專(zhuān)利名稱(chēng)：sofc陰極以及用于共燒制的電池以及堆疊體的方法
SOfc陰極以及用于共燒制的電池以及堆疊體的方法相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)要求于2008年12月31日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/204，034的權(quán)益。以上申請(qǐng)的全部傳授內(nèi)容都通過(guò)弓I用結(jié)合在此。
背景技術(shù)：
燃料電池通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電，其中在陰極處含氧的氣體被還原為氧離子(02_)， 并且在陽(yáng)極處一種燃料氣體(如氣體H2)被氧化而與這些氧離子一起形成水。固體氧化物燃料電池使用了一種硬質(zhì)的、陶瓷的化合物金屬(例如，鈣或鋯)氧化物作為在一個(gè)功能陰極以及一個(gè)功能陽(yáng)極之間的電解質(zhì)。在某些實(shí)施方案中，燃料電池被堆疊地安排，由此多個(gè)組件通過(guò)在一個(gè)子組件的陰極以及另一個(gè)的陽(yáng)極之間放置一個(gè)電連接體而串聯(lián)組裝，每個(gè)子組件包括一個(gè)陰極、一個(gè)陽(yáng)極以及在該陰極和陽(yáng)極之間的一種固體電解質(zhì)。然而，燃料電池以及堆疊體的制造易受溫度波動(dòng)引起的損害所影響。由于構(gòu)成陰極、電解質(zhì)、陽(yáng)極以及連接體部件的材料的熱膨脹系數(shù)之間的差異的結(jié)果，溫度上的快速變化也可以影響燃料電池的壽命。此外，燃料電池子單元的一些部件，例如多孔層(包括燃料電池子單元的活性陰極功能層)優(yōu)選地在制造過(guò)程中暴露于比總體上對(duì)于每個(gè)燃料電池子單元的剩余部分所要求的更低的溫度中。所有這些問(wèn)題通過(guò)將燃料電池子單元(它們必須在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行共燒制)組裝成堆疊體以及通過(guò)堆疊組件的延長(zhǎng)使用(這些組件可能在常規(guī)的操作過(guò)程中被暴露到反復(fù)的并且劇烈的溫度變化中)而復(fù)雜化。因此，存在一種需要來(lái)將上述問(wèn)題減至最少或?qū)⑵湎?

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明總體上是針對(duì)一種固體氧化物燃料電池以及一種用于制造至少一個(gè)固體氧化物燃料電池的方法。該固體氧化物燃料電池包括一個(gè)陽(yáng)極層、在該陽(yáng)極層的表面之上的一個(gè)電解質(zhì)層，以及在該電解質(zhì)層的表面之上的一個(gè)陰極層。該陰極層包括在該電解質(zhì)層之上的一個(gè)多孔陰極功能層、一個(gè)陰極本體層、以及將該陰極本體層與該多孔陰極功能層隔開(kāi)的一個(gè)多孔中間陰極層，該多孔中間陰極層具有的孔隙率大于該陰極本體層的孔隙率。在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明是一種固體氧化物燃料電池組件，該組件包括至少兩個(gè)子組件，每個(gè)子組件各自獨(dú)立地包括至少一個(gè)子電池。每個(gè)子電池包括一個(gè)陽(yáng)極層、在該陽(yáng)極層的表面之上的一個(gè)電解質(zhì)層，以及在該電解質(zhì)層的表面之上的一個(gè)陰極層。該陰極層包括在該電解質(zhì)之上一個(gè)的多孔陰極功能層、一個(gè)陰極本體層、以及將該陰極本體層與該多孔陰極功能層隔開(kāi)的一個(gè)多孔中間陰極層，該多孔中間陰極層具有的孔隙率大于該陰極本體層的孔隙率。每個(gè)子電池被一個(gè)電連接體分隔開(kāi)并且是通過(guò)一個(gè)指向該陽(yáng)極的氧化反應(yīng)可運(yùn)行的以由此至少形成水。這些組部件通過(guò)相鄰的子部件之間的一個(gè)粘結(jié)層粘結(jié)到一起。
本發(fā)明的一種方法包括形成一個(gè)固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極子部件，該陽(yáng)極子部件包括一個(gè)陽(yáng)極層以及在該陽(yáng)極層之上的一個(gè)電解質(zhì)層。與該陽(yáng)極子部件分開(kāi)而形成一個(gè)陰極子部件。該陰極子部件包括一個(gè)陰極層以及在該陰極層之上的連接體層。然后將該陽(yáng)極子部件與該陰極子部件結(jié)合，這樣該陰極層鄰接該電解質(zhì)層，由此形成一個(gè)固體氧化物燃料電池。本發(fā)明有許多優(yōu)點(diǎn)。例如，陽(yáng)極/電解質(zhì)以及陰極/連接體子部件的單獨(dú)制造為將這些部件進(jìn)行組裝以形成燃料電池時(shí)所處的條件提供了更大的靈活性。在一個(gè)實(shí)施方案中，陽(yáng)極/電解質(zhì)以及陰極/連接體子部件的單獨(dú)制造可以在更高的溫度下進(jìn)行，接著通過(guò)在一個(gè)子部件的陰極層和另一個(gè)子部件的電解質(zhì)層之間插入一個(gè)多孔陰極功能層而組裝多個(gè)燃料電池部件，并且然后在顯著地低于最佳地制備該陽(yáng)極/電解質(zhì)以及陰極/連接體子部件所要求的溫度下燒制該組件。通過(guò)這種技術(shù)可以在每個(gè)子組件中包括其他的燃料電池部件，由此在這些部件的組裝過(guò)程中使用了比生產(chǎn)對(duì)應(yīng)的子部件所要求的溫度更低的溫度。