耐热冲击的固体氧化物燃料电池堆的制作方法

专利名称：耐热冲击的固体氧化物燃料电池堆的制作方法
CN 102265440 A
说明书
1/7页
耐热冲击的固体氧化物燃料电池堆相关申请本申请要求于2008年12月31日提交的美国临时申请号61/204，035的权益。以上申请的全部传授内容通过引用结合在此。
背景技术：
燃料电池是通过化学反应来产生电能的一种装置。在不同的燃料电池之中，固体氧化物燃料电池使用了一种硬质的、陶瓷化合物金属(例如，钙或锆)氧化物作为电解质。 典型地，在固体氧化物燃料电池中，一种含氧的气体(例如O2)在阴极处被还原成氧离子 (02_)，并且一种燃料气体(例如吐气体)在阳极处被氧化，与这些氧离子形成水。近来，燃料电池被设计为堆叠体，由此将每个包括一个阴极、一个阳极以及在该阴极与该阳极之间的一种固体电解质的多个子组件通过在一个组件的阴极与另一个组件的阳极之间定位一个电连接体进行串联组装。然而，多个单独的燃料电池堆可能易受到其形成或使用的过程中温度的波动所引起的损害。确切地说，用于形成不同的部件的材料(包括具有不同组成的陶瓷)会表现出不同的热膨胀系数、热传导率以及强度。因此，燃料电池具有有限的对温度变化的耐受性。当将多个单独的燃料电池进行堆叠时，与由温度变化引起的机械应力相关联的问题会加剧。 燃料电池，特别是组装在堆叠体中的燃料电池的有限的耐热冲击性限制了生产的产量并且在运行过程中具有升高的失效的风险。因此，存在一种需要来最小化或消除以上提及的这些问题。

发明内容
本发明总体上是针对燃料电池组件，这些组件包括一个第一、一个第二子组件、以及在多个子组件之间的具有不同组成的一个第三粘结层。在一个实施方案中，本发明可以是一个燃料电池组件的子电池。该子电池可以包括一个第一电极以及一个第二电极。一种电解质将这些电极隔开。一个第一粘结层可以位于该第二电极处并且位于该电解质远端。一种连接体可以位于该第一粘结层处。可以在组成上不同于该第一粘结层的一个第二粘结层可以位于该连接体层处，由此该连接体层可以将该第一以及第二粘结层隔开。通过指向该第一或第二电极之一的燃料的氧化该子电池是可运行的，以便由此至少形成水。在某些实施方案中，该第二电极可以是阴极。该阴极可以包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成基于亚锰酸镧的材料、以及基于铁酸镧的材料。在阴极处的第一粘结层可以包括一种与该阴极共同的组分。该连接体层可以包括与该阴极以及该在该阴极处的粘结层共同的一种组分。该连接体层可以包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成钛酸镧、铬酸镧、钛酸锶、以及钛酸锶镧(LST)。该第一电极可以是阳极，该阳极包括镍以及至少一个成员，该至少一个成员包含选自下组的一种氧化物或多种氧化物的混合物，该组由以下各项组成钇、锶、以及锆。该阳极可以包括一种掺杂的材料，该材料包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、二氧化铈、以及LST。该阳极可以包括具有氧化锆与按重量计约15%的氧化钇α2ο3)的YSZ。该电解质可以包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成氧化钇稳定的氧化锆、亚锰酸锶镧、二氧化铈、氧化钪、以及氧化锆。该第一粘结层可以包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成亚锰酸锶镧、亚锰酸铈镧、以及镧锶镍。该第二粘结层可以包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成镍-氧化钇稳定的氧化锆、镍-镧-锶-钛酸盐、镍毡、以及镍网。