专利名称：氧化物陶瓷高温燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高温固体氧化物燃料电池，尤其涉及一种旋转对称的高温固体氧化物燃料电池。
背景技术：
已经有高温固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells, SOFC)的概念记载在技术文献(Fuel Cell Handbook 7th edition, EG&G Services, Inc. U. S. Department of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, Morgantown, West Virginia, November 2004 ；Handbook of Fuel Cells Fundamentals, Technology and Application, Wolf Vielstich, Hubert A. Gasteiger, Arnold Lamm, 2003 John Wiley & Sons，Ltd.)中；他们包括管状、平面状和单片状的电池结构。管状结构的一种具体情况是微型管结构，其特征在于相对于高温梯度极为稳定并且还具有快速循环能力。进一步地，通过具有更高的表面积体积比，从而改善了体积功率密度(High Temperature Solid Oxide Fuel Cells !Fundamentals, Design and Applications ； S. C. Singhal et al. ；ISBN 1856173879 ；Elsevier Ltd.，2003，Oxford)。
发明内容
本发明的目的是从已知的电池概念出发，改善他们的电接触性、机械稳定性及气体扩散性，并且改善燃料电池结合到反应器中的能力。该目的通过权利要求1所述的燃料电池系统实现。本发明所述燃料电池系统实施例的进一步优点可从从属权利要求看出。如下所述实施例的各个特征可以在本发明的框架内彼此独立地实现，也就是说， 他们不必严格依照举例中所示的特征组合来实施。本发明的基本思想是设计电池的气体通道和/或沿气体通道的长度围绕气体通道的基板，使其具有变化的截面相对于无变化的截面，这种设计可以改善电气连接性、改善气体扩散性以及机械稳定性，并能够减少损耗以及改进了随后安装到堆叠结构中的可能性，堆叠结构确定了多个单燃料电池的电气及气体的组合，以形成反应器单元。因此，一种根据本发明所述的氧化物陶瓷高温燃料电池具有一个或多个至少一端开放的气体通道；基板，至少部分，优选全部围绕所述气体通道；所述气体通道和/或围绕所述气体通道的基板沿所述气体通道的纵轴观察时具有变化的截面，优选锥形的截面。本发明所述燃料电池的特征在于改进的几何形状，采用在燃料电池的长度上具有变化截面的形式。具体地，本发明所述旋转对称的高温固体氧化物燃料电池在燃料电池基板的长度上具有变化截面，从而改善电池的气体扩散性、电气导电性及机械强度。进一步地，本发明所述燃料电池优选变形是将在后续进行详细介绍的改进的几何形状，使其能够有利于将高温固体氧化物燃料电池结合到堆叠系统中，因为他们尤其有利于实现电池的密封。
能够实现简化安装的可能的设计特征可以为螺纹、延长部或凹槽，说明如下。本发明所采用的内螺纹或外螺纹能够实现形状匹配连接，因此简化了电池与堆叠结构之间连接的密封过程，并且当螺纹包含电子导电材料时，还进一步减少了从电池到堆叠结构的传输损耗。根据本发明，适合于采用夹紧连接和/或插入连接到堆叠结构的延长部也可以改善集成能力，因为夹紧连接也以具有精确配合的过渡为特征。本发明的进一步可能性体现在延长部上，该延长部适合于简化粘合连接、焊料连接或焊接连接到堆叠结构，例如可以通过扩张基板的相应端部并设置环状物来实现，引入环状物为了容纳粘合剂，或者例如通过银环实现，当熔化时达到密封且接触焊料。本发明所述凹槽用于盛放密封材料，例如可以引入具有精确配合的银环，这有利于密封电池与堆叠结构之间的连接，因为这些环状物能够可选地在将电池焊接到堆叠结构中时被固定在适当的位置，从而在实现密封时不会相对于预设位置发生错位。本发明进一步的结构特征是改善了电池与堆叠结构之间的密封性及接触性，该特征表现为延长部，用于被结合到堆叠结构的相应的相反形状中。如果本发明的设计特征，例如延长部、螺纹和/或凹槽是导电的，则通过扩大电池与堆叠结构的电流放电单元之间的接触面(例如接触板)，还可以进一步改善电气接触并降低传输阻抗。