互连和固体氧化物燃料电池装置的制造方法
【专利说明】互连和固体氧化物燃料电池装置
[0001]与联邦赞助研究&发展相关的申明
本发明是利用政府支持在由美国能源部授予的子合同号DE-NT0004109下做出的。政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
[0002]本公开的主题大体涉及电化学装置，如固体氧化物燃料电池，并且更具体地说，涉及一种固体氧化物燃料电池(SOFC)的金属歧管和互连结构，其提供了与可渗透表面相邻的致密表面，以及垂直于表面的界面连结部的平坦过渡，以使两个表面在相同平面中。随后的电极和电解质层沉积到表面上，以使它们平行于平坦的互连表面。
【背景技术】
[0003]固体氧化物燃料电池(SOFC)以高效率和低排放将化学能转换成电能。阴极一方面使氧气还原，并且将氧离子供应至气密性电解质。气密性电解质将氧离子在高温下传导至阳极，其中氧离子使氢气氧化，以形成水。连接阳极和阴极的电阻性负载传导电子，以执行工作。
[0004]基于传统陶瓷烧结技术的阳极-支承的SOFC在高产量下受到可制造的最大电池尺寸的限制；并且基于烧结的制造设施需要大的投资。然而，利用热喷雾沉积的金属互连-支承的SOFC提供了各种制造益处以及更为凹凸不平的设计。结果，电池尺寸可比利用烧结制造时所观察的更成功地增大。热喷雾沉积电解质的成功不仅取决于内在的涂覆气密性，而且还取决于互连衬底的设计。
[0005]互连表面需要是相对平滑的，以防止在沉积电极，典型地但不排他地沉积阳极和随后的电解质时形成大的缺陷，其可导致在高的燃料利用率(Uf)下的低的开路电压(OCV)和不良性能。另外，互连需要具有燃料流场，其设计成允许足够的燃料气体到达阳极和电解质界面，以最小化质量传输极化。典型地，这通过利用大的穿孔或互连的孔隙来实现。供给到热喷雾工艺中的粉末原料可在10nm至大约50um的范围内，用于热喷雾沉积，从而将互连的燃料流场限制于小于大约10um的多孔特征尺寸。比粉末尺寸小大约两倍的多孔特征尺寸典型地足以沉积完全且均匀的涂层，其中阳极和电解质粉末可在不形成可渗透的缺陷的情况下将特征充分地桥接。多孔金属泡沫的使用已经显示了用于提供足够的燃料以到达阳极和电解质界面的希望，同时仍然保持气密性的电解质涂层没有裂纹引起的缺陷。然而，需要将多孔金属密封于致密的金属歧管的已知设计导致了锐利的过渡转角和接缝，它们阻止了完全的电解质覆盖，并且在电解质沉积之后引起高应力集中的局部区域。应力显著地增大了在操作期间破裂的可能性，导致OCV和Uf的损失，并且可最终引起SOFC故障。
[0006]因为OFC流场将燃料气体或空气携带至电极，用于电化学反应，所以气体和空气流场结合它们相应的歧管必须分开和密封成防止燃料和空气混合。此外，气体和空气流场在提供电气互连的同时还必须是电绝缘的，从而传导来自它们相应的阳极或阴极电极的电子。
[0007]歧管和流场必须为反应剂气体提供到达电极的路径。这典型地使用穿孔的、通道化的或波纹状的设计来实现。这些设计不提供基本上平滑且平坦的衬底，用于平坦的涂覆沉积。例如，热喷雾沉积技术需要光滑表面用于均匀涂覆，而没有锐利的特征，其可引起大的局部应力，从而导致裂纹。这些品质对于确保电解质涂覆的气密性是期望的。电解质不仅需要在内在上为气密性的，而且还必须形成对歧管的致密部分的密封。
[0008]一种已知的方法在阳极上面沉积电解质，其中该阳极直接粘结于阳极互连部上。这导致了只有在电解质是完全气密性的时在电解质和阳极互连部之间的密封，消除了在燃料和氧化剂(典型地为空气)之间的流体连通。已经提出了单片式歧管，其具有大的穿孔，用于与电极及电解质的流体连通。因为该部分是单片式的，所以不需要将可渗透的互连部粘结于歧管。然而，为了解决在大的燃料开口上面沉积薄的阳极和电解质层的挑战，构思建议在互连燃料开口中使用可消耗的易失性材料。该步骤需要高温烧尽，并且可干扰高温电解质沉积工艺如热喷雾沉积，或者具有有限的成功。
