專利名稱：氧化物陶瓷高溫燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫固體氧化物燃料電池，尤其涉及一種旋轉(zhuǎn)對稱的高溫固體氧化物燃料電池。
背景技術(shù)：
已經(jīng)有高溫固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cells, SOFC)的概念記載在技術(shù)文獻(xiàn)(Fuel Cell Handbook 7th edition, EG&G Services, Inc. U. S. Department of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, Morgantown, West Virginia, November 2004 ；Handbook of Fuel Cells Fundamentals, Technology and Application, Wolf Vielstich, Hubert A. Gasteiger, Arnold Lamm, 2003 John Wiley & Sons，Ltd.)中；他們包括管狀、平面狀和單片狀的電池結(jié)構(gòu)。管狀結(jié)構(gòu)的一種具體情況是微型管結(jié)構(gòu)，其特征在于相對于高溫梯度極為穩(wěn)定并且還具有快速循環(huán)能力。進(jìn)一步地，通過具有更高的表面積體積比，從而改善了體積功率密度(High Temperature Solid Oxide Fuel Cells !Fundamentals, Design and Applications ； S. C. Singhal et al. ；ISBN 1856173879 ；Elsevier Ltd.，2003，Oxford)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是從已知的電池概念出發(fā)，改善他們的電接觸性、機(jī)械穩(wěn)定性及氣體擴(kuò)散性，并且改善燃料電池結(jié)合到反應(yīng)器中的能力。該目的通過權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)實現(xiàn)。本發(fā)明所述燃料電池系統(tǒng)實施例的進(jìn)一步優(yōu)點可從從屬權(quán)利要求看出。如下所述實施例的各個特征可以在本發(fā)明的框架內(nèi)彼此獨立地實現(xiàn)，也就是說， 他們不必嚴(yán)格依照舉例中所示的特征組合來實施。本發(fā)明的基本思想是設(shè)計電池的氣體通道和/或沿氣體通道的長度圍繞氣體通道的基板，使其具有變化的截面相對于無變化的截面，這種設(shè)計可以改善電氣連接性、改善氣體擴(kuò)散性以及機(jī)械穩(wěn)定性，并能夠減少損耗以及改進(jìn)了隨后安裝到堆疊結(jié)構(gòu)中的可能性，堆疊結(jié)構(gòu)確定了多個單燃料電池的電氣及氣體的組合，以形成反應(yīng)器單元。因此，一種根據(jù)本發(fā)明所述的氧化物陶瓷高溫燃料電池具有一個或多個至少一端開放的氣體通道；基板，至少部分，優(yōu)選全部圍繞所述氣體通道；所述氣體通道和/或圍繞所述氣體通道的基板沿所述氣體通道的縱軸觀察時具有變化的截面，優(yōu)選錐形的截面。本發(fā)明所述燃料電池的特征在于改進(jìn)的幾何形狀，采用在燃料電池的長度上具有變化截面的形式。具體地，本發(fā)明所述旋轉(zhuǎn)對稱的高溫固體氧化物燃料電池在燃料電池基板的長度上具有變化截面，從而改善電池的氣體擴(kuò)散性、電氣導(dǎo)電性及機(jī)械強(qiáng)度。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述燃料電池優(yōu)選變形是將在后續(xù)進(jìn)行詳細(xì)介紹的改進(jìn)的幾何形狀，使其能夠有利于將高溫固體氧化物燃料電池結(jié)合到堆疊系統(tǒng)中，因為他們尤其有利于實現(xiàn)電池的密封。