在某些实施方案中，该第一电极可以包括镍以及至少一个成员，该至少一个成员包含选自下组的一种氧化物或多种氧化物的混合物，该组由以下各项组成钇、锶、以及锆。该电解质可以包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成氧化钇稳定的氧化锆、亚锰酸锶镧、二氧化铈、氧化钪、以及氧化锆。该第二电极包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成基于亚锰酸镧的材料以及基于铁酸镧的材料。该第一粘结层可以包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成亚锰酸锶镧、亚锰酸铈镧、以及镧锶镍。该连接体可以包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成钛酸镧、铬酸镧、钛酸锶、以及钛酸锶镧(LST)。该第二粘结层可以包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成镍-氧化钇稳定的氧化锆、镍-镧-锶-钛酸盐、镍毡、以及镍网。在某些实施方案中，该第二电极可以是一个阳极。在又一个实施方案中，一个燃料电池组件可以包括至少两个子组件，每个子组件包括至少一个子电池，其中每个子电池可以包括一个第一电极、一个第二电极、一种在这些电极之间的电解质、以及第一以及第二粘结层。该第一粘结层可以处于该第二电极处，一个连接体层将该第一以及第二粘结层隔开。一个第三粘结层可以置于该至少两个子组件之间，该第三粘结层可以在微结构或组成上不同于该第二粘结层。本发明还是针对一种形成燃料电池的方法，该方法包括以下步骤提供至少两个子组件，这些子组件由至少一个子电池组成，每个子电池包括一个第一电极、一个第二电极、一种在这些电极之间的电解质、以及第一和第二粘结层。该第一粘结层可以处于该第二电极处，并且一个连接体层可以将该第一以及第二粘结层隔开。该方法进一步包括将至少两个子组件共烧制并且将一个第三粘结层加入在一个子组件和一个第二子组件的活性阳极之间的步骤。该第三粘结层可以在微结构上或组成上不同于该第二粘结层。本发明的一个优点是本发明的固体氧化物燃料电池堆具有改进的抗冲击性。本发明的这些粘结层提供了在其他刚性堆叠体中的顺应性。此外，制造粘结的多个子组件的构思使能在堆叠体组装以及运行之前就检查到或移除有缺陷的子组件，因此增加了总的可靠性和生产产量。本发明可以用在一种固体氧化物燃料电池(SOFC)系统中。SOFC提供了高效率发电的潜在性，同时具有低排放以及低噪音运行。还看到它们如提供了电效率、热电联产效率和燃料处理简单性的一种有利组合。SOFC用途的一个实例是在家庭或其他建筑物中。该 SOFC可以使用与用于为家庭供暖的同一份燃料，如天然气。该SOFC系统可以工作延长的时间段以产生电能而为家庭提供电力，并且如果产生了剩余的量，则剩余部分可以出售给电网。而且，该SOFC系统中产生的热量可以用于为家庭提供热水。SOFC在电服务不可靠或不存在的区域可能是特别有用的。


图IA至图ID是本发明的燃料电池组件的实施方案的示意性截面图。图2是本发明的具有平面的堆叠设计的燃料电池的一个实施方案的部件的示意图。图3是本发明的具有管状设计的燃料电池的实施方案的示意图。
