具有致密阻擋層的固體氧化物燃料電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]總體而言，本發(fā)明涉及固體氧化物燃料電池或其它多層多孔陶瓷裝置，具體而言， 涉及減少此類裝置中的漏氣的致密阻擋層。
【背景技術(shù)】
[0002] 固體氧化物燃料電池（S0FC)為通過化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的裝置。圖1示出了包括陰極 層102、陽極層106和電解質(zhì)層104的常規(guī)S0FC子電池。燃料電池通常以其電解質(zhì)材料為 特征，其中S0FC具有固體氧化物或陶瓷電解質(zhì)。
[0003] 在S0FC的運行過程中，氧化劑（通常是空氣）通過由陰極102限定的多個空氣通 道120進給，而燃料如氫氣（?)通過由陽極106限定的多個燃料通道121進給。氧化劑通 道和燃料通道可相對于彼此以直角取向。陽極層和陰極層由電解質(zhì)層104分開。在運行過 程中，氧化劑在陰極處被還原為氧離子。這些氧離子可然后擴散通過固體氧化物電解質(zhì)到 達陽極，在這里，它們可以電化學(xué)方式氧化燃料。在此反應(yīng)中，將放出水副產(chǎn)物以及兩個電 子。這些電子被輸運通過陽極到達外電路（未示出）并然后返回陰極，從而在外電路中提 供電能的源。
[0004] 外電路中電子的流動通常提供大約1. 1伏特的電勢。為生成更大的電壓，燃料電 池通常布置為由大量的一個一個電池構(gòu)成的"層疊體"，緊鄰的電池之間有著"互連的"連接 和傳導(dǎo)電流。如下文中更詳細地描述，圖2中示出的層疊體設(shè)計為平板或"平面"S0FC，其 中兩個單獨的"電池"示意為以重復(fù)的序列布置。電池由互連208、216分開，互連208、216 用來串聯(lián)地連接每一個電池以便可合并每一個電池生成的電。
[0005] 燃料電池制造中一個持續(xù)的挑戰(zhàn)在于防止在燃料電池內(nèi)和從燃料電池漏氣。漏氣 因若干原因而成問題。為獲得一定的功率，需要氧對氫的化學(xué)計量比大于或等于一。若在 空氣側(cè)上有嚴重的泄漏，則氫的量可能相對于氧過量并且燃料電池的性能將變差。氫或其 它燃料氣體泄漏可能因爆炸的危險性而甚至更顯著。此外，如果漏氫與陰極材料接觸，則陰 極自身可能因氫還原而永久地受損。這將不僅損害陰極層的電性質(zhì)，而且可能導(dǎo)致陰極層 的體積膨脹（溶脹），這可能導(dǎo)致層疊體的完全失效。最后，燃料或氧化劑的泄漏可能分別 減小燃料利用率或空氣利用率。
[0006] 因此，需要具有減少的漏氣的改進的固體氧化物燃料電池層疊體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明總的涉及具有致密阻擋層的固體氧化物燃料電池，所述致密阻擋層形成在 燃料電池層疊體中頂部和底部電極層的外表面處或附近。致密阻擋層（DBL)起到密封的作 用以防止電極層中的氣體（陰極層中的空氣或陽極層中的燃料氣體）通過最外電極層的外 表面從層疊體泄漏出。DBL與多孔外陰極層一起使用將減少逃逸出層疊體的空氣的量，這繼 而可減少層疊體內(nèi)低氧分壓區(qū)域的存在。這將防止因陰極材料的還原所致的陰極損壞。當 與陽極層一起使用時，DBL將增大燃料向電極中的所需流動并還有助于防止燃料氣體在層 疊體外可能不安全的積聚。
[0008] 前面已相當廣義地羅列了本發(fā)明的特征和技術(shù)優(yōu)勢以便隨后的本發(fā)明詳細描述 可得到更好的理解。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)勢將在后文描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，所 公開的概念和具體實施例可容易地用作改變結(jié)構(gòu)或設(shè)計其它結(jié)構(gòu)以實施本發(fā)明的相同目 的的基礎(chǔ)。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)認識，這樣的等價構(gòu)造不偏離如附隨的權(quán)利要求書中所陳 述的本發(fā)明精神和范圍。
