耐熱衝擊的固體氧化物燃料電池堆的製作方法

2023-08-07 13:10:51 2

專利名稱：耐熱衝擊的固體氧化物燃料電池堆的製作方法
CN 102265440 A
說明書
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耐熱衝擊的固體氧化物燃料電池堆相關申請本申請要求於2008年12月31日提交的美國臨時申請號61/204，035的權益。以上申請的全部傳授內容通過引用結合在此。
背景技術：
燃料電池是通過化學反應來產生電能的一種裝置。在不同的燃料電池之中，固體氧化物燃料電池使用了一種硬質的、陶瓷化合物金屬(例如，鈣或鋯)氧化物作為電解質。 典型地，在固體氧化物燃料電池中，一種含氧的氣體(例如O2)在陰極處被還原成氧離子 (02_)，並且一種燃料氣體(例如吐氣體)在陽極處被氧化，與這些氧離子形成水。近來，燃料電池被設計為堆疊體，由此將每個包括一個陰極、一個陽極以及在該陰極與該陽極之間的一種固體電解質的多個子組件通過在一個組件的陰極與另一個組件的陽極之間定位一個電連接體進行串聯組裝。然而，多個單獨的燃料電池堆可能易受到其形成或使用的過程中溫度的波動所引起的損害。確切地說，用於形成不同的部件的材料(包括具有不同組成的陶瓷)會表現出不同的熱膨脹係數、熱傳導率以及強度。因此，燃料電池具有有限的對溫度變化的耐受性。當將多個單獨的燃料電池進行堆疊時，與由溫度變化引起的機械應力相關聯的問題會加劇。 燃料電池，特別是組裝在堆疊體中的燃料電池的有限的耐熱衝擊性限制了生產的產量並且在運行過程中具有升高的失效的風險。因此，存在一種需要來最小化或消除以上提及的這些問題。

發明內容
本發明總體上是針對燃料電池組件，這些組件包括一個第一、一個第二子組件、以及在多個子組件之間的具有不同組成的一個第三粘結層。在一個實施方案中，本發明可以是一個燃料電池組件的子電池。該子電池可以包括一個第一電極以及一個第二電極。一種電解質將這些電極隔開。一個第一粘結層可以位於該第二電極處並且位於該電解質遠端。一種連接體可以位於該第一粘結層處。可以在組成上不同於該第一粘結層的一個第二粘結層可以位於該連接體層處，由此該連接體層可以將該第一以及第二粘結層隔開。通過指向該第一或第二電極之一的燃料的氧化該子電池是可運行的，以便由此至少形成水。在某些實施方案中，該第二電極可以是陰極。該陰極可以包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成基於亞錳酸鑭的材料、以及基於鐵酸鑭的材料。在陰極處的第一粘結層可以包括一種與該陰極共同的組分。該連接體層可以包括與該陰極以及該在該陰極處的粘結層共同的一種組分。該連接體層可以包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成鈦酸鑭、鉻酸鑭、鈦酸鍶、以及鈦酸鍶鑭(LST)。該第一電極可以是陽極，該陽極包括鎳以及至少一個成員，該至少一個成員包含選自下組的一種氧化物或多種氧化物的混合物，該組由以下各項組成釔、鍶、以及鋯。該陽極可以包括一種摻雜的材料，該材料包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)、二氧化鈰、以及LST。該陽極可以包括具有氧化鋯與按重量計約15%的氧化釔α2ο3)的YSZ。該電解質可以包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成氧化釔穩定的氧化鋯、亞錳酸鍶鑭、二氧化鈰、氧化鈧、以及氧化鋯。該第一粘結層可以包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成亞錳酸鍶鑭、亞錳酸鈰鑭、以及鑭鍶鎳。