此類(lèi)其他部件的例子包括非功能的陽(yáng)極層以及粘結(jié)部件，例如包括鎳網(wǎng)的組合物，它可以被用來(lái)連接以上串聯(lián)連接的燃料電池組件。而且，制造技術(shù)以及構(gòu)成該陰極層的材料可以通過(guò)在一個(gè)燃料電池的組裝過(guò)程中并入一個(gè)多孔活性功能陰極層之前制造與一個(gè)連接體層相結(jié)合的陰極本體層而進(jìn)行優(yōu)化。此外，一個(gè)子部件陰極層可以包括在陰極本體和陰極功能層之間的界面處的多個(gè)空氣通道，由此消除了對(duì)通過(guò)該陰極本體的空氣通透性的要求，并且簡(jiǎn)化了與一個(gè)燃料電池組件的每個(gè)燃料電池部件的連接體層相鄰的陰極本體層的共燒制。此外，陰極本體層總體上提供了在連接體層處比多孔對(duì)應(yīng)物更大的機(jī)械支持。此外，可以使用另外的制造技術(shù)，例如在與一種多孔生坯組合之前，將這些通道模制或機(jī)加工成處于一個(gè)連接體層的界面的遠(yuǎn)端的一個(gè)陰極本體層的一部分，該多孔生坯將與該本體陰極/連接體以及陽(yáng)極/電解質(zhì)子部件共燒制以形成一個(gè)燃料電池組件的燃料電池部件。本發(fā)明可以用于固體氧化物燃料電池(SOFC)系統(tǒng)中。SOFC提供了高效率發(fā)電而同時(shí)低排放并且低噪音操作的可能性。它們還被視為提供了電效率、廢熱發(fā)電效率、以及燃料處理簡(jiǎn)單性的有利的組合。使用SOFC的一個(gè)例子是在家庭或其他建筑物中。SOFC可以使用用于加熱家庭的相同燃料，例如天然氣。SOFC系統(tǒng)可以運(yùn)行延長(zhǎng)的時(shí)間段以產(chǎn)生電力為家庭供電并且如果產(chǎn)生過(guò)多的量，可以將過(guò)多的量賣(mài)給電網(wǎng)。并且，可以使用SOFC系統(tǒng)中所產(chǎn)生的熱來(lái)為家庭提供熱水。在電力服務(wù)是不可靠的或不存在的地區(qū)，SOFC可以是特別有用的。


圖1是本發(fā)明的固體氧化物燃料電池組件的一個(gè)實(shí)施方案的示意性圖示。圖2A-B是根據(jù)本發(fā)明的方法制造的一個(gè)固體氧化物燃料子電池的本體陰極以及連接體子部件的一個(gè)實(shí)施方案的示意性圖示(部分地)。圖3A-C代表在結(jié)合以形成一個(gè)固體氧化物燃料子電池之前的本發(fā)明的一種固體氧化物燃料子電池的組件。圖4A-C是兩個(gè)子組件以及一個(gè)粘結(jié)層在結(jié)合以形成本發(fā)明的一個(gè)固體氧化物燃料電池組件之前的一個(gè)實(shí)施方案的示意性圖示。圖5是本發(fā)明的固體氧化物燃料電池的另一個(gè)實(shí)施方案的示意性圖示。
圖6是串聯(lián)連接的燃料電池組件的圖示。A =陽(yáng)極層、AFL =陽(yáng)極功能層、EI =電解質(zhì)層、CFL =陰極功能層、CIL =陰極中間層、A =陽(yáng)極層、C =陰極層、IC =連接體層、ABL =陽(yáng)極粘結(jié)層、BL =粘結(jié)層、TA =末端陽(yáng)極層。
具體實(shí)施例方式從以下對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的更具體的說(shuō)明中上述內(nèi)容將是清楚的，這些實(shí)施方案是如附圖中所展示的，其中貫穿這些不同的視圖中類(lèi)似的參考符號(hào)指代相同的部分。這些圖并非必須是按比例的，而是將重點(diǎn)放在展示本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施方案上。在此引用的所有專(zhuān)利、公開(kāi)的申請(qǐng)以及參考文獻(xiàn)的傳授內(nèi)容通過(guò)引用以其整體結(jié)合在此。圖1示出了本發(fā)明的固體氧化物燃料電池(SOFC)組件10。燃料電池組件10包括多個(gè)子組件12并且每個(gè)子組件12包括多個(gè)子電池14。每個(gè)子電池14包括陽(yáng)極16，該陽(yáng)極包括限定了通道20的本體陽(yáng)極層18，以及活性陽(yáng)極層22。與每個(gè)子電池14 一起還包括固體氧化物電解質(zhì)層對(duì)。每個(gè)子電池14進(jìn)一步包括陰極沈，該陰極包括限定了陰極通道30 的陰極本體層28，以及活性陰極層32，該活性陰極層包括一個(gè)多孔陰極功能層32a以及一個(gè)多孔中間陰極層32b，該多孔中間陰極層將陰極本體層觀和多孔陰極功能層3 隔開(kāi)，多孔中間陰極層32具有的孔隙率大于陰極本體層觀的孔隙率。陰極功能層3 可以由一種導(dǎo)電材料例如像亞錳酸鑭鍶(LSM)或LaNiFeO3,以及一種離子傳導(dǎo)材料例如像氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)、Sc摻雜的氧化鋯、或摻雜的鈰構(gòu)成。作為替代方案，陰極功能層3 可以由一種混合的、離子以及電子(MIEC)傳導(dǎo)性材料例如鐵酸鑭鍶輝砷鈷礦(LSCF)、或摻雜的 1^必603、或11記(和離子傳導(dǎo)性材料的混合物構(gòu)成的。LSM/YSZ之比可以是在從約30/70至約 70/30重量％的范圍內(nèi)，優(yōu)選約50/50重量％。LSM和YSZ的中值粒徑(d5Q)都在約0. 1 μ m 至約1 μ m的范圍內(nèi)，并且陰極功能層32a的總孔隙率是在約25體積％至約35體積％的范圍內(nèi)。陰極本體層觀可以是由一種電子傳導(dǎo)性材料例如LSM、LSCF、或鐵酸鑭鍶輝砷鈷礦 (LSF)構(gòu)成的，與陰極功能層3 相比具有在約0. 5 μ m至約5 μ m之間范圍內(nèi)的更粗的粒徑 d50。