固体氧化物燃料电池制造技术

固体氧化物燃料电池，包括：金属支撑（１），其终止于基本纯净的电子导电氧化物；活性阳极层（２），其由基于氧离子导体的共掺杂氧化锆构成；活性阴极层（５）；以及ＬＳＭ和铁素体的混合物层，其作为到单相ＬＳＭ的阴极集电器（７）的过渡层（６）。使用金属支撑而不是Ｎｉ－ＹＳＺ阳极支撑，增加了支撑的机械强度并确保了支撑的氧化还原稳定性。多孔铁素体不锈钢终止于纯净的电子导电氧化物，以阻止倾向于溶解到铁素体不锈钢中而导致从铁素体到奥氏体结构的有害相移的活性阳极中金属之间的反应。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及包括金属支撑的固体氧化物燃料电池(SOFC)。
技术介绍
US 2002/0048 699涉及一种包括铁素体不锈钢基板的固体氧化物燃料电池，所 述铁素体不锈钢基板包括多孔区域和束缚该多孔区域的非多孔区域。铁素体不锈钢双极 板位于所述基板的多孔区域的一个表面之下，并密封连接到所述基板的多孔区域之上的 非多孔区域。第一电极层位于所述基板的多孔区域的另一表面之上，并且电解质层位于 第一电极层之上，而第二电极层位于该电解质层之上。这样的固体氧化物燃料电池相对 便宜。但是其不够鲁棒(robust)。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种固体氧化物燃料电池，其相对便宜，并且同时比之前 已知的固体氧化物燃料电池更加鲁棒。根据本专利技术的SOFC电池包括金属支撑材料，活性阳极层，由良好的碳氢化合物裂解(crack)催化剂构成，电解质层，活性阴极层，和到阴极集电器的过渡层，优选由LSM和铁素体的混合物构成，提供用于阻止所述金属支撑和活性阳极之间扩散的装置。使用金属支撑而不是Ni-YSZ (氧化钇稳定氧化锆)阳极支撑，增加了支撑的机 械强度并确保了支撑的氧化还原稳定性。使用金属支撑时的问题是，在烧结(其在相对高的温度进行)期间，来自活性 阳极层的电极材料与金属支撑互相扩散，造成例如从铁素体到奥氏体相的有害的支撑相变。根据本专利技术，这可以通过以下方法避免，将金属支撑形成为终止于(end in)电子 导电氧化物(electron conducting oxide)的渐变(graded)金属陶瓷结构，或者将活性阳极层形成为多孔层，在烧结之后向其中渗透活性阳极材料。在根据本专利技术的具体实施方案中，该电池包括铁素体金属支撑，其由渐变 的、终止于基本纯净的电子导电氧化物的层状金属陶瓷结构构成，活性阳极层，其由良好的碳氢化合物催化剂构成，例如掺杂的氧化铈和Ni-Fe合金的混合物，电解质层，活性阴极层， 过渡层，其优选由LSM(LaxAhMnO3)和铁素体的混合物构成，并终止于阴极集电器，其优选由单相LSM构成。FeCr多孔支撑在所有内和外表面上具有氧化物层，该氧化物层可通过Fe-Cr合 金本身在适当气氛中氧化或通过涂敷该合金来形成。该涂层的目的是阻止碳和焦油的沉 积。涂层的成分可基于例如Cr2O3，CeO2, LaCrO3, SrTi03。在任何情况中，基础氧化 物应当适当地掺杂。根据本专利技术的SOFC电池可在电解质层和活性阴极层之间设有掺杂的氧化铈的 反应阻挡层，所述反应阻挡层具有0.1 μιη的厚度。该阻挡层阻止了阳离子从阴极到 电解质的扩散。结果可以增加使用寿命。根据本专利技术，活性阴极可由以下复合物构成，该复合物一种材料选自氧化钪和 氧化钇稳定氧化锆(ScYSZ)或掺杂的氧化铈，一种材料选自LSM，锰酸锶镧(LnSrMn) 或氧化钴铁锶镧(LnSrFeCo)，(YhCax) Fe1^yCoyO3' (Gd1^xSrx) ,Fe1^yCoyO3 或(GdhCax) ,Fe1^yCoyO3。这种阴极材料比其他阴极材料表现更好。根据本专利技术，电解质层可由共掺杂的氧化锆基氧离子导体构成。这种电解质具 有比YSZ更高的氧离子导电性，以及比ScSZ更好的长时间稳定性。作为替换，可使用 掺杂的氧化铈。根据本专利技术，SOFC电池可包括铁素体不锈钢支撑；活性复合物阳极层，其 由良好的碳氢化合物裂解催化剂(例如Ni合金)和适当的离子导体(例如掺杂的氧化铈 或ScYSZ)构成；电解质层；和活性阴极层以及到阴极集电器的过渡层，该过渡层优选 地由LSM和铁素体的混合物构成，该阴极集电器优选由单相LSM构成。