堆叠支撑的固态氧化物燃料电池制造技术

本发明专利技术涉及一种固态氧化物燃料电池堆叠组。该固态氧化物燃料电池堆叠组包括至少两个固态氧化物燃料电池。所述两个固态氧化物燃料电池共用一个电极。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】堆叠支撑的固态氧化物燃料电池相关申请的交叉参考本专利技术要求2003年6月9日提交的、名称为“堆叠支撑的固态氧化物燃料电池”的美国临时专利申请60/477149的优先权。该申请的专利技术人是O.-H.翁、W.J.多纳休、M.阿布夫、C.库雷奥、M.M.马奥尼。该申请的全文引用参考于此。
本专利技术总地涉及一种固态氧化物燃料电池(SOFC)、尤其是商业上可行的SOFC，及其制造方法。
技术介绍
固态氧化物燃料电池(SOFC)是传统的内燃机和涡轮机的替代品，用于产生电能。燃料电池技术可以以更高的效率和更低的环境影响力产生电力，燃料电池技术总的来说排出更少的CO、NOx和SOx。固态氧化物燃料电池可以使用天然气、煤油和柴油等作为燃料源。但是，许多典型的SOFC的单位输出功率的成本很高。固态氧化物燃料电池可以制成数种形式，包括管式和平面SOFC。其中每种形式都使用一个支撑结构。管式SOFC一般使用掺入氧化锶的亚锰酸镧(LSM)多孔支撑管。平面SOFC可以使用电解质支撑的结构或电极支撑的结构。电解质支撑的结构一般由很厚的氧化钇稳定的氧化锆形成。这些厚电解质具有高离子电阻，使电池电动势降低。电极支撑的SOFC可以制成其正极或负极支撑结构。负极例如亚锰酸镧锶(LSM)，热膨胀系数接近氧化钇稳定的氧化锆。另一方面，正极支撑的电池普遍用镍和氧化钇稳定的氧化锆形成。含镍的氧化钇稳定的氧化锆的热膨胀系数大于氧化钇稳定的氧化锆电解质。在负极支撑和正极支撑的两种电池中，电极厚度大会影响反应物的扩散和电极电阻。在电极或电解质支撑的电池的情形-->下，厚的电解质或电极的作用会降低电池电动势或电流密度，不利地影响SOFC体系的效率。除了支撑结构问题，与电极的耦合电接触也有问题。典型的SOFC具有不透气的内互联。典型的内互联的热膨胀系数与电极的不同。热膨胀系数差就会使互联自电极上切变，使电池内的电阻增大。一部分内互连的材料扩散入电极结构。差的互联结构导致工作电动势和电流密度下降。同样地，典型的固态氧化物燃料电池技术具有结构和制备方面的缺陷，增大产生电能的成本。因此，需求改进电极、电解质、SOFC和SOFC堆叠组。
技术实现思路
在一个具体的实施方式中，涉及一种固态氧化物燃料电池堆叠组。该固态氧化物燃料电池堆叠组包括至少两个固态氧化物燃料电池。所述两个固态氧化物燃料电池共用电极。在另一个实施方式中，涉及一种固态氧化物燃料电池堆叠组。该固态氧化物燃料电池堆叠组包含累积层。这些层包括第一正极层、第一电解质层、第一负极层、第二电解质层、第二正极层。第一电解质层位于第一正极层上面，第一负极层位于第一电解质层上面。第二电解质层位于第一负极层上面，第二正极层在第二电解质层上面。在另一个实施方式中，涉及一种固态氧化物燃料电池堆叠组。该氧化物燃料电池堆叠组包括至少两个固态氧化物燃料电池。该固态氧化物燃料电池没有不透气的互连层。在另一个实施方式中，涉及一种形成固态氧化物燃料电池的方法。该方法包括形成固态氧化物燃料电池，该电池包括负极层、正极层、提供在正极层与负极层之间的电解质层；并在氧化气氛中致密化固态氧化物燃料电池。在另一个实施方式中，涉及一种固态氧化物燃料电池，该电池包括正极层、电解质层、负极层，所述正极层包含一体化的微通道，电解质层在正极层上面，负极层包含一体化的微通道。负极在电解质层上面。附图说明图1示出了一个固态氧化物燃料电池堆叠组的例子。图2示出了一个由电连接图1所示固态氧化物燃料电池堆叠组而获得的电-->路的例子。图3示出了一个固态氧化物燃料电池的例子。图4示出了一个电极例子的形成。图5-A、5-B、6-A、6-B、7-A、7-B、7-C和7-D示出了电极例子的形成。图8示出了一个形成气体通道的设备的例子。图9示出了一个固态氧化物燃料电池的例子。图10-A、10-B示出了一个固态氧化物燃料电池的例子。图11、12和13示出了一种形成固态氧化物燃料电池堆叠组的方法。图14示出了一个SOFC体系的例子。图13示出了一个固态氧化物燃料电池堆叠组的例子。不同附图中的相同标记表示相同或相似的部件。具体实施方式根据本专利技术的一个实施方式，涉及一种固态氧化物燃料电池堆叠组。该堆叠组包括两个或多个固态氧化物燃料电池(SOFC)。两个电池共用一个电极层。电极可以包括微通道，而且自外部电连接到固态氧化物燃料电池堆叠组，呈电路形式，可以是并联、串联、或混合串联/并联的电路。上述采用共用电极的实施方式的具体结构导致其自身形成并联电路。图1示出了一个固态氧化物燃料电池堆叠组的具体例子。该堆叠组包括电极层102、106、110和114，它们由电解质层104、108和112隔开。每个电极层可以包括微通道116。