一种包括镍泡沫或者镍毡基质的固体氧化物燃料电池阳极。陶瓷材料（比如氧化钇稳定的二氧化锆等）被夹带入所述基质的孔隙中。所得阳极达到了优良的电导率、强度和低热膨胀系数特性，同时有效地降低了包含在燃料电池中的镍的总量。同常规的阳极设计相比，本发明专利技术产生了同等或者更好的燃料电池阳极特性，同时使用了显著更少的镍。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于固体氧化物燃料电池的基于镍泡沫和毡的阳极
[001]本专利技术广泛涉及用于固体氧化物燃料电池(“SOFC”)的电极，并且更特别而言，涉及用于固体氧化物燃料电池的基于镍泡沫或者镍毡的阳极。
技术介绍
[002]所有的燃料电池都通过氧化剂气体和燃料气体之间的离子化生成反应直接将化学能转化为电能。作为当前认为是对环境更为友好的常规能源选择，燃料电池已经成为了日益增强的预期、研究和争论的主题。[003]固体氧化物燃料电池是主要由氧化物陶瓷制造的高温(750℃～1000℃)电化学装置。SOFC可以利用氢气或者重整烃类(一氧化碳和氢气)和氧气进行操作。相比之下，低温燃料电池(60℃～85℃)(质子交换膜燃料电池-“PEMFC”)仅限于氢气或者甲醇和氧气。[004]SOFC由能够从固体陶瓷阳极透过的气体、能够从固体陶瓷阴极透过的气体以及设置在所述阳极和阴极之间的固体电解质组成。[005]所述电解质为致密的陶瓷层-一般为氧化钇稳定的二氧化锆(“YSZ”)-该陶瓷层能够起电子绝缘体、氧离子导体和燃料与氧气跨越屏障的作用。[006]为了高电导率，所述阴极通常为氧化物掺杂的。它一般通过烧结LaSrMnO3粉末和YSZ粉末来制造，从而形成固态的可透过气体的复合材料。[007]所述阳极一般为通过烧结镍粉或者氧化镍粉末与YSZ粉末形成的金属陶瓷。在烧结和还原之后，其最终形态为具有按体积计约65％固体和其中含有按体积计约35％镍的烧结的多孔结构。其中镍和YSZ分别形成用于电子和离子迁移的连续的、导电的网络。[008]镍是非常合意的，因为它使得阳极具有良好的电导率、耐腐蚀性和强度。然而，由于镍的成本，虽然它是一种相对成本较低的碱性金属，但是在一些SOFC设计中也会成为制约因素。-->[009]取决于具体的设计，SOFC可以是阳极负载、电解质负载或者阴极负载的SOFC。这些部件对电池组件提供了机械负载。[0010]在阴极或者电解质负载的SOFC中，这些相应的部件倾向于相对较厚，由此使得SOFC效能降低和使其成本提高。[0011]与此对比，阳极负载的SOFC的阳极厚度大约为0.5mm～1mm，电解质层厚度为大约5～10μm和阴极厚度大约为50μm。因为阳极负载的SOFC提供了更优的性能、更坚固的构造、更高的电导率(更低的电阻损耗)和更为经济，因此，它通常是优选的电池选择。[0012]高效率阳极需要许多参数-其中一些参数的工作目的彼此交错：[0013]1)为了提高电导率，需要增加额外的镍。[0014]2)为了与电解质中YSZ的热膨胀系数(“CTE”)相匹配，需要较少的镍。[0015]3)为了实现高的气体渗透性，需要高的孔隙度。[0016]4)为了实现增大的阳极活性(即，最小的极化损失)，优选高孔隙度。[0017]高电导率需要相应升高的镍含量和低孔隙率。不幸地，与大多数其它电池材料相比，镍具有更高的CTE。因此，升高的镍含量将会增加CTE与潜在的破裂和中断性的不匹配。另一方面，低孔隙率会降低对极化损失有主要影响的气体渗透性。[0018]当前市售的阳极包括多种形态的镍粉末或者氧化镍粉末，其与YSZ粉末烧结从而形成金属陶瓷。金属陶瓷的电导率随它的镍含量以及金属陶瓷中镍的几何结构或者形态而变化。研究已经表明，长丝状镍粉末(比如Inco类型255(Inco为Inco Limited的商标，Toronto，Canada))会产生优于常规球状镍或者氧化镍粉末的阳极性能。(参见Ruka等人的U.S.6,248,468B)。[0019]本领域当前的工艺水平是，阳极具有35％的孔隙度以及镍的固体(镍加YSZ)体积百分比为35％。[0020]因此，研制镍负载的阳极结构和用于制造能提供等于或者大于现有技术的电导率与显著降低的镍含量但是同时在电极中提供期望高的孔隙度的阳极的工艺是一项挑战。专利技术概述-->[0021]本专利技术提供了包括镍泡沫或者毡作为多孔金属基质和夹带的用于氧离子传导的陶瓷网络。YSZ或者以类似的方式作用的组分经载体被引入到镍泡沫或者毡基质中，从而产生期望高的电导率与适宜的CTE，同时降低了包含在其中的镍的含量。附图简述[0022]图1是描绘电导率与镍体积关系的曲线图。[0023]图2是描绘电导率与镍体积关系的曲线图。[0024]图3是描绘在烧结、还原和压制之前和之后，电导率与镍堆积体积关系的曲线图。[0025]图4是描绘尺寸变化与温度的关系的曲线图。[0026]图5是描绘热膨胀系数与温度的关系的曲线图。[0027]图6是描绘热膨胀系数与镍体积百分比的关系的曲线图。[0028]图7是本专利技术实施方案的显微照片。