用于SOEC和SOFC的互连件的湿式喷涂涂层制造技术

本申请涉及用于SOEC及SOFC互连件的湿式喷涂的涂层。利用涂布用于SOEC或SOFC的互连件的方法的系统、装置和方法，所述方法包括将涂料前体粉末湿式喷涂到互连件上，并且在氧化环境中烧结所述互连件以形成涂层。境中烧结所述互连件以形成涂层。境中烧结所述互连件以形成涂层。

Wet spray coating for interconnects of SOEC and SOFC

【技术实现步骤摘要】
用于SOEC和SOFC的互连件的湿式喷涂涂层
[0001]优先权信息
[0002]本申请要求2021年1月21日提交的美国临时专利申请第63/139,907号的权益，所述申请以全文引用的方式并入本文中。


[0003]本专利技术的实施例一般涉及电解器和燃料电池堆组件，且更确切地说，涉及用于电解器和燃料电池堆的互连件和制造互连件的方法。

技术介绍

[0004]一般来说，固体氧化物电解器(SOE)系统包括SOE堆，所述SOE堆由固体氧化物电解池(SOEC)和需要功能性涂层的金属互连件(IC)构成。同样，固体氧化物燃料电池(SOFC)也包括需要功能性涂层的金属互连件。
[0005]举例来说，典型的固体氧化物燃料电池堆包括由金属互连件间隔开的多个燃料电池，所述金属互连件提供电池堆中邻近电池之间的电连接，并提供用于递送和去除燃料和氧化剂的通道。金属互连件通常由基于Cr的合金构成，如称为CrF的合金，其组成为95wt％Cr
‑
5wt％Fe，或Cr
‑‑
Fe
‑‑
Y，其组成为94wt％Cr
‑
5wt％Fe
‑
1wt％Y。CrF和CrFeY合金在典型的SOFC操作条件，例如在空气和湿燃料气氛中，700
‑
900℃下保持其强度和尺寸稳定。然而，在SOFC的操作过程中，CrF或CrFeY合金中的铬会与氧气反应并形成三氧化二铬，导致SOFC堆退化。
[0006]影响SOFC堆的主要退化机制中有两个与金属互连组件的三氧化二铬形成直接相关：i)由于互连件上形成原生氧化铬(三氧化二铬(Cr2O3))而导致堆欧姆电阻较高，和ii)SOFC阴极的铬毒化。
[0007]尽管Cr2O3为电子导体，但这种材料在SOFC操作温度(例如，700
‑
900℃)下的电导率非常低，其中在850℃下的值为约0.01S/cm(与Cr金属的7.9
×
104Scm
‑1相比)。氧化铬层在互连件表面上的厚度随时间增加，从而使互连件的欧姆电阻，并因此使SOFC堆的欧姆电阻因这一氧化物层随时间而增加。
[0008]与形成三氧化二铬的金属互连件相关的第二退化机制被称为阴极的铬毒化。在SOFC操作温度下，铬蒸气通过涂层中的裂缝或孔隙扩散，并且铬离子可能经由固态扩散穿过互连件涂料的晶格扩散到SOFC阴极中。另外，在燃料电池操作过程中，环境空气(潮湿空气)流过互连件的空气(阴极)侧，并且湿燃料流过互连件的燃料(阳极)侧。在SOFC操作温度和潮湿空气(阴极侧)存在下，互连件上的Cr2O3层的表面上的铬与水反应并以气态物质氧化铬氢氧化物CrO2(OH)2形式蒸发。氧化铬氢氧化物物质以蒸气形式从互连件表面输送到燃料电池的阴极电极，在所述阴极电极中，其可能以固体形式Cr2O3沉积。Cr2O3沉积在SOFC阴极上和内部(例如，经由晶界扩散)和/或与阴极反应(例如，形成Cr
‑‑
Mn尖晶石)，导致阴极电极的性能显著退化。典型的SOFC阴极材料，如钙钛矿材料(例如LSM、LSC、LSCF和LSF)尤其易受各种原因的氧化铬降解的影响。

