用于固體氧化物燃料電池的粘結層的制作方法
【技術領域】
[0001]本公開通常涉及固體氧化物燃料電池或其他多層多孔陶瓷裝置，并特別地涉及用以將燃料電池堆接合在一起的粘結層。
【背景技術】
[0002]固體氧化物燃料電池(SOFC)為通過化學反應而發(fā)電的裝置。圖1顯示了常規(guī)SOFC電池，其包括正極層102、負極層106和電解質層104。燃料電池通常特征在于它們的電解質材料，且SOFC具有固體氧化物或陶瓷電解質。
[0003]在SOFC的操作過程中，氧化劑(通常為空氣)被供給通過由正極102限定的多個空氣通道120，而燃料(如氫氣(H2))被供給通過由負極106限定的多個燃料通道121。氧化劑通道和燃料通道可相對彼此以直角取向。負極層和正極層由電解質層104分隔。在操作過程中，氧化劑在正極被還原成氧離子。這些氧離子可隨后擴散通過固體氧化物電解質至負極，在負極處，這些氧離子可電化學氧化燃料。在該反應中，放出水副產(chǎn)物以及兩個電子。這些電子被傳輸通過負極至外部電路(未顯示)，然后回到正極，從而在外部電路中提供電能源。在外部電路中的電子流動通常提供大約1.1伏特的電勢。
[0004]為了產(chǎn)生更大的電壓，串聯(lián)組合大量的單個電池(每個電池由負極和正極組成，所述負極和正極由電解質層分隔)，從而可組合每個電池所產(chǎn)生的電力。在制造過程中，通常希望將多個電池組合成更大的單元(為了便利，在本文稱為“電池單元”)。圖2示出了固體氧化物燃料電池單元的一個示例性實施例。圖2的電池單元包括六個單獨的如圖1所示的電池(231、323、233、234、236和236)。如在圖1中所示的電池中那樣，被組合以形成圖2的電池單元的單獨的電池中的每一個包括由電解質層204分隔的正極層202(具有空氣通道220)和負極層206(具有燃料通道221)。使用互連層208組合單獨的電池。可隨后將這些具有特定功率輸出的單獨制造的單元組合在一起，以產(chǎn)生具有幾乎任何所需的總功率輸出的燃料電池堆。所需數(shù)量的單獨的電池單元堆疊在彼此的頂部并粘結在一起，以產(chǎn)生最終的固體氧化物燃料電池堆。
[0005]用于連接單獨的電池單元的粘結材料應該在燃料電池堆所承受的整個溫度范圍內是電連接的、透氣的、機械性強的且熱穩(wěn)定的。由于固體氧化物燃料電池堆的高要求操作條件，已證實滿足這些要求的理想粘結材料是難以捉摸的。
[0006]因此，需要用于將單獨形成的電池單元接合在一起以產(chǎn)生固體氧化物燃料電池堆的改進的粘結層。
【附圖說明】
[0007]通過參照附圖，本公開可更好地得以理解，且本公開的許多特征和優(yōu)點對于本領域技術人員而言是顯而易見的。
[0008]圖1顯示了固體氧化物燃料電池中的單個電池。
[0009]圖2示出了固體氧化物燃料電池單元的一個示例性實施例。
[0010]圖3顯示了由三個固體氧化物燃料電池單元的組合所獲得的固體氧化物燃料電池堆。
[0011]所附附圖不旨在按比例繪制。在附圖中，在各個圖中示出的每個相同或接近相同的部件由相同的數(shù)字表示。為了清楚的目的，在每個附圖中并未標記每個組件。
【具體實施方式】
[0012]本公開可用于固體氧化物燃料電池(SOFC)體系中。SOFC提供了以低排放和低噪音操作而高效率發(fā)電的可能性。它們也提供了電效率、聯(lián)產(chǎn)效率和燃料加工簡單性的有利組合。SOFC的用途的一個例子是在家中或其他建筑物中。SOFC可使用與用于加熱住宅相同的燃料，如天然氣。SOFC體系可運行長時間以發(fā)電，從而為住宅供電，如果產(chǎn)生過量，則可將過量的電銷售給電網(wǎng)。而且，SOFC體系中產(chǎn)生的熱量是高品質的，因此可用于提供用于住宅的熱水。SOFC可特別地用于供電不可靠或不存在的區(qū)域中。
[0013]為使固體氧化物燃料電池運行，致密電解質層必須分隔兩個多孔電極。電極為電導體，且必需從電池收集直流電。在圖1的特定實施例中，電極102為正極，電極106為負極。一個負極106和一個正極102由電解質104分隔的設置在本文稱為電池。
[0014]在下述制造過程中，通常希望將多個電池組合成更大的單元(為了便利，在本文稱為“電池單元”)。電池在彼此頂部堆疊，并經(jīng)由電互連層連接，以形成具有某個功率輸出的單獨制造的電池單元。電導互連層在每一對相鄰電池的負極層與正極層之間形成以串聯(lián)連接電池，從而可組合每個電池所產(chǎn)生的電力。圖2示出了具有六個單獨的正極-負極電池(231-236)的固體氧化物燃料電池單元的一個示例性實施例，每個正極-負極電池具有由電解質層204分隔的正極層202(具有空氣通道220)和負極層206(具有燃料通道221)。在特定實施例中，互連層208將一個電池的負極206連接至相鄰電池224的正極202。