具体实施例方式根据以下对本发明的示例性实施方案的更具体的描述，上述内容将变得清楚，这些实施方案是如附图中所展示的，其中贯穿这些不同的视图中类似的参考符号指代相同的部分。这些图并不必须是按比例的，而是将重点放在展示本发明的多个实施方案上。在此引用的所有专利、公布的申请以及参考文献的传授内容通过引用以其全文结合在此。图IA至图ID示出了本发明的燃料电池10。燃料电池10包括多个子电池12并且每个子电池12包括第一电极14以及第二电极16。典型地，第一电极14以及第二电极16 是有孔隙的。在燃料电池10中，第一电极14至少部分地限定了多个第一气体通道18，这些第一气体通道与一个燃料气体来源(例如氢(H2)气或天然气，该天然气可以在第一电极 14处在原位被转化为H2气体)流体连通。第二电极16至少部分限定了多个第二气体通道 20，这些第二气体通道与含氧的气体的一个来源(例如空气)流体连通。在图IB至图ID 中可以按示意性表示包括多个第一气体通道18以及多个第二气体通道20。尽管图IA中，第一电极14以及第二电极16限定了多个气体通道18和20，但在本发明中还可以使用其他类型的多个气体通道，诸如位于这些电极的每一个上的一种微结构通道(例如，开槽的通道)或者诸如与该电极流体连通的一个分开的层。例如，参见图2，第一气体通道18是至少部分地由第一电极14并且至少部分地由连接体M来限定的，并且第二气体通道20是至少部分地由第二电极16以及至少部分地由连接体M来限定的。第一气体通道18以及第二气体通道20可以通过本领域已知的任何适合的技术形成，例如结合成型的逃逸物质、压花、在条带中切割通道、并且层压这些条带以限定多个通道、使用穿过预成型件进行挤出、或者在辊压制中使用多个有图案的辊。存在多种可能的用于逃逸的材料，例如像，石墨或纤维，这些材料可以用来在这些阴极和阳极层内形成这些通道或通路。总体上，对材料选择的仅有的限制将会是在烧制过程中该材料会烧毁或者从燃料电池中作为气体去除、并且该材料与这些陶瓷颗粒是不反应的。通过基于有机物的材料充分满足这两个条件。因此，这些纤维可以是天然纤维棉花、 韧皮纤维、绳索纤维、或动物纤维(例如羊毛)；或它们可以是人造纤维再生纤维素、二乙酸纤维素、三乙酸纤维素、聚酰胺、聚酯、聚丙烯酸树脂、聚乙烯树脂、聚烯烃树脂、碳或石墨纤维、或液晶聚合物。可替代地，这些纤维可以是粘合剂材料(如合成橡胶、热塑性材料、或聚乙烯塑料)的挤出段；以及增塑剂材料(如乙二醇和邻苯二甲酸酯的集合(group))的挤出段。在另一个实施方案中，该材料可以是意大利面条制品，如细面条(spaghetti)。可以将本领域中已知的任何适合的阴极材料用于第二电极16，例如， 在“High Temperature Solid Oxide Fuel Cells !Fundamentals, Design and Applications，”pp. 119-143，Singhal 等人 Ed.，Elsevier Ltd. (2003)中，其全部传授内容通过引用结合在此。在一个实施方案中，第二电极16包括一种基于亚锰酸镧(例如， Lai_aMri03，其中“a”是等于或大于零，并且等于或小于0.1)或基于铁酸镧的材料。典型地，该基于亚锰酸镧或铁酸镧的材料掺杂有一种或多种适合的掺杂剂，例如Sr、Ca、Ba、Mg、Ni、 Co、或狗。掺杂的基于亚锰酸镧的材料的实例包括亚锰酸锶镧(LSM)(例如，!^^^!"^!！仏，其中k是等于或大于0. 1，并且等于或小于0. 3，(La+Sr) /Mn是在约1. 0与约0. 95 (摩尔比) 之间的范围内)以及亚锰酸钙镧(例如，Lai_kCakMn03，k是等于或大于0. 1，并且等于或小于 0. 3，(La+Ca) /Mn是在约1. 0与约0. 95 (摩尔比)之间的范围内)。掺杂的基于铁酸镧的材料的实例包括铁酸钴锶镧(LSCF)(例如，LanSr^Ccv/e/^，其中q和j各自独立地是等于或大于0. 1，并且等于或小于0.4，(La+Sr)/(Fe+Co)是在约1. 0与约0. 95 (摩尔比)之间的范围内)。在一个具体实施方案中，第二电极16包括亚锰酸锶镧(LSM)(例如，Lai_kSrkMn03) 和铁酸钴锶镧(LSCF)中的至少一个。常见的实例包括(IAl8Sra2)a98MnO3is (δ是等于或大于零，并且等于或小于0. 