該第二粘結層可以包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成鎳-氧化釔穩定的氧化鋯、鎳-鑭-鍶-鈦酸鹽、鎳氈、以及鎳網。在某些實施方案中，該第一電極可以包括鎳以及至少一個成員，該至少一個成員包含選自下組的一種氧化物或多種氧化物的混合物，該組由以下各項組成釔、鍶、以及鋯。該電解質可以包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成氧化釔穩定的氧化鋯、亞錳酸鍶鑭、二氧化鈰、氧化鈧、以及氧化鋯。該第二電極包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成基於亞錳酸鑭的材料以及基於鐵酸鑭的材料。該第一粘結層可以包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成亞錳酸鍶鑭、亞錳酸鈰鑭、以及鑭鍶鎳。該連接體可以包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成鈦酸鑭、鉻酸鑭、鈦酸鍶、以及鈦酸鍶鑭(LST)。該第二粘結層可以包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成鎳-氧化釔穩定的氧化鋯、鎳-鑭-鍶-鈦酸鹽、鎳氈、以及鎳網。在某些實施方案中，該第二電極可以是一個陽極。在又一個實施方案中，一個燃料電池組件可以包括至少兩個子組件，每個子組件包括至少一個子電池，其中每個子電池可以包括一個第一電極、一個第二電極、一種在這些電極之間的電解質、以及第一以及第二粘結層。該第一粘結層可以處於該第二電極處，一個連接體層將該第一以及第二粘結層隔開。一個第三粘結層可以置於該至少兩個子組件之間，該第三粘結層可以在微結構或組成上不同於該第二粘結層。本發明還是針對一種形成燃料電池的方法，該方法包括以下步驟提供至少兩個子組件，這些子組件由至少一個子電池組成，每個子電池包括一個第一電極、一個第二電極、一種在這些電極之間的電解質、以及第一和第二粘結層。該第一粘結層可以處於該第二電極處，並且一個連接體層可以將該第一以及第二粘結層隔開。該方法進一步包括將至少兩個子組件共燒制並且將一個第三粘結層加入在一個子組件和一個第二子組件的活性陽極之間的步驟。該第三粘結層可以在微結構上或組成上不同於該第二粘結層。本發明的一個優點是本發明的固體氧化物燃料電池堆具有改進的抗衝擊性。本發明的這些粘結層提供了在其他剛性堆疊體中的順應性。此外，製造粘結的多個子組件的構思使能在堆疊體組裝以及運行之前就檢查到或移除有缺陷的子組件，因此增加了總的可靠性和生產產量。本發明可以用在一種固體氧化物燃料電池(SOFC)系統中。SOFC提供了高效率發電的潛在性，同時具有低排放以及低噪音運行。還看到它們如提供了電效率、熱電聯產效率和燃料處理簡單性的一種有利組合。SOFC用途的一個實例是在家庭或其他建築物中。該 SOFC可以使用與用於為家庭供暖的同一份燃料，如天然氣。該SOFC系統可以工作延長的時間段以產生電能而為家庭提供電力，並且如果產生了剩餘的量，則剩餘部分可以出售給電網。而且，該SOFC系統中產生的熱量可以用於為家庭提供熱水。SOFC在電服務不可靠或不存在的區域可能是特別有用的。


圖IA至圖ID是本發明的燃料電池組件的實施方案的示意性截面圖。圖2是本發明的具有平面的堆疊設計的燃料電池的一個實施方案的部件的示意圖。圖3是本發明的具有管狀設計的燃料電池的實施方案的示意圖。