由同种材料制成的具有上述设计特征的基板是有利的，这尤其可以避免接合部位，以及由这些结合部位产生的如不密封、剥离等问题。该基板及其它可选的设计元件可以由金属、陶瓷和/或金属与陶瓷(例如金属陶瓷)的混合物制成。一方面，他们可以采用适合于作为阳极材料的材料，例如由金属(优选镍)和至少一种离子和/或电子导电的陶瓷材料制成的金属陶瓷。掺杂锆氧化物(例如掺杂有钇和/或钐和/或钪)和/或掺杂铈氧化物(例如掺杂有钆和/或钪)，此处作为陶瓷材料的例子；还可以进一步包含金属，具体为铜、钴和/或其他过渡金属和/或合金。另一方面，也可以是适合于作为阴极的材料。在此情况下，尤其可以使用下述化合物铁酸盐，如LSCF (Lanthanum Strontium Cobalt i^errate，镧锶钴铁酸盐)；锰酸盐，如 LSM(Lanthanum Strontium Manganate,镧银猛酸盐)禾口 LCM(Lanthanum Calcium Manganate，镧钙锰酸盐)，镍酸盐和/或钴酸盐(如LSC)。尤其优选从钙钛矿构成的组中选取的化合物。可以考虑采用金属，尤其是高温合金，如铁索体铬钢(Crofer 22 APU) ACrTiLi^2作为电子导电载体用作基板的材料，从而用于所述设计特征。本发明的较佳实施例通过权利要求12实现。在该方面，具有气密性涂层的气体通道保证进入气体被强制流动到基板的端部，随后通过整个基板释放气体/废气。所述气密性涂层位于所述气体通道的侧壁。其最好为陶瓷层，优选由电解质材料制成。此处所设置的气体通道如其他实施例所述(参见如下内容)；区别仅在于基板在一端封闭。为了实现透气性的孔隙率达到10%和90%之间，优选25% 50% ；优选的孔直径为0. 5 μ m和100 μ m 之间。本发明进一步重要的特征和优点可参见从属权利要求、附图及参照附图的
。应当理解的是，前述特征及以下要解释的特征不仅能用在各个给定组合中，还能用在其他组合中或单独使用，也不脱离本发明的框架。
以下参照图1至图15进一步地详细说明本发明的优选实施例。
具体实施例方式举例1 图1为显示具有管状基板1的高温燃料电池的示意图，该管状基板1围绕锥形气体通道2且截面贯穿通道的纵轴(虚线)，此处的管状基板1被作为电池的阳极，但也可以代表阴极。所述气体通道从电池的一端到另一端以1°的角度逐渐变细，使得该气体通道在一端的直径为1000 μ m,而在另一端的直径为500 μ m。这种锥形的逐渐变细结构改善了气体扩散性，并在电极的较厚侧减少了欧姆损
^^ ο举例2 图2显示了本发明另一高温燃料电池的相应截面图，但此处具有锥形变细的基板 1，其变细角度对应为5°，并且还具有管状气体通道2，此处被制为园柱形，也就是不变细。 使三相界面(Triple Phase Boundary，简称TPB)得到扩大，因此通过这种设计改进了电池性能。举例3 图3显示了对应于举例2的管状高温燃料电池的相应截面图，但此处具有锥形基板1，用作内电极，并具有气体通道2，额外具有外电极4以及电解质3，该外电极4具有与内电极适配的内圆锥。因此，所示燃料电池的外围对应于圆柱形。使TPB得到了相当大地扩大，通过这种结构改进了电池性能。举例4 图4显示了高温燃料电池的相应截面图，该高温燃料电池在两侧开口，并且其直径沿纵向气体通道轴(虚线)从一端到另一端在两个台阶处突然缩小。此处的基板被制成内电极，其上涂布有电解质3。具有圆柱状外形的相适配的反电极4设置远离内电极的 (朝外设置的)一侧的电解质上。此处，位于基板1内的气体通道被制成圆柱形，也就是不变细。另外，进一步沿电池的纵轴或气体通道2的纵轴往反电极4中引入多个气体通道5。 通过反电极4的台阶状变厚以及内电极相对于反电极的突出，能够改善电气连接性以及安装时的密封性。图5和图6显示了对图4所示高温燃料电池的改进，该高温燃料电池具有更薄的反电极4，并为一个或两个电极1和4设置有额外的电极接触6。所述反电极被制成薄层(IOOnm Imm)。所述电极接触包括围绕该电极的环状物以及从环状物引出的导线。图7显示了对图1所示高温燃料电池的改进，该高温燃料电池在基板1内具有锥形气体通道2，并在电池的一端具有螺纹7，所述气体通道朝螺纹7 —端变宽。这改善了组合成堆叠结构的集成性，并有利于气体密封。另外，也改善了电气接触性。所述螺纹在各种情况中位于基板的端部和/或起始部且围绕部分气体通道，通过制造该螺纹使电池适配到堆叠或连接件的相应对接件中。图8和图9显示了对图3所示高温燃料电池的改进，其中包括具有气体通道2的锥形基板1、电解质3及相适配的外电极4。