能夠?qū)崿F(xiàn)簡化安裝的可能的設(shè)計特征可以為螺紋、延長部或凹槽，說明如下。本發(fā)明所采用的內(nèi)螺紋或外螺紋能夠?qū)崿F(xiàn)形狀匹配連接，因此簡化了電池與堆疊結(jié)構(gòu)之間連接的密封過程，并且當(dāng)螺紋包含電子導(dǎo)電材料時，還進(jìn)一步減少了從電池到堆疊結(jié)構(gòu)的傳輸損耗。根據(jù)本發(fā)明，適合于采用夾緊連接和/或插入連接到堆疊結(jié)構(gòu)的延長部也可以改善集成能力，因為夾緊連接也以具有精確配合的過渡為特征。本發(fā)明的進(jìn)一步可能性體現(xiàn)在延長部上，該延長部適合于簡化粘合連接、焊料連接或焊接連接到堆疊結(jié)構(gòu)，例如可以通過擴(kuò)張基板的相應(yīng)端部并設(shè)置環(huán)狀物來實現(xiàn)，引入環(huán)狀物為了容納粘合劑，或者例如通過銀環(huán)實現(xiàn)，當(dāng)熔化時達(dá)到密封且接觸焊料。本發(fā)明所述凹槽用于盛放密封材料，例如可以引入具有精確配合的銀環(huán)，這有利于密封電池與堆疊結(jié)構(gòu)之間的連接，因為這些環(huán)狀物能夠可選地在將電池焊接到堆疊結(jié)構(gòu)中時被固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，從而在實現(xiàn)密封時不會相對于預(yù)設(shè)位置發(fā)生錯位。本發(fā)明進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)特征是改善了電池與堆疊結(jié)構(gòu)之間的密封性及接觸性，該特征表現(xiàn)為延長部，用于被結(jié)合到堆疊結(jié)構(gòu)的相應(yīng)的相反形狀中。如果本發(fā)明的設(shè)計特征，例如延長部、螺紋和/或凹槽是導(dǎo)電的，則通過擴(kuò)大電池與堆疊結(jié)構(gòu)的電流放電單元之間的接觸面(例如接觸板)，還可以進(jìn)一步改善電氣接觸并降低傳輸阻抗。由同種材料制成的具有上述設(shè)計特征的基板是有利的，這尤其可以避免接合部位，以及由這些結(jié)合部位產(chǎn)生的如不密封、剝離等問題。該基板及其它可選的設(shè)計元件可以由金屬、陶瓷和/或金屬與陶瓷(例如金屬陶瓷)的混合物制成。一方面，他們可以采用適合于作為陽極材料的材料，例如由金屬(優(yōu)選鎳)和至少一種離子和/或電子導(dǎo)電的陶瓷材料制成的金屬陶瓷。摻雜鋯氧化物(例如摻雜有釔和/或釤和/或鈧)和/或摻雜鈰氧化物(例如摻雜有釓和/或鈧)，此處作為陶瓷材料的例子；還可以進(jìn)一步包含金屬，具體為銅、鈷和/或其他過渡金屬和/或合金。另一方面，也可以是適合于作為陰極的材料。在此情況下，尤其可以使用下述化合物鐵酸鹽，如LSCF (Lanthanum Strontium Cobalt i^errate，鑭鍶鈷鐵酸鹽)；錳酸鹽，如 LSM(Lanthanum Strontium Manganate,鑭銀猛酸鹽)禾口 LCM(Lanthanum Calcium Manganate，鑭鈣錳酸鹽)，鎳酸鹽和/或鈷酸鹽(如LSC)。尤其優(yōu)選從鈣鈦礦構(gòu)成的組中選取的化合物?？梢钥紤]采用金屬，尤其是高溫合金，如鐵索體鉻鋼(Crofer 22 APU) ACrTiLi^2作為電子導(dǎo)電載體用作基板的材料，從而用于所述設(shè)計特征。本發(fā)明的較佳實施例通過權(quán)利要求12實現(xiàn)。在該方面，具有氣密性涂層的氣體通道保證進(jìn)入氣體被強(qiáng)制流動到基板的端部，隨后通過整個基板釋放氣體/廢氣。所述氣密性涂層位于所述氣體通道的側(cè)壁。其最好為陶瓷層，優(yōu)選由電解質(zhì)材料制成。此處所設(shè)置的氣體通道如其他實施例所述(參見如下內(nèi)容)；區(qū)別僅在于基板在一端封閉。為了實現(xiàn)透氣性的孔隙率達(dá)到10%和90%之間，優(yōu)選25% 50% ；優(yōu)選的孔直徑為0. 5 μ m和100 μ m 之間。本發(fā)明進(jìn)一步重要的特征和優(yōu)點可參見從屬權(quán)利要求、附圖及參照附圖的


。應(yīng)當(dāng)理解的是，前述特征及以下要解釋的特征不僅能用在各個給定組合中，還能用在其他組合中或單獨使用，也不脫離本發(fā)明的框架。

以下參照圖1至圖15進(jìn)一步地詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