技术实现思路

[0009]因此，本专利技术的实施例涉及用于SOEC和SOFC的互连件的湿式喷涂涂层，所述涂层显著地避免了由于相关技术的局限性和缺点而产生的一种或多种问题。
[0010]以下描述将阐明本专利技术的其它特征和优点，并且这些特征和优点的一部分将在描述中显而易见，或者可通过实践本专利技术而习得。本专利技术的目标和其它优点将通过在书面描述和其权利要求书以及附图中特别指出的结构来实现和获得。
[0011]为了实现这些和其它优点并且根据本专利技术的目的，如所体现和广泛地描述，用于SOEC和SOFC的互连件的湿式喷涂涂层包括用于涂布SOEC或SOFC的互连件的系统、装置和方法，其包含将涂料前体粉末湿式喷涂到互连件上，并且在氧化环境中烧结互连件以形成涂层。
[0012]在另一方面，用于SOEC和SOFC的互连件的湿式喷涂涂层包括用于涂布SOEC或SOFC的互连件的系统、装置和方法，其包含将金属粉末添加到氧化锰钴中以形成涂料；将涂料湿式喷涂到互连件上；并且在氧化环境中烧结互连件以形成涂层。
[0013]应理解，前述一般描述以及以下详细描述均为示例性和解释性的，并且旨在为如要求保护的本专利技术提供进一步解释。
附图说明
[0014]附图被包括在内以提供本专利技术的进一步理解，并且并入在本说明书中并构成本说明书的一部分，其图示本专利技术的实施例并与描述内容一起用来阐释本专利技术的原理。在各图式中：
[0015]图1A为根据本专利技术的各种实施例的SOFC堆的透视图。
[0016]图1B为根据本专利技术的各种实施例的图1A的堆的一部分的截面图。
[0017]图2示出根据本专利技术的各种实施例的互连件的截面图。
[0018]图3示出根据本专利技术的各种实施例的涂布互连件的方法。
[0019]图4A
‑
4D示出根据本专利技术的各种实施例，烧结之后的互连件涂层的显微截图。
[0020]图5A
‑
5B示出根据本专利技术的各种实施例，烧结之后的互连件涂层的显微截图。
具体实施方式
[0021]现将详细参考本专利技术的实施例，在附图中示出所述实施例的实例。在可能的情况下，相同参考编号将用于相同元件。
[0022]目前，空气等离子体喷射(APS)涂层提供良好结果以减少互连件退化。举例来说，可使用如空气等离子体喷射(APS)的喷涂法，或可使用如使用油墨涂料的湿涂法的涂布法涂覆涂料。APS法为将粉末状涂料进料到涂布设备中的热喷涂法。将涂料粒子引入到等离子体射流中，在其中涂料粒子被熔融并随后向衬底加速移动。在到达衬底时，熔融液滴平摊并冷却，形成涂层。等离子体可以通过直流电(DC等离子体)或通过感应(RF等离子体)产生。此外，不同于需要惰性气体或真空的受控气氛等离子体喷涂(CAPS)，空气等离子体喷涂是在环境空气中进行。尽管有一些优点，但APS法因其成本较高而不太合乎需要。
[0023]根据本专利技术的各个实施例，图1A为固体氧化物燃料电池(SOFC)堆100的透视图，并且图1B为堆100的一部分的截面图。尽管使用SOFC堆作为实例，但本专利技术实施例另外适用于
SOE/SOEC系统和包括互连件10的任何其它组件。
[0024]如图1A和1B所示，堆100包括由互连件10间隔开的燃料电池1。如图1B中所示，每个燃料电池1包括阴极电极3、固体氧化物电解质5和阳极电极7。
[0025]各种材料可用于阴极电极3、电解质5和阳极电极7。举例来说，阳极电极3可包括金属陶瓷，所述金属陶瓷包含含镍相和陶瓷相。含镍相可完全由处于还原态的镍组成。当其处于氧化态时，此相可形成氧化镍。因此，优选地将阳极电极7在操作之前于还原气氛中退火以将氧化镍还原成镍。含镍相可包括除镍和/或镍合金以外的其它金属。陶瓷相可包括经稳定氧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涂布用于固体氧化物电解池SOEC或固体氧化物燃料电池SOFC的互连件的方法，所述方法包含：将涂料前体粉末湿式喷涂到互连件上，并且在氧化环境中烧结所述互连件以形成涂层。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述前体粉末包含尖晶石前体粉末，其包含选自Cu、Mn、Co、Fe和/或Ni的至少两种金属。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述涂层包含选自Cu、Mn、Co、Fe和/或Ni的至少两种金属的氧化物。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述烧结是在SOEC或SOFC堆中原位进行。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述互连件包含铬铁合金，其包含含有Cu、Fe或Ni中的至少一者的氧化物的尖晶石涂层。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述涂层进一步包含Mn或Co中的至少一者。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述涂层具有不含相连的开放孔隙的半致密涂层。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述涂层具有伴随封闭孔隙的致密涂层。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧化环境为空气。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述烧结是在所述SOFC或SOEC堆中原位进行。11.根据权利要求1所述的方法，其中将所述涂层湿式喷涂到所述互连件是在烧...

【专利技术属性】
技术研发人员：T，
申请(专利权)人：博隆能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：