电连通的部件之间的材料迁移的化学屏 障，其中该化学屏障包含渗杂铁酸锁。
[0168] 渗杂铁酸锁可表现为包括A位和B位的巧铁矿结构。A位和/或B位可被一种 或多种元素渗杂，从而形成具有一种或多种所需性质（包括文中所述的一种或多种性质） 的化学屏障。在一些例子中，化学屏障104可由表现出巧铁矿结构的渗杂铁酸锁形成， 该巧铁矿结构包括A位和B位，其中A位渗杂了至少一种La,Y，Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Dy,化 和化。具有巧铁矿结构的渗杂铁酸锁的化学通式可W为化Srix)yTi〇3 6,其中R是 La,Y，Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Dy,化和化中的一种或多种。在一个优选的例子中，渗杂铁酸锁的 化学式为化Srix)yTi〇3 6,其中〇<x《0. 1且0. 90《六1。在另一个优选的例子中，渗杂铁 酸锁的化学式为化axSrix)yTi〇3 6,其中〇<x《4且0. 9《六1. 0。虽然在上述两个例子中， A位分别渗杂了Y和La,应理解其它例子包括运种A位渗杂了Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Dy,化和化 中的一种或多种。
[0169] 又例如，化学屏障104可由表现出巧铁矿结构的渗杂铁酸锁形成，该巧铁矿 结构包括B位，其中B位渗杂了M，其中M包括佩，Co,化Mn,Ni,V，化，Ga和Al中的 至少一种。具有巧铁矿结构的渗杂铁酸锁的化学通式可W为SrJiiA03e，其中M是 佩，Co,化，Mn,Ni,V，化，Ga和Al中的一种或多种。在一个优选的例子中，B位渗杂的铁酸锁 的化学式为SrJiizMz〇36,其中〇<x《〇. 5且0<z《0. 5。如果没有A位渗杂，0. 9<x《 1.0。 在另一个例子中，M是佩，A位基本不包括渗杂元素。例如，对于同时具有A位和B位渗杂 的例子，具有巧铁矿结构的渗杂铁酸锁的化学通式可W为（把Sriy)y(Tii,M,)〇3e，其中R是 La,Y,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Dy,Ho和化中的一种或多种，M是佩，Co,Cu,Mn,Ni,V，化，Ga和Al 中的一种或多种。
[0170] 化学屏障104的组成可W使得基本上全部的化学屏障104由渗杂铁酸锁形成。例 如，化学屏障104可包含至少30重量％的渗杂铁酸锁，例如，至少50重量％、至少75重 量％、至少90重量％或至少95重量％的渗杂铁酸锁。在一些例子中，化学屏障104可由文 中所述的一种或多种示例性渗杂铁酸锁组合物组成。 阳171] 又例如，化学屏障104的组合物可包含一种或多种不同于渗杂铁酸锁的添加剂、 元素或化合物。在一个例子中，化学屏障104可主要由渗杂铁酸锁组成，其中其它材料的含 量不会改变渗杂铁酸锁的一种或多种性质W致于化学屏障104不能起到文中所述的作用。 在一个例子中，除了渗杂铁酸锁外，化学屏障104可包括通式为巧，Ce)化S的渗杂氧化姉， 其中R=Gd,Sm,Y,Nd和La。
[0172]在一些例子中，化学屏障104由一种组合物形成，该组合物包含具有巧铁矿结 构的渗杂铁酸锁和化学式为（I-W)(RxSrix)yTi〇3S-W巧，Ce)〇2 8的渗杂氧化姉，其中R= Gd,Sm,Y，Nd和La。对于同时具有A位和B位渗杂，该组合物的化学通式可W为（RxSriX) y灯iizMz) 〇3S-W巧，Ce) 〇2S，其中R=Gd,Sm,Y,Nd和La,M是佩，Co,Cu,Mn,Ni,V，化，Ga和Al 中的一种或多种。在一个例子中，化学屏障104可包括化学式为（I-W)YxSryTiOssCeGd,〇2S 的渗杂铁酸锁，其中0<z<0. 5, 0<w<l. 0, 0<x《0. 1且0. 80《5<1。在另一个例子中，渗 杂铁酸锁的化学式为（I-W)LaxSryTiOs5-wCeGdz〇26,其中 〇<z<〇. 5, 0<w<1.0,0<x《4且 0. 8《y<l. 0。虽然在上述两个例子中，A位分别渗杂了Y和La,应理解其它例子包括运种 A位渗杂了Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Dy,化和化中的一种或多种。 阳173] 铁酸锁的组成和渗杂应使得渗杂铁酸锁具有巧铁矿结构。可W对铁酸锁的渗杂进 行控制，防止或最大程度地减少第二相的存在。例如，对于其中A位渗杂了Y和/或La的 铁酸锁组成，Y和La的渗杂必需加W控制，W确保La或Y进入巧铁矿结构。如果渗杂超过 特定的限度，Y或La可作为第二相存在于化学屏障中，运始终是不利的。在一些例子中，可 对渗杂水平进行选择，W维持巧铁矿相的稳定性，基本无其它相从固溶体中流出。不同的渗 杂剂在铁酸醋中具有不同的溶解水平。除了保持巧铁矿相，还可W对渗杂剂水平进行选择， W提供具有所需电导性的屏障，例如允许文中所述的屏障104的功能性。
