CN106575784B - 膜电极组件及其制造方法、燃料电池及其制造方法 - Google Patents

膜电极组件及其制造方法、燃料电池及其制造方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种膜电极组件(5)，其设有固态电解质层(2)、设置在固态电解质层(2)的一侧的阳极层(3)以及设置在固态电解质层(2)的另一侧的阴极层(4)，其中阳极层(3)按压在该固态电解质层(2)上并堆叠在固态电解质层(2)上，并且阳极层(3)包括多孔导电阳极构件(8)。还提供了一种用于制造该膜电极组件(5)的方法。

Description

膜电极组件及其制造方法、燃料电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及膜电极组件、用于制造膜电极组件的方法、燃料电池和用于制造燃料电池的方法。具体地，本发明涉及能够改进燃料电池的性能并且能够减少零件数量和制造成本的膜电极组件等。
背景技术
固体氧化物燃料电池(下文中，称为“SOFC”)包括电解质-电极堆叠体，该电解质-电极堆叠体具有设置在固体电解质层的两侧的阳极层和阴极层。为了减小固体电解质层中的离子传导电阻，认为优选的是将固体电解质层形成为具有尽可能薄的厚度。另一方面，当固体电解质层被形成得很薄时，固体电解质层的强度减小，这可能在制造过程期间或在使用期间引起麻烦。因此，通常采用如下结构(即，阳极支撑结构)：其中堆叠在固体电解质层上的阳极层被设置成厚的，并且固体电解质层一体化地形成在阳极层上以确保与堆叠体一样的强度[日本专利公开第2012-099497(PTD1)号]。
上述的电解质-电极堆叠体通常是这样制造的：将电解质粉末薄薄地涂在阳极层粉末压块上并同时烧制该电解质-阳极堆叠体。
引用列表
专利文献
PTD 1：日本专利公开第2012-099497号。
发明内容
技术问题
通过采用上述配置，可以确保电解质-阳极堆叠体的强度，同时将固体电解质层设置为具有较小厚度。然而，由于固体电解质层的烧制温度高，构成阳极层和固体电解质层的部件在烧制期间在该阳极层与该固体电解质层之间的界面处起反应，从而引起诸如离子传导性降低以及电阻增大的问题。
另外，当采用了将固体电解质层和阳极层烧制成一体的上述配置时，需要在固体电解质层与阳极层之间匹配烧制行为(诸如，收缩率)。因此，限制了构成固体电解质层和阳极层的材料的组合，并且无法改进燃料电池的性能。
此外，利用传统技术，增加了制造上述电解质-电极堆叠体的步骤以及零件数量，从而引起诸如制造成本增加的问题。
已想到本发明来解决上述问题，并且本发明的一个目的是提供能够改进燃料电池的性能并且能够减少制造步骤和零件数量的膜电极组件、以及用于制造该膜电极组件的方法。另外，本发明的另一目的是提供包括膜电极组件的燃料电池以及包括用于制造膜电极组件的方法的用于制造燃料电池的方法。
针对问题的解决方案
根据本发明的第一方面的膜电极组件是这样的一种膜电极组件，其包括：固体电解质层；阳极层，设置在固体电解质层的一侧；以及阴极层，设置在固体电解质层的另一侧，该阳极层堆叠在固体电解质层上以按压在该固体电解质层上，该阳极层包括具有导电性的多孔阳极构件。
根据本发明的第二方面的燃料电池包括上述的根据第一方面的膜电极组件。
根据本发明的第三方面的用于制造膜电极组件的方法是一种用于制造如下膜电极组件的方法，该膜电极组件包括固体电解质层、设置在固体电解质层的一侧的阳极层以及设置在固体电解质层的另一侧的阴极层，该方法包括如下步骤：形成固体电解质层；在固体电解质层的所述另一侧形成阴极层；准备多孔阳极构件；以及将多孔阳极构件堆叠在固体电解质层的所述一侧以按压在该固体电解质层上。
根据本发明的第四方面的一种用于制造燃料电池的方法包括上述的根据第三方面的用于制造膜电极组件的方法。
发明的有益效果
根据本发明，能够改进燃料电池的性能，并且能够减少制造步骤和零件数量。另外，能够降低制造成本。