陰極層觀的孔隙率低于陰極功能層3 的孔隙率，其范圍是在約5Vol%至約25ν01% 之間，或陰極層觀可以是全致密的。陰極中間層32b典型地是由與陰極本體層觀相同的材料構(gòu)成的，但是具有的孔隙率大于層32a的孔隙率，是在約30Vol%至約45Vol%之間的范圍內(nèi)?；钚躁?yáng)極層22以及活性陰極層32典型地是多孔的。此外，陽(yáng)極通道20以及陰極通道30分別是部分地由本體陽(yáng)極層18以及陰極本體層觀限定的，并且進(jìn)一步分別是由活性陽(yáng)極層22以及活性陰極層32限定的。作為替代方案，陽(yáng)極層中的通道可以是在該層內(nèi)完全封閉的或者是在陽(yáng)極層的頂部形成并且由連接體34和陽(yáng)極層18之間的陽(yáng)極粘結(jié)層44 所限定?？梢詫⒈绢I(lǐng)域中已知的任何適合的陰極材料用于陰極26，例如， 在“High Temperature Solid Oxide Fuel Ce 11 s !Fundamentals, Design and Applications，”pp. 119-143，Singhal 等人 Ed.，Elsevier Ltd. (2003)中，其全部傳授內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合在此。在一個(gè)實(shí)施方案中，陰極沈包括一種基于La-亞錳酸鹽(例如， Lai_aMri03，其中“a”等于或大于零，并且等于或小于0. 4)或基于La-鐵酸鹽的材料。典型地， 該基于La-亞錳酸鹽或La-鐵酸鹽的材料摻雜有一種或多種適合的摻雜劑，例如Sr、Ca、Ba、Mg、Ni、Co或狗。摻雜的基于La-亞錳酸鹽的材料的例子包括LaSr-亞錳酸鹽(LSM)(例如，La1^tSrkMnO3,其中k等于或大于0. 1，并且等于或小于0. 4，(La+Sr) /Mn是在約1. 0至約 0. 90 (摩爾比)之間的范圍內(nèi))以及LaCa-亞錳酸鹽(例如，La1^kCakMnO3, k是等于或大于
0.1，并且等于或小于0.4，(La+Ca)/Mn是在約1. 0至約0. 90(摩爾比)之間的范圍內(nèi))。摻雜的基于La-鐵酸鹽的材料的例子包括LaSrCo-鐵酸鹽(LSCF)(例如，La1_qSrqCo1_JFeJ03, 其中q和j各自獨(dú)立地是等于或大于0.1，并且等于或小于0.4，(La+Sr)/(Fe+Co)是在約
1.0至約0.90(摩爾比)之間的范圍內(nèi))。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，陰極沈包括LaSr-亞錳酸鹽(LSM)(例如，La1^tSrkMnO3)和LaSrCo-鐵酸鹽(LSCF)中至少一個(gè)。常見(jiàn)的例子包括 (La0.8Sr0.2)0.98Mn03±5 ( δ 是等于或大于零，并且等于或小于 0. 3)以及 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.803° 用于多孔陰極功能層32a以及多孔中間陰極層32b的合適的材料各自獨(dú)立地包括基于亞錳酸鑭或基于鐵酸鑭的材料，并且優(yōu)選摻雜的亞錳酸鑭Lai_kSrkMn03，其中k是在約0. 1和約 0. 4之間范圍內(nèi)，并且該多孔陰極功能層進(jìn)一步包括至少一個(gè)選自下組的成員，該組由以下各項(xiàng)組成氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)、二氧化鈰、以及氧化鈧。可以將本領(lǐng)域中已知的任何適合的陽(yáng)極材料用于陽(yáng)極16，例如， 在“High Temperature Solid Oxide Fuel Ce 11 s !Fundamentals, Sesign and Applications，”pp. 149_169，Dinghal，等人Ed. ,Elsevier Ltd. (2003)中，其全部傳授內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合在此。在一個(gè)實(shí)施方案中，陽(yáng)極16包括一種鎳(Ni)金屬陶瓷。如在此所使用的，短語(yǔ)“Ni金屬陶瓷”是指一種陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料，它包括Ni，例如約20wt%至70wt%的 Ni。Ni金屬陶瓷的例子是包括Ni和YSZ，例如含有約15襯％的^O3的^O2以及包括Ni以及Y-氧化鋯或Sc-氧化鋯的材料。陽(yáng)極材料的一個(gè)另外的例子是Cu- 二氧化鈰或Co-YSZ。 Ni金屬陶瓷的具體實(shí)例包括在約67wt% Ni和約33wt% YSZ以及約33wt% Ni和67wt% YSZ之間的組合物。典型地，陽(yáng)極16和陰極沈各自的厚度是獨(dú)立地在約0. 3mm至約2mm之間的范圍內(nèi)。確切地說(shuō)，陽(yáng)極16和陰極沈各自的厚度是獨(dú)立地在約0. 5mm至約1. 5mm之間的范圍內(nèi)。固體氧化物電解質(zhì)M在陽(yáng)極16和陰極沈之間?？梢詫⒈绢I(lǐng)域中已知的任何適合的固體氧化物電解質(zhì)用于本發(fā)明中，例如，在“High Temperature Solid Oxide Fuel Cells !Fundamentals, Design and Applications,，，pp. 83-112, Dinghal,等人 Ed., Elsevier Ltd. (2003)中所描述的那些，其全部傳授內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合在此。