本公开一般涉及燃料电池，例如固体氧化物燃料电池。
背景技术：
燃料电池，燃料电池系统，用于燃料电池和燃料电池系统的互连件一直是人们感兴趣的领域。一些现有的系统对于某些应用而言具有各种缺点、缺陷和不足。因此，仍然需要进一步发展该技术领域。
技术实现要素：
描述了用于燃料电池，比如，例如固体氧化物燃料电池(sofc)的活性层的示例性的组合物和构造。在一个实施例中，本公开涉及一种燃料电池，其包含第一电化学电池；第二电化学电池；被配置为将电子从所述第一电化学电池传导至所述第二电化学电池的互连件(interconnect)；以及将所述互连件与阴极或紧邻所述阴极的阴极导体层之一分开的致密氧阻隔层，其中所述致密阻隔层由呈现低孔隙率和高电导率的陶瓷材料形成，使得所述致密氧阻隔层减少来自互连件的至少一种贵金属损失或者互连件中镍金属的氧化。
在另一个实施例中，本公开涉及一种制造燃料电池的方法，该方法包括形成燃料电池结构，该结构包含第一电化学电池；第二电化学电池；被配置为将电子从所述第一电化学电池传导至所述第二电化学电池的互连件；以及将所述互连件与阴极或紧邻所述阴极的阴极导体层之一分开的致密氧阻隔层，其中所述致密阻隔层由呈现低孔隙率和高电导率的陶瓷材料形成，使得所述致密氧阻隔层减少来自互连件的至少一种贵金属损失或者互连件中镍金属的氧化。
在另一个实施例中，本公开涉及一种方法，该方法包括控制燃料电池的运行以产生电力，其中该燃料电池包含第一电化学电池；第二电化学电池；被配置为将电子从所述第一电化学电池传导至所述第二电化学电池的互连件；以及将所述互连件与阴极或紧邻所述阴极的阴极导体层之一分开的致密氧阻隔层，其中所述致密阻隔层由呈现低孔隙率和高电导率的陶瓷材料形成，使得所述致密氧阻隔层减少来自互连件的至少一种贵金属损失或者互连件中镍金属的氧化。
在附图和以下描述中详细说明了本发明的一种或多种实施方式。通过附图和详述以及权利要求书，不难了解本发明的其它特征、目的和优点。
附图说明
现在参照附图进行说明，在全部附图中相同的附图标记指的是相同的部件。
图1a和图1b是分别是显示针对横向电流路径和垂直电流路径配置的示例性燃料电池结构的示意图。
图2是表示一个根据本发明的一种实施方式的示例性燃料电池系统的示意图。
图3-7是表示一个按照本发明的一种实施方式的燃料电池系统的各种示例性剖面的示意图。
图8-10是显示本公开的一个或多个方面的图。
图11a和12a是显示本公开的一个或多个方面的图。
图11b和12b是显示本公开的一个或多个方面的sem图像。
参考附图，示意性地画出了根据本发明的一种实施方式的燃料电池系统的非限定例子的一些方面。在附图中画出了本发明的一种实施方式的一些方面的各种特征、组件及其相互关系。然而，本发明并不受所提供的特定实施方式和例示于附图和描述中的组件、特征及其相互关系所限。
具体实施方式
固体氧化物燃料电池可包括阳极、电解质和阴极。当配置成具有多个燃料电池的堆叠时，一个电池的阳极通过互连件与相邻电池的阴极连接。互连件的功能是将一个电池电子连接到相邻电池以传输电子，并且因此可以由高导电材料形成以提供相对低的电阻损耗。因为互连件可以暴露于阳极侧上的燃料(例如，重整的烃燃料)和阴极侧上的空气，所以也可以选择互连件以在低和高po2环境中都是稳定的。
在一些实施例中，互连件可以由金属或金属合金形成。例如，金属互连件包括贵金属，例如pt和/或pd或其合金，因为其他金属在高温下在空气中氧化。包括贵金属，其合金，或贵金属/合金金属陶瓷的互连件可用于形成sofc的互连件，例如，集成平面sofc系统。