具體實施例方式根據以下對本發明的示例性實施方案的更具體的描述，上述內容將變得清楚，這些實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似的參考符號指代相同的部分。這些圖並不必須是按比例的，而是將重點放在展示本發明的多個實施方案上。在此引用的所有專利、公布的申請以及參考文獻的傳授內容通過引用以其全文結合在此。圖IA至圖ID示出了本發明的燃料電池10。燃料電池10包括多個子電池12並且每個子電池12包括第一電極14以及第二電極16。典型地，第一電極14以及第二電極16 是有孔隙的。在燃料電池10中，第一電極14至少部分地限定了多個第一氣體通道18，這些第一氣體通道與一個燃料氣體來源(例如氫(H2)氣或天然氣，該天然氣可以在第一電極 14處在原位被轉化為H2氣體)流體連通。第二電極16至少部分限定了多個第二氣體通道 20，這些第二氣體通道與含氧的氣體的一個來源(例如空氣)流體連通。在圖IB至圖ID 中可以按示意性表示包括多個第一氣體通道18以及多個第二氣體通道20。儘管圖IA中，第一電極14以及第二電極16限定了多個氣體通道18和20，但在本發明中還可以使用其他類型的多個氣體通道，諸如位於這些電極的每一個上的一種微結構通道(例如，開槽的通道)或者諸如與該電極流體連通的一個分開的層。例如，參見圖2，第一氣體通道18是至少部分地由第一電極14並且至少部分地由連接體M來限定的，並且第二氣體通道20是至少部分地由第二電極16以及至少部分地由連接體M來限定的。第一氣體通道18以及第二氣體通道20可以通過本領域已知的任何適合的技術形成，例如結合成型的逃逸物質、壓花、在條帶中切割通道、並且層壓這些條帶以限定多個通道、使用穿過預成型件進行擠出、或者在輥壓制中使用多個有圖案的輥。存在多種可能的用於逃逸的材料，例如像，石墨或纖維，這些材料可以用來在這些陰極和陽極層內形成這些通道或通路。總體上，對材料選擇的僅有的限制將會是在燒制過程中該材料會燒毀或者從燃料電池中作為氣體去除、並且該材料與這些陶瓷顆粒是不反應的。通過基於有機物的材料充分滿足這兩個條件。因此，這些纖維可以是天然纖維棉花、 韌皮纖維、繩索纖維、或動物纖維(例如羊毛)；或它們可以是人造纖維再生纖維素、二乙酸纖維素、三乙酸纖維素、聚醯胺、聚酯、聚丙烯酸樹脂、聚乙烯樹脂、聚烯烴樹脂、碳或石墨纖維、或液晶聚合物。可替代地，這些纖維可以是粘合劑材料(如合成橡膠、熱塑性材料、或聚乙烯塑料)的擠出段；以及增塑劑材料(如乙二醇和鄰苯二甲酸酯的集合(group))的擠出段。在另一個實施方案中，該材料可以是義大利麵條製品，如細麵條(spaghetti)。可以將本領域中已知的任何適合的陰極材料用於第二電極16，例如， 在「High Temperature Solid Oxide Fuel Cells !Fundamentals, Design and Applications，」pp. 119-143，Singhal 等人 Ed.，Elsevier Ltd. (2003)中，其全部傳授內容通過引用結合在此。在一個實施方案中，第二電極16包括一種基於亞錳酸鑭(例如， Lai_aMri03，其中「a」是等於或大於零，並且等於或小於0.1)或基於鐵酸鑭的材料。典型地，該基於亞錳酸鑭或鐵酸鑭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。摻雜的基於亞錳酸鑭的材料的實例包括亞錳酸鍶鑭(LSM)(例如，!^^^!"^!！仏，其中k是等於或大於0. 1，並且等於或小於0. 3，(La+Sr) /Mn是在約1. 0與約0. 95 (摩爾比) 之間的範圍內)以及亞錳酸鈣鑭(例如，Lai_kCakMn03，k是等於或大於0. 1，並且等於或小於 0. 3，(La+Ca) /Mn是在約1. 0與約0. 95 (摩爾比)之間的範圍內)。摻雜的基於鐵酸鑭的材料的實例包括鐵酸鈷鍶鑭(LSCF)(例如，LanSr^Ccv/e/^，其中q和j各自獨立地是等於或大於0. 1，並且等於或小於0.4，(La+Sr)/(Fe+Co)是在約1. 0與約0. 95 (摩爾比)之間的範圍內)。在一個具體實施方案中，第二電極16包括亞錳酸鍶鑭(LSM)(例如，Lai_kSrkMn03) 和鐵酸鈷鍶鑭(LSCF)中的至少一個。