依赖于电极的类型，氧化剂或燃料流经微通道116，离子传送通过电解质104、108和112。在一个具体的实施方式中，电极102是正极，电极106是负极。正极102和负极106被电解质104隔开，形成一个单固态氧化物燃料电池。氧离子能够传送通过电解质104，与燃料反应，在正极102和负极106之间引起电动势差。负极106由电解质108与正极110隔开。再次说明，氧离子可以通过电解质108，引起负极106与正极110之间的电动势差。同样，正极110由另一个电解质112与负极114隔开，该图案可以重复多次。在该示例性实施方式中，固态氧化物燃料电池共用电极。这些电极可以自始至终具有单一的组合物，或具有不同的层和梯度，形成电极的功能。在电极106的情形下，共用电极结构是负极。在电极110的情形下，共用电极结构是-->正极。堆叠组可以排布成重复图案，使得在相邻的固态氧化物燃料电池中共用数个电极。该结构消除了对使用不透气互联屏障的依赖。但是，堆叠组也可以采用不透气的内互联形成。在这样的结构中，电池的排布形成一个固态氧化物燃料电池堆叠组的串联电路结构。该堆叠组可以以串联、并联、或混合串联/并联的电路结构连接到另一个堆叠组。所述示例性实施方式也可以包括如每个电极102、106、110和114中所示的微通道116。这些微通道可以具有特征直径0.1-5mm。微通道通常小于约3mm，例如小于约1mm。该特征直径与流体流动技术有关。微通道可以一体化到电极内。在图1所示的实施方式中，微通道嵌入电极102、106、110和114内。示例性的微通道如图15所示。在其它的示例性实施方式中，微通道可以全部或部分地嵌入电极内，或可以形成为电极层几何轮廓的一部分。其它的微通道例子如图8所示，讨论如下。微通道可以由减处理形成，例如填料的溶解、或通道形成物的氧化。通道形成物可以是例如碳基通道形成物，如无定形碳、碳黑、石墨或石墨树脂复合物。取决于微通道所形成的电极结构的功能，微通道116容许氧化剂或燃料流动。电极也可以是多孔的。在一些实施方式中，孔可以通过金属氧化物的还原形成。在其它例子中，孔通过减处理形成，例如填料溶解或孔形成物的氧化。孔形成物可以包括碳基材料，例如碳黑、无定形碳、石墨或石墨-树脂复合物。孔也可以通过部分致密化形成，部分致密化通过控制相对的颗粒和团聚颗粒的粒径分布来进行。电极也可以包括一体化的集流器。该一体化的集流器可以嵌入电极中，并与电极一同形成，可以包括导体例如镍。根据电极的类型，集流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固态氧化物燃料电池堆叠组，它包括：两个固态氧化物燃料电池，该两个固态氧化物燃料电池共用一个共用电极。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-6-9 60/477,1491.一种固态氧化物燃料电池堆叠组，它包括：两个固态氧化物燃料电池，该两个固态氧化物燃料电池共用一个共用电极。2.如权利要求1所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的共用电极是负极。3.如权利要求1所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的共用电极是正极。4.如权利要求1所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的两个固态氧化物燃料电池中的第一电池包括：第一电极、第一电解质、和第二电极；所述的两个固态氧化物燃料电池中的第二电池包括：第二电极、第二电解质、和第三电极，使第二电极是共用电极。5.如权利要求1所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，它还包含第三固态氧化物燃料电池，与两个固态氧化物燃料电池中的一个共用第二共用电极。6.如权利要求1所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的共用电极包含微通道。7.如权利要求6所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中每个固态氧化物燃料电池包括各自的第二电极、共用电极，所述第二电极包括微通道。8.如权利要求6所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的微通道具有特征直径0.1-5mm。9.如权利要求6所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的微通道由减处理形成。10.如权利要求6所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的微通道由通道形成物的氧化形成，所述的通道形成物包含碳。11.