也可以用陶瓷材料来形成互连件。在一些实施例中，如果电子流过陶瓷互连件层的厚度，则需要高电子电导率(例如，高于1s/cm)。然而，由于高电阻损耗，这样的电导率对于通过acc(或阳极)和ccc(或阴极)之间的互连件的横向电流路径的结构可能还不够高，如图1a所示。因此，在一些示例性燃料电池堆设计中，陶瓷互连件可以被配置为使得存在穿过互连件的垂直电流路径，如图1b所示。
在一些实施例中，互连件可包括贵金属金属陶瓷。当使用贵金属金属陶瓷作为互连件材料时，可能存在两种不同的互连件劣化机制。首先，在长期运行期间，acc/阳极中的ni可以迁移通过将acc/阳极与互连件分离的化学屏障层的缺陷(例如孔隙，微裂纹)到互连件中的金属相中以接近电解质边缘位置(在ccc侧)。由于边缘位置处的高po2，该ni金属可能被氧化，这可能增加互连件(也称为i-通孔(i-via))电阻。其次，由于在高温下(例如，运行期间)与空气侧的流动空气环境的相互作用，互连件可能在互连件的区域中失去贵金属(未被电解质或ccc/阴极层的延伸覆盖)，这也可能增加互连件的电阻。
为了解决第二降解机制，在一些实施例中，互连件可以被ccc层完全覆盖以减少贵金属与空气环境的高速空气的相互作用。然而，在大规模生产中，例如由于在加工过程中未对准和管尺寸变化，ccc层和相邻电池的延伸电解质之间有一定程度的重叠可能是不可避免的。这样的重叠可能在互连件区域中产生额外的寄生损失(parasiticloss)，这可能降低燃料电池系统效率，例如，因为多孔ccc层也可以用作阴极，并且互连件在一些情况中可以是混合导体(其可以用作电解质)并且还在互连件的另一侧接触阳极材料。在一些实施例中，即使互连件被ccc层完全覆盖，由于ccc层可能相对多孔并且贵金属和空气之间仍然存在相互作用，因此可能无法防止贵金属损失。
根据本公开的一个或多个实施例，燃料电池系统可以包括将互连件与ccc(或阴极)层分隔开的致密氧阻隔层。可定位致密氧阻隔层以防止ccc(或阴极)层与互连件之间的直接界面。致密氧阻隔层可以由呈现低孔隙率和高电导率的陶瓷材料形成，使得致密氧阻隔层减少来自互连件的至少一种贵金属损失或者互连件中镍金属的氧化。例如，可以选择致密氧阻隔层的陶瓷材料的高电导率以将电子从互连件传输到阴极或阴极导体层。另外，可以选择致密氧阻隔层的陶瓷材料的低孔隙率以防止或另外减少氧气例如通过ccc(或阴极)层到达互连件。以这种方式，ccc(或阴极)层与互连件之间的致密氧阻隔层可以阻止氧扩散到互连件中，并且不仅防止通过化学屏障从阳极或阳极导体层扩散到互连件的金属相层的ni氧化，而且还防止pd氧化(或互连件的其他贵金属)，或在高温下可能发生的蒸发。
在一些实施例中，致密氧阻隔层可以被配置为与电解质层的延伸部分重叠以确保互连件的完全覆盖，例如，以防止贵金属损失。致密氧阻隔层在来自右侧相邻电池的延伸的电解质上的重叠可能导致一些寄生损失。然而，因为由于(例如与多孔ccc层相比的)非常低的三相边界，致密氧阻隔层是不活泼的电极，所以这种寄生损失可以忽略不计。
从本文的描述中显而易见的是，本公开的一些实施例可以提供一个或多个优点。例如，互连件顶部上的致密氧阻隔层可以完全分隔高流动空气和互连件的贵金属之间的相互作用，以通过基本消除或减少贵金属损失来改善互连件的长期耐久性。作为另一个例子，致密氧阻隔层可以由具有高电子电导率(例如，大约1s/cm或更大)和同时低的或可忽略的离子传导性(关于通过晶格中的氧空穴的氧传递)的导电陶瓷形成，这可能在互连件中或互连件/致密氧阻隔界面处产生低po2，以避免ni氧化并保持互连件相对低的电阻。ni可以存在于互连件的金属相中，例如，由于ni从acc/阳极迁移通过化学阻隔层。