【附圖說明】
[0009] 參考附圖，本發(fā)明可得到更好的理解，并且其眾多特征和優(yōu)勢對于本領(lǐng)域技術(shù)人 員將顯而易見。
[0010] 圖1示出了固體氧化物燃料電池中的單個子電池。
[0011] 圖2示意了典型的固體氧化物燃料電池層疊體的一個示例性實施例。
[0012] 圖3為圖示，示出了現(xiàn)有技術(shù)燃料電池中通過頂部和底部電極的氣流。
[0013] 圖4為圖示，示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的燃料電池中通過頂部和底部電極的氣 流。
[0014] 圖5為根據(jù)本發(fā)明的實施例具有致密阻擋層的兩電池層疊體的照片，所述致密阻 擋層形成在頂部和底部陰極層內(nèi)。
[0015] 圖6a、6b和6c為致密阻擋層（DBL)和沿DBL的長度上不同位置處所取陰極本體 層的拋光橫截面的圖像。
[0016] 圖7為比圖8相對較薄的DBL的拋光橫截面的圖像。
[0017] 圖8為比圖7相對較厚的DBL的拋光橫截面的圖像。
[0018] 圖9為夾層構(gòu)型中DBL和過渡層的拋光橫截面的圖像。
[0019] 附圖非意在按比例繪制。在附圖中，不同的圖中示意的每一個相同或接近相同的 部件由相似的數(shù)字表示。出于清楚的目的，不是每一個部件都可在每一個附圖中有標識。
【具體實施方式】
[0020] 本發(fā)明可在固體氧化物燃料電池（S0FC)系統(tǒng)中使用。S0FC提供高效率發(fā)電、同 時低排放低噪音地運行的可能。它們還被視為提供電效率、熱電聯(lián)產(chǎn)效率和燃料處理簡單 性的有利組合。S0FC的用途的一個例子為在家庭或其它建筑物中。S0FC可使用與用來為 家庭供暖的燃料相同的燃料，例如天然氣。S0FC系統(tǒng)可長時間運行以發(fā)電而為家庭供電并 且如果生成過量的量，則過量的可賣到電網(wǎng)。另外，在S0FC系統(tǒng)中生成的熱是高品質(zhì)的并 因此可用來為家庭提供熱水。在其中電能服務(wù)不可靠或不存在的地區(qū)中，S0FC可能特別有 用。
[0021] 如上面所討論，可能非常難以防止固體氧化物燃料電池中的漏氣。當漏氣發(fā)生時， 所產(chǎn)生的問題可能從性能下降到災(zāi)難性層疊體失效不等。申請人已發(fā)現(xiàn)，在一些固體氧化 物燃料電池層疊體中，漏氣的一個重要來源是燃料電池層疊體的頂部和底部上的多孔電極 層。
[0022] 圖2示意了典型的固體氧化物燃料電池層疊體的一個示例性實施例。該層疊體包 括由中間層204、208、212和216分開的電極層202、206、210、214和218。中間層可包括電 解質(zhì)層和互連層。為使固體氧化物燃料電池起作用，致密電解質(zhì)層必須將兩個多孔電極分 開。一個一個電池由導(dǎo)電的互連層串聯(lián)地連接于一起，使得每一個電池生成的電可被合并。 為清楚起見，圖2中的層疊體示意為僅具有兩個子電池。事實上，燃料電池層疊體可具有適 于該層疊體的特定任務(wù)的電池數(shù)量，這常常需要在每一個層疊體中有許多子電池。另外，圖 2示出了形成在每一個電極層中的多個通道。然而，在一些實施例中，一些或甚至全部電極 可具有更少的通道或不具有通道，而在一些實施例中，一些或甚至全部電極也可具有更多 的通道。
[0023] 每一多孔電極層也可包括通道220。取決于電極的類型，氧化劑氣體或燃料氣體將 流動通過通道220并且離子將被輸運過電解質(zhì)層。雖然可能并且在許多情況下向電池供給 更復(fù)雜的氣體，如分別為天然氣/丙烷和天然氣/空氣，但基本要求僅是氫和氧。電極為電 子導(dǎo)體并且需要自電池收集直流電。
