织构化电解质片制造技术

一种电解质片，包括厚度变化的主体。该电解质片具有至少一个无孔表面。该无孔表面是一种织构化表面，该织构化表面上具有多个凹痕。该电解质片最厚的部分至少比该电解质片最薄的部分厚０．５微米。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】织构化电解质片                        专利技术背景专利
本专利技术一般涉及适用于燃料电池的无机电解质片，更具体地说，本专利技术涉及适用在固体氧化物燃料电池中的织构化(textured)电解质片。专利技术背景美国专利4135040描述了织构化电解质用于增加离子传导表面积的用途。该专利具体说明了该电解质适用在钠-硫、钠-卤素、锂阳极型电池和固态电池中。这些种类的原“电池”单元(cell)使用能传导正离子的固态电解质，诸如钠或锂，这些正离子在低温下是很容易移动的。这些电解质通常相当厚(超过200微米)，以保持很好的机械完整性。该专利没有公开固体氧化物燃料电池，没有描述电解质的厚度，也没有描述织构化表面上的结构部件的尺寸。近年来，电解质材料在固体氧化物燃料电池中的应用已经成为大量研究的课题。固体氧化物燃料电池的典型部件包括被夹在两个电极之间的负电荷氧离子传导电解质。在这些电池中，通过比如氢等燃料在阳极处的氧化产生电流，氢燃料与传导通过该电解质的氧离子反应。氧离子是通过分子氧在阴极处的还原而形成的。美国专利5085455公开了薄而平滑的无机烧结片。公开的烧结片具有一定的强度和挠性，可以被弯曲而不发生断裂，还在较宽的温度范围内具有极好的稳定性。公开的一些组合物，诸如氧化钇稳定化的氧化锆YSZ(Y2O3-ZrO2)作为燃料电池的电解质是有用的。已知在足够高的温度下(比如大约725℃和高于725℃)，氧化锆电解质表现出很好的离子传导率和非常低的电子传导率。美国专利5273837描述了这些组合物在形成耐热冲击-->的固体氧化物燃料电池中的用途。美国专利公开US2002/0102450描述了包括改进的电极-电解质结构的固体电解质燃料电池。该结构包括结合有大量正负电极的固体电解质片，这些正负电极附着在薄而柔软的无机电解质片的相对侧面上。一个实施例说明，这些电极没有在电解质片上形成连续层，而是限定了多个分立区域或带。这些区域通过与之接触的电导体保持电连接，这些电导体延伸通过电解质片中的通路。这些通路中填充有导电材料。美国专利公开US2001/0044043描述了利用具有粗糙界面层的基本平坦、光滑的电解质片制造的固体电解质燃料电池。该公开文件公开了厚度小于45微米的电解质片。该陶瓷电解质片在这些厚度条件下是柔软的。美国专利6428920描述了被置于顶部并且被烧结成平滑电解质片(基片)的多孔纳米晶界面粗糙层。该多孔纳米晶粗糙化层具有包括亚微米表面特征(粒径小于1微米，优选小于0.5微米)的无规结构表面，其特征是算术平均表面粗糙度约为0.2微米。该电解质的电导率与其材料电导率与厚度的乘积成比例。即，该电解质的欧姆电阻取决于该电解质的材料性质，并且与该电解质的厚度成比例。因此，为了降低欧姆电阻并提高电导率，电解质的厚度必须尽可能小。但是，电解质厚度的减少导致电解质的物理性能变弱。例如，厚度小于10微米的陶瓷电解质片经常在操作或加工时破裂，使加工产率变低。另外，电解质片中的缺陷会导致必须替换整个电解质结构。
技术实现思路
本专利技术电解质片的一个优点是，提供增加的传导率，同时保持结构强度并改善欧姆电阻、应力操作(stress handling)能力、电极附着性和均匀挠曲能力。根据本专利技术的一个实施例，电解质片包括具有变化厚度的基本无孔主体。该无孔主体具有织构化表面，该织构化表面上具有多个凹痕。该电解质片的最厚部分至少比该电解质片的最薄部分大0.5微米。-->根据本专利技术的一个实施方式，电解质片的最厚部分至少比电解质片的最薄部分厚2微米。根据该实施方式，该电解质片的平均厚度大于5微米并且小于100微米。优选平均厚度小于45微米，最优选平均厚度小于20微米。根据本专利技术的一个实施方式，固体氧化物电极/电解质组件包括：(i)具有变化厚度的电解质薄片，其平均厚度为3-30微米，厚度变化至少为2微米；(ii)位于电解质片第一表面上的至少一个阴极；和(iii)位于电解质片第二表面上的与阴极相对的至少一个阳极。本专利技术的其他特征和优点将在以下具体说明中给出，通过具体说明或者通过如本文所述实施本专利技术，包括以下具体说明、权利要求以及附图，其中的一部分对本领域技术人员而言是显而易见的。应当理解，以上概述和以下具体说明给出了本专利技术的示范性实施方式，旨在为理解要求的本专利技术性质和特征提供概览或大纲。通过附图能进一步理解本专利技术，附图被结合在本说明书中作为说明书的一部分。附图说明本专利技术的各种实施方式，与说明书一起解释本专利技术的原理和操作。附图简要说明图1是本专利技术的一个实施方式的示范性电解质片的示意图。