本发明专利技术涉及一种用于高温燃料电池的衬底支撑型阳极，其包括位于金属衬底上的至少3层阳极层压结构(A1、A2、A3)。所述阳极层压结构的各层均包括氧化钇稳定二氧化锆(YSZ)和镍，其中所述镍的平均粒径随着与所述衬底的距离增加而逐层递减。用于与电解质接触的所述阳极层压结构的最后一层具有小于4μm的均方根粗糙度Rq，其在本发明专利技术的上下文中也称为平均表面粗糙度。所述层的总平均微孔大小通常介于0.3μm与1.5μm之间。在生产用于高温燃料电池的此类衬底支撑型阳极的方法中，具有氧化钇稳定二氧化锆(YSZ)和含镍粉末的双峰粒径分布的起始粉末至少用于所述阳极层压结构的第一层和第二层。所使用的含镍粉末的平均粒径逐层递减，从而有利地使所述阳极层压结构的所述最后一层中的平均粒径不超过0.5μm。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于高温燃料电池，确切地说，用于固体氧化物燃料电池的阳极及其生产。所述阳极用于金属衬底支撑型高温燃料电池。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高温燃料电池，如今在650°C到1000°C的工作温度下工作。此类电池的气密电解质包括由金属氧化物组成的固体陶瓷材料，该材料能传导氧离子但用作电子的绝缘体。阴极通常同样由能传导离子和电子的陶瓷材料制成。阳极由混合有氧化钇稳定二氧化锆的镍，即金属陶瓷制成，该材料同样传导离子和电子。 关于平面固体氧化物燃料电池的发展存在各种构思，且将在下文简要概述。第一代SOFC依据的是电解质支撑型电池构思，具有通常由氧化钇稳定二氧化锆(YSZ)构成的相对较厚的电解质(约150 μ m)。多孔电极应用到此支撑成分的两侧。阳极通常包括由金属和氧化材料，通常是Ni和YSZ，构成的金属陶瓷。阴极包括具有钙钛矿结构的氧化物，例如，镧锶锰氧化物(LSM)或镧锶钴铁氧体(LSCF)。为了达到足够高的电解质离子导电性，这些燃料电池在850°C到1000°C的较小温度范围内的温度下工作。但不利地的是，这些较高的工作温度对工作模式和参与材料的需求较高，其中通常用作互连器和热交换器的钢因温度较高而无法使用。过去也是现在的目标在于，让高温燃料电池在中等温度下工作，这样便可使用较为廉价的材料，而不会降低性倉泛。在第二代SOFC中，对阳极支撑型构思进行了改变，从而也可利用低于800°C的工作温度。阳极支撑型燃料电池不仅让堆设计具有更多自由空间，而且允许较低工作温度以及最低和最高工作温度之间广泛的选择自由。在阳极支撑型燃料电池中，相对较厚(最小为约200μπι，通常介于200μπι到1500 μ m)的机械支撑型陶瓷阳极衬底与厚的电化学活性阳极功能层相结合。这两者通常均包括多孔镍/YSZ金属陶瓷(YSZ :氧化钇稳定二氧化锆)，随后在其上应用现今较薄的气密电解质。此处，衬底与阳极功能层的不同之处通常并不在于成分(通常是具有氧化钇稳定二氧化锆的镍)，而一般只在于所使用的粒度。约为IOym的气密YSZ电解质层布置在阳极功能层上。如果使用的是LSCF阴极而不是LSM，则由GCO(氧化礼铺,等效于氧化礼掺杂的二氧化铺)构成的扩散隔膜(diffusion barrier)通常应用在电解质与LSCF阴极之间，因为LSCF和YSZ化学不相容。此扩散隔膜防止LSCF与YSZ发生反应，尤其防止形成电绝缘的中间相。为了进一步提高热循环性能和机械稳定性方面的工作性能，也为了进一步降低600°C到750°C的工作温度，提供基于金属支撑衬底的第三代电解薄层系统。离子导电性较高的材料(例如，氧化钆掺杂的二氧化铈、CGO或完全氧化钇稳定二氧化锆，例如lOSclCeSZ)的较厚电解质层还提供一种替代方案。某些金属合金，尤其是铁素体钢，在配置成不渗透的互连器且还配置成多孔支撑衬底时，不仅具有很匹配电池层的热膨胀，而且具有此类燃料电池工作所需的良好长期性能(例如，高耐腐蚀性和抗蠕变性)。同时，传统的YSZ/LSM复合阴极由包括LSCF阴极层和面对电解质的CGO中间层的双层阴极取代。由于金属材料的机械性质以及有利的原材料价格，金属支撑型固体氧化物燃料电池在使用技术中有巨大潜力。