具有硬钎焊互连体的燃料电池及其组装方法技术

本发明专利技术涉及具有硬钎焊互连体的燃料电池及其组装方法。公开了一种燃料电池，其包括阳极、阴极和置于阳极和阴极之间的电解质。燃料电池还包括设置在阳极附近的阳极互连体，以及硬钎焊材料，硬钎焊材料设置在阳极互连体和阳极之间，以将阳极互连体结合到阳极上。还公开了一种组装燃料电池的方法，其包括形成阳极和电解质的封装件。该方法包括加热封装件与设置在阳极附近的硬钎焊材料，以将阳极结合到互连体上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术大体涉及燃料电池，并且更具体 而言，涉及具有高效的互连布置和密封机构的固体氧化物燃料电池系统。
技术介绍
燃料电池是电化学装置，其将化学能转化成电。更具体而言，通过分别在阳极和阴极处将燃料和氧化剂催化成离子化的原子氢和原子氧来产生电。在电池中的一系列的电化学反应是在燃料电池中产生电功率的唯一手段。典型的燃料电池包括阳极、阳极互连体、阳极结合浆料、电解质、阴极、阴极结合浆料和阴极互连体。阳极结合浆料用来将阳极粘附到阳极互连体上，而阴极结合浆料用来将阴极粘附到阴极互连体上。在离子化过程中在阳极处从氢中移除的电子传导到阴极，它们在阴极处使氧离子化。因为它们在高温(典型地高于大约650°C )下运行时的发电效率的原因，固体氧化物燃料电池(SOFC)已经吸引了相当多的关注。在SOFC的情况下，氧离子被传导通过陶瓷电解质，在陶瓷电解质中它们与离子化的氢结合而形成作为废产物的水，从而完成该过程。电解质以别的方式不能渗透燃料和氧化剂两者，而是仅仅传导氧离子。在几乎所有类型的燃料电池中，需要采取措施来在各种结构的电池内提供气体流阻隔。例如，完全防止燃料气体(例如氢)和氧化气体(例如氧)之间的直接接触通常是关键的。(混合这些类型的气体可导致爆炸和着火)。因为密封件必须在其中起作用的高温环境的原因，在SOFC内提供足够的密封件可提出特别的挑战。SOFC典型地以电串联的方式组装在燃料电池组件中，以产生处于可用的电压的功率。为了产生SOFC组件，互连部件用来以电串联的方式将附近的SOFC连接在一起。阳极互连体和阴极互连体通常通过结合浆料结合到各个SOFC上。在投入使用时，通常对这样的燃料电池的阳极进行化学还原，例如从镍氧化物还原成元素镍。化学还原可导致尺寸的变化，特别是在装置在使用期间经受温度的循环变化时。但是，用来将阳极连接到阳极互连体上的结合浆料在强度方面非常低。因此，在阳极的还原之后可发生分层。分层是其中由于重复的循环应力或导致损失机械完整性的任何种类的影响的原因，复合材料层随着时间的过去而分开的过程。这个还可导致典型地由陶瓷化合物制成的电解质的破裂。另外，用过多的结合浆料来补救这样的问题的尝试可导致阻塞燃料电池组件中的空气和燃料流。另一个显著的挑战在于，一旦SOFC被密封和结合就位，它会在阳极还原期间经历体积变化。再一次，SOFC本身在结合之后的阳极还原期间可破裂或分层。因此，需要这样的燃料电池组件该燃料电池组件被以高效的方式密封和互连，以避免燃料电池的破裂以及燃料电池的构件和在它们之间的互连体的其它退化。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供了一种组装燃料电池的方法，包括以下步骤 a)形成阳极和电解质的封装件； b)对封装件进行化学还原；以及 c)应用硬钎焊材料，以将互连体结合到经化学还原的阳极-电解质封装件上。在其它实施例中，另一个组装燃料电池的方法包括 I)形成阳极和电解质的封装件； II)对封装件进行化学还原； III)在金属互连体中形成成阵列的穿孔，其中，穿孔允许燃料传送到阳极；以及其中，通过穿孔之间的表面区域形成网； IV)在网的周缘的至少一部分周围应用硬钎焊材料，使得硬钎焊材料在阳极附近；以及 V)相对于经化学还原的封装件将互连体定位在期望的位置上；以及加热封装件与硬钎焊材料，以通过网将封装件连接到互连体上。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种燃料电池，包括 i)阳极、阴极，以及置于阳极和阴极之间的电解质； ii)设置在阳极附近的阳极互连体；以及 iii)硬钎焊材料，其设置在阳极互连体和阳极之间，以将阳极互连体结合到阳极上，以及在它们之间形成不透气的周缘密封。