常見的實例包括(IAl8Sra2)a98MnO3is (δ是等於或大於零，並且等於或小於0. 3)以及IAl6Sra4Coa2Fi5a8O3tj可以將本領域中已知的任何適合的陽極材料用於第一電極14，例如， 在「High Temperature Solid Oxide Fuel Cells !Fundamentals, Sesign and Applications，」pp. 149_169，Dinghal，等人Ed. ,Elsevier Ltd. (2003)中，其全部傳授內容通過引用結合在此。在一個實施方案中，第一電極14包括一種鎳(Ni)金屬陶瓷。如在此使用的，短語「Ni金屬陶瓷」是指包括Ni (如約20wt% -70wt%的Ni)的一種陶瓷金屬複合材料。Ni金屬陶瓷的實例是包括Ni、鈦酸鍶鑭(LST)、以及氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)(如包含約15wt% Y2O3的的材料以及包括Ni和Y-氧化鋯或Sc-氧化鋯的材料。陽極材料的一個另外的實例是Cu- 二氧化鈰或Co-YSZ。Ni金屬陶瓷的具體實例包括在67wt% Ni 和33wt% YSZ以及約33wt% Ni和67wt% YSZ之間的組合物。典型地，第一電極14以及第二電極16各自的厚度是獨立地處於約0. 3mm與約2mm 之間的範圍內。確切地說，第一電極14以及第二電極16各自的厚度是獨立地處於約0. 5mm 至約1.5mm之間的範圍內。固體電解質22是處於第一電極14和第二電極16之間。可以將本領域中已知的任何合適的固體電解質用於本發明中，如在「High Temperature Solid Oxide Fuel Cells Fundamentals, Design and Applications,，，pp. 83-112, Singhal, et al. Ed. , Elsevier Ltd. (2003)中描述的那些，其全部傳授內容通過引用結合在此。實例包括YSZ、亞錳酸鍶鑭 (LSM)、基於^O2的材料(如Sc2O3摻雜的ZrO2J2O3摻雜的&02、以及Yb2O3摻雜的&02)；基於CeR的材料(如Sm2O3摻雜的Ce02、Gd203摻雜的CeO2J2O3摻雜的Ce02、以及CaO摻雜的 CeO2)；基於沒食子酸Ln的材料(Ln =鑭系元素，如La、Pr、Nd或Sm)，如摻雜有Ca、Sr、Ba、 Mg、Co、Ni、Fe 或其混合物的 LaGaO3(例如 La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.203> La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.0503> La0 9Sr0 !Ga0 8Mg0 203> LaSrGaO4>LaSrGa3O7 或 La0.S3AaiGaO3,其中 A = Sr、Ca 或 Ba)；以及它們的混合物。其他實例包括摻雜的釔-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，BEi2In2O6或BEtJn2O5)。在一個具體實施方案中，電解質22 包括摻雜有8mol % Y2O3的ZrO2 (即8mol % Y2O3摻雜的ZrO2)。典型地，固體電解質22的厚度是在約5 μ m和約20 μ m之間的範圍內，優選地在約 5 μ m和約10 μ m之間。作為替代方案，該固體電解質22的厚度是厚於約100 μ m(例如在約 100 μ m和約500 μ m之間)。在這個實施方案中使用具有厚度大於約100 μ m的固體電解質 22，固體電解質22可以為燃料電池10提供結構支持。燃料電池10進一步包括多個電池12之間的連接體24。可以使用已知的適合用CN 102265440 A