附图说明
图1是示出根据一个实施例的燃料电池单元的示意性配置的截面图。
图2是图1中的主要部分的放大截面图。
图3是示出根据一个实施例的膜电极组件的堆叠形式的截面图。
图4是示出根据示例1的用于制造膜电极组件和燃料电池单元的方法的流程图。
图5是示出根据示例2和示例3的用于制造膜电极和燃料电池单元的方法的流程图。
图6是示出根据示例4的用于制造膜电极组件和燃料电池单元的方法的流程图。
图7是示出根据示例1的使用膜电极组件构成的燃料电池单元的性能的曲线图。
图8是示出与根据示例1的使用膜电极组件构成的燃料电池单元的性能相比、根据示例2的使用膜电极组件构成的燃料电池单元的性能的曲线图。
图9是示出与根据示例1的使用膜电极组件构成的燃料电池单元的性能相比、根据示例3的使用膜电极组件构成的燃料电池单元的性能的曲线图。
图10是示出与根据示例1的使用膜电极组件构成的燃料电池单元的性能和根据示例3的使用膜电极组件构成的燃料电池单元的性能相比、根据示例4的使用膜电极组件构成的燃料电池单元的性能的曲线图。
具体实施方式
[本发明的实施例的描述]
根据本发明的一个实施例的膜电极组件是这样的一种膜电极组件，其包括：固体电解质层；阳极层，设置在固体电解质层的一侧；以及阴极层，设置在固体电解质层的另一侧，该阳极层堆叠在固体电解质层上以按压在该固体电解质层上，该阳极层包括具有导电性的多孔阳极构件。
由于在本实施例中固体电解质层和阳极层没有被烧制为一体，因此在烧制步骤期间等在这些层之间的边界表面处的构成材料之间没有起反应，从而防止了电阻增大和离子传导性降低。
另外，由于不必将固体电解质层与阳极层烧制在一起，因此可以减少制造步骤。此外，由于阳极层还可以用作集电器，因此还可以减少零件数量。
此外，固体电解质层和阳极层被堆叠成彼此压靠。因此，甚至当热膨胀系数等在这些部件之间差异大时，不存在如在一体化烧制的情况一样可能发生由热膨胀系数等导致的裂缝等的可能性，因而，能够配置高质量燃料电池。
此外，也不需要将构成固体电解质层和阳极层的材料的在烧制期间的行为、热膨胀系统等设置为相同的。相应地，对于构成固体电解质层和阳极层的材料的选择范围显著拓宽。因此，固体电解质层和阳极层可以由最佳材料形成，并且还可以改进燃料电池的性能。
由于在本实施例中固体电解质层一般在没有保持在阳极层上的情况下形成，因此固体电解质层优选地具有预定强度。相应地，优选的是将固体电解质层设置为具有比在采用阳极支撑结构的情况下的厚度稍大的厚度。另一方面，固体电解质层的厚度的增大可能引起电阻的增大以及离子传导性的降低。然而，随着材料技术在近些年的进步，将固体电解质层设置为具有较大厚度没有导致导电性和离子传导性的显著降低。在本实施例中，固体电解质层优选地被设置为具有0.1mm至1mm的厚度，以便确保固体电解质层的强度。
构成固体电解质层的材料不受特别地限制，并且可以采用由各种材料构成的任意固体电解质材料，只要其是通过烧制方法来形成的。例如，可以采用LSGM(镓酸镧)、YSZ(钇稳定化氧化锆)、GDC(钆掺杂氧化铈)等。
构成阴极层的材料也不受特别地限制，并且可以采用任意材料，只要在堆叠在固体电解质层上之后可以对其进行烧制。例如，可以采用SSC(Sm0.5Sr0.5CoO3)、LSCF(镧锶钴铁氧体)等。
另外，还可以采用如下配置：通过将阴极层设置为具有增大的厚度或强度来增大固体电解质-阴极堆叠体的强度。
根据本实施例的阳极层可以被配置为包括各种多孔阳极构件，其具有导电性并且当按压在固体电解质层上时能够用作阳电极以及还用作集电器。例如，可以采用由碳纤维等构成的多孔体或由Ni等构成的金属多孔体。通过采用金属多孔体作为多孔阳极构件，可以确保高抗热性和导电性。