在具体实施方案中，金属支撑可由FeCrMx合金构成。Mx是诸如Ni，Ti，Ce， Mn, Mo，W, Co，La，Y或Al的合金元素。浓度保持在相关的奥氏体形成的水平之 下。在另一具体实施方案中，活性阳极可由8YSZ、共掺杂的氧化锆或共掺杂的氧化 铈的多孔层构成。可添加O 50%的金属合金。附图说明下面参考附图来说明本专利技术，其中图1示出根据本专利技术的鲁棒的中等温度SOFC电池。图2示出多种阴极材料的面积电阻率(area specific resistance)，包括在根据本专利技术的SOFC电池中使用的阴极材料。 图3示出具有阳极渗透层的SOFC电池。图4示出具有阳极渗透层和阻挡层的SOFC电池。图5示出具有双电极渗透层的SOFC电池。具体实施例方式图1示出了根据本专利技术的固体氧化物燃料电池SOFC。该电池包括金属支撑1，其终止于基本纯净的电子导电氧化物；活性阳极层2，其由掺杂的氧化铈或ScYSZ、 Ni-Fe合金构成；电解质层3，其由共掺杂的氧化锆或氧化铈基氧离子导体构成；活性阴 极层5;以及LSM和铁素体层的混合物层，其作为到优选由单相LSM或LnSrMnCo构成 的阴极集电器7 (或多孔金属集电器)的过渡层6。由七个功能层构成的完整的固体氧化物燃料电池的主干是功能渐变的多孔金 属陶瓷结构1，其由多孔铁素体不锈钢和电子导电氧化物构成，所述电子导电氧化物如 (Sr1xLax) Ji1^yNbyO3(LSTN),其中 0≤X≤0.4，0.5≤s≤l, 0≤y≤lo。这种氧化物的另一例子为 (La1xSrx) CrO3 (LSC)。另一例子为 Sr(La) Ti (Nb) O3 (LSTN) +FSS (例如，Fe22Cr)。通常，可以使用热膨胀系数与金属的热膨胀系数大致匹配的电子导电氧化物(η型或ρ型导 体)。合金表面(内与外)涂有电子导电氧化物层，以便阻止多孔阳极支撑1中碳氢化合 物的裂解。由于多孔支撑中碳氢化合物裂解可能会使碳沉淀，导致孔隙堵塞，因此碳氢 化合物的裂解应当仅在活性阳极中发生。使用金属支撑1而不是Ni-YSZ阳极支撑，增加了支撑的机械强度，并确保了该 支撑的氧化还原稳定性。多孔铁素体不锈钢1终止于纯净的电子导电氧化物，例如LSC 或LSTN(Sr(La)Ti(Nb)O3),以便阻止活性阳极2中金属之间的反应，尤其是Ni或NiO， 其易于溶解到铁素体不锈钢中，造成可能有害的从铁素体到奥氏体结构的相移。还可在 相反方向发生扩散，因为来自金属支撑的元素可扩散到阳极中。活性阳极层2是掺杂的氧化铈+ScYSZ+Ni-Fe合金的渐变结构，其仅包含少量百 分比的纳米粒度的金属催化剂，该催化剂为良好的碳氢化合物裂解催化剂。该层的厚度 为1 50 μ m0活性阳极2由NiO和FeOx或其混合物在ScYSZ和LSTN中的固溶体来制造。 这种制品保证了在操作燃料电池中还原之后有少量百分比的纳米粒度的Ni-Fe催化剂。 这实现了催化剂的高表面积，并且由于催化剂颗粒彼此保持一定的距离，阻止了催化剂 的聚集。少量高表面积的镍和铁能够实现碳氢化合物的转换和裂解的快速动力学，以及 氢的高效电化学转换。仅通过使催化剂细微地分散，避免了当使用碳氢化合物作为燃料 时碳纳米管的形成。当活性阳极还原时形成细微分散的催化剂。由于阳极仅包含少量百 分比的催化剂，因此它将是氧化还原稳定的(由于仅阳极的一小部分显示出氧化还原活 性)。氧化还原循环可最终使Ni-Fe催化剂的纳米结构复苏(revive)。阳极2包含大量 的氧化铈，其具有催化碳的电化学氧化的能力，碳可作为裂解过程的结果本文档来自技高网...

【技术保护点】
ＳＯＦＣ电池，其包括：金属支撑材料，活性阳极层，由良好的碳氢化合物裂解催化剂构成，电解质层，活性阴极层，和到阴极集电器的过渡层，所述过渡层由ＬＳＭ和铁素体的混合物构成，或者由单相ＬＳＭ构成，以及提供用于阻止所述金属支撑和活性阳极之间扩散的装置。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：皮特哈尔沃拉森，莫根斯别戈莫根森，索伦林德罗特，肯特卡莫汉森，王蔚国，
申请(专利权)人：丹麦科技大学，
类型：发明
国别省市：DK