例子包括基于 ZrO2的材料，例如Sc2O3摻雜的&02、Y2O3摻雜的&02、以及Yb2O3摻雜的^O2 ；基于CeR的材料，例如Sm2O3摻雜的Ce02、Gd2O3摻雜的Ce02、Y2O3摻雜的CeR以及CaO摻雜的CeR ；基于Ln-掊酸鹽的材料(Ln =—種鑭系金屬，例如La、Pr、Nd或Sm)，例如摻雜有Ca、Sr、Ba、 Mg、Co、Ni、Fe 或它們的一種混合物(例如，La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.203, La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.0503, La0 9Sr0 !Ga0 8Mg0 203> LaSrGaO4> LaSrGa3O7 或 Laa9AaiGaO3 其中 A = Sr、Ca 或 Ba)的 LaGaO3 ； 以及它們的混合物。其他例子包括摻雜的釔-鋯酸鹽(例如，1&207)、摻雜的釓-鈦酸鹽 (例如，Gd2Ti2O7)以及鈣鐵鋁石(例如，Ba2In2O6 ^ Ba2In2O5) 0在一個(gè)具體實(shí)施方案中，電解質(zhì)24包括摻雜有8mol % Y2O3的ZrO2 (即，8mol % Y2O3摻雜的ZrO2)。典型地，固體電解質(zhì)M的厚度是在約5 μ m和約50 μ m之間的范圍內(nèi)，諸如在約 5 μ m和約20 μ m之間，更優(yōu)選地在約5 μ m和約10 μ m之間。作為替代方案，固體電解質(zhì)M的厚度可以是在約20 μ m和約500之間，更優(yōu)選地在約100 μ m和約500 μ m之間。在一個(gè)使用具有大于約100 μ m的厚度的固體電解質(zhì)M的實(shí)施方案中，固體電解質(zhì)M可以提供對(duì)子電池14以及隨后的子組件12的結(jié)構(gòu)支持。子電池14進(jìn)一步包括連接體34。可以使用已知的適合用作連接體層的任何材料。適合的連接體層的一個(gè)例子是由鉻形成的一個(gè)層，并且可以進(jìn)一步包括稀土元素，例如摻雜的稀土鉻鐵礦。在一個(gè)實(shí)施方案中，連接體層34包括鑭、鍶、鈣、鈷、鎵、釔、鈦酸鹽和鎂中至少一個(gè)。在其他具體實(shí)施方案中，該連接體層可以包括陶瓷，例如LaSrCr03、LaMgCr03、 LaCaCrO3> YCrO3> LaCrO3 > LaCoO3、CaCrO3> CaCoO3、LaNiO3、LaCrO3 > CaNiO3 以及 CaCrO3。在另一個(gè)實(shí)施方案中，連接體34可以包括兩個(gè)層，如于2008年12月16日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?2/316，806，以及于2009年7月2日公開(kāi)的名稱(chēng)為“用于燃料電池堆的陶瓷連接體”的 US2009/0169958 Al中所述，其全部傳授內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合在此。子電池14串聯(lián)連接到一起構(gòu)成了子組件12。任選地，一個(gè)非功能的末端陽(yáng)極36可以被置于在子電池14的一端處的每個(gè)連接體34之后。末端陽(yáng)極36不是一個(gè)操作陽(yáng)極，并且可以具有與該陽(yáng)極不同的組成。確切地說(shuō)，該末端陽(yáng)極可以包含該連接體材料的某一部分以幫助改進(jìn)在該陽(yáng)極粘結(jié)層 44和連接體層之間的粘結(jié)強(qiáng)度。典型地，該末端陽(yáng)極可以包含在約33wt%至約67wt%之間的金屬相，優(yōu)選鎳，以及在約67wt%至約33wt%之間的陶瓷相，優(yōu)選YSZ與在約30wt%和約 70wt %之間的連接體材料的一種混合物。多個(gè)子組件12串聯(lián)地連接。如圖1所示，子組件12通過(guò)粘結(jié)層38連接在一個(gè)子組件12的末端陽(yáng)極36以及另一個(gè)子組件12的陽(yáng)極16上。在一個(gè)實(shí)施方案中，陽(yáng)極粘結(jié)層44具有與組件粘結(jié)層38相同的組成但是組件粘結(jié)層38可以具有大于或等于陽(yáng)極粘結(jié)層44的厚度。適合用作粘結(jié)層38的材料的具體實(shí)施方案是本領(lǐng)域已知的，并且包括例如一個(gè)金屬相(優(yōu)選Ni)與YSZ以及任選地還有該連接體相的混合物。對(duì)于這些單獨(dú)的組分的組合物范圍可以是在約33wt% Ni與約67wt%之間的Ni與約67wt%及約33wt%之間的陶瓷相。該陶瓷相是由YSZ與約和約50wt%之間的連接體相構(gòu)成的。粘結(jié)層38以及陽(yáng)極粘結(jié)層44的一個(gè)具體例子是33wt% Ni以及67wt% YSZ0與陽(yáng)極粘結(jié)層44，任選的子組件粘結(jié)層38以及任選的末端陽(yáng)極36串聯(lián)連接的子組件12的其他具體例子在圖6中示出，其中陽(yáng)極本體層18可以包含氣體通道20并且陰極本體層觀可以包含氣體通道30。 在另一個(gè)實(shí)施方案中，粘結(jié)層38以及陽(yáng)極粘結(jié)層44可以是可配合的粘結(jié)層。如在此使用的術(shù)語(yǔ)“可配合的粘結(jié)層”是指這樣一種粘結(jié)層，它在一個(gè)SOFC組件(該粘結(jié)層是該組件的一部分)制造和使用的過(guò)程中對(duì)于相鄰層的維度改變是可適配的或可相協(xié)調(diào)的，同時(shí)仍粘結(jié)一個(gè)子組件的一個(gè)電極(功能的或非功能的)或連接體以及一個(gè)相鄰的子組件的子電池的一端處的活性電極。合適的相適合的粘結(jié)層的例子包括金屬網(wǎng)、金屬氈或其組合，優(yōu)選為了良好的電導(dǎo)性而用鎳金屬漿料涂覆的那些。與一種相適合的粘結(jié)層組裝的堆疊體可能需要被置于輕微的壓縮中以確保在子電池或子組件以及該相適合的粘結(jié)層之間良好的電接觸。本發(fā)明的SOFC燃料電池組件10可以包括任何適當(dāng)數(shù)目的子組件12，以及在每個(gè)子組件12內(nèi)任何數(shù)目的子電池14。在一個(gè)實(shí)施方案中，子電池的一個(gè)子組件將包括在約六和約十個(gè)之間的子電池，并且燃料電池10的每個(gè)子組件將包括在約四和約六個(gè)之間的子組件，每個(gè)子組件12通過(guò)一個(gè)粘結(jié)層38與相鄰的子組件12分開(kāi)。SOFC燃料電池組件10 的堆疊體可以串聯(lián)或并聯(lián)地連接。