3)以及IAl6Sra4Coa2Fi5a8O3tj可以将本领域中已知的任何适合的阳极材料用于第一电极14，例如， 在“High Temperature Solid Oxide Fuel Cells !Fundamentals, Sesign and Applications，”pp. 149_169，Dinghal，等人Ed. ,Elsevier Ltd. (2003)中，其全部传授内容通过引用结合在此。在一个实施方案中，第一电极14包括一种镍(Ni)金属陶瓷。如在此使用的，短语“Ni金属陶瓷”是指包括Ni (如约20wt% -70wt%的Ni)的一种陶瓷金属复合材料。Ni金属陶瓷的实例是包括Ni、钛酸锶镧(LST)、以及氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)(如包含约15wt% Y2O3的的材料以及包括Ni和Y-氧化锆或Sc-氧化锆的材料。阳极材料的一个另外的实例是Cu- 二氧化铈或Co-YSZ。Ni金属陶瓷的具体实例包括在67wt% Ni 和33wt% YSZ以及约33wt% Ni和67wt% YSZ之间的组合物。典型地，第一电极14以及第二电极16各自的厚度是独立地处于约0. 3mm与约2mm 之间的范围内。确切地说，第一电极14以及第二电极16各自的厚度是独立地处于约0. 5mm 至约1.5mm之间的范围内。固体电解质22是处于第一电极14和第二电极16之间。可以将本领域中已知的任何合适的固体电解质用于本发明中，如在“High Temperature Solid Oxide Fuel Cells Fundamentals, Design and Applications,，，pp. 83-112, Singhal, et al. Ed. , Elsevier Ltd. (2003)中描述的那些，其全部传授内容通过引用结合在此。实例包括YSZ、亚锰酸锶镧 (LSM)、基于^O2的材料(如Sc2O3掺杂的ZrO2J2O3掺杂的&02、以及Yb2O3掺杂的&02)；基于CeR的材料(如Sm2O3掺杂的Ce02、Gd203掺杂的CeO2J2O3掺杂的Ce02、以及CaO掺杂的 CeO2)；基于没食子酸Ln的材料(Ln =镧系元素，如La、Pr、Nd或Sm)，如掺杂有Ca、Sr、Ba、 Mg、Co、Ni、Fe 或其混合物的 LaGaO3(例如 La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.203> La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.0503> La0 9Sr0 !Ga0 8Mg0 203> LaSrGaO4>LaSrGa3O7 或 La0.S3AaiGaO3,其中 A = Sr、Ca 或 Ba)；以及它们的混合物。其他实例包括掺杂的钇-锆酸盐(例如，1&207)、掺杂的钆-钛酸盐(例如， Gd2Ti2O7)以及钙铁铝石(例如，BEi2In2O6或BEtJn2O5)。在一个具体实施方案中，电解质22 包括掺杂有8mol % Y2O3的ZrO2 (即8mol % Y2O3掺杂的ZrO2)。典型地，固体电解质22的厚度是在约5 μ m和约20 μ m之间的范围内，优选地在约 5 μ m和约10 μ m之间。作为替代方案，该固体电解质22的厚度是厚于约100 μ m(例如在约 100 μ m和约500 μ m之间)。在这个实施方案中使用具有厚度大于约100 μ m的固体电解质 22，固体电解质22可以为燃料电池10提供结构支持。燃料电池10进一步包括多个电池12之间的连接体24。可以使用已知的适合用CN 102265440 A
说明书
5/7页