[0009]类似地，一些技术具有与电解质共同-烧结的金属互连结构，其中电解质与多孔且致密的区域的连结部接触，并且在其上面形成密封。密封的界面需要电解质只与多孔且致密的界面接触，从而留下了不连续且不完全的阳极覆盖。不完全的阳极覆盖以及金属、金属陶瓷和陶瓷的共同-烧结可在涂层中不利地产生相当大的残余应力，并且是不合乎需要的。
[0010]已经用于为电极提供歧管流体接触的另一技术使用了多微孔的多孔金属。带有小于大约100微米的孔隙尺寸的多孔金属已经足够用于提供低粗糙度值下的完全阳极覆盖。随后的电解质沉积已经示出没有非连续性以及与破裂相关的应力。然而，多孔金属的周边(其中与歧管的致密部分接触)是可引起缺陷涂层的关键位置。激光焊接已经用于将平坦的金属性的多孔金属附接于致密的歧管，用于热喷雾应用。阳极沉积之后是电解质的沉积，其对致密的金属形成气密性的密封。激光焊接技术导致了锐利的转角，其是非合乎需要的，导致了高的局部应力，并且通常在可渗透的互连部附近导致灾难性的电解质裂纹。图1是激光焊接于致密的歧管金属的多孔金属的示意图。电解质裂纹导致燃料和空气相互扩散，导致较低的OCV和Uf。
[0011]考虑到前述情况，存在对金属互连-支承的电化学装置的需要，其进一步最小化形成缺陷的任何机会，该缺陷可不利地影响开路电压和/或燃料利用率。
【发明内容】
[0012]根据一个实施例，一种电化学装置，例如固体氧化物燃料电池(SOFC)的歧管和互连结构包括歧管和多孔材料，该歧管包括致密且气密性的平坦表面，该多孔材料包括可渗透的平坦表面，其与致密且气密性的平坦表面侧向接触，以形成电极互连，其中在致密且气密性的平坦表面和可渗透的平坦表面之间的界面连结部包括暴露的平坦表面，其基本上是平的并且没有不连续性、转角和接缝，并且进一步，其中致密且气密性的平坦表面、可渗透的平坦表面和连结部的暴露的平坦表面位于单个平面中，其对于致密且气密性的平坦表面、可渗透的平坦表面和连结部的暴露的平坦表面是公共的。电化学装置的歧管和互连结构可进一步包括阳极材料和电解质，该阳极材料热喷雾到互连连结部的暴露的平坦表面和可渗透的平坦表面两者上并且完全覆盖它们，该电解质热沉积到阳极材料上并且完全覆盖阳极材料，其中电解质热粘结于阳极，以气密性地密封阳极材料，并且在氧化剂和与电化学装置相关联的预定的燃料气体之间提供流体屏障。电化学装置还可包括热沉积到电解质上的阴极电极材料，以及与阴极电极材料流体接触的第二电极互连部。
[0013]大的金属支承且热喷雾的电极和电解质需要涂层没有带残余应力的区域，该残余应力可引起裂纹传播。因此，有利的是用均匀厚度的电极全部涂覆金属互连的衬底面。完全的电极覆盖在金属和电解质之间提供了低模量界面，从而在电解质涂层中允许一定的适应性和较低应力状态。
[0014]在致密/气密性歧管和可渗透性材料之间通过互连连结部产生的密封的成功率依赖于致密部分，其对于燃料气体是不可渗透的，与可渗透性材料所产生的多孔区域是相邻的。多孔区域允许还原气体到达阳极和电解质界面。另外，互连连结部的表面是平滑且无缝的，从而为沉积薄的电极和电解质层提供了理想的衬底，并且最小化形成缺陷的机会。
【附图说明】
[0015]当参照附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些以及其它特征、方面和优点，其中:
图1是示意图，其显示了使用激光焊接附接于致密的金属歧管的多孔金属，并且这在SOFC领域中是已知的；
图2是示意图，其显示了根据一个实施例的单片式歧管的侧视横截面图，该单片式歧管包括用于互连支承的SOFC的可渗透的金属结构；
图3是示意图，其显示了根据一个实施例的单片式歧管的俯视图，该单片式歧管具有多个平铺的可渗透/多孔的金属结构；并且