本發(fā)明還包括一種形成染料電池組件的方法，例如以上所描述的。該方法包括形成一個(gè)在圖2A中示出的陽(yáng)極子部件40。該陽(yáng)極子部件40包括陽(yáng)極層16以及電解質(zhì)M。 陽(yáng)極層16以及電解質(zhì)層M可以通過(guò)本領(lǐng)域已知的任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)形成。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，陽(yáng)極子部件40可以通過(guò)帶流延(tape casting)以及層壓、模壓、溫壓凝膠灌制、 噴涂、絲網(wǎng)印刷、輥壓實(shí)(roll compaction)、擠出以及注塑模制而形成。單獨(dú)地并且除形成陽(yáng)極子部件40之外形成了圖2B中示出的陰極子部件42。陰極子部件42包括本體陰極觀以及連接體34?？梢允褂帽绢I(lǐng)域已知的用于形成陰極子部件42的任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，陰極子部件42的制造可以包括以下步驟，例如帶流延以及層壓、模壓、溫壓凝膠灌制、噴涂、絲網(wǎng)印刷、輥壓實(shí)、擠出以及注塑模制而形成。在圖3所表示的一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，在圖3A中示出的陽(yáng)極子部件40包括陽(yáng)極層16，該陽(yáng)極層部分地限定了通道20。陽(yáng)極子部件40包括陽(yáng)極層16以及電解質(zhì)層 24。通道20可以通過(guò)本領(lǐng)域已知的任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)形成，例如像結(jié)合有形的逃逸物、壓花、 在條帶中切割通道并且然后將這些條帶層壓來(lái)限定多個(gè)通道、使用通過(guò)預(yù)成型件的擠出或在輥壓實(shí)中使用有圖案的輥。存在多種可以用來(lái)在陰極和陽(yáng)極層內(nèi)形成通道或通路的可能的逃逸物材料(例如像，石墨或纖維)?？傮w上，在材料的選擇上僅有的限制將是在燒制方法的過(guò)程中該材料應(yīng)該燃燒或從該燃料電池中作為氣體除去，并且該材料不與陶瓷顆粒反應(yīng)?；谟袡C(jī)物的材料充分滿(mǎn)足這兩個(gè)條件。因此，纖維可以是天然纖維；棉花、韌皮纖維、繩索纖維、或動(dòng)物纖維(例如羊毛)，或它們可以是制造的纖維；再生纖維素、纖維素雙乙酸酯、纖維素三乙酸酯、聚酰胺、聚酯、聚丙烯酸樹(shù)脂、聚乙烯樹(shù)脂、聚烯烴樹(shù)脂、碳或石墨纖維、或液晶聚合物。 作為替代方案，這些纖維可以是擠出長(zhǎng)度的粘結(jié)劑材料，例如合成橡膠、熱塑性塑料、或聚乙烯的和擠出長(zhǎng)度的增塑劑材料，例如乙二醇和鄰苯二甲酸酯基團(tuán)。在另一個(gè)實(shí)施方案中， 該材料可以是意大利面條制品，例如細(xì)面條。在另一個(gè)實(shí)施方案中，陰極子部件42部分地限定了通道30，如圖3C中所示。通道30的剩余部分在組裝陰極子部件42、陽(yáng)極子部件40(圖3A中所示)以及生坯功能陰極 32(圖;3B中所示)時(shí)被限定。本體陰極觀內(nèi)的通道30可以通過(guò)本領(lǐng)域已知的任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)形成，例如以下方法結(jié)合有形的逃逸物、壓花、在條帶中切割通道并且然后將這些條帶層壓以限定多個(gè)通道、使用通過(guò)預(yù)成型件的擠出、或在輥壓實(shí)中使用有圖案的輥。圖:3B中示出的生坯功能陰極32是多孔的，至少是在與陽(yáng)極子部件40以及陰極子部件42結(jié)合燒制之后是多孔的。在一個(gè)實(shí)施方案中，生坯功能陰極32是由電子傳導(dǎo)性材料例如像LSM以及離子傳導(dǎo)性材料例如像YSZ構(gòu)成的。LSM/YSZ之比可以是在從約30/70 至約70/30重量％的范圍內(nèi)，優(yōu)選約50/50重量％。層32b典型地是由與本體陰極28相同的材料構(gòu)成的，例如LSM、LSCF、或鐵酸鑭鍶輝砷鈷礦(LSF)，與陰極功能層3 相比具有在約0. 5 μ m至約5 μ m之間范圍內(nèi)的更粗的粒徑d5(l，但是具有的孔隙率大于層3 的孔隙率， 在約30Vol%和約45Vol%之間的范圍內(nèi)。在燒制之前該生坯功能陰極32的厚度可以是在約20 μ m和約200 μ m之間的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選地在約20 μ m和約100 μ m之間的范圍內(nèi)。