具體實施例方式舉例1 圖1為顯示具有管狀基板1的高溫燃料電池的示意圖，該管狀基板1圍繞錐形氣體通道2且截面貫穿通道的縱軸(虛線)，此處的管狀基板1被作為電池的陽極，但也可以代表陰極。所述氣體通道從電池的一端到另一端以1°的角度逐漸變細(xì)，使得該氣體通道在一端的直徑為1000 μ m,而在另一端的直徑為500 μ m。這種錐形的逐漸變細(xì)結(jié)構(gòu)改善了氣體擴(kuò)散性，并在電極的較厚側(cè)減少了歐姆損
^^ ο舉例2 圖2顯示了本發(fā)明另一高溫燃料電池的相應(yīng)截面圖，但此處具有錐形變細(xì)的基板 1，其變細(xì)角度對應(yīng)為5°，并且還具有管狀氣體通道2，此處被制為園柱形，也就是不變細(xì)。 使三相界面(Triple Phase Boundary，簡稱TPB)得到擴(kuò)大，因此通過這種設(shè)計改進(jìn)了電池性能。舉例3 圖3顯示了對應(yīng)于舉例2的管狀高溫燃料電池的相應(yīng)截面圖，但此處具有錐形基板1，用作內(nèi)電極，并具有氣體通道2，額外具有外電極4以及電解質(zhì)3，該外電極4具有與內(nèi)電極適配的內(nèi)圓錐。因此，所示燃料電池的外圍對應(yīng)于圓柱形。使TPB得到了相當(dāng)大地擴(kuò)大，通過這種結(jié)構(gòu)改進(jìn)了電池性能。舉例4 圖4顯示了高溫燃料電池的相應(yīng)截面圖，該高溫燃料電池在兩側(cè)開口，并且其直徑沿縱向氣體通道軸(虛線)從一端到另一端在兩個臺階處突然縮小。此處的基板被制成內(nèi)電極，其上涂布有電解質(zhì)3。具有圓柱狀外形的相適配的反電極4設(shè)置遠(yuǎn)離內(nèi)電極的 (朝外設(shè)置的)一側(cè)的電解質(zhì)上。此處，位于基板1內(nèi)的氣體通道被制成圓柱形，也就是不變細(xì)。另外，進(jìn)一步沿電池的縱軸或氣體通道2的縱軸往反電極4中引入多個氣體通道5。 通過反電極4的臺階狀變厚以及內(nèi)電極相對于反電極的突出，能夠改善電氣連接性以及安裝時的密封性。圖5和圖6顯示了對圖4所示高溫燃料電池的改進(jìn)，該高溫燃料電池具有更薄的反電極4，并為一個或兩個電極1和4設(shè)置有額外的電極接觸6。所述反電極被制成薄層(IOOnm Imm)。所述電極接觸包括圍繞該電極的環(huán)狀物以及從環(huán)狀物引出的導(dǎo)線。圖7顯示了對圖1所示高溫燃料電池的改進(jìn)，該高溫燃料電池在基板1內(nèi)具有錐形氣體通道2，并在電池的一端具有螺紋7，所述氣體通道朝螺紋7 —端變寬。這改善了組合成堆疊結(jié)構(gòu)的集成性，并有利于氣體密封。另外，也改善了電氣接觸性。所述螺紋在各種情況中位于基板的端部和/或起始部且圍繞部分氣體通道，通過制造該螺紋使電池適配到堆疊或連接件的相應(yīng)對接件中。圖8和圖9顯示了對圖3所示高溫燃料電池的改進(jìn)，其中包括具有氣體通道2的錐形基板1、電解質(zhì)3及相適配的外電極4。另外，在各種情況中，用于兩個電極的螺紋7位于電池兩端。圖10和圖11顯示了基板或承載結(jié)構(gòu)1的進(jìn)一步優(yōu)選實施例的截面圖，以便具有更好的組合成堆疊系統(tǒng)的集成能力。此處的該基板可以為承載結(jié)構(gòu)、電解質(zhì)或電極。圖12顯示了具有封閉端的管狀高溫燃料電池的截面。此處，通過基板1內(nèi)的供氣體流經(jīng)的通孔8實現(xiàn)了向內(nèi)供氣，并且該通孔8的內(nèi)側(cè)設(shè)置有防漏層9。通過這種具體的設(shè)計，改善了組合成堆疊結(jié)構(gòu)的集成性以及氣體的密封性。圖13顯示了圖12所示具有封閉端的管狀高溫燃料電池的截面，提供了額外的高透氣性氣體通道5，以保證氣體回流。圖14顯示了 SOFC的截面，該SOFC具有一端封閉的錐形基板1、電解質(zhì)3和幾何適配的反電極4，以及用于向內(nèi)供氣的通孔8和用于兩個電極的額外的氣體通道5，該通孔 8的內(nèi)部以防漏的方式進(jìn)行涂布。圖15顯示了一側(cè)封閉的SOFC的截面圖，該SOFC的基板直徑以臺階狀縮小，該 SOFC具有以防漏方式涂布的氣體入口 10、電解質(zhì)3和幾何適配的反電極4以及額外的氣體通道5。此處的基本特征是一側(cè)封閉的基板，與內(nèi)部氣體通道相結(jié)合，該內(nèi)部氣體通道具有防漏涂層，并在端部的內(nèi)層中具有通孔，以保證氣體入口進(jìn)入基板。
權(quán)利要求
