用于ＳＯＦＣ系统的绝缘体技术方案

本发明专利技术涉及用于固体氧化物燃料电池的绝缘组合物。该组合物可用于防止密封件损坏并提高电效率和离子效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及固体氧化物燃料电池(SOFC)系统的绝缘体。
技术介绍
SOFC系统通过使燃料与空气中的氧在单电池中反应产生DC电能。多个DC电池以串联或并联方式电连接，通常以串联方式连接以提高电压。对于使用H2作为燃料、使用空 气中的氧作为氧化剂的S0CF，各电池在断路时产生约1. 1-1. 2伏电压，在400-1000°C温度 每个电池产生1. 1-0. 5伏电能。当将多个电池串联时，可产生显著电压。一种SOFC设计的特征是在单个电解质片上的多个电池。将至少一个电解质片，通 常是两个电解质片密封在一个框架中，燃料在该框架中在电解质片之间流动。至少一个片 (通常是具有多个电池的两个电解质片)和框架的组合称作一个包。在电解质的不同区域 之间以及在电解质与导电的(有时接地的)包框架之间存在显著的电压差。这种电压例如 对串联在一个电解质片上的16个电池在断路时最高达约+/-18伏，可以电化学降解和破坏 玻璃密封件，密封件的化学组分在SOFC系统操作温度下在电场作用下移动。在多个电池电 解质设计中密封件与框架之间的电压的符号、幅度和位置取决于该框架是接地还是非接地 (“浮动(float)”)，或者该框架与特定电池和特定电极连接以确定(“固定”)框架的电 势。如本专利技术发现的，在金属固体氧化物燃料电池组件上的等离子体喷涂的氧化铝 (PSA)涂层在PSA层中存在机械故障。CTE不匹配以及PSA涂层中的微结构或微结构中的 缺陷对该涂层中的破裂产生重要的影响。铝酸镁尖晶石加氧化镁涂层可与某些玻璃密封件 发生有害的反应。如本专利技术发现的，除了密封件降解和功率损耗/效率损失外，SOFC系统中杂散 寄生(stray parasitic)电流或离子流可能引起其他的降解材料反应，特别是在单电解 质片上的多电池设计中。在这类多电池系统中，在电池之间的间隙上(称作通道(via gallery))，在一个电池的阳极与距离小于1毫米的相邻电池的未连接的阴极之间存在约 2. 2-2. 4伏电压。杂散/寄生氧离子流或电子流可以流过该小于或等于1毫米的间隙，降低 该装置的功率输出，该离子流或电子流通过各种机理可能引起材料/结构降解。如本专利技术发现的，在靠近通孔电互连件处还存在与“短路”区域相关的效率损失。 对于具有多个通过连续电解质支承件电互连的电池的特定SOFC设计，存在从阴极侧横贯 至阳极侧-即“通孔填充(via-fill)”-的导电元件，被离子传导性电解质支承体(即3YSZ) 包围，产生局限于该通孔的较小电短路、寄生电流。因此需要解决S0FC、尤其是包含多个串联的电池的那些SOFC的上述问题和其他缺陷。本专利技术的绝缘体技术满足了这些需要和其他的需要。专利技术概述在一个方面，本专利技术涉及在S0FC的特定位置使用绝缘体。在另一个方面，本专利技术 使用特定的绝缘组合物。本专利技术通过使用绝缘位点或组合物至少部分或者全部解决了上述 问题。该组合物可用于组件或部分组件，例如导电框架、绝缘框架上的层，在电解质内或其 上的层和绝缘区域。这些绝缘组合物阻止、最大程度地减小或者降低电化学密封件的降解， 功率损耗、和/或在S0FC系统中的杂散/寄生电和离子反应。在第一详细方面，本专利技术提供一种固体氧化物燃料电池，该电池包含阴极、阳极、 电解质、母线、通孔焊垫(via pad)、密封件和绝缘量的绝缘组合物，其中，绝缘组合物靠近 母线和/或通孔焊垫，和/或存在于部分电解质中，绝缘组合物基本上不设置在阴极和电解 质之间。在第二详细方面，本专利技术提供一种固体氧化物燃料电池，该电池包含阴极、阳极、 电解质、母线、通孔焊垫、密封件和绝缘量的绝缘组合物，其中，绝缘组合物靠近母线和/或 通孔焊垫，和/或存在于部分电解质中，所述绝缘组合物不是锆酸镧或锆酸锶。