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作連接體層的任何材料。適合的連接體層的一個實例是由鉻形成的一個層，並且可以進一步包括稀土元素，例如摻雜稀土的鉻鐵礦。在一個實施方案中，連接體層M包括鑭、鍶、 鈣、鈷、鎵、氧化釔、鈦酸鹽和鎂中至少一種。在其他具體實施方案中，該連接體層可以包括陶瓷，例如 LaSrCr03、LaMgCrO3^ LaCaCrO3> YCrO3> LaCrO3> LaCoO3> CaCrO3> CaCoO3> LaNi03、 LaCrO3> CaNiO3以及CaCrO3。在另一個實施方案中，連接體M可以包括兩個層，如於2007 年12月27日提交的名稱為「用於固體氧化物燃料電池的雙層連接體」的美國專利申請號 12/005, 656中所述，其全部傳授內容通過引用結合在此。多個串聯連接的子電池12構成了子組件沈。非功能的或末端的陽極觀可以定位在子組件沈一端的連接體M處。可任選的末端陽極觀不是一個工作陽極，但是可以由適合用於子電池的功能陽極的任何材料形成。將多個子組件以及對應的連接體串聯地連接。如圖IA所示，多個子組件在子組件 30 一端的陽極14處並且在子組件沈的一端的末端陽極28處通過對應地在連接體M之上分層的第一粘結層31以及之下的第二粘結層32進行連接。子組件30 (可以不同於子組件26)通過一個第三粘結層34連接到子組件沈上。在任何給出的實施方案中第一粘結層 31和第二粘結層32的構成是彼此不同的。第一粘結層在空氣中是穩定的並且是高度傳導的同時在製造以及運行過程中與連接體以及陽極材料是化學上相容的。適合的第一粘結層的實例包括陰極材料或陰極以及連接體的組合或陰極以及電解質材料的組合。典型的實例包括單獨的或與YSZ或鈦酸鍶鑭(LST)組合的亞錳酸鍶鑭(LSM)，鐵酸鈷鍶鑭(LSCF)或鐵酸鎳鑭。第二粘結層必須是傳導性的但是還必須在還原氣氛中是穩定的同時是與該陽極以及連接體層是化學上相容的。第二粘結層的實例是金屬陶瓷，這些金屬陶瓷具有金屬(例如Ni、Cu、或Co)以及一個陶瓷相，這些金屬對於橫貫寬的燃料組合物的再氧化作用是穩定的，並且該陶瓷相幫助減小熱膨脹並且還幫助粘結到該連接體以及陽極層上。適合的第二粘結層的實例包括鎳-YSZ、鎳-LST、以及其組合。本發明的燃料電池10在每個子組件中可以包括任何數目的多個子電池12。在一個實施方案中，多個子電池的一個堆疊組(stacklet)將包括在約六與約十個之間的子電池，並且燃料電池10的每個子組件將包括在約四與約六個之間的堆疊組，每個堆疊組通過一個可配合的粘結層分開。燃料電池10的堆疊體可以串聯或並聯進行連接。在一個實施方案中，子組件沈包括在六與約十個之間的子電池12並且這些子組件使用一個第三粘結層；34串聯地連接到一個燃料電池堆10中，如圖IB所示。第三粘結層 34的組成優選地不同於第二粘結層32的組成。作為替代方案，第三粘結層34可以在微結構上不同於第二粘結層32，例如像，一種金屬陶瓷材料，如一種具有精細顆粒大小的Ni-YSZ 複合材料，該第三粘結層可以在兩個子組件之間在一個溫度下形成一種粘結，該溫度是在低於製造多個子組件所使用的共燒制溫度的約50°C和約150°C之間的範圍內。在另一個實施方案中，子組件沈包括在約六與約十個之間的子電池12並且這些子組件使用一個可配合的第三粘結層34串聯連接到一個燃料電池堆10中，如圖IC所示。 如在此使用的術語「可配合的粘結層」意思是一個粘結層，該粘結層是在SOFC組件(該粘結層是該組件的一部分)的製造和使用過程中與在相鄰的多個層的尺寸的變化是可適配的或可配合的，同時仍然粘結一個子組件的一個電極(功能的或非功能的)、或連接體以及一個鄰接子組件的子電池一端處的活性電極上。