针对较长寿命和较高电力设计的电解质支撑型电池制造技术

本发明专利技术涉及一种固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ），其包含阴极电极、阳极电极和位于所述阳极电极与所述阴极电极之间的固体氧化物电解质。所述阴极电极为渗透有阴极催化剂材料的多孔陶瓷层，且所述阳极电极为渗透有阳极催化剂材料的多孔陶瓷层，而所述电解质为具有比所述阳极电极和所述阴极电极低的孔隙率的陶瓷层。陶瓷加强区可位于邻近于所述电解质中的上升管开口处。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术大体来说是针对燃料电池组件且特定来说是针对固体氧化物燃料电池材 料。
技术介绍
燃料电池是可以高效率将燃料中所存储的能量转换成电能的电化学装置。电解槽 电池是可使用电能还原给定材料(例如水)以产生燃料(例如氢气)的电化学装置。所述 燃料电池和电解槽电池可包括以燃料电池和电解模式两者操作的可逆电池。在例如固体氧化物燃料电池(S0FC)系统的高温燃料电池系统中，氧化流穿过燃 料电池的阴极侧，而燃料流穿过燃料电池的阳极侧。氧化流通常是空气，而燃料流可以是碳 氢化合物燃料，例如甲烷、天然气、丙烷、乙醇或甲醇。在750°C与950°C之间的典型温度下 操作的燃料电池使得能够组合氧气与游离氢，从而留下多余电子。过多电子被送回到燃料 电池的阴极侧而穿过在阳极与阴极之间完成的电路，从而产生穿过所述电路的电流。可在内部或外部给燃料电池堆叠装用于燃料和空气的歧管。在内部装歧管的堆叠 中，使用所述堆叠内所含有的上升管将燃料和空气配送到每一电池。换句话说，气体流动穿 过每一燃料电池的支撑层(例如电解质层)中的开口或孔和每一电池的气体分离器。在外 部装歧管的堆叠中，堆叠在燃料和空气入口和出口侧上是敞开的，且燃料和空气是独立于 堆叠装备(stack hardware)而引入和收集的。举例来说，入口和出口燃料和空气在堆叠与 所述堆叠位于其中的歧管外壳之间的单独通道中流动。通常，将S0FC制造为电解质支撑型、阳极支撑型或阴极支撑型，这取决于电池的 三个功能组件中的哪一者提供结构支撑。在平坦电解质支撑型S0FC设计中，将阳极和阴极 电极作为油墨喷涂到平坦陶瓷电解质的相对表面上。然而，在某些负载条件下，这些设计中 可能会出现结构完整性的弱点，尤其是在燃料入口和出口上升管开口处或周围。已知陶瓷响应于所施加的拉伸负载而在可发生任何塑性变形之前展示出断裂，例 如在热循环期间。陶瓷中的断裂通常在原有的缺陷(例如微裂纹、内部小孔和颗粒棱角) 处开始。断裂强度取决于存在能够起始裂纹的缺陷的可能性。见威廉D.卡利斯特(WimAM D. CALLISTEE,JE.)，材料科学与工程(MATEKIAlS Science AndENGINEERING)，第 5 版(1999)，第 407 到 409页。对于含有相同缺陷密度的两个陶瓷样本，已知样品大小和体积影响断裂强度“样 品越大，此瑕疵存在的概率越大，且断裂强度越低。”，如卡利斯特在第408页处所述。
技术实现思路