如权利要求10所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的通道形成物是无定形碳、碳黑、石墨、或石墨-树脂复合物。12.如权利要求6所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的微通道由非减处理方式形成。13.如权利要求12所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的微通道在原位成型。14.如权利要求1所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，它还包含集流器。-->15.如权利要求14所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的集流器嵌入共用电极内。16.如权利要求15所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中每个固态氧化物燃料电池包括各自的第二电极、共用电极，所述第二电极包括集流器。17.如权利要求14所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的集流器包含镍。18.如权利要求1所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的堆叠组不含不透气的内互联。19.如权利要求1所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的两个固态氧化物燃料电池包含许多电极，该固态氧化物燃料电池堆叠组还包含连接到每个电极的外边的电触点。20.如权利要求1所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的两个固态氧化物燃料电池热压结合起来。21.如权利要求20所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的热压包括一个循环周期不长于60分钟的热压循环。22.如权利要求1所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的共用电极具有由减处理形成的多孔结构。23.如权利要求22所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的共用电极具有由孔形成物的氧化所形成的多孔结构。24.如权利要求23所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的孔形成物包含碳。25.如权利要求24所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的孔形成物是碳黑或无定形碳。26.如权利要求1所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述两个固态氧化物燃料电池中的至少一个的电池厚度不大于10mm。27.如权利要求1所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述两个固态氧化物燃料电池中的至少一个的电池厚度不大于5mm。28.如权利要求1所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述两个固态氧化物燃料电池中的至少一个的电池厚度不大于3mm。29.如权利要求1所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述两个固态氧化物燃料电池中的至少一个的电解质厚度不大于100微米，共用电极的电极-->厚度不大于5mm。30.如权利要求1所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的两个固态氧化物燃料电池每个都具有电解质，而且两个固态氧化物燃料电池的每个电解质都包含选自氧化锆、氧化铈和氧化钆的材料。31.如权利要求30所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的材料用选自钪、钐、钆和钇的稳定材料稳定。32.如权利要求31所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的材料包含氧化钇稳定的氧化锆。33.如权利要求1所述的固态氧化物燃料电池堆叠组，其中所述的两个固态氧化物燃料电池具有至少一个正极，所述至少一个正极包含镍和氧化钇稳定的氧化锆。34.如权利要求33所述的固...

【专利技术属性】
技术研发人员：OH翁，WJ多纳休，M阿布夫，C库雷奥，FM马奥尼，
申请(专利权)人：圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]