作为另一个例子，如果互连件材料由pd或pd合金金属陶瓷制成，那么在一些操作条件(pd氧化温度在环境空气中是约790摄氏度)下，致密氧阻隔层可以通过保持互连件中，尤其是在密集的氧气阻隔和互连件界面处的低po2，并防止空气与贵金属的相互作用来防止pd氧化。作为另一个例子，由于与多孔ccc层相比，致密氧阻隔层是较不活跃的电极，并且可能阻挡氧向电化学反应的延伸电解质表面传输的其他路径(例如，通过多孔阴极或阴极导体层)，可降低燃料电池系统中的寄生损失。作为另一个例子，以本文所述的方式采用致密氧阻隔层可以通过改善致密氧阻隔层/互连件界面处的物理接触来降低互连件面比电阻(asr)。
图2是显示示例性燃料电池系统10的概念图。如图1所示，燃料电池系统10包括在基材14上形成的多个电化学电池12(单独标记为第一电化学电池12a和第二电化学电池12b)。电化学电池12通过互连件16串联地结合在一起。虽然在图2中未显示，但是燃料电池系统10可包括将互连件16与各个单独的电化学电池的阴极导体层或阴极层分隔开的致密氧阻隔层。燃料电池系统10可以是一种置于扁平多孔陶瓷管之上的串联分割式排布，但也可以理解本发明同样可以应用于其它基材上的串联分割式排布中，比如在圆形多孔陶瓷管上。在各实施方式中，燃料电池系统10可以是一种集成式平面燃料电池系统或一种管状燃料电池系统。
每一个电化电池12包括一个氧化剂侧18和一个燃料侧20。该氧化物通常是空气，但也可以是纯氧气(o2)或其它氧化剂，例如，包括用于具有空气循环回路的燃料电池系统的稀释空气，且该氧化物从氧化物侧18补给至电化电池12中。基材14可以是经过特别处理的多孔材料，例如多孔陶瓷材料在燃料电池运行条件下是稳定的且与其它燃料电池材料化学相容。在其它实施方式中，基材14可以是一种经过表面修饰的材料，例如一种具有涂层或其它表面修饰的多孔陶瓷材料，例如配置这种材料以防止或降低电化学电池12层和基材14之间的相互作用。通过多孔基材14中的通道(未示出)从燃料侧20将一种燃料，比如重整烃类燃料，例如合成气补给至电化学电池12中。虽然在一些例子中可能使用空气和由烃类燃料重整的合成气，但应当理解也可以使用利用其它氧化剂和燃料，例如纯氢气和纯氧气的电化学电池而不背离本发明的范围。另外，虽然燃料是通过基材14补给至电化学电池12中的，但应当理解在其它实施方式中，氧化剂可以通过多孔基材补给至电化学电池中。
图3是表示一个根据本发明的一种实施方式的燃料电池系统10的示例性剖面的概念图。燃料电池系统10层的第一和第二电化学电池12a和12b包括阳极导体层(acc)22，阳极层24，电解质层26，阴极层28，阴极导体层(ccc)30，致密氧阻隔层32，致密阻隔层33和互连件层34。各层可以是单层或者可以由任何数量的子层形成。应理解图3不一定是按照比例绘制的。例如，为了图示清晰，垂直方向的尺寸是夸大的。燃料电池系统10的各层可以通过将这些层丝网印刷到基材(或多孔阳极阻隔层)14上来形成。这可以包括一个使编织网具有开口的处理工艺，燃料电池层通过这些开口沉积于基材3之上(在图3中称为pab14)。该织网的这些开口决定了该印刷的层的长度和宽度。筛网、线径、和油墨固体可以决定燃烧后印刷出的层的厚度。
在各电化学电池12中，阳极导体层22传导自由电子离开阳极24，并且通过互连件16传导电子到达阴极导体层30。阴极导体层30传导电子到达阴极28。用于固体氧化物燃料电池(sofc)的互连件16可以是：导电的，以将电子从一个电化学电池输送至另一个；其在燃料电池运行过程中在氧化和还原环境下都是机械和化学稳定的；且该互连件是非多孔的，以防止燃料和/或氧化剂通过该互连件扩散。在图3所示的构造中，类似于图1b中所示的构造，在互连层16内发生面内导通。
