。
8.根据权利要求7所述的固体氧化物燃料电池，其中，所述支撑层的金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料中，所述金属氧化物-3摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为45～55重量％，所述金属氧化物-8摩尔％氧化钇稳定的氧化锆复合材料的含量为55～45％重量％。
CN2010102432938A 2010-03-30 2010-07-30 金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料及燃料电池 Pending CN102208651A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100028670A KR20110109104A (ko) 2010-03-30 2010-03-30 금속 산화물-이트리아 안정화 지르코니아 복합체 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지
KR10-2010-0028670 2010-03-30

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN102208651A true CN102208651A (zh) 2011-10-05

Family

ID=44697374

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2010102432938A Pending CN102208651A (zh) 2010-03-30 2010-07-30 金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料及燃料电池

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20110244365A1 (zh)
JP (2) JP2011207735A (zh)
KR (1) KR20110109104A (zh)
CN (1) CN102208651A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103949590A (zh) * 2014-05-12 2014-07-30 西北工业大学 一种氧化物掺杂改性的y2o3+ysz耐高温型壳的制备方法
CN105247724A (zh) * 2013-06-28 2016-01-13 谷歌公司 用于固态电池的衬底
CN108911744A (zh) * 2018-08-10 2018-11-30 歌尔股份有限公司 氧化锆陶瓷的制备方法以及复合材料
CN110891921A (zh) * 2017-07-31 2020-03-17 可乐丽则武齿科株式会社 包含荧光剂的氧化锆烧结体

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011005599B4 (de) * 2011-03-16 2012-12-13 Siemens Aktiengesellschaft Elektrischer Energiespeicher und Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiespeichers
KR101219757B1 (ko) * 2011-10-17 2013-01-09 한국과학기술연구원 고체 산화물 연료전지의 연료극 제조방법
JP6047471B2 (ja) * 2013-09-13 2016-12-21 株式会社デンソー 燃料電池用アノードおよび燃料電池単セル
JP6047470B2 (ja) * 2013-09-13 2016-12-21 株式会社デンソー 燃料電池用アノードおよび燃料電池単セル
US20150099061A1 (en) * 2013-10-08 2015-04-09 Phillips 66 Company Formation of solid oxide fuel cells
US9748582B2 (en) 2014-03-31 2017-08-29 X Development Llc Forming an interconnection for solid-state batteries
US10615420B2 (en) 2015-09-18 2020-04-07 Lg Chem, Ltd. Electrode slurry of solid oxide fuel cell, green sheet for electrode of solid oxide fuel cell, electrode of solid oxide fuel cell, and method for manufacturing solid oxide fuel cell and electrode of solid oxide fuel cell
JP6502977B2 (ja) * 2017-02-24 2019-04-17 行政院原子能委員會核能研究所 燃料電池の膜電極接合体及びその製造方法
US20220190373A1 (en) * 2020-12-14 2022-06-16 Bloom Energy Corporation Solid oxide electrolyzer cell including electrolysis-tolerant air-side electrode
CN114524456A (zh) * 2022-03-29 2022-05-24 赛科络纳米新材料(苏州)有限公司 一种纳米氧化锆材料及其合成方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040033405A1 (en) * 2001-04-10 2004-02-19 Barnett Scott A. Direct hydrocarbon fuel cells
US20070015045A1 (en) * 2003-11-27 2007-01-18 Korea Institute Of Science And Technology High performance anode-supported solid oxide fuel cell
US20070134539A1 (en) * 2005-12-08 2007-06-14 Postech Foundation Solid oxide fuel cell module, fuel cell system using the same and manufacturing method thereof
US20070148521A1 (en) * 2004-05-11 2007-06-28 Toho Gas Co., Ltd. Single cell for a solid oxide fuel cell
US20080003487A1 (en) * 2004-10-29 2008-01-03 The Tokyo Electric Power Company, Incorporated Powdery Metal Oxide Mother Particles, Powdery Metal Oxide Child Particles, Process for Producing Powdery Metal Oxide Particles, Powdery Composite Particles, and Electrode for Solid Oxide Fuel Cell