图2表示图1所示的电解质片的横截面。图3表示图1所示的电解质片的凹痕的交错间隔。图4A和4B表示，电解质片表面上的凹痕也可以是织构化的。图5A和5B表示电极-电解质组件，具有8个串联通过互连通路的电池。图6A和6B表示利用织构化或布图表面制造织构化生坯片的两种不同方法。图7表示利用织构化或布图辊制造织构化生坯片的方法。图8表示利用双辊制造织构化生坯片的方法。图9A表示本专利技术的电解质片的一个实施例。-->图9B表示图9A所示的电解质片的横截面。图10表示利用图9A和9B所示的电解质片的交叉状单个电池。图11A表示一种示范性电解质片，具有变化的厚度，用于控制机械挠曲。图11B表示图11A所示的电解质片的一部分的横截面。图12表示具有变化厚度的电解质片的另一个实施例。图13是在显微镜下观察下，另一种示范性电解质片的顶视图。图14A和14B表示另两种具有织构化表面的织构化电解质片的实施例。图14C表示图14A和14B中所示织构化电解质片的一个区域的横截面。图15表示具有较厚中间区域的织构化电解质片的横截面。具体实施方式具体参考本专利技术的优选实施方式，其实施例在附图中说明。如果可能，在附图中使用相同的附图标记指代相同或类似的部分。本专利技术无机电解质片的一个示范性实施方式如图1中所示，通常始终被标注为附图标记10。电解质片10是一陶瓷薄片，具有两个相对的主要表面20、22，平均厚度为t。这些表面中的至少一个，比如表面20，是织构化的。图1中的电解质片10的表面20包括多个凹痕30。优选凹痕30周期性地排列在电解质片的表面上。但是，凹痕也可以按照非周期性的方式排列。电解质片10的一部分的横截面如图2中所示。凹痕30的宽度可以大于其深度，其间距可以大于宽度W(或最大维度)。或者，凹痕30的间隔等于或小于其宽度。如图3中所示。凹痕也可以是微观织构化的，如图4A和4B中所示。例如，凹痕30的平均深度和宽度可为5微米。这些凹痕30的底面上可以包括凹槽或其他结构(例如，0.5微米深度)。凹痕30减少了电解质片10的平均厚度t，因此降低了其欧姆电阻并增大了其离子传导率，而不会显著降低电解质片的机械性质。欧姆电阻的降低和离子传导率的增大是有利的，使该电解质片10能在较低温度(即低于725℃)下工作。因此，可以选择在600-725℃的温度范围内使用本专利技术-->的电解质片，也可以在725-850℃的常规温度范围内使用本专利技术的电解质片。优选该电解质片是足够薄的，这样，该电解质的欧姆电阻就会小于约0.5欧姆/平方厘米，更优选小于0.2欧姆/平方厘米。另外，凹痕或表面织构也是有利的，能增加电解本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电解质片，所述电解质片包括厚度变化的基本无孔的主体，所述电解质片具有织构化表面，所述织构化表面上具有多个凹痕，其中所述电解质片的最厚部分至少比所述电解质片的最薄部分厚０．５微米。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-6-30 10/611,5071.一种电解质片，所述电解质片包括厚度变化的基本无孔的主体，所述电解质片具有织构化表面，所述织构化表面上具有多个凹痕，其中所述电解质片的最厚部分至少比所述电解质片的最薄部分厚0.5微米。2.如权利要求1所述的电解质片，其特征在于，所述片的最厚部分至少比所述片的最薄部分厚2微米。3.如权利要求1所述的电解质片，其特征在于，所述片的最厚部分至少比所述片的最薄部分厚2-10微米。4.如权利要求1-3所述的电解质片，其特征在于，所述电解质片的平均厚度大于5微米并且小于100微米。5.如以上权利要求中的任一项所述的电解质片，其特征在于，所述平均厚度小于45微米。6.如权利要求5所述的电解质片，其特征在于，所述平均厚度小于20微米。7.如以上权利要求中的任一项所述的电解质片，其特征在于，所述织构化表面具有周期化排列的凹痕。8.一种固体氧化物电极/电解质组件，其包括：一厚度变化的薄电解质片，所述电解质片的平均厚度为3-30微米；位于所述电解质片的第一表面上的至少一个阴极；位于所述电解质片的第二表面上与阴极相对的至少一个阳极；其中，所述电解质片的厚度变化至少为2微米。9.如权利要求1-7所述的电解质片或如权利要求8所述的电极/电解质组件，其特征在于，所述电解质片是陶瓷片，由选自以下的多晶陶瓷形成：部分稳定化的氧化锆或稳定化的氧化锆，并掺杂有选自以下的掺杂剂：Y、Ce、Ca、Mg、Sc、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、L...

【专利技术属性】
技术研发人员：SM佳纳，DJ圣朱利恩，ME巴丁，JL布朗，TD凯特钱，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]