阳极导体层22可以是由以下材料形成的电极导电层：镍金属陶瓷，例如ni-ysz(例如氧化钇在氧化锆中的掺杂量为3-8摩尔％)、ni-scsz(例如氧化钪的掺杂量为4～10摩尔％，优选包括第二种掺杂以达到相稳定，例如1摩尔％的二氧化铈相对于10摩尔％的二氧化钪-二氧化锆)和/或镍掺杂的二氧化铈(比如gd或sm掺杂)、掺杂的亚铬酸镧(比如ca掺杂于a位而zn掺杂在b位)、掺杂的钛酸锶(比如la掺杂于a位而mn掺杂于b位)、la1-xsrxmnycr1-yo3和/或通式为(la1-xsrx)n+1mnno3n+1的基于mn的r-p相。或者，人们认为可以使用用于阳极导体层22的其它材料，比如部分或全部基于贵金属的金属陶瓷。该金属陶瓷中的贵金属可以包括，例如pt、pd、au、ag和/或它们的合金。该陶瓷相可以包括，例如一个非活性的不导电的相，包括，例如ysz、scsz和/或一种或多种例如具有需要的cte的其它非活性相，以控制该层的cte来与该基材和电解质的cte相匹配。在一些实施方式中，该陶瓷相可以包括al2o3和/或一种尖晶石，比如nial2o4、mgal2o4、mgcr2o4和nicr2o4。在其它实施方式中，该陶瓷相可以是导电的，例如掺杂的亚铬酸镧、掺杂的钛酸锶和/或lasrmncro的一种或多种形式和/或通式为(la1-xsrx)n+1mnno3n+1的r-p相。
电解质层26可以由一种陶瓷材料制成。在一种形式中，可以使用一种质子和/或氧离子传导陶瓷。在一种形式中，电解质层由ysz，比如3ysz和/或8ysz构成。在其它实施方式中，电解质层26可以由scsz，例如4scsz、6scsz和/或10sclcesz取代ysz或者与ysz一起构成。在其它实施方式中，可以使用其它材料。例如，人们另外考虑电解质层26可以由掺杂的二氧化铈和/或掺杂的镓酸镧制成。无论如何，电解质层26大体上不受借助燃料电池10所使用的流体的扩散的影响，例如作为燃料的合成气或纯氢气，和作为一种氧化剂的空气或o2，但是允许氧离子或质子的扩散。致密屏障33与电解质26形成连续致密层，以阻止燃料泄漏到空气侧或空气泄漏到燃料侧。在一些实施例中，致密屏障33由3ysz形成。
阴极层28可以是陶瓷复合物，其由lsm(la1-xsrxmno3，其中x＝0.1～0.3)、la1-xsrxfeo3(比如其中x＝0.3)、la1-xsrxcoyfe1-yo3(比如la0.6sr0.4co0.2fe0.8o3)和/或pr1-xsrxmno3(比如pr0.8sr0.2mno3)构成，尽管可以使用其它材料而不超出本发明的范围为。例如，人们另外考虑可以使用ruddlesden-popper型层状钙钛矿的镍酸盐和la1-xcaxmno3(比如la0.8ca0.2mno3)材料。
阴极导体层30可以是一种由一种导电陶瓷，例如lanixfe1-xo3(比如，例如lani0.6fe0.4o3)、la1-xsrxmno3(比如la0.75sr0.25mno3)和/或pr1-xsrxcoo3，比如pr0.8sr0.2coo3构成的电极导电层。在其它实施方式中，阴极导体层30可以由其它材料构成，例如一种贵金属陶瓷，尽管可以使用其它材料而不背离本发明的范围。该贵金属陶瓷中的贵金属可以包括，例如pt、pd、au、ag和/或它们的合金。该陶瓷相可以包括，例如ysz、scsz和al2o3，或其它控制热膨胀所需的不导电的陶瓷材料。