作连接体层的任何材料。适合的连接体层的一个实例是由铬形成的一个层，并且可以进一步包括稀土元素，例如掺杂稀土的铬铁矿。在一个实施方案中，连接体层M包括镧、锶、 钙、钴、镓、氧化钇、钛酸盐和镁中至少一种。在其他具体实施方案中，该连接体层可以包括陶瓷，例如 LaSrCr03、LaMgCrO3^ LaCaCrO3> YCrO3> LaCrO3> LaCoO3> CaCrO3> CaCoO3> LaNi03、 LaCrO3> CaNiO3以及CaCrO3。在另一个实施方案中，连接体M可以包括两个层，如于2007 年12月27日提交的名称为“用于固体氧化物燃料电池的双层连接体”的美国专利申请号 12/005, 656中所述，其全部传授内容通过引用结合在此。多个串联连接的子电池12构成了子组件沈。非功能的或末端的阳极观可以定位在子组件沈一端的连接体M处。可任选的末端阳极观不是一个工作阳极，但是可以由适合用于子电池的功能阳极的任何材料形成。将多个子组件以及对应的连接体串联地连接。如图IA所示，多个子组件在子组件 30 一端的阳极14处并且在子组件沈的一端的末端阳极28处通过对应地在连接体M之上分层的第一粘结层31以及之下的第二粘结层32进行连接。子组件30 (可以不同于子组件26)通过一个第三粘结层34连接到子组件沈上。在任何给出的实施方案中第一粘结层 31和第二粘结层32的构成是彼此不同的。第一粘结层在空气中是稳定的并且是高度传导的同时在制造以及运行过程中与连接体以及阳极材料是化学上相容的。适合的第一粘结层的实例包括阴极材料或阴极以及连接体的组合或阴极以及电解质材料的组合。典型的实例包括单独的或与YSZ或钛酸锶镧(LST)组合的亚锰酸锶镧(LSM)，铁酸钴锶镧(LSCF)或铁酸镍镧。第二粘结层必须是传导性的但是还必须在还原气氛中是稳定的同时是与该阳极以及连接体层是化学上相容的。第二粘结层的实例是金属陶瓷，这些金属陶瓷具有金属(例如Ni、Cu、或Co)以及一个陶瓷相，这些金属对于横贯宽的燃料组合物的再氧化作用是稳定的，并且该陶瓷相帮助减小热膨胀并且还帮助粘结到该连接体以及阳极层上。适合的第二粘结层的实例包括镍-YSZ、镍-LST、以及其组合。本发明的燃料电池10在每个子组件中可以包括任何数目的多个子电池12。在一个实施方案中，多个子电池的一个堆叠组(stacklet)将包括在约六与约十个之间的子电池，并且燃料电池10的每个子组件将包括在约四与约六个之间的堆叠组，每个堆叠组通过一个可配合的粘结层分开。燃料电池10的堆叠体可以串联或并联进行连接。在一个实施方案中，子组件沈包括在六与约十个之间的子电池12并且这些子组件使用一个第三粘结层；34串联地连接到一个燃料电池堆10中，如图IB所示。第三粘结层 34的组成优选地不同于第二粘结层32的组成。作为替代方案，第三粘结层34可以在微结构上不同于第二粘结层32，例如像，一种金属陶瓷材料，如一种具有精细颗粒大小的Ni-YSZ 复合材料，该第三粘结层可以在两个子组件之间在一个温度下形成一种粘结，该温度是在低于制造多个子组件所使用的共烧制温度的约50°C和约150°C之间的范围内。在另一个实施方案中，子组件沈包括在约六与约十个之间的子电池12并且这些子组件使用一个可配合的第三粘结层34串联连接到一个燃料电池堆10中，如图IC所示。 如在此使用的术语“可配合的粘结层”意思是一个粘结层，该粘结层是在SOFC组件(该粘结层是该组件的一部分)的制造和使用过程中与在相邻的多个层的尺寸的变化是可适配的或可配合的，同时仍然粘结一个子组件的一个电极(功能的或非功能的)、或连接体以及一个邻接子组件的子电池一端处的活性电极上。合适的可配合的粘结层的实例包括金属网、金属毡或其组合，优选为了良好的导电性的目的涂覆有金属浆的那些。此外，可以加入少量的陶瓷相(小于约25ν01%)以提供额外的尺寸稳定性。