多孔集电体、燃料电池和制造多孔集电体的方法技术

通过在由镍多孔基材形成的集电体上形成具有高强度的银层，提供了具有高度耐久性的廉价的多孔集电体。多孔集电体(8a)和(9a)用于燃料电池(101)中，所述燃料电池(101)包括固体电解质层(2)、固体电解质层的一侧上的第一电极层(3)和另一侧上的第二电极层(4)。多孔集电体各自包括：合金层(60a)，其由含锡(Sn)合金形成、至少在具有连续孔(52)的镍多孔基材(60)的连续孔(52)的表面上；以及堆积在合金层上的银层(55)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及多孔集电体、燃料电池和制造多孔集电体的方法。更具体地，本专利技术涉及一种具有良好导电性和耐腐蚀性的多孔集电体。
技术介绍
例如，燃料电池中的固体氧化物燃料电池(在下文中称为SOFC)包括由固体氧化物形成的固体电解质层和堆积在固体电解质层的两侧上的电极层。SOFC需要在比聚合物电解质燃料电池(PEFC)和磷酸燃料电池(PAFC)运行的温度高的温度下运行。然而，近年来SOFC已经受到瞩目，因为SOFC可以以高的效率运行，并且可以使用生物燃料或者类似物。每个电极在其表面上都具有多孔集电体，以便于收集和提取在电极中生成的电子。要堆积在每个电极上的集电体优选地由多孔导电材料形成，该多孔导电材料具有高导电性并且也具有大孔隙率，以便于保持空气或燃料气体的流动性。引用列表专利文献专利文献1：日本未审查的专利申请公开号2002-280026专利文献2：日本未审查的专利申请公开号2013-078716
技术实现思路
技术问题这种SOFC通常在从600℃至1000℃的高温下运行。因为氧离子O2-在空气电极中生成，所以空气电极侧上的集电体暴露于非常强的氧化环境(腐蚀性环境)。因为如此，多孔集电体需要具有高耐热性和高耐氧化性。为了满足这些要求，例如，通常使用诸如Pt和Ag的贵金属、诸如铬镍铁合金的金属，或者碳。然而，当使用这些贵金属和诸如铬镍铁合金的材料时，因为资源问题，出现了与高生产成本相关的问题。当由碳材料形成多孔体时，出现了与低气体流动性和低导电性相关的问题。廉价并且具有高导电性的镍多孔基材可被用作集电体的材料。然而，难以在燃料电池的腐蚀性环境中使用简单的镍物质。为了克服上述缺点，用耐腐蚀材料涂布镍多孔基材的表面，使得镍多孔基材具有期望的耐腐蚀性。具体而言，如果可以用相对廉价的银涂布镍多孔基材，则有望降低生产成本和改进集电体的导电性。然而，镍和银通常不形成固溶体。即使将银层形成在镍多孔基材的表面上，剥离强度或者类似也很低，这使其难以被用作燃料电池的电极。提出本专利技术是为了解决前述问题。本专利技术的目标是通过在由镍多孔基材形成的集电体上形成具有高强度的银层，提供一种廉价的多孔集电体，该多孔集电体具有高度耐久性。问题的解决方案在本专利技术中，多孔集电体被提供在燃料电池中的第一集电体和第二集电体的至少一个中，该燃料电池包括固体电解质层、固体电解质层的一侧上的第一电极层、另一侧上的第二电极层、第一电极层的一侧上的第一集电体和第二电极层的另一侧上的第二集电体。多孔集电体包括镍多孔基材和形成在镍多孔基材的表面上的银层，该镍多孔基材为具有连续孔的多孔基材，并且在该镍多孔基材中包含镍和锡(Sn)的合金层至少形成在多孔基材的表面上。专利技术的有利效果可以以低成本提供具有高导电性能和高耐腐蚀性的集电体。附图说明图1是包括根据本专利技术的集电体的燃料电池的实例示意性结构的截面图。图2是图解形成多孔集电体的实例多孔基材的显微镜图像。图3是图解通过使用图2中图解的多孔基材形成的集电体的结构的示意图。图4是沿图3中的线IV-IV选取的截面图。图5是图解制造图3中的集电体的过程的图。图6是表示包括具有银层的集电体的燃料电池与包括不具有银层的集电体的燃料电池的发电性能之间的比较的表。图7是锡(Sn)-银(Ag)的相图。图8是镍(Ni)-银(Ag)的相图。图9图解了Ni-3wt％Sn多孔集电体的XRD分析结果。图10图解了Ni-5wt％Sn多孔集电体的XRD分析结果。图11图解了Ni-8wt％Sn多孔集电体的XRD分析结果。图12图解了Ni-16wt％Sn多孔集电体的XRD分析结果。具体实施方式[本专利技术实施方式的概述]在该实施方式中，多孔集电体被提供在燃料电池中的第一集电体和第二集电体的至少一个中，该燃料电池包括固体电解质层、固体电解质层的一侧上的第一电极层、另一侧上的第二电极层、第一电极层的一侧上的第一集电体和第二电极层的另一侧上的第二集电体。该多孔集电体包括镍多孔基材和在镍多孔基材的表面上形成的银层，该镍多孔基材是具有连续孔的多孔基材，并且在该镍多孔基材中至少在多孔基材的表面上形成有包含镍和锡(Sn)的合金层。根据该实施方式的镍多孔基材可以仅由镍形成，或者可以由主要由镍组成的材料形成。如图8中图解的相图中所示，镍和银通常不形成固溶体。相比之下，锡和银彼此高度相容，并且可以形成固溶体，如图7中图解的相图所示。镍和锡也彼此高度相容，因此镍、锡和银互相溶解以形成合金层。