CN1973396A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池，包括包含可透氢金属的可透氢金属层22、包含具有质子传导性的固体氧化物材料的电解质层21和包括层压在一起或可透氢金属层22与电解质层21之间的一个和多个金属层的中间层23。这里，与电解质层21接触的金属层包括与电解质层21相同的共有的金属元素。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池。
背景技术
现有技术中已经提出了各种类型的燃料电池，在这些燃料电池中，已知的一种燃料电池构造是通过将包含具有质子传导性的固体氧化物的电解质材料沉积在可透氢金属层上而形成电解质层。这里，通过将电解质层沉积在由基材料组成的可透氢金属层上，电解质层可被制作得更薄，使燃料电池能够在较低的温度下工作。
发明内容
然而，当可透氢金属层与包含陶瓷层的固体氧化物层相邻时，由于金属材料和陶瓷材料的膨胀系数(即，氢胀或热膨胀过程中的膨胀系数)不同，因而在可透氢金属层与固体氧化物层之间的界面会产生不期望的应力。此界面应力可导致对包括电解质层的整个分层结构的损坏，例如层的分离。
为了解决上述问题，本发明的目的是：防止燃料电池中的金属与固体氧化物材料的膨胀系数差异对燃料电池造成损坏，其中燃料电池包括可透氢金属层和由固体氧化物材料构成的电解质层。
为了实现以上目的，本发明的第一方面提供了一种燃料电池。本发明的第一方面的燃料电池包括含有可透氢金属的可透氢金属层、由具有质子传导性的金属氧化物材料组成的电解质层以及设置在所述可透氢金属层与所述电解质层之间并且由至少一个金属层构成的中间层，其中与所述电解质层接触的所述金属层包含与所述电解质层共有的金属元素。
根据具有上述结构的本发明的第一方面的燃料电池，由于与电解质层相邻的金属层包含与其共有的金属元素，因此该共有的金属元素有利于金属层与电解质层之间的结合，从而提高了金属氧化物层与金属层之间的界面处的结合强度。因此，可以改善包括可透氢金属层和电解质层的层叠体中的界面强度，并且可以防止在热膨胀或氢胀过程中由于层的膨胀系数的差异而导致的层的分离。
本发明的第二方面提供了一种燃料电池。本发明的第二方面的燃料电池包括含有可透氢的金属的可透氢金属层、形成在所述可透氢金属层上并且由至少一个金属层组成的金属中间层、形成在所述金属中间层上并且由至少一个金属氧化物层组成的陶瓷中间层以及形成在所述陶瓷中间层上并且由具有质子传导性的金属氧化物材料组成的电解质层，其中与所述金属中间层接触的所述金属氧化物层包含与和所述陶瓷中间层接触的金属层共有的金属元素，并且与所述电解质层接触的所述金属氧化物层包含与所述电解质层共有的金属元素。
根据具有上述结构的本发明的第二方面的燃料电池，金属氧化物层与相邻的金属层具有共有的金属元素，因此该共有的金属元素有利于陶瓷中间层与金属中间层之间的结合，从而提高了陶瓷中间层与金属中间层之间的界面处的结合强度。此外，由于金属氧化物层与相邻的电解质层具有共有的金属元素，因此该共有的金属元素有利于陶瓷中间层与电解质层之间的结合，从而提高了陶瓷中间层与电解质层之间的界面处的结合强度。因此，可以改善包括可透氢金属层和电解质层的层叠体中的界面强度，并且可以防止在热膨胀或氢胀过程中由于层的膨胀系数的差异而导致的层的分离。
在本发明的第二方面的燃料电池中，陶瓷中间层可以由单一的金属氧化物层组成，与陶瓷中间层接触的金属层可以包含与电解质层和陶瓷中间层共有的金属元素，并且与电解质层相比，陶瓷中间层可以包含更高百分比的与电解质层共有的金属元素。
采用此结构，金属氧化物层与金属层(它们的膨胀系数具有显著差异)的界面处的结合强度可以被有效地提高。
在本发明的第二方面的燃料电池中，陶瓷中间层可以由包含与所述陶瓷中间层接触的金属层的组成组分的金属的氧化物组成，并且电解质层可以由含有包括所述共有的金属元素的多种金属元素的复合氧化物材料组成。
