用于防止固体氧化物燃料电池的铬污染的阴极接触层设计制造技术

在实施方式中,提供了燃料电池电堆，其包括第一燃料电池和第二燃料电池之间的互连体，以及与第一燃料电池的电极和互连体接触并且布置在第一燃料电池的电极和互连体之间的接触层。接触层可以包括铬‑吸气材料。此铬‑吸气材料可以由氧化镧、碳酸镧和/或碳酸钙构成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用此PCT申请要求2014年3月20日提交的AnthonyWood等的名称为“用于防止固体氧化物燃料电池的铬污染的阴极接触层设计”的美国专利申请号14/220,688的优先权的权益；并且涉及2014年3月20日提交的HongpengHe等的名称为“用于防止固体氧化物燃料电池的铬污染的系统和方法”的美国专利申请号14/220,867。上述申请中每个的内容通过引用并入本文。
技术介绍
高温燃料电池比如固体氧化物燃料电池通常包括夹在阴极和阳极之间的电解质。氧与阴极处的电子结合以形成氧离子，其通过导离子陶瓷电解质被传导至阳极。在阳极处，氧离子与氢和一氧化碳结合以形成水和二氧化碳，从而释放电子和生成电流。多个燃料电池是堆叠的并且交织有互连板(interconnectplate)，其分配气体至电极表面并且充当集电器。来自电池电堆(cellstack)的不锈钢组分——包括互连体(interconnect)——的挥发性铬种类降低燃料电池中阴极的性能。这些挥发性种类被携带在气流中并且沉积在电化学活性阴极区域处，其引起电化学阴极性能降低。该降低还可以在湿气的存在下加剧，其通常在燃料电池电堆中出现。本文描述的系统和方法提供了这些和其它需求的解决方案。
技术实现思路
在实施方式中，提供了燃料电池电堆，其包括第一燃料电池和第二燃料电池之间的互连体，以及与第一燃料电池的电极和互连体接触并且布置在第一燃料电池的电极和互连体之间的接触层。接触层可以包括铬-吸气材料。此铬-吸气材料可以由氧化镧、碳酸镧和/或碳酸钙构成。在实施方式中，提供了燃料电池电堆，其包括第一燃料电池和第二燃料电池之间的互连体，以及与第一燃料电池的电极和互连体接触并且布置在第一燃料电池的电极和互连体之间的接触层。接触层可以包括铬-吸气材料。铬-吸气材料可以由氧化镧或与铬蒸汽在300至850℃的范围中反应的无机碳酸盐、硝酸盐、氢氧化物或醋酸盐构成。在实施方式中，形成铬-吸气接触层和燃料电池的方法可以包括将第一层施加至燃料电池电极或燃料电池互连体。第一层可以包括钙钛矿材料。方法还可以包括将第二层施加至第一层。第二层可以包括铬-吸气材料，其可以由氧化镧、氧化钡、氧化钠、氧化锂和/或与铬蒸汽在300至850℃的范围中反应的无机碳酸盐、硝酸盐、氢氧化物或醋酸盐构成。附图说明结合附图描述本专利技术：图1在部件分解图中显示了本专利技术的一个可能的燃料电池电堆实施方式的实例部分；图2显示了本专利技术的一个可能的燃料电池电堆的实例横截面；图3是本专利技术的一个实施方式中的燃料电池和互连体之间的多层接触材料的扫描电子显微镜(SEM)照片；图4显示了本专利技术的一个可能的燃料电池系统的实例工艺流程图；图5是用于减少燃料电池中的铬污染的本专利技术的一个实施方式的框图；图6显示了使用掺和有接触膏(contactpaste)并且施加至单个电池的碳酸钡粉末的阴极性能测试的结果；图7是在固定电流密度和气流下参考案例、含钙添加物案例、和含镧添加物案例中的每个的燃料电池电压对时间的图；图8是在固定电流密度和气流下参考案例、涂覆的互连体案例、和具有含钙添加物的涂覆的互连体案例中的每个的燃料电池电压对时间的图；图9是在固定电流密度和气流下具有含镧和钙添加物的涂覆的互连体案例的燃料电池电压对时间的图。具体实施方式本文描述的实施方式包括可以被用作在300至850℃的温度范围中运行的固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆和/或系统中的选择性铬过滤器的材料。另外，这样的过滤器还可以用于固体氧化物电解槽、可逆的固体氧化物电池、气体净化膜装置比如氧转运膜、和/或并入陶瓷或金属陶瓷电极的任何装置，所述陶瓷或金属陶瓷电极可能在300至1000℃的温度范围中遭受来自铬蒸汽种类的性能降低。在实施方式中，具有第一燃料电池和第二燃料电池之间的互连体的燃料电池电堆提供有涂覆有铬-吸气材料的接触层。燃料电池电堆对于减少燃料电池的铬污染可以是有用的。在一些实施方式中，燃料电池电堆可以是固体氧化物燃料电池。在其它实施方式中，可以提供不同类型的燃料电池电堆。转至图1，显示了部件分解图中的燃料电池电堆100的一部分。图2显示了燃料电池电堆沿着图1中的线II的实施方式的横截面。单个燃料电池110包括阳极112支撑结构——其具有薄电解质114——和阴极116。单个燃料电池电堆重复层包括燃料电池110和互连体118，其可以是具有如图1中所示的导流肋120的整体板。肋120可以帮助在电堆的进气和排气歧管之间提供跨越阴极116的整个表面的气流的均匀分布。阴极116可以包括复合材料，其包括贵金属比如钯和陶瓷，比如钇稳定的锆，如在共有的美国专利号6,420,064中描述的，其内容出于所有目的通过引用并入本文，如同在本文充分地陈述一样。