另外，作为多孔阳极构件，优选地采用这样的构件，在其固体电解质层侧被压缩变形了预定量的状态下可以按压在固体电解质层上，以使得当多孔阳极构件被堆叠成按压在固体电解质层上时，能够呈现所需的导电性并且较大力未施加在固体电解质层的局部部分上。例如，多孔阳极构件可以由具有高孔隙度的片状多孔体构成。当从两个侧表面压缩具有高孔隙度的片状多孔体时，片状多孔体在压缩表面附近显著变形。具体地，在金属多孔体的情况下，随着压缩力增大，塑性变形从压缩表面附近发生。在与固体电解质层接触的界面附近塑性变形的发生防止了局部施加较大力，从而使施加到固体电解质层上的压缩力均匀化并且能够防止对固体电解质层的损坏。另外，由于可以均匀化接触压力，因此可以在固体电解质层的整个表面确保良好导电性。此外，由于金属多孔体在其与固体电解质层接触的一部分收缩(collapsed)的状态下堆叠，因此其与固体电解质层的接触面积增大并且其接触电阻降低，从而导致导电性提高。另一方面，由于在厚度方向上的中间部分的孔隙度高于在界面附近的孔隙度，因此不会发生气流阻力的显著减少。为了确保所需的导电性，优选的是将诸如金属多孔体的多孔阳极构件堆叠成在包括弹性变形和塑性变形的在厚度方向上的变形为2％至10％的状态下被按压。同样优选的是，在多孔阳极构件通过在5N/cm2至50N/cm2的压强下按压在固体电解质层上而压缩变形的状态下，多孔阳极构件堆叠在固体电解质层上。
多孔阳极构件可以由具有导电性的金属多孔体构成。作为金属多孔体，可以采用由具有导电性的各种材料形成的金属多孔体。例如，金属多孔体可以由选自镍(Ni)、镍(Ni)-锡(Sn)合金、镍(Ni)-锡(Sn)-铬(Cr)合金、铁氧体基不锈合金、铬镍铁合金(Ni基)合金的材料形成。
金属多孔体的形式也不受特别限制。例如，可以采用通对金属纤维进行编织或交织来形成的薄片形状的金属多孔体。
另外，作为金属多孔体，可以采用如下金属多孔体：包括具有外壳和核心部分的骨架并且包括其中骨架一体化地延伸(continue)的三维网状结构，该核心部分由中空材料或导电材料中的一种或两种制成。
包括三维网状结构的多孔基材可以具有高孔隙度，并且也具有高导电性，这是因为其骨架一体化地延伸。当使用了包括三维网状结构的多孔基材时，孔可以形成有统一的孔直径。相应地，可以减小气流阻力，并且可以提高燃料电池的效率。另外，当使用了包括三维网状结构的多孔基材时，可以容易地调整孔隙度和孔直径。相应地，多孔基材可以确保将气体扩散到固体电解质层的功能，并且可以用作气流通道。另外，当使用了包括三维网状结构的多孔基材时，多孔基材在压缩变形时在压缩表面附近塑性变形。因此，多孔基材可以获得高导电性、同时防止较大力被施加到固体电解质层的局部部分上。
多孔阳极构件可以被堆叠成直接按压在固体电解质层的表面上，或者可以被堆叠成按压在固体电解质层的表面上，其中由各种导电材料形成的构件置于多孔阳极构件与固体电解质层之间。例如，多孔阳极构件可以被堆叠成按压在固体电解质层的表面上，其中导电性较高的软多孔体或粉末置于多孔阳极构件与固体电解质层之间。
保持多孔阳极构件的堆叠状态的技术也不受特别限制。例如，多孔阳极构件可以按压在固体电解质层的表面上，其中燃料电池的构成部件(诸如分离器)置于多孔阳极构件与固体电解质层之间。
当多孔阳极构件被组装到燃料电池中时，多孔阳极构件可以被堆叠成按压在固体电解质层上，或者多孔阳极构件可以在固体电解质层的表面上预先保持在堆叠状态，然后可以在组装期间向其施加按压力。例如，可以用诸如银浆料的粘合剂成分暂时固定该固体电解质层和多孔阳极构件，然后在将它们组装到燃料电池中时可以向其施加按压力。
多孔阳极构件可以设置有用于改进耐腐蚀性和导电性的表面涂层。设置表面涂层的技术不受特别限制，并且表面涂层可以例如通过镀敷方法等来形成。例如，可以应用锰钴镀敷或钴镍镀敷。由此，可以改进燃料电池的性能和耐久性。
还可以使得多孔阳极构件保持催化成分。例如，诸如单一金属(诸如Ni、Fe、Co、Ag、Pt或Pd)或其合金的催化成分、单一离子导体(诸如YSZ(钇稳定化氧化锆)、GDC(钆掺杂氧化铈)、LSGM(镓酸镧)、SSZ(氧化钪稳定的氧化锆)、BCY(钇掺杂铈酸钡)或BZY(钇掺杂锆酸钡))或其组合物、或者金属或合金与离子导体的组合物可以保持在多孔阳极构件的孔中。由此，可以改进燃料电池的发电性能。