1.一種氧化物陶瓷高溫燃料電池，具有一個或多個至少一端開放的氣體通道O)，其特征在于所述燃料電池具有基板(1)，至少部分，優(yōu)選全部圍繞所述氣體通道；以及所述氣體通道和/或圍繞所述氣體通道的基板沿所述氣體通道的縱軸觀察時具有變化的截面，優(yōu)選錐形變細(xì)的截面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述基板(1)形成所述燃料電池的陽極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述基板(1)形成所述燃料電池的電解質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述基板(1)形成所述燃料電池的陰極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述基板(1)形成電子放電結(jié)構(gòu)和/或燃料電池的承載結(jié)構(gòu)，所述電子放電結(jié)構(gòu)不屬于所述陽極也不屬于所述陰極，所述承載結(jié)構(gòu)不屬于所述陽極、不屬于所述陰極也不屬于所述電解質(zhì)，其中，所述電子放電結(jié)構(gòu)和/或所述承載結(jié)構(gòu)優(yōu)選具有100 μ m 3000 μ m的壁厚，更優(yōu)選具有100 μ m 1000 μ m的壁厚，和/ 或優(yōu)選具有IOmm IOOOmm的長度，該長度更優(yōu)選位于30mm和IOOmm之間。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池，僅包括一個旋轉(zhuǎn)對稱的氣體通道，其中，所述基板沿著所述氣體通道的外圍至少部分，優(yōu)選全部旋轉(zhuǎn)對稱地圍繞所述氣體通道。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池，其特征在于至少一個錐形的氣體通道。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池，其特征在于，至少一個基板片段至少部分圍繞至少一個氣體通道且呈錐形地變細(xì)，或者特征在于錐形基板。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池，其特征在于，所述基板片段或所述基板沿所述氣體通道的縱軸方向具有至少一個臺階，優(yōu)選兩個或更多臺階，在所述臺階處，中間的基板片段的直徑或基板直徑沿垂直于所述氣體通道縱軸的方向突然改變。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池，其特征在于，所述中間的基板片段的直徑或所述基板直徑在沿所述氣體通道的縱軸方向上，在彼此空間分離的至少兩個彼此相接的臺階處突然變小。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池，其特征在于，至少一個設(shè)計特征被制成、形成和/或設(shè)置為如下結(jié)合到所述基板中的內(nèi)螺紋或外螺紋；和/或所述基板的延長部和/或適于形成用于包含有所述燃料電池的堆疊結(jié)構(gòu)的夾緊連接和/或插入連接，和/或適于形成用于這種堆疊結(jié)構(gòu)的粘合連接、焊料連接或焊接連接，和/或適于被結(jié)合到這種堆疊的相應(yīng)的相反形狀中；和/或電子導(dǎo)電且適于通過擴(kuò)大所述燃料電池與所述堆疊結(jié)構(gòu)的電流放電單元之間的接觸面來擴(kuò)大燃料電池和這種堆疊結(jié)構(gòu)的電流放電單元之間的電氣接觸，從而降低對應(yīng)于電氣接觸的傳輸阻抗； 和/或結(jié)合到所述基板中的凹槽，優(yōu)選用于簡化所述燃料電池與所述反應(yīng)器之間連接的防漏；其中，所述設(shè)計特征優(yōu)選被制成所述陽極的部分、所述電解質(zhì)的部分，所述陰極的部分、所述電子放電和/或所述燃料電池的承載結(jié)構(gòu)片段。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池，其特征在于，一個或多個氣體通道在一端開放，并分別在相對設(shè)置的一端封閉；以及至少一個額外的供氣部，優(yōu)選被制成內(nèi)部涂布的供氣部和/或多孔體。