采用此结构，可以显著提高与陶瓷中间层和相邻的金属层相同并且包含在所述陶瓷中间层中的所述共有的金属元素的百分比，从而进一步提高界面结合强度。
在本发明的第二方面的燃料电池中，组成陶瓷中间层的金属氧化物层可以包含与和其接触的层共有的金属元素。
通过使金属氧化物层包含与相邻的层共有的金属元素，可以提高金属氧化物层与和其相邻的层之间的界面结合强度。
在本发明的第二方面的燃料电池中，本发明的第二方面的燃料电池还可以包括复合层，该复合层被设置在组成陶瓷中间层的金属氧化物层与和此金属氧化物层接触的层之间，并由两个相邻的层的组分的混合物形成。
复合层的使用有效地增大了具有共有的金属元素的两个相邻的层的界面，从而提高了界面强度。
在本发明的第二方面的燃料电池中，本发明的第二方面的燃料电池还可以包括催化层，所述催化层被设置于在可透氢金属层与电解质层之间分层的各种层的界面之中的、具有质子传导性的层的界面处，具有由氢原子生成质子的活性并且具有多个小孔，所述小孔可使所述催化层上面和下面的层彼此接触。
采用这样的结构，当试图通过使用包含金属层和金属氧化物层的中间层来提高界面结合强度时，由于这样的中间层，对电解质层的质子供给并未减少或者燃料电池性能并无下降。这里，由于催化层具有可使上面和下面的层相互接触的小孔，因此可以保持中间层的界面结合增强效果。
本发明可以根据除上述实施方式以外的各种方式实施，并且可以以例如燃料电池制造方法等形式实现。
附图说明
图1为单电池的基本结构的简化剖面图；
图2为层叠的可透氢金属层、中间层和电解质层的具体结构实例的示意图；
图3为第二实施方式的层叠的可透氢金属层、中间层和电解质层的具体结构实例的示意图；
图4为第三实施方式的可透氢金属层、中间层和电解质层的具体结构实例的示意图。
具体实施方式
下面基于一些实施方式来描述本发明。
A.第一实施方式
图1为包含此实施方式的燃料电池的单电池20的基本结构的简化剖面图。单电池20具有分层结构，所述分层结构具有可透氢金属层22、形成在所述可透氢金属层22的一个表面上的中间层23、形成在所述中间层23上的电解质层21和形成在所述电解质层21上的阴电极24。单电池20还包括两个气体分离器28、29，气体分离器28、29从两个侧面将所述分层结构夹在中间。含氢燃料气体通过的电池内燃料气体流动通道30被形成在气体分离器28与可透氢金属层22之间。另外，含氧氧化气体通过的电池内氧化气体流动通道32被形成在气体分离器29与阴电极24之间。
例如，可透氢金属层22是由具有透氢性的金属(例如钯(Pd)或Pd合金)形成的致密层。或者，可透氢金属层22可以包含多层膜，所述多层膜通过在由5族金属(例如钒(V)(或铌、钽或其它5族金属))或5族金属合金组成的基材的至少一个表面(在电池内燃料气体通道30一侧的表面)上形成Pd或Pd合金所形成。在本发明的燃料电池中，此可透氢金属层22起到阳电极的作用。此外，可透氢金属层22是充当用于形成电解质层21的基层的层，并且可以形成到数十微米的厚度(例如大约40μm)。
中间层23是金属层，并且电解质层21是由具有质子传导性的固体氧化物材料组成的层。这里，钙钛矿型陶瓷质子传导材料(例如BaCeO3系列或SrCeO3系列)可被用作形成电解质层21的固体氧化物材料，并且中间层是含有包含电解质层21的组成组分的金属元素的金属层。图2为层叠的可透氢金属层22、中间层23和电解质层21的放大示意图，以示意方式示出了这三层的具体结构的实例。在图2中，可透氢金属层22是由Pd形成的，电解质层21是由BaCe0.8Y0.2O3形成的，并且中间层23是由铈(Ce)(其为包含在电解质层21中的金属元素)形成的。
通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电镀等，可以将金属中间层23形成在可透氢金属层22上。中间层23的厚度范围可为10-100nm。这里，中间层23可以包含例如厚度不超过15nm的多孔层。