合適的可配合的粘結層的實例包括金屬網、金屬氈或其組合，優選為了良好的導電性的目的塗覆有金屬漿的那些。此外，可以加入少量的陶瓷相(小於約25ν01%)以提供額外的尺寸穩定性。金屬相的典型組成包括與陶瓷相 (例如YSZ纖維或氧化鋁纖維)一起的Ni-氈、Ni-絲、Ni-網、Ni-片。與一種可配合的粘結層組裝的堆疊體將有可能需要是置於輕壓縮中以確保在這些子電池或子組件與該可配合的粘結層之間的良好的電接觸。本發明的燃料電池可以是一種平面堆疊的燃料電池，如圖2所示。作為替代方案， 如圖3所示，本發明的燃料電池可以是一種管狀的燃料電池。圖2和圖3中所示的燃料電池獨立地具有多個特徵，這些特徵包括特定的多個變量，如對於在圖1中所示的燃料電池10 所描述的(為了清楚起見，在圖2和3中沒有描繪燃料電池部件的細節)。典型地，在平面設計中，如圖2所示，將這些部件組裝在平的堆疊體中，其中空氣和燃料流動通過被建入連接體中的通道。典型地，在管狀設計中，如圖3所示，將這些部件組裝成一個空心管的形式， 其中電池被構造在圍繞一個管狀陰極的多個層中；對應地空氣流動穿過每個子電池的內部部分並且燃料圍繞其外部部分流動。本發明還包括一種形成燃料電池的方法，例如以上所描述的。該方法包括形成多個如以上描述的子電池12，並且將每個子電池12與連接體M連接。子電池12以及連接體對的製造可以使用本領域中已知的任何適合的技術，例如在「High Temperature Solid Oxide Fuel Cells !Fundamentals, Sesign and Applications,，，pp. 83-225,Dinghal,等人 Ed. ,Elsevier Ltd. (2003)中所描述的，其全部傳授內容通過引用結合在此。例如，本發明的平面堆疊的燃料電池可以通過粉末法或沉積法來製造。本發明的管狀燃料電池可以通過將處於薄層形式的多個電池部件置於一個多孔的圓柱形管(例如氧化鈣穩定的氧化鋯)上來製造。典型地，一種適合的粉末法(例如帶流延(tape casting)或帶壓延(tape calendering))涉及將粉末(如陶瓷粉末)壓成燃料電池部件(例如，電極、電解質以及連接體)並且在升高的溫度下將其緻密化。例如，用於本發明的電解質、電極或連接體的適合的粉末材料通過組分氧化物的固態反應來製造。合適的高表面積粉末可以從硝酸鹽以及其他溶液作為凝膠產物進行沉澱，將其乾燥、煅燒並且粉碎以產生結晶的顆粒。這些沉積法可以涉及通過一種適當的化學或物理方法在一個載體上形成電池部件。沉積法的實例包括化學氣相沉積、等離子噴塗、以及噴霧熱解。可以將這些子電池組合以形成多個子組件並且可以通過一種適合的技術(如在一個子組件的活性陽極與第二子組件的末端陽極之間施加一個粘結層(如NiO-YSZ)並且共燒制到一個溫度，該溫度是在低於這些子組件的共燒制溫度的約50°C與約150°C之間的範圍內)將這些子組件進行結合以形成一種燃料電池堆。典型的粘結燒制溫度是在約 1150°C與約1250°C之間的範圍內在空氣氣氛中持續約1小時與約3小時之間的時間段。不希望受限於任何具體的理論，據信通過將多個子電池組合成多個子組件並且然後將多個子組件組合以形成堆疊體，在燃料電池的使用過程中由於熱應力的減小隨後燃料電池組成部件之間的膨脹係數缺乏的結果增加了生產的產量並且減少了失敗的可能性。在本發明的方法的另一個實施方案中，單獨形成了至少兩個子組件，其中每個子組件包括一個第一電極、一個第二電極、一種位於該第一以及第二電極之間的固體電解質以及一個在這些電極之一處的連接體。每個子組件進一步包括在該子組件的一端處的連接體上的末端電極，例如一個末端陽極。然後將一個可配合的粘結層置於該子組件之上該末端電極處。這種可配合的粘結層施用到其上的子組件然後與另一個子組件的子電池的活性陽極相連接。然後將通過多個可配合的粘結層(如所描述的)粘結到一起的兩個或更多個子組件壓縮以形成燃料電池堆。