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池，其特征在于，所述基板被制成所述燃料電池的電極；所述基板的材料和/或與由所述基板形成的電極相反的反電極的材料適合于陽極材料和/或位于固體氧化物燃料電池的陽極側(cè)的流導(dǎo)體；和/或包含或取材于金屬、合金、陶瓷材料，或者由至少一種金屬構(gòu)成的混合物，或者由至少一種合金與至少一種陶瓷材料構(gòu)成的混合物。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池，其特征在于，至少一種所述金屬為過渡元素金屬，優(yōu)選第5、第6、第7、第8或第1過渡組中的元素，尤其優(yōu)選鎳、銅、鐵、鈷、鉬或鉻，或稀有金屬，具體為銀、鉬、鈀、銠、銥或金；和/或所述陶瓷材料包含或取材于離子和/或電子導(dǎo)電材料，具有螢石結(jié)構(gòu)或鈣鈦礦結(jié)構(gòu)， 所述陶瓷材料優(yōu)選包含或取材于從摻雜鋯氧化物和/或摻雜鈰氧化物和/或摻雜鉍氧化物和/或摻雜五倍子酸鹽構(gòu)成的組中選出的陶瓷材料；和/或所述燃料電池的電子導(dǎo)電載體包含或取材于銅或超合金，最好基于Mn、W、Co、Al、Ni、 Fe、Cr、Mo、Re、Ti、Zr、Ru、Ta、Nb、B 禾口 / 或 C。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池，其特征在于，所述基板的材料包含和 /或取材于陰極材料，和/或位于固體氧化物燃料電池的陰極側(cè)的流導(dǎo)體，和/或陶瓷材料，和/或金屬。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池，其特征在于，所述金屬為在所述燃料電池的運(yùn)行及制造條件下相對于氧化具有穩(wěn)定性的金屬和/ 或合金；和/或所述金屬包括稀有金屬，具體為銀、鉬、鈀、銠，銥或金和/或高溫合金，具體為高溫銅或超合金，最好基于 Mn、W、Co、Al、Ni、!^e、Cr、Mo、Re、Ti、Zr、Ru、Ta、Nb、B 和 / 或 C ；和/或所述陶瓷材料包含或取材于至少一種離子和/或電子導(dǎo)電化合物，最好選自化合物類鈣鈦礦和/或選自由摻雜鐵酸鹽和/或摻雜錳酸鹽和/或摻雜鈷酸鹽和/或摻雜鉻酸鹽和 /或摻雜鎳酸鹽構(gòu)成的組；和/或所述陶瓷包括一種前述化合物與摻雜鋯氧化物和/或摻雜鈰氧化物和/或摻雜鉍氧化物和/或摻雜五倍子酸鹽的組合。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池，其特征在于，所述基板的材料適合于導(dǎo)電載體材料且最好包括高溫合金。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池，其特征在于，所述基板被制成陽極或陰極；并且所述基板的反電極，即陰極或陽極，以前述權(quán)利要求中任一項所述基板的形式制成。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池，其特征在于，所述基板和/或所述反電極采用注射成型的方式制成。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池，其特征在于，所述基板和/或所述反電極采用消失模鑄(lost mold casting)或持久模(lasting mold)的方式制成。
21.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池，其特征在于，所述基板和/或所述反電極采用擠塑方式制成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高溫固體氧化物燃料電池，尤其涉及一種旋轉(zhuǎn)對稱的高溫固體氧化物燃料電池。這種新型的氧化物陶瓷高溫燃料電池具有一個或多個至少一端開放的氣體通道。該燃料電池具有基板，該基板至少部分，優(yōu)選全部圍繞所述氣體通道。所述氣體通道和/或圍繞所述氣體通道的基板沿所述氣體通道的縱軸觀察時具有變化的截面，優(yōu)選錐形變細(xì)的截面。
文檔編號H01M8/24GK102449839SQ201080023377
公開日2012年5月9日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月28日
發(fā)明者卡特林·克萊因, 格哈德·布欣格爾, 薩沙·屈恩 申請人:埃茲勒隆股份有限公司