[0174] 使用渗杂的铁酸锁组成，例如文中所述的组成，化学屏障104可具有一种或多种 所需的性质。例如，化学屏障104可具有与燃料系统内其它部件基本类似的CTE，所述其它 部件例如是燃料电池系统中其上形成了化学屏障104和/或与化学屏紧邻的基材。在一些 例子中，化学屏障104的CTE为约10. 5-12ppm/K。
[01巧]包括渗杂铁酸锁的化学屏障104具有特定的孔隙率、电导率和ASR，从而使化学屏 障104起到文中所述的作用。在一些例子中，化学屏障104的孔隙率小于约50%，例如小于 40%。化学屏障的孔隙率可W减小，同时仍然保持使化学屏障104起到文中所述作用的电 导率。在一些例子中，化学屏障104的ASR小于约0.lohm-cm2。
[0176] 在一个优选的例子中，铁酸锁的A位可W渗杂Y或La。当在铁酸锁A位的Y渗杂 约为0.08摩尔％时，在高溫和低p〇2(例如p〇2约为102I)下渗杂铁酸锁的电导率大于约 60S/cm。另外，La渗杂的铁酸锁在低p〇2下从500°C-100(rC还可W具有较高的电导率。Y 渗杂的铁酸锁和La渗杂的铁酸锁的热膨胀系数都为约ll-12ppm/°C。该CTE与例如YSZ电 解质具有良好的CTE匹配，YSZ电解质的CTE约为10. 8ppm/°C。
[0177] 如上所述，化学屏障104,特别是包含渗杂铁酸锁的化学屏障可防止或减少燃料电 池内部件之间的材料迁移（例如，通过扩散）。例如，参考图10,化学屏障104可将阳极40 与互连16隔开，防止阳极40和互连16之间的材料迁移。化学屏障104防止的材料迁移水 平可根据一种或多种因素变化，所述因素包括例如使用化学屏障104的燃料电池的所需运 行寿命。
[0178] 渗杂铁酸锁可用于通过一种或多种合适的技术形成用于燃料电池的化学屏障 104。例如，可通过共沉淀或固态反应制备粉末，并且研磨至所需的粒度分布，使其在燃料电 池上充分致密化。可由粉末制备油墨，然后可丝网印刷用于化学屏障104的层。渗杂铁酸 锁优选在还原气氛下烧制，W得到高电导率。但是，当在空气而不是还原气氛中烧制时，通 过本领域已知的合适的还原步骤可W恢复较高的电导率。对于合适的A位或B位渗杂，可 W在较低溫度下实现还原，或者在燃料电池运行过程中原位完成还原。 实施例
[0179] 进行各种实验来评价本发明的一个或多个方面，本发明包括例如包括一个或多个 化学屏障的示例性燃料电池系统。示例性的化学屏障包括参考图10-19所述的燃料电池的 示例性化学屏障104。
[0180] 制备各种渗杂铁酸锁组合物样品，并评价其用于形成燃料电池中化学屏障。为了 制备样品，从高科公司灯ransTech,Inc. (Adamstown,MD))获得渗杂的铁酸锁粉末。具体 地，一种示例性粉末的通式为Y"."sSr".seTiO,(在文中称为"YST")，另一种示例性粉末的通式 为1^曰。.35'。./1'10,(在文中称为"151'")。使用10%礼渗杂的氧化姉（在文中称为"60(：10") 制备另一个样品。通过在空气中在一定溫度下烧结各样品材料，形成陶瓷棒。LST样品在约 1300°C-1400°C之间的烧制溫度下具有较高的孔隙率。已经发现，通过添加烧结助剂，可W 控制LST的孔隙率。 阳181] 在还原气氛中烧制后，材料具有电导性，确定YST和LST样品在空气中都显示较低 的电导性。图20总结了在低p〇2(例如log(p〇2)等于约负（-)17到负（-)18)下在约900°C溫度下GDC10、LST和YST的电导率。如图20中所示，LST在测试条件下具有最低的电导率， 在几乎200小时的测试时间内保持电导率小于0. 2S/cm。GDClO的电导率刚好低于约IS/ cm,YST的电导率在约270小时后升高到高于1. 6S/cm。