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144_091-023AP-TW

發佈日期 : 2009-04-29
　　 　　 發明專利說明書
　 ※申請案號：
　 ※申請日期：　　　　　　　　　　※ＩＰＣ分類：
一、發明名稱： (中文/英文)

 
　 固態氧化物燃料電池用之空氣電極材料(全文下載)

 
二、申請人： 共 人

 
　 指定 為應受送達人

 
　  
三、發明人：
　  
　◎專利代理人：
　  
　
四、聲明事項
　

 
　 □主張專利法第二十七條第一項國際優先權：

 
　 □主張專利法第二十九條第一項國內優先權：

 
　 □ 主張專利法第二十六條微生物：

 
　□ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存
五、中文發明摘要：
　 　　本發明係在提供一種固態氧化物燃料電池之陰極材料，其係以具高氧空缺濃度及高導電率氧化物作為陰極，加速氧分子的吸附與氧離子擴散以達到降低電池內電阻之功效，即減小陰極之過電壓(over potential)，進而提升燃料電池之發電效率，其實驗式為Ln1-xAxCu1-yByO2.5±δ，其中Ln為鑭系元素，A為鹼土族元素，B為金屬元素，在A位置添加異價之鹼土金屬促使部分銅轉變成三價，而形成氧空缺的規則性排列之類鈣鈦礦結構，可利用陰極電極之催化加速陰極反應，經由外電路傳導的電子與O2結合成O2-並將氧離子擴散到電解質而到陽極與氫氣反應。
　
六、英文發明摘要：
　  
　
七、指定代表圖：
　（一）本案指定代表圖為：
　（二）本代表圖之元件代表符號簡單說明：

 
　 　　
　
八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：
　  
　
九、發明說明：
　 【發明領域】
本發明是有關於一種固態氧化物燃料電池之陰極材料，尤指一種以具高氧空缺濃度及高導電率氧化物作為陰極，加速氧分子的吸附與氧離子擴散以達到降低電池內電阻之功效，即減小陰極之過電壓(overpotential)，進而提升燃料電池之發電效率；可使該陰極材料具有較高的電子導率，且於該陰極材料中提供大量的氧空缺作為陰極反應位置(reaction site)及氧離子擴散途徑，並使該陰極材料達到較低的過電壓以及降低陰極材料之合成溫度。
【習知技藝說明】
按，一般目前所使用的陰極材料多為具鈣鈦礦結構(perovskite)之La1-xAxMn1-yBy (A: Sr, Ca, Ba．．．等；B: Co, Fe, Ni．．．等)，而該習用之陰極材料其合成溫度約為1400℃，且在固態氧化物燃料電池的製程中其熱處理溫度約為1200℃，是故，以具鈣鈦礦結構(perovskite)作為陰極材料，除了無法提升燃料電池的性能外，亦不能減少電池之生產成本；況且由於此陰極材料之氧空缺有限，因此，氧離子不易在該陰極材料中據散，進而極易造成較高的內電阻而使能量內耗，而目前之陰極材料其雖電子導性高，但是卻普遍存在其氧離子導性不足之現象，所以，目前所使用的陰極材料並無法將高溫氧化物燃料電池的效率作有效的發揮。
【目的及功效】
因此，本發明之主要目的係在於提供一種固態氧化物燃料電池之陰極材料，尤指一種以具高氧空缺濃度及高導電率氧化物作為陰極，加速氧分子的吸附與氧離子擴散以達到降低電池內電阻之功效，即減小陰極之過電壓(overpotential)，進而提升燃料電池之發電效率。
本發明之另一目的在於可使該陰極材料具有較高的電子導率，且於該陰極材料中提供大量的氧空缺作為陰極反應位置(reaction site)及氧離子擴散途徑，並使該陰極材料達到較低的過電壓以及降低陰極材料之合成溫度。
為達上述之目的本發明之固態氧化物燃料電池之陰極材料，其實驗式為Ln1-xAxCu1-yByo2.5±δ，其中Ln為鑭系元素，A為鹼土族元素，B為金屬元素，在A位置添加異價之鹼土金屬促使部分銅轉變成三價，而形成氧空缺的規則性排列之類鈣鈦礦結構，可利用陰極電極之催化加速陰極反應，經由外電路傳導的電子與O2結合成O2-並將氧離子擴散到電解質而到陽極與氫氣反應；藉此，可使本發明之陰極材料以具高氧空缺濃度及高導電率氧化物作為陰極，加速氧分子的吸附與氧離子擴散以達到降低電池內電阻之功效，即減小陰極之過電壓(overpotential)，進而提升燃料電池之發電效率，且使該陰極材料具有較高的電子導率，且於該陰極材料中提供大量的氧空缺作為陰極反應位置(reaction site)及氧離子擴散途徑，並使該陰極材料達到較低的過電壓以及降低陰極材料之合成溫度。
【較佳實施例之詳細說明】
請參閱『第1、2圖所示』，係本發明La1-xSrxCuO2.5±δ之導電性質量測圖、陰極之Cathodic overpotential曲線圖。如圖所示：本發明係一種固態氧化物燃料電池之陰極材料，其係以具高氧空缺濃度及高導電率氧化物作為陰極，加速氧分子的吸附與氧離子擴散以達到降低電池內電阻之功效，即減小陰極之過電壓(overpotential)，進而提升燃料電池之發電效率，該陰極材料係為鹼土族金屬離子摻雜之鑭銅氧化物，為具有序氧空缺排列之鈣鈦礦結構氧化物，其通式為ABO2.5±δ，而本發明陰極材料之實驗式為：Ln1-xAxCu1-yByO2.5±δ，其操作範圍為400℃~800℃，其中Ln為鑭系元素，該鑭系元素可為Ce、Pr、Nd、Pm、SN、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu;A為鹼土族元素，該鹼土族元素可為Be、Mg、Ca、Sr、Ba及Ra;B為金屬元素，該金屬元素可為Co、Fe、Ni、Zn、Mn、Al、V、Ir、Mo、Pd、Pt、Mg、Ru,Rh、Cr及Zr；且0≦X≦1, 0≦Y<0.99, 0≦δ≦0.5，即Cu含量至少1%，並於A位置添加異價之鹼土金屬促使部分銅轉變成三價，而形成氧空缺的規則性排列之類鈣鈦礦結構，此結構稱為Brownmillerite結構，而此結構可存在之成分範圍極小，需確實控制異價離子之添加量以及種類，可利用陰極電極之催化加速陰極反應，經由外電路傳導的電子與O2結合成O2-並將氧離子擴散到電解質而到陽極與氫氣反應，因此，具高電子導性及高導氧離子之電極材料為陰極材料之理想材料。
針對陰極材料進行之電化學分析如電子導率量測及過電壓分析如第1圖及第2圖所示；該第1圖為La1-xSrxCuO2.5±δ之導電性質量測(◇:x=0.15,△:x=0.2,◇:x=0.25,○:x=0.3)；再由第2圖觀之，係為該陰極之Cathodic overpotential曲線(其中以La0.7Sr0.3CuO2.5-δ為例)分別量測於600℃(◆),700℃(▲),800℃(+)，和900℃(●)，由該第1、2圖可知以此類材料除了具有很高的電子導率外，其過電壓行為亦優於其他電極材料，且具有很高的電子導性及內電阻很小之性質，此種性質對燃料電池之發電效率有很大的幫助，可減少發電時能源的內耗，因此，此材料為固態氧化物燃料電池之理想陰極材料；以具高氧空缺濃度及高導電率氧化物作為陰極，加速氧分子的吸附與氧離子擴散以達到降低電池內電阻之功效，即減小陰極之過電壓(over potential)，進而提升燃料電池之發電效率；此陰極材料具有優良的導電性及氧離子導率，此外本材料具有高的氧離子空缺濃度，使其材料表面提供許多的反應點(reaction site)，基於以上之因素此材料為極佳之固態氧化物料電池之陰極材料，本發明將此陰極材料與釔安定氧化鋯作為電解質，以及以白金作為對電極組成單電池，以外加電流方式模擬其工作環境已測試電極之內電阻損耗，及量測其通電流後之過電壓(over potential)，且本發明在800℃量測之過電壓行為相較於習用之陰極材料La1-xSrxMnO3(LSM)優良許多，因此，以此材料為陰極電極之高溫氧化物燃料電池之工作效能將會大大提升，除了工作效能外，本材料之合成溫度約為950℃相較於LSM之1400℃低了許多，此外在固態氧化物燃料電池的製程中以本材料做為陰極時，其熱處理溫度約為850℃，相較於LSM/YSZ之熱處理溫度1200℃亦下降許多，因此以具有序氧空缺鈣鈦礦結構之鑭鍶銅氧化物作為陰極材料除了能提升燃料電池的性能外亦能減少電池之生產成本。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
[圖式簡單說明]