[0015]可隨后將這些具有特定功率輸出的單獨制造的單元組合在一起，以產(chǎn)生具有幾乎任何所需的總功率輸出的燃料電池堆。所需數(shù)量的單獨的電池單元堆疊在彼此的頂部并粘結在一起，以產(chǎn)生最終的固體氧化物燃料電池堆。
[0016]圖2中的電池單元顯示為具有六個電池。實際上，燃料電池堆可具有適用于堆的特定工作的電池單元數(shù)量，每個電池單元可具有適用于工作的電池數(shù)量。如本文所述形成的典型的燃料電池具有大量的電池單元，每個電池單元具有多個電池。
[0017]每個多孔電極層也可包括通道220、221。取決于電極類型，氧化劑氣體或燃料氣體流動通過通道，離子被傳輸經(jīng)過電解質層。盡管更復雜的氣體(如分別的天然氣/丙烷和空氣)可供給至電池并在許多情況中供給至電池，但基本要求是僅有氫氣和氧氣。
[0018]參照圖2，在固體氧化物燃料電池的操作中，由電解質204分隔負極206中的氧化劑氣體和正極202中的燃料氣體產(chǎn)生氧氣分壓梯度。該梯度使得氧離子被傳輸經(jīng)過電解質204并與燃料反應。所述方式可被重復多次，以形成具有大量單獨的電池單元和電池的堆。
[0019]相鄰的堆疊電池必須被結合在一起并串聯(lián)電連接，從而可組合每個電池所產(chǎn)生的電力。增加電池數(shù)量會增加堆的Z軸尺寸。堆的X軸和Y軸可獨立于Z軸而增加。
[0020]在一些情況中，可能希望一種類型的電極比另一類型的電極多一個。例如，有時希望使堆的兩個暴露的末端層為正極層，因為正極層在空氣中穩(wěn)定，而負極層如果暴露于空氣則會氧化。這種設置在圖2的電池單元中顯示。有時也有利的是在堆的頂部和底部具有相同類型的電極層，從而在制造工程中存在對稱性。如本文使用的術語“頂部”和“底部”僅為了便利，因為堆可以以任何方向取向。術語“外部電極層”或“最外電極層”等在本文用于指堆中的第一電極層和最后電極層(在圖1和2的取向中的頂部和底部電極層)。
[0021]因此，在其他實施例(如圖2中所示的堆)中，正極層可比負極層多一層。因此，頂部電極層(在圖2的取向上)和底部電極層均為正極層。在其他實施例中，反之亦然，負極層比正極層多一層，使得頂部電極和底部電極均為負極層。圖2顯示了具有總共十三個電極層的實施例。電解質204或互連208分隔每個相鄰的電極層對。
[0022]為了產(chǎn)生具有所需功率輸出的最終固體氧化物燃料電池堆，將適當數(shù)量的具有特定功率輸出的單獨制造的電池單元組合在一起。在極簡單的實例中，如果制造的電池單元各自產(chǎn)生20瓦的功率輸出，且如果最終固體氧化物燃料電池堆的所需功率輸出為60瓦，則需要組合三個單獨制造的電池單元以產(chǎn)生所需功率輸出。圖3顯示了得自三個如圖2所示的電池單元(320a、320b、320c)的這種組合的結合的固體氧化物燃料電池堆310。
[0023]如下文詳細討論，用于將電池單元結合在一起的粘結層優(yōu)選在燃料電池堆所承受的整個溫度范圍內是電連接的、透氣的、機械性強的且熱穩(wěn)定的。如本文所用的術語“粘結層”指用于將兩個相同類型的電極層連接在一起的材料層。換言之，根據(jù)本文描述的特定實施例的粘結層將來自一個電池單元的外部正極層連接至另一電池單元的外部正極層(正極至正極)?；蛘?，粘結層可連接來自相鄰電池單元的負極層(負極至負極)。因此，粘結層可區(qū)分于“互連層”，如本文所用的互連層指連接來自相鄰電池的不同類型的電極層的層(正極至負極)。
[0024]用于正極的材料可包括亞錳酸鑭材料。正極可由摻雜的亞錳酸鑭材料制得，從而將鈣鈦礦類型的晶體結構提供給正極組成。因此，摻雜的亞錳酸鑭材料具有由式(LanAx)yMn03-s表示的一般組成，其中摻雜劑材料由“A”表示，并在鈣鈦礦晶體結構的A位點上在材料內替代鑭(La)。摻雜劑材料可選自堿土金屬、鉛，或原子比為約0.4至0.9埃之間的通常二價的陽離子。這樣，根據(jù)一個實施例，摻雜劑材料選自由如下組成的元素的組:Mg、Ba、Sr、Ca、Co、Ga、Pb和Zr。根據(jù)一個特定實施例，摻雜劑為Sr，正極層可包含通常稱為LSM的錳酸鑭鍶材料。
[0025]根據(jù)一個實施例，摻雜的亞猛酸鑭正極材料包含(Lai—xAx)yMn03-s，其中X不大于約
0.5，y不大于約1.0，La/Mn比不大于約1.0。摻雜的亞猛酸鑭組成內的x值表不在結構內替代La的摻雜劑的量。根據(jù)一個實施例，X不大于約0.5，如不大于約0.4或0.3。而且，正極材料內提供的摻雜劑的量可更少，使得X不大于約0.2或0.1，特別是在約0.4至0.05之間的范圍內。