一种固体氧化物燃料电池(S0FC)包括阴极电极；阳极电极；和固体氧化物电解 质，其位于所述阳极电极与所述阴极电极之间。所述阴极电极包括渗透有阴极催化剂材料 的多孔陶瓷层，所述阳极电极包括渗透有阳极催化剂材料的多孔陶瓷层，且所述电解质包 括具有比所述阳极电极和所述阴极电极低的孔隙率的陶瓷层。本专利技术的另一方面提供一种S0FC，其包含阴极电极；阳极电极；和固体氧化物电 解质，其位于所述阳极电极与所述阴极电极之间。所述阳极电极或所述阴极电极包括渗透 有阳极材料或阴极材料的多孔第一陶瓷层，且所述电解质包括具有比所述第一陶瓷层低的 孔隙率的第二陶瓷层。本专利技术的另一方面提供一种固体氧化物燃料电池(S0FC)，其包含陶瓷电解质， 其具有至少一个燃料入口或出口上升管开口 ；阳极，其在所述电解质的第一侧上接触所述 电解质；阴极，其在与所述第一侧相对的第二侧上接触所述电解质；和陶瓷加强区，其而至 少部分地位于所述上升管开口的圆周周围。本专利技术的另一方面提供一种制作孔加强电解质的方法，其包括至少部分地在陶 瓷电解质中的上升管开口的圆周周围提供陶瓷加强区；和烧结所述陶瓷加强区。附图说明图1图解说明本专利技术实施例的S0FC的侧视横截面图，其中多孔外部电极层与中间 电解质层包括相同材料。图2图解说明本专利技术实施例的S0FC的侧视横截面图，其中多孔外部电极层与中间 电解质层包括不同材料。图3图解说明本专利技术实施例的S0FC的侧视横截面图，其中额外陶瓷层位于每一电 极与电解质之间。图4A图解说明本专利技术实施例的S0FC的侧视横截面图，其中向所述S0FC添加不连 续外部层。图4B图解说明图4A的S0FC的俯视图。图4C和5图解说明本专利技术实施例的S0FC的阳极电极的俯视图。图6图解说明本专利技术实施例的S0FC堆叠的侧视横截面图。图7图解说明根据本专利技术实施例的S0FC的侧视横截面图，在所述S0FC中电极中 的一者包括多孔陶瓷层。图8A图解说明根据本专利技术实施例的S0FC的孔加强电解质的俯视图。图8B是经历约600°C到约800°C的热负载的模拟电解质的俯视图计算图像。具体实施例方式在本专利技术的一个实施例中，仅电极为电池提供结构支撑。阳极和阴极电极包括喷 涂或丝网印刷到陶瓷电解质上的油墨，陶瓷电解质例如是稳定氧化锆和/或经掺杂氧化 铈，例如氧化钇稳定氧化锆(“YSZ”)、氧化钪稳定氧化锆(“SCZ”)、掺杂氧化钆的氧化铈 (“GDC”)和/或掺杂氧化钐的氧化铈(“SDC”)电解质。在本专利技术的另一实施例中，电极 与电解质两者均为燃料电池提供结构支撑。此为每一电池提供更高强度且允许更薄和/或 更大占用面积电解质同时降低电解质生产的成本。密实电解质层位于两个渗透催化剂的电极层之间，所述两个电极层具有高于所述电解质层的孔隙率。可将所述电解质视为“无孔 的”，这是因为所述电解质的孔隙率低于所述电极的孔隙率且应为足够低以防止电极催化 剂渗透穿过所述电解质的厚度。然而，应注意，作为陶瓷材料，电解质含有一定量的孔隙率。 尽管在电解质内允许有闭口小孔(因为所述小孔与表面无任何关系)，但应最小化开口孔 隙率的量。优选地，孔隙率限度为如此以致透过性低到足以避免在无离子流动的情况下燃 料与氧化剂发生显著反应且透过性低到足以维持电极之间的某一空间间隙。在一个实施例中，两个外部电极层与中间电解质层由相同陶瓷材料(例如稳定氧 化锆)制作。在另一实施例中，外部多孔电极层由与电解质材料不同的陶瓷材料制作。所 述电极层可由彼此相同或不同的陶瓷材料制作。在任一情况下，所述电极层渗透有不同的 相应阳极和阴极催化剂材料。在又一实施例中，将陶瓷夹层和/或不连续外部层添加到燃 料电池以提供加强，借此给燃料电池提供额外机械强度。