 

本發明之其他特徵及優點，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的明白，在圖式中：
第1圖，係本發明La1-xSrxCuO2.5±δ之導電性質量測圖。
第2圖，係本發明陰極之Cathodic overpotential曲線圖。

 
　
十、申請專利範圍：
　 　　1.一種固態氧化物燃料電池之陰極材料，其係以具高氧空缺濃度及高導電率氧化物作為陰極，加速氧分子的吸附與氧離子擴散以達到降低電池內電阻之功效，即減小陰極之過電壓(over potential)，進而提升燃料電池之發電效率，該陰極材料之實驗式為：Ln1-xAxCu1-yByO2.5±δ，其中Ln為鑭系元素，A為鹼土族元素，B為金屬元素，且0≦X≦1, 0≦Y<0.99, 0≦δ≦0.5，並於A位置添加異價之鹼土金屬促使部分銅轉變成三價，而形成氧空缺的規則性排列之類鈣鈦礦結構，可利用陰極電極之催化加速陰極反應，經由外電路傳導的電子與O2結合成O2-並將氧離子擴散到電解質而到陽極與氫氣反應。
　　2.依據申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池之陰極材料，其中，該Cu含量至少1%。
　　3.依據申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池之陰極材料，其中，該鑭系元素可為Ce、Pr、Nd、Pm、SN、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu。
　　4.依據申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池之陰極材料，其中，該鹼土族元素可為Be、Mg、Ca、Sr、Ba及Ra。
　　5.依據申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池之陰極材料，其中，該金屬元素可為Co、Fe、Ni、Zn、Mn、Al、V、Ir、Mo、Pd、Pt、Mg、Ru, Rh、Cr及Zr。
　　6.依據申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池之陰極材料，其中，該實驗式Ln1-xAxCu1-yByO2.5±δ之操作範圍為400℃~800℃。
　　7.依據申請專利範圍第1項所述之固態氧化物燃料電池之陰極材料，其中，該陰極材料一鹼土族金屬離子摻雜之鑭銅氧化物，為具有序氧空缺排列之鈣鈦礦結構氧化物，其通式為ABO2.5±δ。
　
十一、圖式：
　  
　
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