通过生成上述固体氧化物材料，可将电解质层21形成在位于可透氢金属层22之上的中间层23上。以此方式将电解质层21沉积在致密的可透氢金属层22上，可使电解质层21变得足够薄。使电解质层21变薄，可以进一步减小电解质层21的膜电阻，以及使燃料电池能够在约200-600℃的温度范围内工作，此温度低于现有技术的基于固体电解质材料的燃料电池的工作温度。例如，电解质层21的厚度可为1-5μm。可以使用PVD、CVD或类似方法作为电解质层21的沉积方法。
阴电极24是包括具有促进电化学反应的催化活性的催化金属的层。在此实施方式中，阴电极24是由Pd形成的。当阴电极是由不具有透氢性的不同的贵金属(例如铂(Pt等)形成时，通过形成厚度足够小的整体为多孔的阴电极24，可以确保三相界面。阴电极24可以使用例如PVD、CVD或电镀的方法来形成。
尽管图1中未示出，导电且可渗透气体的电荷收集器可以被设置在可透氢金属层22与气体分离器28之间和/或阴电极24与气体分离器29之间。电荷收集器可以由多孔泡沫金属板或金属网板、碳布或碳纸、导电陶瓷等形成。电荷收集器优选由与和其接触的气体分离器28、29相同的材料形成。
气体分离器28、29是由碳、金属或其它导电材料形成的不可渗透气体的板状构件。如图1所示，预定的突起或凹陷被形成在气体分离器28、29的表面上，以分别形成电池内燃料气体流动通道30或电池内氧化气体流动通道32。在此实施方式的燃料电池中，实际上气体分离器28与29之间并无区别；一个气体分离器可以在一个表面上充当给定的单电池20的具有电池内燃料气体流动通道30的气体分离器28；另一个气体分离器可以在另一个表面上充当与给定的单电池20相邻的电池的具有电池内氧流动通道32的气体分离器29。或者，冷却剂流动通道可以被形成在燃料电池中的相邻单电池20之间(即，气体分离器28与29之间)。
当燃料电池发电时，在可透氢金属层22的表面上，通过包含催化金属的可透氢的金属的作用，供给至电池内燃料气体流动通道30的燃料气体中的氢分子被分离成氢原子或质子。然后，分离的氢原子或质子作为质子经由可透氢金属层22和中间层23通过电解质层21。与此同时，在阴电极24上，由于阴电极24包含的催化金属(Pd)的作用，由通过电解质层21后到达阴电极24的质子和供给至电池内氧化气体流动通道32的氧化气体中的氧生成水，并且促进电化学反应。
根据具有上述配置的此实施方式的燃料电池，因为由电解质层21中包含的金属元素形成的中间层23被设置在可透氢金属层22与电解质层21之间，共有的金属元素的存在可以提高电解质层21与中间层23之间的结合力(界面强度)。因此，当整个层叠体(其中可透氢金属层22、中间层23和电解质层21被层叠在一起)(在下文中，从可透氢金属层到电解质层21的层叠结构以术语“电解质层叠体”表示)经历氢胀或热膨胀时，上述电解质层叠体的耐久性可被改善。
这里，当中间层23与电解质层21共用一种金属元素时，在中间层23与电解质层21的界面处发生此共有的金属元素的金属的键合，从而增强了其间的结合力。此外，在中间层23与电解质层21的界面上，中间层23中存在的所述金属元素可以与电解质层21中存在的氧原子结合。在此情况下，由于在电解质层21一侧与氧原子结合的金属元素与在中间层23一侧的键合金属元素相同，因此金属元素与氧原子的结合是稳定的，并且此结合可以提高中间层23与电解质层21之间的结合强度。
在此燃料电池中，当上述电解质层叠体经历氢胀或热膨胀时，由于陶瓷与金属的膨胀系数存在极大的差异，因此在包含金属层的中间层23与包含陶瓷层的电解质层21之间产生显著的应力。在此实施方式中，由于中间层23与电解质层21之间的结合强度如上所述被增强，因此即使在中间层23与电解质层21的界面处由于它们不同的膨胀系数而产生较大的应力，也可以防止由于电解质层21与中间层23的分离等对上述电解质层叠体造成的损坏。换言之，中间层23的存在可以使电解质层叠体整体上的耐久性与电解质层21直接形成在可透氢金属层22上的情况相比得到显著提高。