在這個實施方案中，如圖IC中所示，將這些所連接的子組件在一種適合的氣氛中(如一種二元氣氛中)在約700°c與約1000°C之間的範圍內的溫度下加熱約2小時與約4小時之間的範圍內的時間段，其中陽極暴露到一個選自由氫氣和氮氣構成的組的氣態組分中，其中空流入陰極側。本發明中使用的子電池可以按小於整個燃料電池堆的組形成。例如，一組在約六與約十個之間的子電池可以通過共燒制形成在一起以由此形成一個子部件。然後將這些子部件使用一個粘結層串聯地進行組合。還應理解的是這種安排可以是反向的，由此每個子組件可以在每個子電池之上的活性陽極處以及每個子組件的末端處具有一個連接體，並且一個非功能的陰極(在此稱為末端陰極)可以置於每個子組件的末端處的連接體之後，如圖ID所示的。在圖ID中所示的實施方案中，多個子組件在一個子組件的末端陰極35與第二個子組件的活性陰極16之間使用一個第三粘結層34串聯地連接成一個燃料電池堆10。 第三粘結層；34的組成優選地不同於第一粘結層31或陰極層16的組成。例如，第三粘結層；34可以由一種傳導性鈣鈦礦(如亞錳酸鍶鑭(LSM))與一種可以在1000°C的低溫下燒結的組合物(如(IAl9Srai)MnO3)形成。作為替代方案，第三粘結層34可以在微結構上不同於第一粘結層31或陰極層16。例如，具有精細顆粒大小的一種傳導性鈣鈦礦(如亞錳酸鍶鑭(LSM))可以在兩個子組件之間在比製造多個子組件所使用的共燒制溫度低約50°C 與約150°C範圍內的溫度下形成一種粘結。作為替代方案，該第三粘結層34還可以是基於高傳導性氧化物(如尖晶石，像錳鈷氧化物或錳鐵氧化物)或傳導性鈦酸鹽燒綠石(如 La2Ti2O7)的。可任選的末端陰極35不是一個工作陽極，但是可以由適合用於子電池的功能陰極的任何材料(例如亞錳酸鍶鑭(LSM))形成。等效物雖然通過參考本發明的示例性實施方案對本發明進行了具體的展示和說明，但本領域中的普通技術人員應當理解，在不背離所附的權利要求書所涵蓋的本發明的範圍的前提下，可以在形式和細節上對這些實施方案作出不同的變更。
權利要求
1.一種燃料電池組件的子電池，該子電池包括a)一個第一電極；b)一個第二電極；c)一種電解質，該電解質將這些電極隔開；d)一個第一粘結層，該第一粘結層位於該第二電極處並且位於該電解質遠端；e)一個連接體層，該連接體層位於該第一粘結層處；以及f)一個第二粘結層，該第二粘結層在組成上不同於該第一粘結層並且位於該連接體層處，由此該連接體層將該第一粘結層以及該第二粘結層隔開，通過氧化指向該第一以及第二電極之一的燃料該子電池是可運行的，以便由此至少形成水。
2.如權利要求1所述的子電池，其中該第二電極是陰極。
3.如權利要求2所述的子電池，其中該陰極包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成基於亞錳酸鑭的材料以及基於鐵酸鑭的材料。
4.如權利要求3所述的子電池，其中位於該陰極處的第一粘結層包括一種與該陰極共同的組分。
5.如權利要求4所述的子電池，其中該連接體層包括一種與該陰極以及在該陰極處的粘結層共同的組分。
6.如權利要求5所述的子電池，其中該連接體層包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成鈦酸鑭、鉻酸鑭、鈦酸鍶、以及鈦酸鍶鑭(LST)。
7.如權利要求6所述的子電池，其中該第一電極是陽極，該陽極包括鎳以及至少一個成員，該至少一個成員包含選自下組的一種氧化物或多種氧化物的混合物，該組由以下各項組成釔、鍶、以及鋯。
8.如權利要求7所述的子電池，其中該陽極包括一種摻雜的材料，該材料包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)、二氧化鈰、以及 LST。
9.如權利要求8所述的子電池，其中該陽極包括具有按重量計約15%的氧化釔W2O3) 的 YSZ。