金属相的典型组成包括与陶瓷相 (例如YSZ纤维或氧化铝纤维)一起的Ni-毡、Ni-丝、Ni-网、Ni-片。与一种可配合的粘结层组装的堆叠体将有可能需要是置于轻压缩中以确保在这些子电池或子组件与该可配合的粘结层之间的良好的电接触。本发明的燃料电池可以是一种平面堆叠的燃料电池，如图2所示。作为替代方案， 如图3所示，本发明的燃料电池可以是一种管状的燃料电池。图2和图3中所示的燃料电池独立地具有多个特征，这些特征包括特定的多个变量，如对于在图1中所示的燃料电池10 所描述的(为了清楚起见，在图2和3中没有描绘燃料电池部件的细节)。典型地，在平面设计中，如图2所示，将这些部件组装在平的堆叠体中，其中空气和燃料流动通过被建入连接体中的通道。典型地，在管状设计中，如图3所示，将这些部件组装成一个空心管的形式， 其中电池被构造在围绕一个管状阴极的多个层中；对应地空气流动穿过每个子电池的内部部分并且燃料围绕其外部部分流动。本发明还包括一种形成燃料电池的方法，例如以上所描述的。该方法包括形成多个如以上描述的子电池12，并且将每个子电池12与连接体M连接。子电池12以及连接体对的制造可以使用本领域中已知的任何适合的技术，例如在“High Temperature Solid Oxide Fuel Cells !Fundamentals, Sesign and Applications,，，pp. 83-225,Dinghal,等人 Ed. ,Elsevier Ltd. (2003)中所描述的，其全部传授内容通过引用结合在此。例如，本发明的平面堆叠的燃料电池可以通过粉末法或沉积法来制造。本发明的管状燃料电池可以通过将处于薄层形式的多个电池部件置于一个多孔的圆柱形管(例如氧化钙稳定的氧化锆)上来制造。典型地，一种适合的粉末法(例如带流延(tape casting)或带压延(tape calendering))涉及将粉末(如陶瓷粉末)压成燃料电池部件(例如，电极、电解质以及连接体)并且在升高的温度下将其致密化。例如，用于本发明的电解质、电极或连接体的适合的粉末材料通过组分氧化物的固态反应来制造。合适的高表面积粉末可以从硝酸盐以及其他溶液作为凝胶产物进行沉淀，将其干燥、煅烧并且粉碎以产生结晶的颗粒。这些沉积法可以涉及通过一种适当的化学或物理方法在一个载体上形成电池部件。沉积法的实例包括化学气相沉积、等离子喷涂、以及喷雾热解。可以将这些子电池组合以形成多个子组件并且可以通过一种适合的技术(如在一个子组件的活性阳极与第二子组件的末端阳极之间施加一个粘结层(如NiO-YSZ)并且共烧制到一个温度，该温度是在低于这些子组件的共烧制温度的约50°C与约150°C之间的范围内)将这些子组件进行结合以形成一种燃料电池堆。典型的粘结烧制温度是在约 1150°C与约1250°C之间的范围内在空气气氛中持续约1小时与约3小时之间的时间段。不希望受限于任何具体的理论，据信通过将多个子电池组合成多个子组件并且然后将多个子组件组合以形成堆叠体，在燃料电池的使用过程中由于热应力的减小随后燃料电池组成部件之间的膨胀系数缺乏的结果增加了生产的产量并且减少了失败的可能性。在本发明的方法的另一个实施方案中，单独形成了至少两个子组件，其中每个子组件包括一个第一电极、一个第二电极、一种位于该第一以及第二电极之间的固体电解质以及一个在这些电极之一处的连接体。每个子组件进一步包括在该子组件的一端处的连接体上的末端电极，例如一个末端阳极。然后将一个可配合的粘结层置于该子组件之上该末端电极处。这种可配合的粘结层施用到其上的子组件然后与另一个子组件的子电池的活性阳极相连接。然后将通过多个可配合的粘结层(如所描述的)粘结到一起的两个或更多个子组件压缩以形成燃料电池堆。在这个实施方案中，如图IC中所示，将这些所连接的子组件在一种适合的气氛中(如一种二元气氛中)在约700°c与约1000°C之间的范围内的温度下加热约2小时与约4小时之间的范围内的时间段，其中阳极暴露到一个选自由氢气和氮气构成的组的气态组分中，其中空流入阴极侧。