陽(yáng)極子部件40、陰極子部件42、生坯功能陰極層32、以及陽(yáng)極粘結(jié)層44是通過(guò)將生坯功能陰極層30置于陽(yáng)極子部件40的電解質(zhì)層M和陰極子部件42的陰極本體層28之間并且將陽(yáng)極粘結(jié)層44置于陽(yáng)極子部件40和陽(yáng)極子部件42的連接體層34之間而結(jié)合的。然后將結(jié)合后的子部件40、42以及生坯功能陰極層32以及陽(yáng)極粘結(jié)層44在適當(dāng)?shù)臏囟认聼埔杂纱藢⑸鞴δ荜帢O32以及陽(yáng)極粘結(jié)層44進(jìn)行燒結(jié)并且將子部件40以及42 粘結(jié)成一個(gè)燃料電池堆的子組件。典型地，這些子部件以及生坯功能陰極層32在一個(gè)溫度下進(jìn)行共燒制，該溫度低于在陽(yáng)極子部件40以及陰極子部件40以及陰極子部件42的單獨(dú)制造過(guò)程中對(duì)它們進(jìn)行燒制時(shí)所使用的溫度。盡管不希望受限制于任何具體的理論，據(jù)信在結(jié)合并且通過(guò)與生坯功能陰極層32共燒制之前單獨(dú)地制造陽(yáng)極子部件40以及陰極子部件42提供了對(duì)于在最佳的溫度以及時(shí)間段內(nèi)燒制每種子部件的更大的靈活性而不會(huì)減小在不同的最佳溫度以及時(shí)期內(nèi)燒制生坯功能陰極層32的機(jī)會(huì)。在一個(gè)實(shí)施方案中，陽(yáng)極子部件40、陰極子部件42、生坯功能陰極層32以及陽(yáng)極粘結(jié)層44是通過(guò)在約1000°C和約 1250°C之間范圍內(nèi)的溫度下共燒制在約0. 5小時(shí)至約4小時(shí)的時(shí)間段而粘結(jié)的，優(yōu)選地在約1100°C和約1200°C之間范圍內(nèi)的溫度下共燒制在約1小時(shí)和約2小時(shí)之間范圍內(nèi)的時(shí)間段。陽(yáng)極子部件40、陰極子部件42、生坯功能陰極層32以及生坯陽(yáng)極粘結(jié)層44的共燒制可以形成由多個(gè)串聯(lián)連接的子電池14組成的燃料電池堆8，如圖6所示。作為替代方案，陽(yáng)極子部件40、陰極子部件42、生坯功能陰極層32以及生坯陽(yáng)極粘結(jié)層44可以通過(guò)共燒制而粘結(jié)成一個(gè)子組件12。子組件12然后可以用粘結(jié)層38串聯(lián)地結(jié)合成一個(gè)燃料電池堆8。還應(yīng)理解的是這種安排可以顛倒，由此每個(gè)子組件在每個(gè)子電池之上的活性陽(yáng)極處以及每個(gè)子組件的末端處可以具有連接體，并且一個(gè)非功能的陰極可以被置于每個(gè)子組件的末端處的連接體上。多個(gè)子組件可以結(jié)合以形成一個(gè)燃料電池堆，例如在約4和約6個(gè)之間的子組件可以結(jié)合以形成一個(gè)燃料電池堆。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，多個(gè)陽(yáng)極子部件40、陰極子部件42、生坯功能陰極層 32以及生坯陽(yáng)極粘結(jié)層44可以在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行安排并且共燒制，以由此形成一個(gè)燃料電池堆8，該溫度優(yōu)選低于形成每個(gè)陽(yáng)極子部件40以及陰極子部件42所使用的溫度。一種適當(dāng)?shù)年?yáng)極粘結(jié)層的例子是由Ni金屬與YSZ陶瓷或Ni與YSZ陶瓷以及連接體陶瓷材料所組成的層。在一個(gè)第二實(shí)施方案中，多個(gè)陽(yáng)極子部件40、陰極子部件42、以及生坯功能陰極層32在適當(dāng)?shù)臏囟认鹿矡?，以由此形成燒制的子電池，該溫度?yōu)選地低于形成每個(gè)陽(yáng)極子部件40以及陰極子部件42所使用的溫度。然后將燒制的子電池14與相適合的陽(yáng)極粘結(jié)層44安排到一起并且壓縮成一個(gè)燃料電池堆8。適當(dāng)?shù)南噙m合的粘結(jié)層的例子是包括鎳網(wǎng)或鎳氈(優(yōu)選用鎳漿涂覆的)的粘結(jié)層。在一個(gè)第三實(shí)施方案中，多個(gè)陽(yáng)極子部件40、包含一個(gè)末端陽(yáng)極的陰極子部件 42、生坯功能陰極層32以及生坯陽(yáng)極粘結(jié)層44可以在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行安排并且共燒制， 以由此形成一個(gè)燃料電池堆8，該溫度優(yōu)選地低于形成每個(gè)陽(yáng)極子部件40以及陰極子部件 42所使用的溫度。一種適當(dāng)?shù)年?yáng)極粘結(jié)層的例子是由Ni金屬與YSZ陶瓷或Ni與YSZ以及連接體的陶瓷材料所組成的層。在一個(gè)第四實(shí)施方案中，多個(gè)陽(yáng)極子部件40、包含一個(gè)末端陽(yáng)極的陰極子部件 42、以及生坯功能陰極層32在適當(dāng)?shù)臏囟认鹿矡?，以由此形成燒制的子電池，該溫度?yōu)選地低于形成每個(gè)陽(yáng)極子部件40以及陰極子部件42所使用的溫度。然后將燒制的子電池14與相適合的陽(yáng)極粘結(jié)層44安排到一起并且壓縮成一個(gè)燃料電池堆8。適當(dāng)?shù)南噙m合的粘結(jié)層的例子是包括鎳網(wǎng)或鎳氈(優(yōu)選地用Ni漿料涂覆)的粘結(jié)層。在一個(gè)第五實(shí)施方案中，多個(gè)陽(yáng)極子部件40、陰極子部件42、生坯功能陰極層32 和陽(yáng)極粘結(jié)層44在適當(dāng)?shù)臏囟认鹿矡?，以由此形成一個(gè)子組件12，該溫度優(yōu)選地低于形成每個(gè)陽(yáng)極子部件40以及陰極子部件42所使用的溫度。