以此方式包括中间层23意味着中间层23与可透氢金属层22(二者由不同的金属形成)彼此接触，但是两个金属层的膨胀系数的差异远小于金属层与陶瓷层之间的相应差异。而且，通过形成金属键合，在两个金属层之间可以得到足够的结合强度，即使这些层包含不同的金属。因此，即使存在中间层23，在这样的层与可透氢金属层22之间也不缺乏结合强度，并且不损失电解质层叠体的耐久性。
构成本实施方式的中间层23的Ce具有一定程度的可透氢性，尽管程度与可透氢金属层22的不同。通过使中间层23更薄，燃料电池的内部电阻可被保持足够低。此外，如果中间层23被制成甚至更薄(例如，15nm或更小)且是多孔的，则可透氢金属层22和电解质层21可以通过多孔中间层23的小孔直接接触，确保足够的透氢性。即使中间层23如上所述被制成多孔的，由于在除上述小孔区域以外的区域可以确保中间层23与电解质层21之间的强结合，因此可以在足够的程度上达到上述耐久性改善效果。
B.第二实施方式
在第一实施方式中，仅使用金属层作为中间层23，但是也可以另外使用陶瓷层。此结构作为第二实施方式将在下文描述。由于第二实施方式的燃料电池的结构与图1所示的第一实施方式的燃料电池相同，因此使用相同的附图标记来表示相同的部分(其说明被省略)，并且仅对这两种实施方式之间的不同之处进行描述。
第二实施方式的燃料电池包括在可透氢金属层22与电解质层21之间的中间层123而不是中间层23。图3为用与图2相同的方式以放大方式表示层叠的可透氢金属层22、中间层123和电解质层21的示意图，并且示出了这些层的具体结构的简化实例。如图3所示，第二实施方式的中间层123不包含单个金属层，而是包含与可透氢金属层22相邻设置的金属中间层40和与电解质层21相邻设置的陶瓷中间层42。这里，金属中间层40是由Ce形成的，而陶瓷中间层42是由氧化铈(CeO2)形成的。
金属中间层40的厚度范围可为10-100nm，并且可以用与第一实施方式的中间层23的相同方式形成。类似地，陶瓷中间层42可以具有10-100nm的相同厚度范围，并且可以通过PVD或CVD方法被形成在金属中间层40上。
根据具有上述结构的第二实施方式的燃料电池，除金属中间层40外的陶瓷中间层42的存在使金属层与陶瓷层(它们的膨胀系数差异大)之间的结合力(界面强度)得到进一步提高。换言之，因为与由BaCe0.8O3形成的电解质层21相比，由CeO2形成的陶瓷中间层42包含更大百分比的与金属中间层40共有的金属元素Ce，所以与电解质层21直接层叠在金属中间层40上的情况相比，可以使由共有的金属元素Ce所导致的层间结合力增强效果更加显著。
此外，在此实施方式中，陶瓷中间层42与电解质层21之间的结合力还可以通过它们的共有的金属元素Ce被增强。换言之，由于陶瓷中间层42中的Ce与电解质层21中的相同元素的氧化物结合(相同的金属参与金属键合，或者，Ce以稳定方式与电解质层21中的Ce结合物结合)，因此与不包含共有的金属元素的金属氧化物层之间的结合力相比，层间结合力可以被增强。由于这些陶瓷层之间的膨胀系数的差异小于陶瓷层与金属层之间的相应差异，因此由膨胀系数差异而在界面处产生的应力也较小。
如第一实施方式，在本实施方式的燃料电池中，燃料电池的内部电阻也可以通过减小由Ce形成的金属中间层40的厚度来最小化。此外，通过形成具有更小厚度以使其成为多孔的金属中间层40，由此在金属中间层40中生成小孔，可以确保可透氢金属层22与陶瓷中间层42之间的透氢性。
形成本实施方式的陶瓷中间层42的CeO2具有一定程度的质子传导性，尽管其程度不及电解质层21。通过使陶瓷中间层42更薄，燃料电池的内部电阻可被保持足够低。或者，如果陶瓷中间层42被制成甚至更薄(例如，15nm或更小)且是多孔的，则其上面的层和下面的层可以通过多孔陶瓷中间层42的小孔直接接触，确保足够的透氢性。即使陶瓷中间层42如上所述被制成多孔的，由于在除上述小孔区域以外的区域可以确保陶瓷中间层42与金属中间层40之间以及陶瓷中间层42与电解质层21之间的强结合，因此可以在足够的程度上达到上述耐久性改善效果。