膜电极组件可以通过包括以下步骤的方法来制造：固体电解质层形成步骤，其形成固体电解质层；阴极层形成步骤，其在固体电解质层的另一侧形成阴极层；准备多孔阳极构件的步骤；以及阳极构件堆叠步骤，其将多孔阳极构件堆叠在固体电解质层的多孔阳极构件侧上以按压在该固体电解质层上。在本实施例中，多孔阳极构件还可以用作集电器。另外，不需将阳极层与固体电解质层烧结在一起。因此，减少了零件数量和制造步骤。
固体电解质层形成步骤可以包括各种技术和步骤。例如，固体电解质层形成步骤可以包括：对粉末状固体电解质材料进行压模的步骤以及对压模后的固体电解质材料进行烧制的步骤。
阴极层形成步骤可以通过如下步骤来执行：将阴极层形成材料以预定厚度施加到烧制后的固体电解质层的一个表面上，并且对阴极层形成材料进行烧制。由于可以以比固体电解质材料的烧制温度低的温度对阴极材料进行烧制，因此不存在固体电解质材料可能变形等的可能性。另外，还可以将阴极材料施加到烧制之前的固体电解质材料的表面上，然后同时对其进行烧制。
准备多级阳极构件的步骤可以包括取决于阳极层所采用的多孔材料的各种步骤。例如，准备多孔阳极构件的步骤可以包括通过对具有导电性的纤维进行编织或交织来形成片状多孔阳极构件。
可替代地，准备多孔阳极构件的步骤可以包括：制造包括骨架和骨架一体化地延伸的三维网状结构的金属多孔体的步骤，该骨架具有外壳和由中空材料或导电材料中的一种或两种制成的核心部分。准备多孔阳极构件的步骤可以是准备可商业购得的产品的步骤。作为可商业购得的产品，例如，可以采用住友电气工业(注册商标：Celmet)制造的金属多孔体。
例如，当制造由Ni构成的金属多孔体时，准备多孔阳极构件的步骤可以包括：对三维网状树脂多孔基材执行导电处理以在其表面形成导电层的步骤；Ni镀层形成步骤，其在导电层上形成Ni镀层；基材消失步骤，其使得树脂多孔基材消失在至少存在氧气的气氛中；以及还原步骤，在还原气氛中使剩余层经受300℃至1100℃的温度。
具有上述结构的金属多孔体可以具有高孔隙度，因为其骨架具有三维网状结构。另外，在金属多孔体具有上述结构的情况下，可以容易地形成具有所需孔隙度的金属多孔体。另外，由于金属多孔体可以被形成为具有实质上恒定孔直径的孔，因此金属多孔体具有高的气体扩散性，并且可以使得气体均匀地作用于固体电解质层。具有高孔隙度的金属多孔体可以不仅用作阳极层而且还用作气流通道。
另外，作为金属多孔体，优选地采用会容易变形的金属多孔体，以使得当金属多孔体按压在固体电解质层上时导电性提高并且固体电解质层没有损坏。由于具有上述三维网状结构的金属多孔体具有恒定的孔直径，因此按压力不集中于固体电解质层的局部部分上。另外，通过将金属多孔体设置为具有小基重，可以获得在其与固体电解质层接触的表面附近会容易变形的金属多孔体。例如，优选的是采用基重为200g/m2至500g/m2的金属多孔体。
由于燃料电池在高温下工作，因此构成阳极层的构件优选地具有预定的耐蚀性以便改善耐久性。在该情况下，准备多孔阳极构件的步骤可以包括形成金属多孔体的步骤和在金属多孔体的表面上形成涂层的步骤。例如，准备多孔阳极构件的步骤可以包括用耐蚀金属等镀敷金属多孔体的步骤或者用于改善耐蚀性的合金化步骤。例如，准备多孔阳极构件的步骤可以包括向金属多孔体应用锰钴镀敷或钴镍镀敷的镀敷步骤。另外，准备多孔阳极构件的步骤还可以例如包括在金属多孔体上利用Sn执行合金化的步骤，以便改进耐蚀性。
另外，如上所述，准备多孔阳极构件的步骤可以包括使得多孔阳极构件保持催化剂的步骤。
可以利用各种技术来执行阳极构件堆叠步骤。例如，在组装燃料电池的步骤中，可以使用分离器等来将多孔阳极构件堆叠在固体电解质层上以按压在其上。另外，在被组装到燃料电池中之前，可以使用夹具等来将多孔阳极构件堆叠在固体电解质层上以按压在其上。在该情况下，阳极层(多孔阳极构件)和固体电解质层可以暂时用诸如银浆料的粘合剂成分来固定，并且保持在堆叠状态。