[0029]图8是本专利技术实施方案的显微照片。[0030]图9是本专利技术实施方案的显微照片。[0031]图10是本专利技术实施方案的显微照片。专利技术优选的实施方案[0032]如先前所指出，当前的SOFC阳极工艺使用多种形态的Ni或者NiO粉末与YSZ粉末烧结，从而形成金属陶瓷电极。金属陶瓷的电导率由它的镍含量以及金属陶瓷中镍的几何结构或者形态决定。细丝镍粉末和镍包衣的石墨表现出提供了与常规烧结阳极设计中球状Ni或者NiO粉末相比改善的阳极性能。[0033]在包含镍的复合材料中，镍存在形成导电网络从而使得复合材料导电的浸透阈体积分数。在超过浸透阈之后，根据D.McLachlan，M.Blaszkiewicz和R.Newnham，J.Am.Ceram.Soc.73(1990)，第2187页所开发的模型(“MBN”模型)，复合材料中由于镍而产生的电导率可以通过下式进行计算：σc=σNi(VNi-Vc1-Vc)t]]>其中：-->σc＝复合材料的电导率σNi＝镍的电导率VNi＝镍的体积分数(包括孔隙)Vc＝Ni的浸透体积分数t＝微观结构参数[0034]为了计算电导率的上限(上限模型-“UBM”)，该值可以由MBN模型获得，假定Vc＝0并且镍具有一维结构比如镍线和所述镍线在电导率测量中与电流方向平行。 σc＝VNiσNi[0035]一般的电池型镍泡沫具有均匀的三维胞状构造，因此上述模型不能应用。未在电流流动方向上的镍导线束对此方向上的电导率贡献极小。如果将低密度镍泡沫简化为由单个立方晶胞组成的三维正方网栅，那么仅仅有三分之一的镍导线束处在电流方向上并且对在此方向上测量的电导率有贡献。在高孔隙度或者低镍密度下，提出了用于高孔隙度镍泡沫的修正的上限模型(“MUBM”)以反映上述考虑： σc＝VNi/3×σNi[0036]根据此模型预测的电导率可以被认为是通过在高孔隙度末端处的三维多孔结构达到的最高电导率。[0037]图1描述了在室温下，相对于镍体积百分比，上限模型和用于具有YSZ粉末的高孔隙度结构的修正的上限模型的计算的理论电导率值。为了对比的目的，其中显示了许多常规烧结阳极设计一镍包衣的石墨(“NiGr”)和镍粉末加上石墨粉(“Ni+Gr”)。[0038]从图1中可以看出，与修正的上限相比，在电导率的提高方面存在显著的可能性。众所周知，镍泡沫具有良好的电导率并且作为导电的集电器被广泛地应用于电池工业中。[0039]如随后的试验数据所表明，通过在SOFC的阳极中本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于燃料电池的阳极，所述阳极包括用于电传导的多孔金属基质和用于氧离子传导的陶瓷网络。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-4-6 10/819,3811.一种用于燃料电池的阳极，所述阳极包括用于电传导的多孔金属基质和用于氧离子传导的陶瓷网络。2.根据权利要求1的阳极，其中所述多孔金属基质选自镍泡沫和镍毡。3.根据权利要求1的阳极，其中所述陶瓷网络选自氧化钇稳定的二氧化锆和钆掺杂的二氧化铈。4.根据权利要求1的阳极，其中所述陶瓷网络是包括陶瓷组分和金属组分的复合材料。5.根据权利要求4的阳极，其中所述陶瓷组分选自氧化钇稳定的二氧化锆和钆掺杂的二氧化铈，并且所述金属组分选自镍和铜。6.一种固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池包括阴极、阳极和在它们之间电连通的电解质，所述阳极包括具有许多互连的孔隙的多孔金属基质和配置在所述多孔金属基质内的传导氧离子的陶瓷材料。7.根据权利要求6的固体氧化物燃料电池，其中所述多孔金属基质选自镍泡沫和镍毡。8.根据权利要求6的固体氧化物燃料电池，其中所述多孔金属基质具有占所述阳极体积分数为约1％～30％的镍。9.根据权利要求6的固体氧化物燃料电池，其中所述多孔金属基质具有占所述阳极体积分数为约3％～15％的镍。10.根据权利要求6的固体氧化物燃料电池，其中所述多孔金属基质具有占所述阳极体积分数为约5％～10％的镍。11.根据权利要求6的固体氧化物燃料电池，其中所述孔的尺寸为约10μm～2mm。12.根据权利要求6的固体氧化物燃料电池，其中所述孔的尺寸为约50μm～0.5mm。13.根据权利要求6的固体氧化物燃料电池，其中所述多孔金属基质包括选自镍粉末、镍颗粒和镍包衣的石墨的镍。14.一种制造用于固体氧化物燃料电池的阳极的方法，该方法包括：a)提供...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨全民，S科宾，V帕塞恩，RMC克勒梅，HH黄，D查勒斯，
申请(专利权)人：英科有限公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]
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