尽管上文将电极催化剂描述为优选地是通过渗透到多孔陶瓷层中而产生，但可通 过任何适合方法来制作燃料电池。此外，尽管稳定氧化锆(例如氧化钇稳定氧化锆、氧化钪 稳定氧化锆和/或氧化铈稳定氧化锆)以及经掺杂氧化铈(例如掺杂氧化钐的氧化铈)作 为用于电极和/或电解质层的陶瓷材料是优选的，但可替代地使用其它适合陶瓷材料。图1图解说明根据本专利技术第一实施例的固体氧化物燃料电池(S0FC) 1。燃料电池 1包含多孔阳极电极3、密实固体氧化物电解质5和多孔阴极电极7。在此实施例中，电极层 3、7和电解质层5由相同陶瓷材料制作，例如稳定氧化锆，例如氧化钇稳定氧化锆(“YSZ”)、 氧化钪稳定氧化锆(“SSZ”)、氧化钪氧化铈稳定氧化锆(“SCSZ”)(其也可称为掺杂钪和 铈的氧化锆)或其混合物。在一个实例中，电解质5和电极3、7可包括YSZ或SSZ，例如8 摩尔YSZ (即，8摩尔％氧化钇/92摩尔％氧化锆复合物)或8摩尔％ SSZ ；还可使用10摩 尔或11摩尔％ SSZ。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ），其包括：阳极电极；阴极电极；和固体氧化物电解质，其位于所述阳极电极与所述阴极电极之间；其中：所述阳极电极包括渗透有阳极催化剂材料的多孔第一陶瓷层；所述阴极电极包括渗透有阴极催化剂材料的多孔第二陶瓷层；且所述电解质包括具有比所述第一陶瓷层和所述第二陶瓷层低的孔隙率的第三陶瓷层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-11-13 60/996,352;US 2008-7-17 61/129,759;U一种固体氧化物燃料电池(SOFC)，其包括阳极电极；阴极电极；和固体氧化物电解质，其位于所述阳极电极与所述阴极电极之间；其中所述阳极电极包括渗透有阳极催化剂材料的多孔第一陶瓷层；所述阴极电极包括渗透有阴极催化剂材料的多孔第二陶瓷层；且所述电解质包括具有比所述第一陶瓷层和所述第二陶瓷层低的孔隙率的第三陶瓷层。2.根据权利要求1所述的S0FC，其中所述第一陶瓷层、所述第二陶瓷层和所述第三陶 瓷层包括相同材料。3.根据权利要求2所述的S0FC，其中所述第一陶瓷层、所述第二陶瓷层和所述第三陶 瓷层包括氧化钪稳定氧化锆(SSZ)或氧化钇稳定氧化锆(YSZ)。4.根据权利要求3所述的S0FC，其中所述第一陶瓷层、所述第二陶瓷层和所述第三陶 瓷层包括8SSZ或8YSZ。5.根据权利要求1所述的S0FC，其中所述第三陶瓷层的材料不同于所述第一陶瓷层和 所述第二陶瓷层的材料。6.根据权利要求5所述的S0FC，其中所述第一陶瓷层和所述第二陶瓷层具有比所述第 三陶瓷层高的强度和比其低的离子导电率。7.根据权利要求6所述的S0FC，其中所述第一陶瓷层和所述第二陶瓷层包括YSZ且所 述第三陶瓷层包括SSZ。8.根据权利要求1所述的S0FC，其进一步包括第四陶瓷层，其位于所述第一陶瓷层与所述第三陶瓷层之间；和 第五陶瓷层，其位于所述第二陶瓷层与所述第三陶瓷层之间。9.根据权利要求8所述的S0FC，其中所述第一陶瓷层、所述第二陶瓷层和所述第三陶瓷层包括稳定氧化锆层；且 所述第四陶瓷层和所述第五陶瓷层包括经掺杂氧化铈层。10.根据权利要求1所述的S0FC，其进一步包括位于所述阳极电极上或所述阴极电极 上的不连续陶瓷支撑层。