在阳极构件堆叠步骤中，优选地将多孔阳极构件堆叠成至少在固体电解质层的附近变形。这可以利用固体电解质层增加导电性，并且改进燃料电池的性能。另外，这会降低在固体电解质层侧的多孔阳极构件的孔隙度，并且可以增加在固体电解质层附近扩散气体的作用。
[本发明的实施例的详情]
下文中，将基于附图描述实施例的详情。
图1和图2从概念上示出了固体氧化物燃料电池的电池结构(燃料电池单元)101。应该注意，虽然图1示出了一个电池结构，但是燃料电池通常通过在厚度方向上堆叠多个电池单元来构成以增大用于发电的电压。
燃料电池单元101包括膜电极组件5，膜电极组件5具有作为空气电极的阴极层4和作为燃料电极的阳极层3的，其中固体电解质层2夹入阴极层4与阳极层3之间。固体电解质层2可以由例如LSGM(镓酸镧)、YSZ(钇稳定化氧化锆)、GDC(钆掺杂氧化铈)等构成。
根据本实施例的阴极层4是通过在固体电解质层2的一侧上的预定区域中一体化地对阴极材料进行烧制而形成的。另一方面，阳极层3是通过将由金属多孔体制成的多孔阳极构件8堆叠在固体电解质层2的另一侧上以按压在该固体电解质层2上来提供的。
在膜电极组件5的阴极层4的外侧，设置有集电构件7，其中由金属多孔体制成的集电器9置于阴极层4与集电构件7之间。集电器9由具有高孔隙度的金属多孔体构成，并且用作气流通道11。
在膜电极组件5的阳极层3的外侧，集电构件6被设置成直接堆叠在阳极层3上。在本实施例中，阳极层3由金属多孔体构成，从而用作气流通道10并也用作集电器。
集电器9和多孔阳极构件8由具有导电性的多孔体构成，并且将流过设置在这些构件中的气流通道10、11的气体扩散到阴极层4和固体电解质层2以对其起作用。集电器9被配置为电连接阴极层4和集电构件7以使阴极层4与集电构件7之间导电。另外，多孔阳极构件8被配置为电连接固体电解质层2和集电构件6以使固体电解质层2与集电构件6之间导电。
燃料电池单元101是通过将集电器9、集电构件7、多孔阳极构件8和集电构件6堆叠在膜电极组件5的两侧并用衬垫15、16密封周围边缘部分来构成的。
包含作为氧化剂的氧气的空气被引入气流通道11中，并且氧气通过集电器9被供给至阴极层4。包含作为燃料的氢气的燃料气体被引入气流通道10中，并且氢气通过用作阳极层3的多孔阳极构件8被供给至固体电解质层2。
在阳极层3中，在固体电解质层附近，由H2→2H++2e-表示的反应发生。另一方面，在阴极层4中，由1/2O2+2H++2e-→H2O表示的反应发生。由此，氢离子从阳极层3通过固体电解质层2移动至阴极层4，并且电子从多孔阳极构件8流向集电构件6、集电构件7、集电器9和阴极层4，从而获得了电力。应该注意，利用未示出的加热装置将燃料电池单元101加热至预定温度。
在图1中，为了便于理解，将固体电解质层2和阴极层4示为比实际更厚。
阴极层4可以由例如SSC(Sm0.5Sr0.5CoO3)、LSCF(镧锶钴铁氧体)、LSM(锰酸镧锶)、BSCF(基于BaSrCoFe的氧化物)等构成。另外，集电器9可以由具有导电性的各种多孔体构成。例如，集电器9还可以由与用于多孔阳极构件8的金属多孔体相同的金属多孔体构成。
阴极层4是氧电极，并且其附近区域用作强腐蚀环境。相应地，阴极层4和集电器9优选地由具有高耐蚀性的材料形成。另一方面，阳极层3是燃料电极，并且其附近区域用作还原气氛。因此，不需要多孔阳极构件8与阴极层4一样耐腐蚀。在本实施例中，阳极层3是通过将由金属多孔体制成的多孔阳极构件8堆叠在固体电解质层2上以按压在固体电解质层2上来构成的。
由于在本实施例中固体电解质层2和阳极层3未被烧制为一体，因此在烧制步骤等期间在这些层之间的边界表面处的构成材料之间未发生反应，从而防止了电阻的增大和离子传导性的降低。