C.第三实施方式
图4为第三实施方式的燃料电池的结构的示意图。由于第三实施方式的燃料电池的结构与第二实施方式的燃料电池相同，因此使用相同的附图标记来表示相同的部分(其说明被省略)，并且仅对这两种实施方式之间的不同之处进行描述。第三实施方式的燃料电池包括在可透氢金属层22与电解质层21之间的中间层223而不是中间层123。图4为用与图3相同的方式以放大方式表示层叠的可透氢金属层22、中间层223和电解质层21的示意图，并且示出了这些层的具体结构的简化实例。
如图4所示，第三实施方式的中间层223(如同第二实施方式)包括与可透氢金属层22相邻设置的金属中间层40和设置电解质层21一侧的陶瓷中间层42。此外，在第三实施方式中，第一复合层44被设置在金属中间层40与陶瓷中间层42之间，并且第二复合层被设置在陶瓷中间层42与电解质层21之间。这里，第一复合层44是由构成金属中间层40的Ce和构成陶瓷中间层42的CeO2的混合物形成的层。此外，第二复合层46是由构成陶瓷中间层42的CeO2和构成电解质层21的BaCe0.8Y0.2O3的混合物形成的层。
第三实施方式的金属中间层40的厚度范围可为10-100nm，并且可以用与第二实施方式的金属中间层40的相同方式形成。使用PVD、CVD或类似方法，用上述的包含待沉积材料的复合材料，在金属中间层40上形成第三实施方式的第一复合层44。如第二实施方式，陶瓷中间层42的厚度范围可为10-100nm，并且可以使用PVD、CVD或类似方法形成在金属中间层40上。使用PVD、CVD或类似方法，用上述的包含待沉积材料的复合材料，第二复合层44可被形成在陶瓷中间层42上。第一和第二复合层可以比上述金属中间层40或陶瓷中间层42更薄，并且其厚度范围例如可为5-80nm。此外，第一和第二复合层并不必仅仅是结合相邻的上层和下层的组成组分的层；而是，组成组分的含量百分比可以从与一个相邻表面的界面到与另一个相邻表面的界面而逐渐变化，从而形成梯度界面。换言之，可以采用这样一种结构：在与一个相邻的层的界面处，该层的组成组分的含量百分比高，而另一层的含量百分比在朝向与所述另一层的界面的方向上逐渐增大。
根据具有上述结构的第三实施方式的燃料电池，除了通过包括金属中间层40和陶瓷中间层42在第二实施方式中得到的效果之外，还可以获得在第一和第二复合层存在的界面处增强结合力以及提高粘附性的效果。换言之，通过包括包含上层和下层的组成组分的复合层，包括上层和下层中的共有的金属元素的键合的结合界面在微观上增大，上层与下层之间的结合力增强，并且可以从整体上进一步提高电解质层叠体的耐久性。
金属元素具有逐渐扩散到陶瓷层内的特性。因此，在某些情况下，复合层44在制造时不一定形成在金属中间层40与陶瓷中间层42之间。即使第一复合层44在制造时不被形成，第一复合层44也可以随着时间而在制造的电池内部有效地生成。
D.变化：
本发明不限于上述实施方式和实例，并且可以在其实质范围内以各种形式实施，包括以下的变化。
D1.变化1(关于催化层)
在第一至第三实施方式中，包含Pt或Pd的催化层可以被设置在金属层与陶瓷层之间。换言之，由氢原子产生质子的催化层可以被设置在具有质子传导性的层与不具有质子传导性的层之间。此催化层的存在使质子可以更有效地从金属层被供给至陶瓷层。
例如，催化层可以被设置在中间层23与电解质层21之间。此外，在第二实施方式中，催化层可以被设置在金属中间层40与陶瓷中间层42之间。当以此方式使用催化层时，应当形成厚度足够小的催化层，以使其具有多孔性。这使得上层和下层的共有的金属元素通过催化层中的小孔形成金属键合，确保获得提高层间结合力的效果。