多個(gè)子組件12可以使用粘結(jié)層 38串聯(lián)安排，如圖4B所示。子組件12和粘結(jié)層38可以如在的圖4A、4B和4C中的對(duì)應(yīng)取向中所示的進(jìn)行安排。然后這些子組件通過(guò)粘結(jié)層38彼此粘結(jié)并且然后被燒制以形成組件10，如圖5中所示的。一種適當(dāng)?shù)年?yáng)極粘結(jié)層的例子是由Ni金屬與YSZ陶瓷或Ni與YSZ 陶瓷以及連接體陶瓷材料所組成的層。在一個(gè)第六實(shí)施方案中，多個(gè)陽(yáng)極子部件40、陰極子部件42、生坯功能陰極層32 和陽(yáng)極粘結(jié)層44在適當(dāng)?shù)臏囟认鹿矡疲杂纱诵纬梢粋€(gè)子組件12，該溫度優(yōu)選地低于形成每個(gè)陽(yáng)極子部件40以及陰極子部件42所使用的溫度。多個(gè)子組件12可以使用相適合的粘結(jié)層38串聯(lián)安排，如圖4B所示并且然后壓縮成一個(gè)燃料電池堆。適當(dāng)?shù)南噙m合的粘結(jié)層的例子是包括鎳網(wǎng)或鎳氈(優(yōu)選用鎳漿料涂覆的)的粘結(jié)層。在一個(gè)第七實(shí)施方案中，多個(gè)陽(yáng)極子部件40、包含一個(gè)末端陽(yáng)極的陰極子部件 42、生坯功能陰極層32和陽(yáng)極粘結(jié)層44在適當(dāng)?shù)臏囟认鹿矡?，以由此形成一個(gè)子組件 12，該溫度優(yōu)選地低于形成每個(gè)陽(yáng)極子部件40以及陰極子部件42所使用的溫度。多個(gè)子組件12可以使用粘結(jié)層38串聯(lián)安排，如圖4B所示。子組件12和粘結(jié)層38可以如在圖4A、 4B和4C中的對(duì)應(yīng)的取向中所示的進(jìn)行安排。然后這些子組件通過(guò)粘結(jié)層38彼此粘結(jié)并且然后被燒制以形成組件10，如圖5中所示的。一種適當(dāng)?shù)年?yáng)極粘結(jié)層的例子是由Ni金屬與 YSZ陶瓷或Ni與YSZ陶瓷以及連接體陶瓷材料所組成的層。在一個(gè)第八實(shí)施方案中，多個(gè)陽(yáng)極子部件40、包含一個(gè)末端陽(yáng)極的陰極子部件 42、生坯功能陰極層32和陽(yáng)極粘結(jié)層44在適當(dāng)?shù)臏囟认鹿矡?，以由此形成一個(gè)子組件 12，該溫度優(yōu)選地低于形成每個(gè)陽(yáng)極子部件40以及陰極子部件42所使用的溫度。多個(gè)子組件12可以使用相適合的粘結(jié)層38串聯(lián)安排，如圖4B所示并且然后壓縮成一個(gè)燃料電池堆。適當(dāng)?shù)南噙m合的粘結(jié)層的例子是包括鎳網(wǎng)或鎳氈(優(yōu)選用鎳漿料涂覆的)的粘結(jié)層。本發(fā)明的燃料電池組件10可以如本領(lǐng)域已知的其他堆疊的燃料電池組件運(yùn)行。 具體而言，含氧的氣體(例如O2)通過(guò)引導(dǎo)氧氣穿過(guò)陰極層觀的通道30而在陰極處被還原成氧離子(02_)。引導(dǎo)一種合適的燃料氣體通過(guò)本體陽(yáng)極18的通道20并且氧化，其中氧離子遷移通過(guò)固體氧化物電解質(zhì)，以由此在陽(yáng)極至少形成水。等效物雖然通過(guò)參考本發(fā)明的示例性實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了具體的展示和說(shuō)明，但本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不背離所附的權(quán)利要求書(shū)所涵蓋的本發(fā)明的范圍的前提下，可以在形式和細(xì)節(jié)上對(duì)這些實(shí)施方案作出不同的變更。
權(quán)利要求
1.一種固體氧化物燃料電池，包括a)一個(gè)陽(yáng)極層；b)在該陽(yáng)極層的表面之上的一個(gè)電解質(zhì)層；以及c)在該電解質(zhì)層的表面之上的一個(gè)陰極層，該陰極層包括， i)在該電解質(zhì)層的表面之上的一個(gè)多孔陰極功能層， ) 一個(gè)陰極本體層，以及iii) 一個(gè)將該陰極本體層與該多孔陰極功能層隔開(kāi)的中間陰極層，該多孔中間陰極層具有的孔隙率大于該陰極本體層的孔隙率。
2.如權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池，其中，該固體氧化物燃料電池包括多個(gè)子電池，每個(gè)子電池包括一個(gè)陽(yáng)極、一個(gè)陰極以及將該陽(yáng)極和陰極隔開(kāi)的一種電解質(zhì)，并且進(jìn)一步包括在一個(gè)子電池的陽(yáng)極與另一個(gè)子電池的陰極之間的一種連接體。
3.如權(quán)利要求2所述的固體氧化物燃料電池，其中至少一個(gè)連接體是與一個(gè)子電池的陰極直接接觸的。
4.如權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池，其中該陰極本體層是多孔的并且限定了除該陰極本體層的孔隙率之外的多個(gè)管道。
5.如權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池，其中該陰極本體層是致密的并且與該多孔中間陰極層一起限定了至少一個(gè)基本上與該電解質(zhì)層平行的管道。
6.如權(quán)利要求5所述的固體氧化物燃料電池，其中該管道部分地是由該陰極本體層內(nèi)的一個(gè)通道限定的。
7.如權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池，其中該多孔陰極功能層的組成是與該多孔中間陰極層的組成不同的。