另外，由于不需要将固体电解质层2与阳极层3烧制在一起，因此可以减少制造步骤。此外，由于阳极层3还可以用作集电器，因此还可以减少零件数量。
此外，如图3所示，阳极层3堆叠在固体电解质层2上以按压在该固体电解质层2上。因此，甚至当热膨胀系数等在这些部件之间差别大时，不存在如在一体烧制的情况一样可能发生由热膨胀系数等导致的裂缝等的可能性，因而可以构造高质量燃料电池。
此外，也不需要将构成固体电解质层2和阳极层3的材料的在烧制期间的行为、热膨胀系数等设置为相同的。相应地，对于构成固体电解质层2和阳极层3的材料的选择范围显著拓宽。因此，固体电解质层2和阳极层3可以由最佳材料构成，并且还可以改进燃料电池单元101和包括该燃料电池单元的燃料电池的性能。
示例
[示例1]
(燃料电池单元的制造步骤和配置)
(1)固体电解质层形成步骤
如图4所示，对固体电解质材料(LSGM(镓酸镧))进行压模(图4中的S101)以形成板状固体电解质模制体，在1500℃下对该板状固体电解质模制体烧制5小时(图4中的S102)以形成300μm厚的板状固体电解质层2。
(2)阴极层形成步骤
通过丝网印刷来将阴极材料(SSC(Sm0.5Sr0.5CoO3)涂覆到烧制后的固体电解质模制体上(图4中的S103)，并且在950℃下对其进行烧制0.5小时(图4中的S104)，以将40μm厚的阴极层4与固体电解质层2形成为一体。
(3)多孔阳极构件形成步骤
利用上述技术，具有三维网状结构的金属多孔体由镍形成以形成多孔阳极构件8(图4中的S111)。多孔阳极构件8具有96％的孔隙度、1mm的厚度和400g/m2的基重。
(4)阳极构件堆叠步骤
通过将集电构件7、集电器9、设置有阴极层4的固体电解质层2、多孔阳极构件8和集电构件6堆叠、并且将多孔阳极构件8按压在固体电解质层2上来组装燃料电池单元101(图4中的S105和S106)。多孔阳极构件8堆叠在固体电解质层2上，其中其厚度由于按压力而减小了5％。多孔阳极构件8被堆叠成以塑性变形发生在其与固体电解质层2和集电构件6的界面附近的状态来受按压。
(性能测试的概述)
将所获得的燃料电池单元101加热至1000℃以使其还原(图4中的S107)，此后在以100cc/min引入氢气(H2 100％)和空气中的每一种的情况下进行性能测试(图4中的S108)。
(测试结果)
如图7所示，根据示例1的使用膜电极组件的燃料电池单元能够获得206mW/cm2的输出。具体地，能够确认与SOFC一样足够的输出是通过将多孔阳极部件8堆叠在固体电解质层2上以按压在固体电解质层2上而获得的，如上所述。
[示例2]
(燃料电池单元的制造步骤和配置)
(1)固体电解质层形成步骤
通过与示例1中的步骤相同的步骤来形成具有与示例1中的配置相同的配置的固体电解质层2(图5中的S201至S202)。
(2)阴极层形成步骤
通过与示例1中的步骤相同的步骤来形成具有与示例1中的配置相同的配置的阴极层4(图5中的S203至S204)。
(3)多孔阳极构件形成步骤
利用与示例1中的技术相同的技术来形成具有示例1中的配置相同的配置的金属多孔体(图5中的S211)。利用5μm厚的Co-Ni镀敷来镀敷该金属多孔体(图5中的S212)。应该注意，上述Co-Ni镀敷的成分构成被设置成Co成分与Ni成分的质量比为3：1。
(4)阳极构件堆叠步骤
如在示例1中一样，对燃料电池单元101进行组装，其中多孔阳极构件8按压在固体电解质层2上(图5中的S205、S206)。多孔阳极构件8堆叠在固体电解质层2上，其中其厚度由于按压力而减小了5％。作为在示例1中，多孔阳极构件8被堆叠成以塑性变形发生在其与固体电解质层2和集电构件6的界面附近的状态来受按压。
(性能测试的概述)
将所获得的燃料电池单元101加热至1000℃以使其还原(图5中的S207)，并且进行性能测试(图5中的S208)。在与示例1中的条件相同的条件下进行性能测试。
(测试结果)