另外，在各种情况中，用于两个电极的螺纹7位于电池两端。图10和图11显示了基板或承载结构1的进一步优选实施例的截面图，以便具有更好的组合成堆叠系统的集成能力。此处的该基板可以为承载结构、电解质或电极。图12显示了具有封闭端的管状高温燃料电池的截面。此处，通过基板1内的供气体流经的通孔8实现了向内供气，并且该通孔8的内侧设置有防漏层9。通过这种具体的设计，改善了组合成堆叠结构的集成性以及气体的密封性。图13显示了图12所示具有封闭端的管状高温燃料电池的截面，提供了额外的高透气性气体通道5，以保证气体回流。图14显示了 SOFC的截面，该SOFC具有一端封闭的锥形基板1、电解质3和几何适配的反电极4，以及用于向内供气的通孔8和用于两个电极的额外的气体通道5，该通孔 8的内部以防漏的方式进行涂布。图15显示了一侧封闭的SOFC的截面图，该SOFC的基板直径以台阶状缩小，该 SOFC具有以防漏方式涂布的气体入口 10、电解质3和几何适配的反电极4以及额外的气体通道5。此处的基本特征是一侧封闭的基板，与内部气体通道相结合，该内部气体通道具有防漏涂层，并在端部的内层中具有通孔，以保证气体入口进入基板。
权利要求
1.一种氧化物陶瓷高温燃料电池，具有一个或多个至少一端开放的气体通道O)，其特征在于所述燃料电池具有基板(1)，至少部分，优选全部围绕所述气体通道；以及所述气体通道和/或围绕所述气体通道的基板沿所述气体通道的纵轴观察时具有变化的截面，优选锥形变细的截面。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述基板(1)形成所述燃料电池的阳极。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述基板(1)形成所述燃料电池的电解质。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述基板(1)形成所述燃料电池的阴极。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述基板(1)形成电子放电结构和/或燃料电池的承载结构，所述电子放电结构不属于所述阳极也不属于所述阴极，所述承载结构不属于所述阳极、不属于所述阴极也不属于所述电解质，其中，所述电子放电结构和/或所述承载结构优选具有100 μ m 3000 μ m的壁厚，更优选具有100 μ m 1000 μ m的壁厚，和/ 或优选具有IOmm IOOOmm的长度，该长度更优选位于30mm和IOOmm之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池，仅包括一个旋转对称的气体通道，其中，所述基板沿着所述气体通道的外围至少部分，优选全部旋转对称地围绕所述气体通道。
7.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于至少一个锥形的气体通道。
8.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于，至少一个基板片段至少部分围绕至少一个气体通道且呈锥形地变细，或者特征在于锥形基板。
9.根据权利要求8所述的燃料电池，其特征在于，所述基板片段或所述基板沿所述气体通道的纵轴方向具有至少一个台阶，优选两个或更多台阶，在所述台阶处，中间的基板片段的直径或基板直径沿垂直于所述气体通道纵轴的方向突然改变。
10.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述中间的基板片段的直径或所述基板直径在沿所述气体通道的纵轴方向上，在彼此空间分离的至少两个彼此相接的台阶处突然变小。
11.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于，至少一个设计特征被制成、形成和/或设置为如下结合到所述基板中的内螺纹或外螺纹；和/或所述基板的延长部和/或适于形成用于包含有所述燃料电池的堆叠结构的夹紧连接和/或插入连接，和/或适于形成用于这种堆叠结构的粘合连接、焊料连接或焊接连接，和/或适于被结合到这种堆叠的相应的相反形状中；和/或电子导电且适于通过扩大所述燃料电池与所述堆叠结构的电流放电单元之间的接触面来扩大燃料电池和这种堆叠结构的电流放电单元之间的电气接触，从而降低对应于电气接触的传输阻抗； 和/或结合到所述基板中的凹槽，优选用于简化所述燃料电池与所述反应器之间连接的防漏；其中，所述设计特征优选被制成所述阳极的部分、所述电解质的部分，所述阴极的部分、所述电子放电和/或所述燃料电池的承载结构片段。