取决于实施方式，阴极设计还可以依照美国专利号7,802,698和/或美国专利号7,190,568，其出于所有目的通过引用并入本文，如同在本文充分地陈述一样。在一些实施方式中，阴极116可以是纯陶瓷基阴极。通过在燃料电池电堆的装配期间将接触层122材料施加至阴极116和/或互连体118的面中的一个或二者，接触层122可以布置在阴极116和互连体118之间。燃料电池电堆还可以具有布置在阳极112和互连体118之间的类似的或不同的接触层。在许多实施方式中，互连体118可以是燃料电池电堆内的铬的来源。互连体118和/或燃料电池电堆的任何其它部分还可以具有保护涂层以减轻铬中毒。这样的涂层可以包括锰钴氧化物(manganesecobaltoxide)尖晶石相。在一些实施方式中，接触层122可以具有大约20μm和大约525μm之间的厚度。接触层122还可以包括至少两个外层和一个中间层。中间层可以包括导电材料。在这些或其它实施方式中，中间层可以具有大约25％和大约70％之间或大约30％和大约50％之间的孔隙度。中间层可以具有大约10μm和大约250μm之间的厚度。在一些实施方式中，外部接触层可以包括细导电颗粒，而中间层可以包括粗导电颗粒。在这些或其它实施方式中，在细层和粗层中任一个或二者中的导电颗粒可以包括导电钙钛矿。细导电颗粒可以是具有小于大约2μm或在大约0.3μm和大约1.1μm之间的直径的颗粒。粗颗粒可以包括如此颗粒，平均地，是细颗粒的平均颗粒直径的至少1.5倍，和/或比细颗粒的平均直径大大约两倍。粗颗粒可以具有大于大约1μm和/或大于大约1.5μm的平均直径。在一些实施方式中，接触层122可以以接触膏材料的形式施加。如图3中所示，经由实例燃料电池的SEM照片，接触膏材料可以以多层构造(302、304、306)施加。在这些或其它实施方式中，接触膏可以以三层施加，其中外层302粘附至燃料电池阴极308并且外层304粘附至互连体310。中间层306可以具有夹在外层302和304之间的粗颗粒。电解质314可以布置在阴极308和阳极312之间。在这些或其它实施方式中，阴极308可以是陶瓷燃料电池电极，并且外层302可以不存在，以便中间层306可以直接与阴极308相邻。在一些实施方式中，电解质314可以是单层(例如氧化钇稳定的氧化锆)、或双层电解质(例如与阴极308相邻的氧化钆掺杂的二氧化铈和与此层相邻的氧化钇稳定的氧化锆)。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
燃料电池电堆，其包括：互连体，其布置在第一燃料电池和第二燃料电池之间；和接触层，其与所述第一燃料电池的电极和所述互连体接触并且布置在所述第一燃料电池的电极和所述互连体之间，其中所述接触层包括选自以下的铬‑吸气材料：氧化镧；碳酸镧；和碳酸钙。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.20 US 14/220,6881.燃料电池电堆，其包括：互连体，其布置在第一燃料电池和第二燃料电池之间；和接触层，其与所述第一燃料电池的电极和所述互连体接触并且布置在所述第一燃料电池的电极和所述互连体之间，其中所述接触层包括选自以下的铬-吸气材料：氧化镧；碳酸镧；和碳酸钙。2.权利要求1所述的燃料电池电堆，其中：所述接触层限定孔隙，并且其中所述铬-吸气材料的至少一部分布置在所述孔隙中。3.权利要求1所述的燃料电池电堆，其中：所述铬-吸气材料小于按体积计大约50％的所述接触层。4.权利要求1所述的燃料电池电堆，其中：所述铬-吸气材料按小于体积计大约33％的所述接触层。5.权利要求2所述的燃料电池电堆，其中所述接触层表征为：无机材料体积，并且所述无机材料体积被定义为所接触层的体积减去所述孔隙的体积并且减去所述接触层中任何有机材料的体积；并且其中在600至850℃的范围中的热处理后，所述铬-吸气材料包括按体积计大约15％和大约33％之间的所述接触层的所述无机材料体积。6.权利要求2所述的燃料电池电堆，其中所述接触层表征为：无机材料体积，并且所述无机材料体积被定义为所接触层的体积减去所述孔隙的体积并且减去所述接触层中任何有机材料的体积；并且其中在600至850℃的范围中的热处理后，所述铬-吸气材料包括按体积计大约10％和大约33％之间的所述接触层的所述无机材料体积。7.权利要求2所述的燃料电池电堆，其中所述接触层表征为：无机材料体积，并且所述无机材料体积被定义为所接触层的体积减去所述孔隙的体积并且减去所述接触层中任何有机材料的体积；并且其中在600至850℃的范围中的热处理后，所述铬-吸气材料包括按体积计大约1％和大约50％之间的所述接触层的所述无机材料体积。8.权利要求2所述的燃料电池电堆，其中所述接触层包括：至少两个外层和一个中间层，其中所述中间层包括导电材料，并且其中所述中间层具有大约25％和大约70％之间的孔隙度。9.权利要求2所述的燃料电池电堆，其中所述接触层包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·伍德，贺鸿鹏，T·若亚，
申请(专利权)人：维萨电力系统有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US