如图8所示，使用根据示例2的膜电极组件的燃料电池单元能够获得217mW/cm2的输出。另外，图8还示出根据示例1的使用膜电极组件的燃料电池单元的性能曲线。根据示例2的使用膜电极组件的燃料电池单元的输出高于根据示例1的使用膜电极组件的燃料电池单元的输出(206mW/cm2)。这被认为是因为Co-Ni镀敷提高了导电性并且改进了多孔阳极构件8的催化活性。
[示例3]
(燃料电池单元的制造步骤和配置)
(1)固体电解质层形成步骤
通过与示例1中的步骤相同的步骤来形成具有与示例1中的配置相同的配置的固体电解质层2(图5中的S201至S202)。
(2)阴极层形成步骤
通过与示例1中的步骤相同的步骤来形成具有与示例1中的配置相同的配置的阴极层4(图5中的S203至S204)。
(3)多孔阳极构件形成步骤
利用与示例1中的技术相同的技术来形成具有与示例1中的配置相同的配置的金属多孔体(图5中的S211)。利用5μm厚的Mn-Co镀敷来镀敷该金属多孔体以获得多孔阳极构件8(图5中的S212)。应该注意，上述Mn-Co镀敷的成分构成被设置成使得Mn成分与Co成分的质量比为9:1。
(4)阳极构件堆叠步骤
如在示例1中一样，对燃料电池单元101进行组装，其中多孔阳极构件8按压在固体电解质层2上(图5中的S205、S206)。多孔阳极构件8堆叠在固体电解质层2上，其中其厚度由于按压力而减少了5％。如在示例1中一样，多孔阳极构件8被堆叠成以塑性变形发生在其与固体电解质层2和集电构件6的界面附近的状态来受按压。
(性能测试的概述)
将所获得的燃料电池单元101加热至1000℃以使其还原(图5中的S207)，并且进行性能测试(图5中的S208)。在与示例1中的条件相同的条件下进行性能测试。
(测试结果)
如图9所示，根据示例3的使用膜电极组件的燃料电池单元能够获得311mW/cm2的输出。另外，图9还示出了根据示例1的使用膜电极组件的燃料电池单元的性能曲线。根据示例3的使用膜电极组件的燃料电池单元的输出高于根据示例1的使用膜电极组件的燃料电池单元的输出(206mW/cm2)。这被认为是因为Mn-Co镀敷提高了导电性并且改进了多孔阳极构件8的催化活性。另外，根据示例3的使用膜电极组件的燃料电池单元的输出高于图8所示的根据示例2的燃料电池单元的输出。这被认为是因为Mn-Co镀敷的催化活性高于Co-Ni镀敷的催化活性。
[示例4]
(燃料电池单元的制造步骤和配置)
(1)固体电解质层形成步骤
通过与示例1中的步骤相同的步骤来形成具有与示例1中的配置相同的配置的固体电解质层2(图6中的S301至S302)。
(2)阴极层形成步骤
通过与示例1中的步骤相同的步骤来形成具有与示例1中的配置相同的配置的阴极层4(图6中的S303至S304)。
(3)多孔阳极构件形成步骤
利用与示例1中的技术相同的技术来形成具有与示例1中的配置相同的配置的金属多孔体(图6中的S311)。利用由NiO制成的催化剂填充该金属多孔体(图6中的S312)。催化剂的平均粒子直径为1μm，并且填充量被设置为80vol％至90vol％。
(4)阳极构件堆叠步骤
如在示例1中一样，对燃料电池单元101进行组装，其中多孔阳极构件8按压在固体电解质层2上(图6中的S305、S306)。多孔阳极构件8堆叠在固体电解质层2上，其中其厚度由于按压力而减少了5％。如在示例1中一样，多孔阳极构件8被堆叠成以塑性变形发生在其与固体电解质层2和集电构件6的界面附近的状态来受按压。
(性能测试的概述)
将所获得的燃料电池单元101加热至1000℃以使其还原(图6中的S307)，并且进行性能测试(图6中的S308)。在与示例1中的条件相同的条件下进行性能测试。
(测试结果)
如图10所示，根据示例4的使用膜电极组件的燃料电池单元能够获得401mW/cm2的输出。另外，图10还示出了根据示例1的使用膜电极组件的燃料电池单元的性能曲线以及根据示例3的使用膜电极组件的燃料电池单元的性能曲线。根据示例4的使用膜电极组件的燃料电池单元的输出高于根据示例1和示例3的使用膜电极组件的燃料电池单元的输出(分别为206mW/cm2和311mW/cm2)。这被认为是因为填充的NiO在发电期间被还原并且作为催化剂具有高活性。