使用GDClO作为集成平面固体氧化 物燃料电池的主互连（PIC)中的化学屏障，在燃料电池运行条件下实现较低的PICASR区 域比电阻（ASR)(约0. 06ohm-cm2)。因为在S种示例性材料中YST具有最高的电导率，所W 期望实现较低的PICASR。 阳1扣]制备使用Ni-IOScSZ作为阳极，LSM作为阴极，6ScSZ作为电解质W及PtPd-YSZ金 属陶瓷作为I通孔材料的五联电池（Pentacells),在环境测试装备中测试电化学性能。各 电池包括具有在阳极和I通孔之间由LST、YST或GDClO形成的化学屏障的PIC。对于各 样品，使用标准恒电流，电压衰减测试来测试电池和PIC的长期耐久性。测试结果如图21 中所示。如图中所示，对于具有LST作为化学屏障的电池，初始PICASR较高（例如高于 1.2ohm-cm2)。但是，LST样品的PICASR在首个50小时内随时间迅速提高/降低。在500 小时，LST样品的PICASR基本在约0. 23ohm-cm2的水平。对于使用LST作为化学屏障，考 虑到与GDC和YST相比LST较低的电导率，运种结果是鼓舞人屯、的。
[0183] 使用YST作为化学屏障的PIC具有较低的初始PICASR，约0.4ohm-cm2。YST和 LST之间的PICASR的差异可能是YST和LST之间还原动力学的差异造成的。测试后分析 表明YST化学屏障与阳极和I通孔材料之间都具有良好的界面。图22是YST样品的各层的 图像，显示YST屏障和阳极之间有良好界面，W及YST屏障与I通孔材料之间有良好界面。 此外，能量分散X射线光谱（邸巧分析显示在YST化学屏障和阳极或I通孔材料之间没有 化学相互作用。
[0184] 已经描述了许多本发明的实施方式。运些和其它实施方式包括在所附权利要求书 的范围内。
【主权项】
1. 一种燃料电池，包括： 第一电化学电池，该第一电化学电池包括第一阳极和第一阴极； 第二电化学电池，该第二电化学电池包括第二阳极和第二阴极； 配置为传导电子从第一阳极流向第二阴极的互连；和 配置为防止或减少所述互连和与所述互连电连通的至少一个部件之间的材料迀移的 化学屏障，其中所述化学屏障包含掺杂钛酸锶。2. 如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述掺杂钛酸锶具有钙钛矿结构，该钙 钛矿结构包括A位，其中A位掺杂了至少一种La,Y，Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Dy,Ho和Er。3. 如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述掺杂钛酸锶的化学式为（YJr1 x) JiO3 5,其中 0〈x< 0? 1 且 0.90 <y〈l。4. 如权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述掺杂钛酸锶的化学式为（LaxSrix) JiO3 5，其中 0〈x彡 4 且 0? 9 彡y〈l. 0。5. 如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述掺杂钛酸锶具有钙钛矿结构，该钙 钛矿结构包括B位，其中B位掺杂了M，其中M包括Nb,Co,Cu,Mn,Ni,V，Fe,Ga和Al中的至 少一种。6. 如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，掺杂钛酸锶具有钙钛矿结构，该钙钛矿 结构包括A位，其中A位掺杂了至少一种La,Y，Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Dy,Ho和Er。7. 如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述掺杂钛酸锶的化学式为 SrxTi1ZMZ03 5，其中 0? 9〈x彡I. 0 且 0〈z彡 0? 5。8. 如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，化学屏障包括通式为（R，Ce) 0 2 5的掺 杂氧化铺，其中R=Gd,Sm,Y,Nd和La。9. 如权利要求8所述的燃料电池，其特征在于，化学屏障包括具有钙钛矿结构的掺杂 钛酸锶和化学式为（1-w) (RxSr1JyTiO3 5-W(R，Ce)O2 5的掺杂氧化铈，其中R=Gd,Sm,Y，Nd 和La010. 