本发明中使用的子电池可以按小于整个燃料电池堆的组形成。例如，一组在约六与约十个之间的子电池可以通过共烧制形成在一起以由此形成一个子部件。然后将这些子部件使用一个粘结层串联地进行组合。还应理解的是这种安排可以是反向的，由此每个子组件可以在每个子电池之上的活性阳极处以及每个子组件的末端处具有一个连接体，并且一个非功能的阴极(在此称为末端阴极)可以置于每个子组件的末端处的连接体之后，如图ID所示的。在图ID中所示的实施方案中，多个子组件在一个子组件的末端阴极35与第二个子组件的活性阴极16之间使用一个第三粘结层34串联地连接成一个燃料电池堆10。 第三粘结层；34的组成优选地不同于第一粘结层31或阴极层16的组成。例如，第三粘结层；34可以由一种传导性钙钛矿(如亚锰酸锶镧(LSM))与一种可以在1000°C的低温下烧结的组合物(如(IAl9Srai)MnO3)形成。作为替代方案，第三粘结层34可以在微结构上不同于第一粘结层31或阴极层16。例如，具有精细颗粒大小的一种传导性钙钛矿(如亚锰酸锶镧(LSM))可以在两个子组件之间在比制造多个子组件所使用的共烧制温度低约50°C 与约150°C范围内的温度下形成一种粘结。作为替代方案，该第三粘结层34还可以是基于高传导性氧化物(如尖晶石，像锰钴氧化物或锰铁氧化物)或传导性钛酸盐烧绿石(如 La2Ti2O7)的。可任选的末端阴极35不是一个工作阳极，但是可以由适合用于子电池的功能阴极的任何材料(例如亚锰酸锶镧(LSM))形成。等效物虽然通过参考本发明的示例性实施方案对本发明进行了具体的展示和说明，但本领域中的普通技术人员应当理解，在不背离所附的权利要求书所涵盖的本发明的范围的前提下，可以在形式和细节上对这些实施方案作出不同的变更。
权利要求
1.一种燃料电池组件的子电池，该子电池包括a)一个第一电极；b)一个第二电极；c)一种电解质，该电解质将这些电极隔开；d)一个第一粘结层，该第一粘结层位于该第二电极处并且位于该电解质远端；e)一个连接体层，该连接体层位于该第一粘结层处；以及f)一个第二粘结层，该第二粘结层在组成上不同于该第一粘结层并且位于该连接体层处，由此该连接体层将该第一粘结层以及该第二粘结层隔开，通过氧化指向该第一以及第二电极之一的燃料该子电池是可运行的，以便由此至少形成水。
2.如权利要求1所述的子电池，其中该第二电极是阴极。
3.如权利要求2所述的子电池，其中该阴极包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成基于亚锰酸镧的材料以及基于铁酸镧的材料。
4.如权利要求3所述的子电池，其中位于该阴极处的第一粘结层包括一种与该阴极共同的组分。
5.如权利要求4所述的子电池，其中该连接体层包括一种与该阴极以及在该阴极处的粘结层共同的组分。
6.如权利要求5所述的子电池，其中该连接体层包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成钛酸镧、铬酸镧、钛酸锶、以及钛酸锶镧(LST)。
7.如权利要求6所述的子电池，其中该第一电极是阳极，该阳极包括镍以及至少一个成员，该至少一个成员包含选自下组的一种氧化物或多种氧化物的混合物，该组由以下各项组成钇、锶、以及锆。
8.如权利要求7所述的子电池，其中该阳极包括一种掺杂的材料，该材料包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、二氧化铈、以及 LST。
9.如权利要求8所述的子电池，其中该阳极包括具有按重量计约15%的氧化钇W2O3) 的 YSZ。