在该实施方式中，通过利用这些金属的相容性，将银层形成在镍多孔基材中的孔的表面上。以上构造允许具有足够强度的银层形成在镍多孔基材的表面上，普通的电镀或者类似工艺不能赋予该镍多孔基材足以用于燃料电池应用的结合强度。银层的形成显著地改进了镍多孔基材的耐腐蚀性。因为银具有高导电性，所以集电体也具有高导电性。因此，包括该集电体的燃料电池也具有高性能。含锡合金层可以至少形成在镍多孔基材的表面上。即，镍多孔基材可以全部由锡合金形成，或者含锡合金层可以仅形成在镍多孔基材的表面上。全部镍多孔基材和含锡合金层可以包含除了锡之外的合金成分。例如，也可以形成包含铬(Cr)、W(钨)、钴(Co)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)和/或类似的合金层以便于改进耐腐蚀性。在该实施方式中，至少在燃料电池的运行温度将这些金属的固溶体层形成在含锡合金层和银层之间的界面处及其附近。因此，可以在燃料电池的运行温度在含锡合金层上形成具有足够强度的银层。优选地设定含锡合金层中锡的百分比为5至20质量％，更优选设定为5至16质量％以及更优选设定为5至10质量％。当锡的百分比小于5质量％时，不能保证含锡合金层和银层之间足够的结合强度。当锡的百分比大于20质量％时，含锡合金层具有低韧性，这引起处理难度。随着含锡合金层中锡的百分比增加，原料成本增加。随着含锡合金层中锡的百分比增加，更容易在合金层中生成Ni3Sn2——硬的、脆的固溶体，这使得镍多孔基材以及多孔集电体易碎(引起形成难度)。此外，关于含锡合金层中锡的百分比，可以在用于制造合金层的热处理期间在合金层中生成除了以上Ni3Sn2的各种固溶体，并且难以使得含锡合金层的任何部分中的锡的百分比完全均匀。因此，当热处理之前含锡合金层中锡的百分比小时，取决于可能部分地无法保证含锡合金层和银层之间足够的结合强度的部分，热处理之前含锡合金层中锡的百分比可能小于5质量％。如上所述，考虑例如取决于该部分的锡的百分比变化，优选地设定含锡合金层中锡的百分比(平均值)为8至16质量％，并且更优选设定为8至10质量％。图9、10、11和12分别图解了Ni-3wt％Sn多孔集电体、Ni-5wt％Sn多孔集电体、Ni-8wt％Sn多孔集电体和Ni-16wt％Sn多孔集电体的XRD(X射线衍射)分析结果。在图9至12中，横轴表示X射线的入射角2θ(deg)，纵轴表示衍射强度(cps)。通过用于制造以下描述的多孔集电体8a和9a的方法制造图9至12的XRD分析中使用的Ni-Sn多孔集电体。根据图9、图10和图11，对于Ni-3wt％Sn多孔集电体、Ni-5wt％Sn多孔集电体和Ni-8wt％Sn多孔集电体，发现了归因于镍(Ni)、Ni3Sn和NiO的X射线衍射峰，而未发现归因于Ni3Sn2的X射线衍射峰。根据图12，对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔集电体，其被提供在燃料电池中的第一集电体和第二集电体的至少一个中，所述燃料电池包括固体电解质层、所述固体电解质层的一侧上的第一电极层、另一侧上的第二电极层、所述第一电极层的一侧上的所述第一集电体和所述第二电极层的另一侧上的所述第二集电体，所述多孔集电体包括：镍多孔基材，其为具有连续孔的多孔基材，并且在所述镍多孔基材中包含镍和锡(Sn)的合金层至少形成在所述多孔基材的表面上；和形成在所述镍多孔基材的表面上的银层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.12 JP 2014-0486371.一种多孔集电体，其被提供在燃料电池中的第一集电体和第二集电体的至少一个中，所述燃料电池包括固体电解质层、所述固体电解质层的一侧上的第一电极层、另一侧上的第二电极层、所述第一电极层的一侧上的所述第一集电体和所述第二电极层的另一侧上的所述第二集电体，所述多孔集电体包括：镍多孔基材，其为具有连续孔的多孔基材，并且在所述镍多孔基材中包含镍和锡(Sn)的合金层至少形成在所述多孔基材的表面上；和形成在所述镍多孔基材的表面上的银层。2.根据权利要求1所述的多孔集电体，其中所述第一电极层是空气电极，所述第二电极层是燃料电极，并且所述多孔集电体被提供在所述第一集电体中。3.根据权利要求1或者2所述的多孔集电体，其中至少在所述燃料电池的运行温度，将镍、锡和银的固溶层形成在所述合金层和所述银层之间的界面处以及该界面附近。4.根据权利要求1至3的任一项所述的多孔集电体，其中所述合金层中锡的百分比为5至20质量％。5.根据权利要求4所述的多孔集电体，其中所述合金层中锡的所述百分比为5至16质量％。6.根据权利要求4所述的多孔集电体，其中所述合金层中锡的所述百分比为5至10质量％。7.根据权利要求4所述的多孔集电体，其中所述合金层中锡的所述百分比为8...

【专利技术属性】
技术研发人员：野田阳平，真岛正利，奥野一树，水原奈保，平岩千寻，东野孝浩，表山博匡，加藤真博，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP