用于固体氧化物燃料电池的高性能阴极制造技术

本发明专利技术涉及一种固体氧化物燃料电池中使用的多层、多功能的阴极，它具有很高的电导率、很高的催化活性、减至最小的热膨胀系数（ＣＴＥ）不匹配、与燃料电池其它部分的优良相容性、以及降低了温度的操作。阴极包括导电层、催化剂层和递变复合层。导电层具有第一密度，催化剂层具有第二密度，所述第二密度低于第一密度。递变复合层的特征在于递变的电子导电性和递变的离子导电性。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
本专利技术在广义上涉及用于固体氧化物燃料电池(SOFC)的阴极，具体涉及一种多层、多功能的阴极，该阴极具有高电导率、高催化活性、极低的热膨胀系数(CTE)不匹配性、与燃料电池其它部分的极好兼容性、以及降低了温度的操作性。固体氧化物燃料电池是一种能量转换装置，它通过让气体燃料(例如氢)与氧化剂(例如氧)经氧化物电解质发生电化学反应，从而产生直流电。当前SOFC技术的关键特征包括全固态结构，多种燃料的接受力，以及高温操作性。由于这些特征，SOFC具有一定潜能成为高性能、清洁和高效的能源，已为它开发出了多种发电用途。在典型的工作条件下，SOFC单电池发出的电小于1V。因此，为了实际应用，要将单个电池以电串连的形式叠置起来以增大电压。叠置可通过所谓的“连接件”的部件实现，该连接件将一个电池的阳极与下一个电池的阴极电连接起来，形成堆栈。常规SOFC可在1000℃左右和环境压力下工作。SOFC单电池是瓷制的三层制品，它由阳极、阴极和夹在中间的电解质构成。常规S0FC材料是以氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为电解质，以掺杂了锶的亚锰酸镧(LSM)为阴极，以镍/YSZ为阳极，并以掺杂的亚铬酸镧为连接件。目前，SOFC有两种基本的电池结构电解质支持型和电极支持型。在电解质支持型电池中，电解质是电池的机械支持结构，其厚度一般在150到250μm之间。电解质支持型电池例如用于某些平面SOFC结构。在电极支持型电池中，一个电极(即阴极或阳极)是支持结构。电解质是一种形成于支持电极上的薄膜(不会大于50μm)。管状、分节的电串连电池以及某些平面SOFC结构都采用这种电池。常规的YSZ基SOFC一般采用厚度超过50μm的电解质，它要求工作温度为1000℃，以便最大限度地降低电解质的欧姆损耗。在高温条件下工作让燃料电池系统承受严格的材料和工艺要求。于是，最近SOFC的发展趋势是将工作温度降到800℃以下。降低SOFC的工作温度的优点包括材料选择范围更宽，电池寿命更长，热应力降低，可靠性提高，以及潜在地降低燃料电池成本。降低工作温度的操作的另一重要优点是使用低成本金属用于连接件的可行性。文献中的数据和信息表明，能进一步发展和优化SOFC电池，以期在降低的温度下获得高功率密度和高性能。人们已将电解质和阴极确定为在降低的工作温度下实现高效率的障碍，这是因为它们在目前的电池材料和结构中存在显著的性能损耗。人们作了各种尝试来降低YSZ基SOFC的工作温度，同时又维持工作效率。对于YSZ电解质支持型电池而言，为了高效工作，YSZ的导电性要求工作温度约为1000℃。例如，对于厚度约为150μm、面积约1cm2的YSZ电解质而言，在1000℃条件下工作时，基于0.1S/cm左右的电导率，电解质的电阻约为0.15欧姆。因此电解质的面积-比电阻(ASR)约为0.15ohm-cm2。为了实现高效工作，ASR为0.05ohm-cm2左右的高性能电池是理想的。为了在降低的温度(例如800℃)下工作时让ASR约为0.05ohm-cm2，可以计算YSZ的所需厚度(即15μm)。如果理想的工作温度低于800℃，而ASR还要保持不变，就必需或者进一步降低YSZ的厚度，或者必需使用导电性高的可替换的电解质材料。人们已经对利用薄膜(约5到25μm厚)制造电池的各种方法作了评价。具有薄电解质膜的电极支持型电池(尤其是阳极支持型电池)在降低的温度下表现出高性能。例如在以下文献中报道了它在800℃时功率密度可超过1W/cm2de Souza等人的“ YSZ-Thin-FilmElectrolyte for Low-Temperature Solid Oxide Fuel Cell”(Proc.2nd Euro.SOFC Forum，2，677-685(1996))；de Souza等人的“Thin-film Solid oxide fuel cell with high performance atlow-temperature”(Solid State Ionics，98，57-61(1997))；Kim等人的“Polarization Effects in Intermediate Temperature，Anode-Supported Solid Oxide Fuel Cells”(J.electrochem.Soc.，146(1)，69-78(1999))；Minh的“Development of Thin-FilmSolid Oxide Fuel Cells for Power-Generation Applications”(Proc.4thInt’l Symp.On SOFCs，138-145(1995))；Minh等人的“High-performance reduced-temperature SOFC technology”(Int’l Newsletter Fuel Cell Bulletin，No.6，9-11(1999))。按照Minh在“Ceramic Fuel Cells”(J.Am.Ceram.Soc.，76，563-88(1993))中所述，在降低工作温度方面的另一尝试包括使用离子电导率比YSZ高的可替换的固体电解质材料。但是可替换的电解质材料方面的工作仍处在非常早期的阶段。降低的温度条件下实现高效率的另一障碍是阴极13。LSM基阴极已用在高温(＞900℃)SOFC中，这些阴极既可以是烧结LSM颗粒的多孔结构，又可以是LSM/YSM的混合物。对于在降低的温度(例如700到900℃)条件下工作而言，阴极中LSM和YSZ混合物的优化将导致阴极的ASR在800℃时为0.2到0.3ohm-cm2。对于薄膜电极支持型电池而言，电池总ASR一般低于0.4ohm-cm2。在附图说明图1中示出了具有Ni/YSZ阳极支持电极和优化的LSM/YSZ阴极的典型薄膜YSZ电解质的每个电池部件的性能和损耗。如图中所示，阴极的损耗构成了总电池性能损耗的主要部分。当电池工作温度降低时，电池ASR因电解质电阻升高和阴极极化增强而显著增加。近来，人们试图通过开发新的阴极材料并协同新的较高导电性的电解质来提高电池在降低工作温度下的性能。一般将这些阴极材料设计成能克服Steele在“Survey of Materials Selection for CeramicFuel Cells II.Cathode and Anode”(Solid State Ionics，86-88，p.1223(1996))中所述的来自LSM的氧化物离子导电性的限制，和来自LSM表面上的氧置换反应速率、LSM的中等导电性的限制。一种方法涉及为掺杂的二氧化铈(CeO2)电解质开发一种掺杂了Ag/氧化钇的氧化铋(YDB)金属陶瓷阴极。按照Doshi等人在“Development ofSolid-Oxide Fuel Cells That Operate at 500℃”(J.electrochem.Soc.，146(4)，1273-1278(1999))和Wang等人在“Lowering theAir-Electrode Interfacial Resistance in Medium-T本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体氧化物燃料电池，它包括：阳极；与所述阳极相邻的电解质；以及与所述电解质相邻的阴极，所述阴极具有与所述电解质相邻的导电层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：R多施，J关，N明，K蒙特戈梅里，E翁，G莱尔，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]