10.如權利要求7所述的子電池，其中該電解質包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成氧化釔穩定的氧化鋯、亞錳酸鍶鑭、二氧化鈰、氧化鈧、以及氧化鋯。
11.如權利要求4所述的子電池，其中該第一粘結層包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成亞錳酸鍶鑭、亞錳酸鈰鑭、以及鑭鍶鎳。
12.如權利要求11所述的子電池，其中該第二粘結層包括至少一個選自下組的成員， 該組由以下各項組成鎳-氧化釔穩定的氧化鋯、鎳-鑭-鍶-鈦酸鹽、鎳氈、以及鎳網。
13.如權利要求12所述的子電池，其中a)該第一電極包括鎳以及至少一個成員，該至少一個成員包含選自下組的一種氧化物或多種氧化物的混合物，該組由以下各項組成釔、鍶、以及鋯；b)該電解質包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成氧化釔穩定的氧化鋯、亞錳酸鍶鑭、二氧化鈰、氧化鈧、以及氧化鋯；c)該第二電極包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成基於亞錳酸鑭的材料以及基於鐵酸鑭的材料；d)該第一粘結層包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成亞錳酸鍶鑭、 亞錳酸鈰鑭、以及鑭鍶鎳；e)該連接體包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成鈦酸鑭、鉻酸鑭、鈦酸鍶、以及鈦酸鍶鑭(LST)；並且f)該第二粘結層包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成鎳-氧化釔穩定的氧化鋯、鎳-鑭-鍶-鈦酸鹽、鎳氈、以及鎳網。
14.如權利要求1所述的子電池，其中該第二電極是陽極。
15.一種燃料電池組件，包括a)至少兩個組件，每個組件包括至少一個子電池，其中每個子電池包括，i) 一個第一電極， ) 一個第二電極，iii)一種在這些電極之間的電解質，iv)第一以及第二粘結層，其中該第一粘結層是位於該第二電極處，ν) 一個連接體層，該連接體層將該第一以及第二粘結層隔開；以及b)一個第三粘結層，該第三粘結層置於該至少兩個子組件之間的，該第三粘結層在微結構或組成上不同於該第二粘結層。
16.一種形成燃料電池的方法，該方法包括以下步驟(a)提供至少兩個各由至少一個子電池組成的子組件，每個子電池包括一個第一電極、 一個第二電極、一種在這些電極之間的電解質、第一以及第二粘結層，其中該第一粘結層是位於該第二電極處，以及將該第一以及第二粘結層隔開的連接體層；並且(b)將該至少兩個子組件進行共燒制並且在一個子組件以及該第二子組件的活性陽極之間加入一個第三粘結層，該第三粘結層在微結構或組成上是不同於該第二粘結層的。
全文摘要
一種固體氧化物燃料電池(SOFC)包括多個子組件。每個子組件包括至少一個子電池，它具有一個第一電極、一個第二電極、以及一種在該第一以及第二電極之間的電解質。一個第一粘結層是位於該第二電極處並且一個連接體層是位於該電解質遠端的第一粘結層處。一個第二粘結層在組成上不同於該第一粘結層是位於在該連接體層處，由此該連接體將該第一以及第二粘結層隔開。一種製造燃料電池組件的方法包括共燒制至少兩個子組件並且使用一個第三粘結層，該第三粘結層在微結構或組成上不同於該第二粘結層。
文檔編號C01G53/00GK102265440SQ200980153017
公開日2011年11月30日 申請日期2009年12月29日 優先權日2008年12月31日
發明者O-H·克瓦, R·卡帕, Y·納倫達 申請人:聖戈本陶瓷及塑料股份有限公司