此外，在第三实施方式中，设置在金属中间层40与陶瓷中间层42之间的第一复合层44可以由复合材料形成，所述复合材料除了Ce或CeO2之外还包括诸如Pt的催化金属。这样做除了通过催化层的存在来确保质子生成效率的效果之外，还可以获得提高金属中间层40与陶瓷中间层42之间的结合力的效果。
D2.变化2(关于中间层)
在第一实施方式中，中间层23包括Ce层，但是可以用Ba层替代。在此情况下，中间层23与电解质层21之间的结合力可以通过共有的金属元素的存在而被增强，并且在氢胀或热膨胀过程中电解质层叠体的强度可以被提高。此外，尽管在第二实施方式中金属中间层40是Ce层并且陶瓷中间层42是CeO3层，但金属中间层40可以包括Ba层来进行替代并且陶瓷中间层42可以包括氧化钡(BaO)层。在此情况下，通过使金属中间层40与陶瓷中间层42以及陶瓷中间层42与电解质层21共用共有的金属元素，可以提高层间结合力。
此外，第一实施方式的中间层23或第二实施方式的金属中间层40可以由钇(Y)形成，尽管在电解质层21中，这种元素的含量百分比低于Ce或Ba。在此情况下，第二实施方式的陶瓷中间层42应当由氧化钇(Y2O3)形成。通过使电解质层21与中间层23(或电解质层21、陶瓷中间层42与金属中间层40)包含共有的金属元素，即使该共有的金属元素是混合(掺杂)到金属氧化物材料中以提供质子传导性的附加金属(例如Y)，也可以到达增强层间结合力的效果。
如果适当选择构成电解质层21的金属氧化物材料，则可以使用不同的金属元素作为在每个层中包含的共用元素的金属元素。当每个层中共有的金属元素是例如锌(Zn)、钛(Ti)、镍(Ni)、钴(Co)等过渡元素时，由于这些金属元素具有可透氢性(氢存储能力)，因此电解质层叠体整体上的电阻可以被最小化，而这是期望的。当具体使用Ni或Co时，由电解质层叠体中的氢原子生成质子的反应可以被高效地促进，而不必包括由例如Pt的贵金属形成的催化层。
优选地，如上所述，中间层23(或金属中间层40和陶瓷中间层42)包括在电解质层21中存在的金属元素，但是对于可透氢金属层22和电解质层21的组成元素并未特殊限制。因此，即使需要增强层间结合力，也可以保留选择可透氢金属层22和电解质层21的组成金属的自由度，而且由于可以对这两个层分别选择具有足够透氢性或质子传导性的材料，可以从整体上确保燃料电池的性能。
中间层23和金属中间层40不必由单一的金属形成，而是可以由合金形成，所述合金与电解质层21共用共有的金属元素。然而，一般来讲，随着相邻层中的共有的金属元素的含量百分比提高，层间结合力增强，这是期望的。
D3.变化3
通过在金属层与相邻的陶瓷层之间或在相邻的陶瓷层之间存在共有的金属元素，可以达到第一至第三实施方式的效果。用于中间层的可能结构的几个实例如下所述。这里，为了表明燃料电池装置的单电池中从电解质层到可透氢金属层的每个层的结构，用字母A至D表示金属元素，并且用HM表示可透氢金属层。例如，图2所示的第一实施方式中的从电解质层到可透氢金属层的结构被表示成AB1-xDxO3/B/HM。图3所示的第二实施方式的结构被表示成AB1-xDxO3/BO2/B/HM。
例如，中间层可以由多个不同的金属层形成。此种结构的一个实例可以被表示成AB1-xDxO3/AB/C/HM。这里，HM侧的金属中间层不具有与电解质层共有的金属元素。即使形成在电解质层与可透氢金属层之间的中间层包含如上所述不包含与电解质层共有的金属元素的层，由于共有的金属元素AB存在于相邻的金属层(AB)与陶瓷层(AB1-xDxO3)之间，因此可以增强界面结合力。