11.根据权利要求1所述的S0FC，其中所述多孔第一陶瓷层的外围部分填充有密封材料。12.根据权利要求1所述的S0FC，其中所述第三陶瓷层的一部分折叠于第一陶瓷层的 外围部分上方。13.根据权利要求1所述的S0FC，其中 所述电解质为约25到约75微米厚；且所述阳极电极和所述阴极电极层为约20到约100微米厚。14.根据权利要求1所述的S0FC，其中所述阳极电极比所述阴极电极薄。15.根据权利要求1所述的S0FC，其中所述SOFC被并入到包括多个通过气体分离器/ 互连板分离的平坦SOFC的堆叠中。16.一种制作固体氧化物燃料电池(SOFC)的方法，其包括提供包括多孔第一陶瓷层、多孔第二陶瓷层和第三陶瓷层电解质的结构，所述第三陶 瓷层电解质具有比所述第一陶瓷层和所述第二陶瓷层低的孔隙率；将阳极电极催化剂渗透到所述第一多孔陶瓷层中以形成阳极电极；和 将阴极电极催化剂渗透到所述第二多孔陶瓷层中以形成阴极电极。17.根据权利要求16所述的方法，其中通过将造孔剂提供到第一生陶瓷层中和第二生 陶瓷层中但不提供到第三生陶瓷层中、随后加热所述结构以烧尽所述造孔剂来形成所述结 构。18.根据权利要求17所述的方法，其中通过对所述第一生陶瓷层、所述第二生陶瓷层 和所述第三生陶瓷层进行带浇注、随后进行烧结来形成所述结构。19.根据权利要求18所述的方法，其中通过多层带浇注来形成所述结构。20.根据权利要求18所述的方法，其中通过对所述带浇注层进行辊压来形成所述结构。21.根据权利要求18所述的方法，其中通过对所述带浇注层进行单轴压制或等静压压 制来形成所述结构。22.根据权利要求21所述的方法，其中借助或不借助相容有机粘合剂来执行所述压制。23.根据权利要求16所述的方法，其中所述结构进一步包括 第四陶瓷层，其位于所述第一陶瓷层与所述第三陶瓷层之间；和 第五陶瓷层，其位于所述第二陶瓷层与所述第三陶瓷层之间。124.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括用密封材料填充所述多孔第一陶瓷层 的外围部分。25.根据权利要求16所述的SOFC，其进一步包括将所述第三陶瓷层的一部分折叠于第 一陶瓷层的外围部分上方。26.一种固体氧化物燃料电池(SOFC)，其包括 阳极电极；阴极电极；和固体氧化物电解质，其位于所述阳极电极与所述阴极电极之间； 其中所述阳极电极或所述阴极电极包括渗透有阳极材料或阴极材料的多孔第一陶瓷层；且 所述电解质包括具有比所述第一陶瓷层低的孔隙率的第二陶瓷层。27.根据权利要求26所述的S0FC，其中 所述阳极电极包括所述多孔第一陶瓷层；且所述阳极材料包括位于所述多孔第一陶瓷层中的镍。28.根据权利要求26所述的S0FC，其中 所述阴极电极包括所述多孔第一陶瓷层；且所述阴极材料包括位于所述多孔第一陶瓷层中的LSM。29.根据权利要求26所述的S0FC，其中 所述多孔第一陶瓷层包括SSZ多孔层；且 所述第二陶瓷层包括SSZ薄膜。30.根据权利要求29所述的SOFC，其中所述电解质小...

【专利技术属性】
技术研发人员：马蒂亚斯戈特曼，延阮，伊马德埃巴塔韦，塔德阿姆斯特朗，王恭厚，达伦希基，斯蒂芬库斯，
申请(专利权)人：博隆能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]