8.如權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池，其中該多孔陰極功能層以及該多孔中間陰極層各自獨(dú)立地包括至少一個(gè)下組的成員，該組由基于亞錳酸鑭或基于鐵酸鑭的材料組成，并且其中該多孔陰極功能層進(jìn)一步包括至少一個(gè)選自下組的成員，該組由以下各項(xiàng)組成氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、二氧化鈰、以及氧化鈧。
9.如權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池，其中該陽(yáng)極層包括一個(gè)本體陽(yáng)極層以及將該本體陽(yáng)極層與該電解質(zhì)隔開(kāi)的一個(gè)多孔陽(yáng)極層。
10.如權(quán)利要求9所述的固體氧化物燃料電池，其中該本體陽(yáng)極層是致密的并且與該多孔陽(yáng)極層一起限定了至少一個(gè)基本上與該電解質(zhì)層平行的管道。
11.如權(quán)利要求10所述的固體氧化物燃料電池，其中該管道是部分地由該陽(yáng)極本體層內(nèi)的一個(gè)通道限定的。
12.—種固體氧化物燃料電池組件，包括a)至少兩個(gè)子組件，每個(gè)子組件獨(dú)立地包括至少一個(gè)子電池，其中每個(gè)子電池包括， i) 一個(gè)陽(yáng)極層， )在該陽(yáng)極層的表面之上的一個(gè)電解質(zhì)層，以及 iii)在該電解質(zhì)層的表面之上的一個(gè)陰極層，該陰極層包括， 在該電解質(zhì)層之上的一個(gè)多孔陰極功能層， 一個(gè)陰極本體層，以及將該陰極本體層與該多孔陰極功能層隔開(kāi)的一個(gè)多孔中間陰極層，該多孔中間陰極層具有的孔隙率大于該陰極本體層的孔隙率；以及 b)在相鄰的子組件之間的一個(gè)粘結(jié)層。
13.如權(quán)利要求12所述的固體氧化物燃料電池，進(jìn)一步包括，a)在至少一個(gè)子組件的末尾處的一個(gè)末端陽(yáng)極，以及b)將該子組件的子電池的末端陽(yáng)極與陰極隔開(kāi)的一個(gè)電連接體。
14.一種制造至少一個(gè)固體氧化物燃料電池的方法，包括以下步驟a)形成一個(gè)陽(yáng)極子部件，該陽(yáng)極子部件包括， i) 一個(gè)陽(yáng)極層；以及 )在該陽(yáng)極層之上的一個(gè)電解質(zhì)層；b)形成一個(gè)陰極子部件，該陰極子部件包括 i) 一個(gè)陰極層；以及 )在該陰極層之上的一個(gè)連接體層；并且c)將該陽(yáng)極子部件與該陰極子部件結(jié)合，由此該陰極層鄰接該電解質(zhì)層，從而形成該固體氧化物燃料電池。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括在將該陽(yáng)極子部件與該陰極子部件結(jié)合之前在該電解質(zhì)層處形成一個(gè)多孔陰極功能層的步驟，并且其中該陰極層是一個(gè)陰極本體層。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟在該陽(yáng)極子部件與該陰極子部件之間插入一個(gè)多孔中間陰極層，并且然后將該結(jié)合的子部件進(jìn)行燒制以由此形成該固體氧化物燃料電池。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中該多孔中間陰極層具有的孔隙率大于該陰極本體層的孔隙率。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中該多孔中間陰極層的燒結(jié)溫度低于該陰極本體層的孔隙率。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其中該陰極子部件的陰極層限定了至少一個(gè)鄰接該多孔中間陰極層的通道。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中該陽(yáng)極子部件以及該陰極子部件中的至少一個(gè)是通過(guò)一種包括燒結(jié)的方法形成的。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中該陽(yáng)極子部件以及該陰極子部件是通過(guò)一種方法結(jié)合的，該方法包括將一個(gè)位于該陽(yáng)極子部件與該陰極子部件之間的多孔陰極功能層的生坯前體在一個(gè)溫度下燒結(jié)，該溫度低于對(duì)該陽(yáng)極子部件以及該陰極子部件進(jìn)行燒結(jié)時(shí)的溫度。
全文摘要
一種固體氧化物燃料電池包括一個(gè)陽(yáng)極層、在該陽(yáng)極層的表面之上的一個(gè)電解質(zhì)層，以及在該電解質(zhì)層的表面之上的一個(gè)陰極層。該陰極層包括一個(gè)陰極本體層、在該電解質(zhì)處的一個(gè)多孔陰極功能層、將該陰極本體層與該多孔陰極功能層隔開(kāi)的一個(gè)中間陰極層，該多孔中間陰極層具有的孔隙率大于該陰極本體層的孔隙率。這些固體氧化物燃料電池可以結(jié)合以形成粘結(jié)到一起而形成固體氧化物燃料電池組件的子組件。
文檔編號(hào)H01M8/12GK102265441SQ200980153020
公開(kāi)日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者C·J·雷利, 林 G·, Y·納倫達(dá) 申請(qǐng)人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司