为了所需的用途，衬底支撑型燃料电池应全面满足以下性质和限制(I)衬底的电子导电性较高；(2)在氧化气氛和还原气氛中，衬底的耐腐蚀性较高； (3)匹配陶瓷层的金属衬底的热膨胀系数最好在从10到UXKT6ITi的范围内；(4)对所使用的燃料气具有充足的透气性，意味着衬底的孔隙度至少占体积的30%到 50%,(5)衬底的表面粗糙度降低，以便能得到水平且封闭的涂层。此外，阳极应在阳极功能层中具有充足的催化活性，而且阳极还应具有充足的机械稳定性和完整性，尤其是对衬底表面的良好附着力。在还原气氛中，所应用的阳极层的最高烧结温度应显著低于1400°C,具体而言,约1200°C。但为了生产金属支撑型S0FC，必须选择其他方式来应用燃料电池的功能层，这尤其是因为与陶瓷支撑件相比，金属支撑件的耐高温性较低。此处的挑战通常在于，必须为功能阳极层和薄电解质层显著降低金属多孔衬底的高表面粗糙度。表面粗糙度的问题原则上可通过分级来缓解，这样便可使用粒度逐渐减小的多个粉末技术层。具体而言，对于可在低温下生产厚度较低(小于5μπι)的气密电解质的工艺，例如，气相沉积或溶胶凝胶技术而言，表面粗糙度是尤其关键的参数。在用气密型陶瓷电解质涂覆耐热性较低的金属衬底时，过去已使用热喷涂和各种烧结法。在热喷涂的情况下，通常会形成仅在应用多个其他层之后才会足够气密的多孔层压结构，这是因为融化的陶瓷颗粒快速碰撞且衬底表面突然冷却(迅速凝固)。与传统的非金属阳极支撑型燃料电池相比，这会不利地将电解质层的厚度从约5 μ m到10 μ m增加到约40 μ Hi0电解质的层厚度增加会导致欧姆电阻显著增加。此电阻由凝固的沉积主体(长条板(splat))边界处的微孔进一步增加，这样，迄今为止未达到与非金属支撑型的传统燃料电池相当的电力强度。通过烧结法进行的生产在金属支撑型SOFC的情况下尤其受衬底预定的最高温度限制，在所述生产过程中，如在传统陶瓷衬底的情况下一样，使用悬浮液或糊剂中的粉末，而且这些粉末会在涂覆之后进行热处理，以用于烧结。具有陶瓷衬底的传统燃料电池所使用的电解质材料和粉末通常要求1350°C及更高温度，以便压实成具有所需气密性的层。但在针对金属衬底而降低的烧结温度下，不再会出现这种情况。例如，为了避免在含Ni阳极中出现会损坏电池后期工作的金属间相，用作衬底的FeCr合金的温度最好不超过1200°C。例如,从中可知，英国塞瑞斯动力有限公司(Ceres Power Ltd.)的燃料电池中使用约200μπι到300 μ m厚、铁素体钢的穿孔箔。阳极随后通过诸如湿喷或丝网印刷等传统技术用作厚层，该厚层由具有氧化钆掺杂的二氧化铈(CGO)的Ni金属陶瓷构成，且层厚度在IOym到20μπι范围内，而同样由CGO构成的电解质通过电泳工艺应用到层厚度在10 μ m到30 μ m范围内的层。尤其是因为电泳工艺造成组装密度较高，因此，烧结可在低于1000°C的温度下执行。此外，揭示金属支撑型SOFC的生产，其中由FeCrAH合金制成的非编织结构、由CroFer22APU制成的金属针织物以及通过粉末冶金生产的多孔板经过测试，是孔隙度占体积80%以上的金属衬底。孔隙度占体积20%以上的约50 μ m厚的Ni/Zr02金属陶瓷阳极进行等离子喷涂，而使用高速喷嘴的DC真空等离子喷涂工艺用于生产致密型约40 μ m厚的YSZ电解质层。生产金属支撑型SOFC的另一方法是将较薄的阳极支撑型电池层压到处于先前的烧结状态的较厚金属衬底上。此方法的缺点在于，生产费用较高以及两个成分的接合有问题，尤其是在电池的几何形状相对较大时。生产较薄的层压阳极支撑型电池需要与传统的即用阳极支撑型电池(包括不具有金属衬底的那些电池)相同的技术费用。烧结要在氧化气氛下在高温(约1400°C )下进行，这需要与在还原气氛中对金属成分进行烧结不同的熔炉技术。作为将电解质涂层应用到金属衬底/阳极单元的另一选择，提出PVD工艺(PVD =本文档来自技高网...
【技术保护点】
【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：R·穆克，N·H·门茨乐，H·P·布赫克雷默，M·吕庭格，M·布兰德，T·弗郎哥，A·文思库托尼斯，
申请(专利权)人：攀时欧洲公司，
类型：
国别省市：
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