如权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，R是Y和La中的一种或多种。11. 如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述化学屏障将互连与第一阳极隔 开。12. 如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，化学屏障具有的热膨胀系数（CTE)与 其上沉积化学屏障的基材的CTE基本相同。13. -种制备燃料电池的方法，该方法包括形成化学屏障，该化学屏障被配置成防止或 减少互连与至少一个与燃料电池中的互连电连通的部件之间的材料迀移， 其中所述燃料电池包括： 第一电化学电池，该第一电化学电池包括第一阳极和第一阴极； 第二电化学电池，该第二电化学电池包括第二阳极和第二阴极； 配置为传导电子从第一阳极流向第二阴极的互连；和 配置的化学屏障，该化学屏障包含掺杂钛酸锶。14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，形成化学屏障的步骤包括： 在空气气氛中烧制掺杂钛酸锶；和 对经过烧制的掺杂钛酸锶进行还原，以提高掺杂钛酸锶的电导率。15. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，掺杂钛酸锶具有钙钛矿结构，该钙钛矿结 构包括A位，其中A位掺杂了至少一种La,Y，Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Dy,Ho和Er。16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，掺杂钛酸锶的化学式为（YxSr1 x)JiO3 5， 其中 0〈x< 0? 1 且 0.90 <y〈l。17. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，掺杂钛酸锶的化学式为（LaxSr1 x)JiO3 5， 其中0〈x彡0? 4且0? 9彡y〈l. 0。18. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，掺杂钛酸锶具有钙钛矿结构，该钙钛矿结 构包括B位，其中B位掺杂了M，其中M包括Nb,Co,Cu,Mn,Ni,V，Fe,Ga和Al中的至少一种。19. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，掺杂钛酸锶具有钙钛矿结构，该钙钛矿结 构包括A位，其中A位掺杂了至少一种La,Y，Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Dy,Ho和Er。20. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，化学屏障包括通式为（R，Ce) 0 2 5的掺杂 氧化铺，其中R=Gd,Sm,Y,Nd和La。
【专利摘要】在一些例子中，燃料电池包括：第一电化学电池，该第一电化学电池包括第一阳极和第一阴极；第二电化学电池，该第二电化学电池包括第二阳极和第二阴极；被配置为传导电子从第一阳极流向第二阴极的互连；以及化学屏障。化学屏障被配置为防止或减少互连和与互连电连通的至少一个部件(例如阳极)之间的材料迁移，其中所述化学屏障包含具有钙钛矿结构的掺杂钛酸锶。该化学屏障包括A位和B位，其中A位被至少一种La,Y,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Dy,Ho和Er掺杂，其中B位可以被Nb,Co,Cu,Mn,Ni,V,Fe,Ga和Al中的一种掺杂。
【IPC分类】H01M8/02, H01M8/12
【公开号】CN105190972
【申请号】CN201380073285
【发明人】Z·刘, R·W·格特勒, C-C·吴
【申请人】Lg燃料电池系统股份有限公司
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2013年12月19日
【公告号】CA2895125A1, EP2936596A1, WO2014100470A1