10.如权利要求7所述的子电池，其中该电解质包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成氧化钇稳定的氧化锆、亚锰酸锶镧、二氧化铈、氧化钪、以及氧化锆。
11.如权利要求4所述的子电池，其中该第一粘结层包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成亚锰酸锶镧、亚锰酸铈镧、以及镧锶镍。
12.如权利要求11所述的子电池，其中该第二粘结层包括至少一个选自下组的成员， 该组由以下各项组成镍-氧化钇稳定的氧化锆、镍-镧-锶-钛酸盐、镍毡、以及镍网。
13.如权利要求12所述的子电池，其中a)该第一电极包括镍以及至少一个成员，该至少一个成员包含选自下组的一种氧化物或多种氧化物的混合物，该组由以下各项组成钇、锶、以及锆；b)该电解质包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成氧化钇稳定的氧化锆、亚锰酸锶镧、二氧化铈、氧化钪、以及氧化锆；c)该第二电极包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成基于亚锰酸镧的材料以及基于铁酸镧的材料；d)该第一粘结层包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成亚锰酸锶镧、 亚锰酸铈镧、以及镧锶镍；e)该连接体包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成钛酸镧、铬酸镧、钛酸锶、以及钛酸锶镧(LST)；并且f)该第二粘结层包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成镍-氧化钇稳定的氧化锆、镍-镧-锶-钛酸盐、镍毡、以及镍网。
14.如权利要求1所述的子电池，其中该第二电极是阳极。
15.一种燃料电池组件，包括a)至少两个组件，每个组件包括至少一个子电池，其中每个子电池包括，i) 一个第一电极， ) 一个第二电极，iii)一种在这些电极之间的电解质，iv)第一以及第二粘结层，其中该第一粘结层是位于该第二电极处，ν) 一个连接体层，该连接体层将该第一以及第二粘结层隔开；以及b)一个第三粘结层，该第三粘结层置于该至少两个子组件之间的，该第三粘结层在微结构或组成上不同于该第二粘结层。
16.一种形成燃料电池的方法，该方法包括以下步骤(a)提供至少两个各由至少一个子电池组成的子组件，每个子电池包括一个第一电极、 一个第二电极、一种在这些电极之间的电解质、第一以及第二粘结层，其中该第一粘结层是位于该第二电极处，以及将该第一以及第二粘结层隔开的连接体层；并且(b)将该至少两个子组件进行共烧制并且在一个子组件以及该第二子组件的活性阳极之间加入一个第三粘结层，该第三粘结层在微结构或组成上是不同于该第二粘结层的。
全文摘要
一种固体氧化物燃料电池(SOFC)包括多个子组件。每个子组件包括至少一个子电池，它具有一个第一电极、一个第二电极、以及一种在该第一以及第二电极之间的电解质。一个第一粘结层是位于该第二电极处并且一个连接体层是位于该电解质远端的第一粘结层处。一个第二粘结层在组成上不同于该第一粘结层是位于在该连接体层处，由此该连接体将该第一以及第二粘结层隔开。一种制造燃料电池组件的方法包括共烧制至少两个子组件并且使用一个第三粘结层，该第三粘结层在微结构或组成上不同于该第二粘结层。
文档编号C01G53/00GK102265440SQ200980153017
公开日2011年11月30日 申请日期2009年12月29日 优先权日2008年12月31日
发明者O-H·克瓦, R·卡帕, Y·纳伦达 申请人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司