应该理解，本文中所公开的实施例和示例在每个方面都是说明性的且是非限制性的。本发明的范围由所附权利要求的范围来限定，而不是上述的说明书来限定，并且旨在包括落入与权利要求的范围等同的范围和含义内的任意变型。
附图标记列表
2：固体电解质层；3：阳极层，4：阴极层；5：膜电极组件；6：集电构件；7：集电构件；8：多孔阳极构件；9：集电器；10：气流通道；11：气流通道；15：衬垫；16：衬垫；101：燃料电池单元。

Claims (15)

1.一种膜电极组件，包括：
固体电解质层；
阳极层，设置在所述固体电解质层的一侧；以及
阴极层，设置在所述固体电解质层的另一侧，
所述阳极层堆叠在所述固体电解质层上以按压在所述固体电解质层上，
所述阳极层包括具有导电性的多孔阳极构件，
其中，所述固体电解质层和所述阳极层没有被烧制为一体。
2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其中，所述多孔阳极构件由具有导电性的金属多孔体构成。
3.根据权利要求1或2所述的膜电极组件，其中，所述多孔阳极构件在其压缩变形了预定量的状态下，堆叠在所述固体电解质层上以按压在所述固体电解质层上。
4.根据权利要求3所述的膜电极组件，其中，所述多孔阳极构件至少在与所述固体电解质层接触的界面附近塑性变形。
5.根据权利要求2所述的膜电极组件，其中，在所述多孔阳极构件通过在5N/cm2至50N/cm2的压强下按压在所述固体电解质层上而压缩变形的状态下，所述多孔阳极构件堆叠在所述固体电解质层上。
6.根据权利要求1或2所述的膜电极组件，其中，
所述多孔阳极构件由具有导电性的金属多孔体构成，以及
所述金属多孔体包括骨架，所述骨架具有外壳和由中空材料或导电材料中的一种或两种制成的核心部分，并且所述金属多孔体包括三维网状结构，在所述三维网状结构中所述骨架一体地延伸。
7.根据权利要求1或2所述的膜电极组件，其中，
所述多孔阳极构件由具有导电性的金属多孔体构成，并且
所述金属多孔体由选自镍(Ni)、镍(Ni)-锡(Sn)合金、镍(Ni)-锡(Sn)-铬(Cr)合金、铁氧体基不锈合金和铬镍铁(Ni基)合金的材料形成。
8.根据权利要求1或2所述的膜电极组件，其中，所述多孔阳极构件包括表面涂层。
9.根据权利要求1或2所述的膜电极组件，还包括保持在所述多孔阳极构件中的催化成分。
10.一种燃料电池，包括根据权利要求1或2所述的膜电极组件。
11.一种用于制造膜电极组件的方法，所述膜电极组件包括固体电解质层、设置在所述固体电解质层的一侧的阳极层以及设置在所述固体电解质层的另一侧的阴极层，所述方法包括如下步骤：
形成所述固体电解质层；
在所述固体电解质层的所述另一侧形成所述阴极层；
准备多孔阳极构件；以及
将所述多孔阳极构件堆叠在所述固体电解质层的所述一侧以按压在所述固体电解质层上，
其中，所述固体电解质层和所述阳极层没有被烧制为一体。
12.根据权利要求11所述的用于制造膜电极组件的方法，其中，在堆叠所述阳极构件的步骤中，所述多孔阳极构件被堆叠成至少在所述固体电解质层的附近变形。
13.根据权利要求11或12所述的用于制造膜电极组件的方法，其中，所述准备多孔阳极构件的步骤包括：形成金属多孔体的步骤以及在所述金属多孔体的表面上形成涂层的步骤。
14.根据权利要求11或12中任一项所述的用于制造膜电极组件的方法，其中，所述准备多孔阳极构件的步骤包括：使得所述多孔阳极构件保持催化剂的步骤。
15.一种用于制造燃料电池的方法，包括根据权利要求11或12中任一项所述的用于制造膜电极组件的方法。
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