附图说明当参照附图来阅读以下详细描述时，本专利技术的这些和其它特征、方面与优点将变得更好理解，在附图中，相同符号在所有图中表示相同部件，其中 图I是根据本专利技术的SOFC的横截面图，其包括具有硬钎焊互连体的阳极、电解质和阴极； 图2是根据本专利技术的硬钎焊SOFC的截面图，其包括阳极互连体，该阳极互连体具有用于输入的燃料气体的入口和用于流出的燃料气体的出口 ； 图3是根据本专利技术的在图2中的硬钎焊SOFC的俯视图，其包括阳极互连体； 图4是根据本专利技术的实施例的互连体接触表面的概略图，其在接触表面上具有用于硬钎焊的穿孔； 图5是根据本专利技术的实施例的阳极的分解视图，其使用设置在互连体的网的周围的硬钎焊材料结合到图4中的互连体上； 图6是组装SOFC的方法的流程图，其中，阴极设置在包括经还原的硬钎焊阳极和电解质的封装件上；以及 图7是组装SOFC的方法的流程图，其中，阳极、电解质和阴极的封装件经还原和硬钎焊在一起。具体实施例方式如下面详细地论述的那样，本专利技术的实施例提供了燃料电池和组装燃料电池的方法。本文描述的燃料电池包括具有硬钎焊(金属)材料或“硬钎焊料”的阳极互连体、阳极、电解质、阴极和具有结合材料的阴极互连体。结合材料可包括硬钎焊料或阴极结合浆料。硬钎焊材料被用来将阳极互连体粘附到阳极上，并且在一些情况下，将阴极互连体粘附到阴极上。现在转到附图，图I是燃料电池10的示例性实施例的横截面图。在示出的实施例中，燃料电池10是S0FC。燃料电池10包括如显示的那样呈封装件的阳极12、电解质14和阴极16。电解质14置于阳极12和阴极16之间。阳极12通过硬钎焊材料20粘附到阳极互连体18上。阴极16也通过结合材料22粘附到阴极互连体24上。硬钎焊材料20还可在阳极12和阳极互连体18之间用于外围处，以对于气体流用作密封剂。结合材料22可为硬钎焊料或阴极结合浆料。阳极12提供用于被引入燃料电池中的燃料的电化学氧化的反应场所。另外，阳极材料在燃料还原环境中是稳定的，在燃料电池运行状况下具有用于燃料气体反应的足够的电子传导率、表面面积和催化活性，并且具有足够的孔隙率以允许气体传输到反应场所。阳极可由具有这些属性的许多材料制成，例如包括镍(Ni) ,Ni合金、银(Ag)、铜(Cu)、贵金属、钴、钌的金属，以及其它材料，例如Ni-氧化钇稳定氧化锆(YSZ)金属陶瓷、铜Cu-YSZ金属陶瓷、陶瓷或它们的组合。电解质14堆迭在阳极12上，典型地通过淀积或层叠。在燃料电池运行期间，电解质在阳极12和阴极16之间传导离子。电解质将在一个电极处产生的离子携带到另一个电极，以平衡来自电子流的电荷，并且完成燃料电池中的电回路。另外，电解质将燃料电池中的燃料与氧化剂分开。因此，电解质大体在还原环境和氧化环境两者中是稳定的，不能渗透反应气体，并且在运行状况下有足够的传导性。典型地，电解质是电子绝缘的。SOFC电解质可由具有这些属性的许多材料制成，例如氧化锆(ZrO2)、氧化钇稳定氧化锆(YSZ)、氧化铈(CeO2)、三氧化二铋、烧绿石氧化物、掺杂锆酸盐、钙钛矿氧化物材料，或金属氧化物(例如钙或锆的氧化物)的陶瓷化合物，或它们的组合。如图I中显示，阴极16设置在电解质14上。阴极提供用于氧化剂的电化学还原的反应场所。因此，阴极选择成使得它在氧化环境中是稳定的，在燃料电池运行状况下具有用于氧化剂气体反应的足够的离子传导率和电子传导率、表面面积和催化活性，并且具有足够的孔隙率以允许气体传输到反应场所。阴极可由具有这些属性的许多材料制成，例如导电氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种组装燃料电池的方法，包括以下步骤：a)形成阳极和电解质的封装件；b)对所述封装件进行化学还原；以及c)应用硬钎焊材料来将互连体结合到经化学还原的阳极？电解质封装件上。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：WC哈什，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：