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03223161A (ja) * 1990-01-26 1991-10-02 Matsushita Electric Ind Co Ltd ジルコニア固体電解質
JPH04192261A (ja) * 1990-11-27 1992-07-10 Ngk Insulators Ltd 固体電解質型燃料電池の燃料電極及びその製造方法
JPH09259895A (ja) * 1996-03-19 1997-10-03 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 固体電解質型燃料電池の電極基板
JP2001253763A (ja) * 2000-03-10 2001-09-18 Nippon Shokubai Co Ltd 薄膜セラミックシート、グリーンシート、およびそれらの製造方法
JP4605885B2 (ja) * 2000-10-23 2011-01-05 東邦瓦斯株式会社 支持膜式固体電解質型燃料電池
JP2003132906A (ja) * 2001-10-24 2003-05-09 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池用単セル及び固体電解質型燃料電池
WO2003098724A1 (fr) * 2002-05-22 2003-11-27 Nippon Shokubai Co., Ltd. Substrat support d'electrode utilise comme pile a combustible de type oxyde solide et son procede de production
JP2004362913A (ja) * 2003-06-04 2004-12-24 Nissan Motor Co Ltd 固体酸化物形燃料電池用電解質及びその製造方法
US8252478B2 (en) * 2005-01-31 2012-08-28 Technical University Of Denmark Redox-stable anode
DE102005023048B4 (de) * 2005-05-13 2011-06-22 Forschungszentrum Jülich GmbH, 52428 Verfahren zur Herstellung eines Kathoden-Elektrolyt-Verbundes und eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle
JP5116221B2 (ja) * 2005-08-03 2013-01-09 関西電力株式会社 酸化銅粒子を含有する電極材料及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池の燃料極の製造方法
DE102008009985B4 (de) * 2008-02-19 2015-04-09 Sunfire Gmbh Elektrolyt für eine elektrolytgestützte Hochtemperatur-Brennstoffzelle, Verfahren zu dessen Herstellung, dessen Verwendung für eine elektrolytgestützte Brennstoffzelle und Verwendung der Brennstoffzelle für einen Brennstoffzellen-Stapel
US20090297923A1 (en) * 2008-05-28 2009-12-03 Monika Backhaus-Ricoult Sol-gel derived high performance catalyst thin films for sensors, oxygen separation devices, and solid oxide fuel cells
JP2010061829A (ja) * 2008-09-01 2010-03-18 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 固体酸化物形燃料電池の運転方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040033405A1 (en) * 2001-04-10 2004-02-19 Barnett Scott A. Direct hydrocarbon fuel cells
US20070015045A1 (en) * 2003-11-27 2007-01-18 Korea Institute Of Science And Technology High performance anode-supported solid oxide fuel cell
US20070148521A1 (en) * 2004-05-11 2007-06-28 Toho Gas Co., Ltd. Single cell for a solid oxide fuel cell
US20080003487A1 (en) * 2004-10-29 2008-01-03 The Tokyo Electric Power Company, Incorporated Powdery Metal Oxide Mother Particles, Powdery Metal Oxide Child Particles, Process for Producing Powdery Metal Oxide Particles, Powdery Composite Particles, and Electrode for Solid Oxide Fuel Cell
US20070134539A1 (en) * 2005-12-08 2007-06-14 Postech Foundation Solid oxide fuel cell module, fuel cell system using the same and manufacturing method thereof

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105247724A (zh) * 2013-06-28 2016-01-13 谷歌公司 用于固态电池的衬底
US10084207B2 (en) 2013-06-28 2018-09-25 Google Llc Substrate for solid-state battery
CN105247724B (zh) * 2013-06-28 2018-10-19 谷歌有限责任公司 用于固态电池的衬底
CN103949590A (zh) * 2014-05-12 2014-07-30 西北工业大学 一种氧化物掺杂改性的y2o3+ysz耐高温型壳的制备方法
CN110891921A (zh) * 2017-07-31 2020-03-17 可乐丽则武齿科株式会社 包含荧光剂的氧化锆烧结体
CN108911744A (zh) * 2018-08-10 2018-11-30 歌尔股份有限公司 氧化锆陶瓷的制备方法以及复合材料
WO2020029530A1 (zh) * 2018-08-10 2020-02-13 歌尔股份有限公司 氧化锆陶瓷的制备方法以及复合材料
CN108911744B (zh) * 2018-08-10 2020-05-29 歌尔股份有限公司 氧化锆陶瓷的制备方法以及复合材料

Also Published As

Publication number Publication date
JP2011207735A (ja) 2011-10-20
KR20110109104A (ko) 2011-10-06
JP2012209266A (ja) 2012-10-25
US20110244365A1 (en) 2011-10-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102208651A (zh) 金属氧化物-氧化钇稳定的氧化锆复合材料及燃料电池
Su et al. Progress and prospects in symmetrical solid oxide fuel cells with two identical electrodes
Gauckler et al. Solid oxide fuel cells: systems and materials
JP5652545B2 (ja) 燃料電池
Tian et al. Cobalt-free perovskite oxide La0. 6Sr0. 4Fe0. 8Ni0. 2O3− δ as active and robust oxygen electrode for reversible solid oxide cells
Singhal Solid oxide fuel cells
US20080254335A1 (en) Porous bi-tubular solid state electrochemical device
Yang et al. High performance intermediate temperature micro-tubular SOFCs with Ba0. 9Co0. 7Fe0. 2Nb0. 1O3− δ as cathode
JP2008140710A (ja) リアクターセル支持体、電気化学リアクタースタック、及び電気化学リアクターシステム
Chen et al. Review of SOFC cathode performance enhancement by surface modifications: recent advances and future directions
Liu et al. Promoting electrocatalytic activity and stability via Er0. 4Bi1. 6O3− δ in situ decorated La0. 8Sr0. 2MnO3− δ oxygen electrode in reversible solid oxide cell
KR101287286B1 (ko) 경사형 유로를 갖는 평관형 고체 산화물 연료전지 모듈
KR101204140B1 (ko) 고체 산화물 연료 전지 및 그 제조방법
Maide et al. Influence of electrolyte scaffold microstructure and loading of MIEC material on the electrochemical performance of RSOC fuel electrodE
Muccillo et al. Development and testing of anode-supported solid oxide fuel cells with slurry-coated electrolyte and cathode
JP5888420B2 (ja) 燃料電池
JP5418723B2 (ja) 燃料電池
JP2013012473A (ja) 固体酸化物型燃料電池および固体酸化物型燃料電池の製造方法
De la Torre García Production of micro-tubular solid oxide fuel cells
JP2011198758A (ja) 固体酸化物形燃料電池セルの燃料極材料，燃料極，固体酸化物形燃料電池セル，および燃料極材料の製造方法
Jabbar et al. Chromate-based oxide anodes for low-temperature operating solid oxide fuel cells
Rane et al. Critical review on fabrication of tubular solid oxide fuel cell
US7758992B2 (en) Copper-substituted perovskite compositions for solid oxide fuel cell cathodes and oxygen reduction electrodes in other electrochemical devices
JP5418722B2 (ja) 燃料電池
Lee Nano-Structured Cathode for Improving Performance of Solid Oxide Fuel Cells

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20111005