[0024] 在一個特別的實施例中，電極202為陰極并且電極206為陽極。陽極206和陰極 202由電解質(zhì)204分開以形成單個固體氧化物燃料電池222,其有時被稱為子電池。層疊電 池于彼此之上并經(jīng)由電互連層連接它們將產(chǎn)生層疊體。導(dǎo)電互連層形成在每一對相鄰電池 的陽極層與陰極層之間來串聯(lián)地連接電池以便可合并每一個電池生成的電。在此特別的實 施例中，互連層208連接電池222的陽極206到相鄰電池224的陰極210。
[0025] 電解質(zhì)204對陽極206中的氧化物氣體和陰極202中的燃料氣體的分離將產(chǎn)生氧 分壓梯度。此梯度使得氧離子被輸運過電解質(zhì)204并與燃料反應(yīng)。類似地，陽極214由另 一電解質(zhì)212與陰極210分離。同樣，氧離子可被輸運過電解質(zhì)212而在陰極210和陽極 214之間引起電勢。此樣式可重復(fù)多次以形成具有大量一個一個電池的層疊體。導(dǎo)電互連 層形成在每一對相鄰的層疊電池的陽極層和陰極層之間來串聯(lián)地連接電池以便可合并每 一個電池生成的電。增大電池的數(shù)量將增大層疊體的Z-軸尺寸。層疊體的X和Y軸可獨 立于Z-軸增大。
[0026] 在一些實施例中，層疊體中可有偶數(shù)數(shù)量的交替陽極層和陰極層以便最終的層疊 體將在一個方向上（圖2中示出的層疊體頂部上）具有陰極層作為最外電極層而在另一個 方向上（圖2中示出的層疊體底部上）具有陽極層作為最外電極層。如本文所用，術(shù)語"頂 部"和"底部"僅是為了方便，因為層疊體可沿任何方向取向。本文將使用術(shù)語"外電極層" 或"最外電極層"或類似術(shù)語來指層疊體中的第一和最后一個電極層（圖1和2的取向上 的頂部和底部電極層）。
[0027] 在一些情況下，可能期望一種類型的電極比另一種類型的電極多一個。例如，有時 可能期望層疊體的兩個暴露的端層為陰極層，因為陰極層在空氣中穩(wěn)定，而陽極層如果暴 露于空氣將氧化。有時還有利的是在層疊體的頂部和底部上具有相同類型的電極層以便在 制造工藝過程中具有對稱性。相應(yīng)地，在其它實施例中，如圖2中示出的層疊體，陰極層可 比陽極層多一個。因此，頂部電極層（在圖2的取向上）和底部電極層二者均將為陰極層。 在其它實施例中，情況也可相反：陽極層比陰極層多一個使得頂部和底部電極均為陽極層。
[0028] 圖2不出了總共具有五個電極層的實施例。分開五個電極層中的每一對相鄰電極 層的是電解質(zhì)或互連。對于總共具有五個電極層的2-電池層疊體，將有兩個電解質(zhì)層和兩 個互連層。陽極和陰極層有意做成足夠多孔以允許氣體在層的結(jié)構(gòu)內(nèi)流動，但兩個層還優(yōu) 選具有通道以便氣體流入電極中。電解質(zhì)層和互連層優(yōu)選比電極層致密并且在很大程度上 是氣體不透性的。頂部和底部表面（圖2中頂部和底部陰極層202和218的最外表面）被 稱為集電體表面226,因為它們?yōu)殡娏鲝膶盈B體取出（"收集"）的位置。
[0029] 對于燃料電池層疊體，如圖2中示出的那個（具有陰極層作為層疊體中的頂部和 底部電極層），申請人所進行的測量顯示"通流"（定義為通過通道離開層疊體的氣體的體 積除以向?qū)盈B體計量加入的氣體的體積）對于陰極層的總和來說驚人地小。雖然對于陽極 層的總和來說測得通流上升至90-95%，但陰極僅取得30-50%。當消除了其它來源的泄漏 時，發(fā)現(xiàn)泄漏出層疊體的大多數(shù)空氣完全獨立于歧管系統(tǒng)和密封地通過層疊體的集電體表 面逃逸。
[0030] 申請人發(fā)現(xiàn)的泄漏現(xiàn)象示于圖3中。圖3中的S0FC為具有三個陰極層和兩個陽 極層的五電極層層疊體。電極層如圖2中所示由電解質(zhì)層或互連層分開。申請人發(fā)現(xiàn)大百 分數(shù)的流入頂部和底部陰極層中的通道中的空氣流動通過多孔陰極材料并實際上通過上 部和下部集電體表面從層疊體泄漏出，從而導(dǎo)致層疊體失效。
[0031] 此泄漏據(jù)信是由于缺乏致密表面層來抑制氣體流出多孔電極層。由于背壓的增 大，所述泄漏將因較高