还可以接受的是，陶瓷中间层包含如下的层，该层由与金属中间层相比具有更高的与金属中间层共有的共有金属元素百分比的复合氧化物材料制成。此结构可被表示成AB1-xDxO3/ABO3/B/HM。采用此结构，由于共有的金属元素存在于相邻的金属层(B)与陶瓷层(ABO3)之间以及相邻的陶瓷层之间(即AB1-xDxO3层与ABO3层之间)，界面结合强度也可以被提高。一个具体实例是BaCe0.8Y0.2O3/BaCeO3/Ce/HM。或者，可以接收的是，与金属中间层共有的共有金属元素的含量百分比在陶瓷中间层中被进一步提高，例如在BaCe0.8Y0.2O3/Ba0.7Ce1.3O3/Ce/HM的情形。
或者，电解质层叠体的另一个实例可以具有以AB1-xDxO3/BCO3/BC/HM表示的结构，所述电解质层叠体包括陶瓷中间层，所述陶瓷中间层包含与电解质层相比具有更高的与金属中间层共有的共有金属元素百分比的复合氧化物。陶瓷中间层可以由多个不同的金属氧化物层形成。例如可以使用AB1-xDxO3/ABO3/BCO3/BC/HM。
当使用陶瓷中间层时，不含包含电解质层的组成组分的金属元素的金属层可以作为金属中间层被包含。这样的结构可以被表示成AB1-xDxO3/AC1-xDxO3/C/HM。作为具体实例，可以使用BaZr0.8Y0.2O3/Zr/HM。
如上所述，本发明是一种燃料电池，其中中间层被设置在包含金属氧化物材料的电解质层与可透氢金属层之间，其中包括一个或多个金属层的金属中间层被形成在至少可透氢金属层上。此外，包括一个或多个金属氧化物层的陶瓷中间层可以被设置在金属中间层与电解质层之间。在此燃料电池中，共有的金属元素被包含在金属层和金属氧化物层中，并且在其界面处存在。此外，共有的金属元素存在于相邻的两个金属氧化物层中。使用此结构，界面结合强度可被提高，并且电解质层叠体整体的耐久性可被增加。
当陶瓷中间层包含例如钙钛矿型氧化物材料的复合氧化物时，此陶瓷中间层可以由具有质子传导性的电解质材料形成(与电解质层一样)，或者由仅具有导电性或除质子传导性外还具有导电性的金属氧化物材料形成。

Claims (7)

1.一种燃料电池，包括：
可透氢金属层，其包含可透氢金属；
电解质层，其由具有质子传导性的金属氧化物材料组成；和
中间层，其被设置在所述可透氢金属层与所述电解质层之间，并且由至少一个金属层构成，
其中，与所述电解质层接触的所述金属层包含与所述电解质层共有的金属元素。
2.一种燃料电池，包括：
可透氢金属层，其包含可透氢金属；
金属中间层，其形成在所述可透氢金属层上，并且由至少一个金属层构成；
陶瓷中间层，其形成在所述金属中间层上，并且由至少一个金属氧化物层构成；和
电解质层，其形成在所述陶瓷中间层上，并且由具有质子传导性的金属氧化物材料组成，
其中，与所述金属中间层接触的所述金属氧化物层包含与和所述陶瓷中间层接触的所述金属层共有的金属元素，并且与所述电解质层接触的所述金属氧化物层包含与所述电解质层共有的金属元素。
3.如权利要求2的燃料电池，其中所述陶瓷中间层由单个所述金属氧化物层构成，与所述陶瓷中间层接触的所述金属层包含与所述电解质层和所述陶瓷中间层共有的金属元素，并且与所述电解质层相比，所述陶瓷中间层包含更高百分比的与所述电解质层共有的所述金属元素。
4.如权利要求3的燃料电池，其中所述陶瓷中间层由包含与所述陶瓷中间层接触的所述金属层的组成组分的金属的氧化物构成，并且所述电解质层由包含包括所述共有的金属元素在内的多种金属元素的复合氧化物材料组成。
5.如权利要求2的燃料电池，其中构成所述陶瓷中间层的所述金属氧化物层包含与和其接触的层共有的金属元素。
6.如权利要求2-5中任何一项的燃料电池，还包括：
复合层，其被设置在构成所述陶瓷中间层的所述金属氧化物层与和此金属氧化物接触的层之间，并且由这两个相邻的层的组成组分的混合物形成。
7.如权利要求1-5中任何一项的燃料电池，还包括：
催化层，其被设置在层叠在所述可透氢金属层与所述电解质层之间的各种层的界面中的具有质子传导性的层的界面上，具有由氢原子生成质子的活性，并且还具有允许所述催化层上面和下面的层彼此接触的多个小孔。
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