在另一个详细方面，本专利技术提供一种固体氧化物燃料电池，该电池包含阴极、阳 极、电解质、母线、通孔焊垫、密封件和绝缘量的绝缘组合物，该组合物包含一种或多种绝缘 氧化物陶瓷，所述陶瓷具有以下晶体结构类、超类(superclass)，以下晶体结构类型的衍生 结构或超结构(super structure)i)烧绿石或畸变(distorted)烧绿石，ii)钙钛矿、畸变钙钛矿、钙钛矿超结构、或插入式钙钛矿类结构，iii)萤石、畸变萤石、萤石类、阴离子缺陷萤石、白钨矿(sheelite)、褐钇铌矿、或 与萤石相关的AB04K合物，iv)尖晶石、尖晶石衍生的结构、或反尖晶石，v)岩盐结构，vi)钛铁矿，vii)铁板钛CA2B05，viii)基于Re03类嵌段的化学计量结构，ix)基于Re03类嵌段的青铜或四方青铜结构，x)金红石；xi)AB206的三金红石(trirutile)晶体结构或者铌铁矿晶体结构，xii)立方稀土(C_M203)结构，或xiii)刚玉，或者以上的混合物或者固溶体，其中，绝缘组合物靠近母线和/或通孔焊垫，和/或存在于部分电解质中。在另一个详细方面，本专利技术提供一种固体氧化物燃料电池，该电池包括阴极、阳 极、电解质、母线、通孔焊垫、框架、密封件、和绝缘量的绝缘组合物，该组合物包含一种或多 种绝缘氧化物陶瓷，所述陶瓷具有以下晶体结构类、超类、以下晶体结构类型的衍生结构或 超结构i)烧绿石或畸变烧绿石，ii)钙钛矿、畸变钙钛矿、钙钛矿超结构、插入式钙钛矿类结构，iii)萤石、畸变萤石、萤石类、阴离子缺陷萤石、白钨矿、褐钇铌矿、或与萤石相关 的abo4化合物，iv)钛铁矿，v)铁板钛矿 A2B05，vi)基于Re03类嵌段的化学计量结构vii)基于Re03类嵌段的青铜或四方青铜结构，viii)金红石，ix)AB206的三金红石晶体结构或铌铁矿晶体结构，或x)立方稀土(C_M203)结构，或者以上的混合物或者固溶体，其中，绝缘组合物靠近固体氧化物燃料电池的框架。在另一个详细方面，本专利技术提供一种燃料电池系统，该系统包括至少两个本专利技术 的固体氧化物燃料电池。本专利技术的其他方面和优点将有一部分在以下详细描述、附图和任意权利要求中提 出，一部分可从详细描述中推知，或者通过实施本专利技术而习知。利用所附权利要求中特别指 出的要素及其组合，可实现下面所述的优点。应当理解，前面的概述和下面的详述都只是举 例，仅用于解释的目的，不对所披露的本专利技术构成限制。附图简要描述附图包含在本说明书中构成其一部分，展示了本专利技术的某些实施方式。在所有附 图中，相同的标记表示相同的对象。附图说明图1显示各种烧绿石(稀土锆酸盐)和氧化锆8摩尔％氧化钇(YSZ)的热膨胀系数。图2显示在1巴氧气或10_3巴氧气的气氛中测量时稀土锡酸盐和锆酸盐(烧绿石 结构)的电阻随温度的变化。图 3 显示在 600°C，畸变萤石结构,Zr02-Y (RETH) Nb (Ta) 04_Y (RETH) 203 的电阻随 +3 阳离子与+5阳离子比值的变化。图4显示&02_25摩尔％ YTa04-0. 5摩尔％ Ta205的热膨胀系数。图5 显示在 1300-1600°C，&02-YNb(Ta)04-Y(RETH)03/2 体系的富含 &02 角的大致 相图。图6显示实施例1的X-射线衍射谱，辨别在四方氧化锆电解质上具有最少量M0 的氧化锆-钽酸钇的四方晶体结构(畸变萤石)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体氧化物燃料电池，包括：阴极、阳极、电解质、母线、通孔和／或通孔焊垫、密封件和绝缘量的绝缘组合物，其中，绝缘组合物靠近母线和／或通孔和／或通孔焊垫，和／或存在于部分电解质中，其中，绝缘组合物基本不设置在阴极和电解质之间

【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：ME波丁，TD凯查姆，S马加诺维克，DJ圣朱利安，
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]