12.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于，一个或多个气体通道在一端开放，并分别在相对设置的一端封闭；以及至少一个额外的供气部，优选被制成内部涂布的供气部和/或多孔体。
13.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述基板被制成所述燃料电池的电极；所述基板的材料和/或与由所述基板形成的电极相反的反电极的材料适合于阳极材料和/或位于固体氧化物燃料电池的阳极侧的流导体；和/或包含或取材于金属、合金、陶瓷材料，或者由至少一种金属构成的混合物，或者由至少一种合金与至少一种陶瓷材料构成的混合物。
14.根据权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，至少一种所述金属为过渡元素金属，优选第5、第6、第7、第8或第1过渡组中的元素，尤其优选镍、铜、铁、钴、钼或铬，或稀有金属，具体为银、钼、钯、铑、铱或金；和/或所述陶瓷材料包含或取材于离子和/或电子导电材料，具有萤石结构或钙钛矿结构， 所述陶瓷材料优选包含或取材于从掺杂锆氧化物和/或掺杂铈氧化物和/或掺杂铋氧化物和/或掺杂五倍子酸盐构成的组中选出的陶瓷材料；和/或所述燃料电池的电子导电载体包含或取材于铜或超合金，最好基于Mn、W、Co、Al、Ni、 Fe、Cr、Mo、Re、Ti、Zr、Ru、Ta、Nb、B 禾口 / 或 C。
15.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述基板的材料包含和 /或取材于阴极材料，和/或位于固体氧化物燃料电池的阴极侧的流导体，和/或陶瓷材料，和/或金属。
16.根据权利要求15所述的燃料电池，其特征在于，所述金属为在所述燃料电池的运行及制造条件下相对于氧化具有稳定性的金属和/ 或合金；和/或所述金属包括稀有金属，具体为银、钼、钯、铑，铱或金和/或高温合金，具体为高温铜或超合金，最好基于 Mn、W、Co、Al、Ni、!^e、Cr、Mo、Re、Ti、Zr、Ru、Ta、Nb、B 和 / 或 C ；和/或所述陶瓷材料包含或取材于至少一种离子和/或电子导电化合物，最好选自化合物类钙钛矿和/或选自由掺杂铁酸盐和/或掺杂锰酸盐和/或掺杂钴酸盐和/或掺杂铬酸盐和 /或掺杂镍酸盐构成的组；和/或所述陶瓷包括一种前述化合物与掺杂锆氧化物和/或掺杂铈氧化物和/或掺杂铋氧化物和/或掺杂五倍子酸盐的组合。
17.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述基板的材料适合于导电载体材料且最好包括高温合金。
18.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述基板被制成阳极或阴极；并且所述基板的反电极，即阴极或阳极，以前述权利要求中任一项所述基板的形式制成。
19.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述基板和/或所述反电极采用注射成型的方式制成。
20.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述基板和/或所述反电极采用消失模铸(lost mold casting)或持久模(lasting mold)的方式制成。
21.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述基板和/或所述反电极采用挤塑方式制成。
全文摘要
本发明提供一种高温固体氧化物燃料电池，尤其涉及一种旋转对称的高温固体氧化物燃料电池。这种新型的氧化物陶瓷高温燃料电池具有一个或多个至少一端开放的气体通道。该燃料电池具有基板，该基板至少部分，优选全部围绕所述气体通道。所述气体通道和/或围绕所述气体通道的基板沿所述气体通道的纵轴观察时具有变化的截面，优选锥形变细的截面。
文档编号H01M8/24GK102449839SQ201080023377
公开日2012年5月9日 申请日期2010年5月28日 优先权日2009年5月28日
发明者卡特林·克莱因, 格哈德·布欣格尔, 萨沙·屈恩 申请人:埃兹勒隆股份有限公司