在一些例子中，阳极导体层22具有约为5-15微米的厚度，但可以使用其它值而不背离本发明的范围。例如，人们认为在其它实施方式中，阳极导体层可以具有大约5-50微米的厚度。相似地，阳极层24可具有约为5-20微米的厚度，但可以使用其它值而不背离本发明的范围。例如，人们认为在其它实施方式中，阳极层可以具有大约5-40微米的厚度。电解质层26可以具有大约5-15微米的厚度，且独立子层的最小厚度为大约5微米，但可以使用其它厚度值而不背离本发明的范围。例如，人们认为在其它实施方式中，电解质层可以具有大约5-40微米的厚度。阴极层28可具有约为10-20微米的厚度，但可以使用其它值而不背离本发明的范围。例如，人们认为在其它实施方式中，阴极层可以具有大约10-50微米的厚度。阴极导体层30可以具有大约5-100微米的厚度，例如，大约60-80微米，但可以使用其它厚度值而不背离本发明的范围。
互连件16可由贵金属构成，所述贵金属包括ag、pd、au和/或pt和/或它们的合金，但可以使用其它材料而不背离本发明的范围。例如，在其它实施方式中，或者考虑使用其它材料，包括贵金属合金，例如ag-pd、ag-au、ag-pt、au-pd、au-pt、pt-pd、ag-au-pd、ag-au-pt、ag-au-pd-pt和/或pt-pd-au-ag家族中的二元、三元、四元合金，包括具有少量非贵金属添加物的合金、由贵金属、贵金属合金和诸如氧化铝之类的惰性陶瓷相或具有不会引起显著的寄生效应的最小的离子电导率的陶瓷相，比如ysz(经过氧化钇稳定的氧化锆，也被称为经过氧化钇掺杂的氧化锆，氧化钇以3～8摩尔％，优选3～5摩尔％掺杂)、scsz(经过氧化钪稳定的氧化锆，氧化钪以4～10摩尔％，优选4～6摩尔％掺杂)，经过掺杂的二氧化铈，和/或导电陶瓷，比如具有a面或b面替代或掺杂以取得作为连接构件的足够相稳定性和/或足够电导率的导电钙钛矿，比如包括经过掺杂的钛酸锶(比如laxsr1-xtio3-δ，x＝0.1～0.3)、lscm((la1-xsrxcr1-ymnyo3，x＝0.1～0.3且y＝0.25～0.75)、经过掺杂的亚铬酸钇(比如y1-xcaxcro3-δ，x＝0.1～0.3)，和/或其它经过掺杂的亚铬酸镧(比如la1-xcaxcro3-a，其中x＝0.15～0.3)，和导电陶瓷，比如经过掺杂的钛酸锶、经过掺杂的亚铬酸钇、lscm(la1-xsrxcr1-ymnyo3)和其它经过掺杂的亚铬酸镧所组成的金属陶瓷。在一个实施例中，互连件16可以由y(pdxpt1-x)-(1-y)ysz形成，其中x的重量比为0-1，对于较低的氢通量，x的范围优选为0-0.5，并且y以体积比计为0.35至0.80，优选y为0.4至0.6。
如图3所示，燃料电池系统10可以在互连件16和阳极导体层22(或阳极24)之间包括化学屏障层36，以减少或防止互连件34和阳极导体层22(或阳极24)之间的扩散，例如，沿着路径38，这可能不利地影响某些燃料电池系统的性能。例如，若没有化学阻挡层，则可能在由贵金属陶瓷所构成的互连件34和由基于ni的金属陶瓷所构成的阳极导体膜22和/或阳极24之间的界面处发生材料的迁移(扩散)。材料的迁移可以在两个方向上发生，例如，ni从阳极导体层22/阳极24迁移到互连件中，而贵金属从互连件迁移到导电阳极导体层22和/或阳极24中。材料的迁移可能导致互连件34和阳极导体层22和/或阳极24之间的界面处或界面附近的孔隙率上升，并且可能导致一种或多种非导电相或低导电相在界面处富集，产生一个更高的asr，且因此导致燃料电池性能的降低。
然而，在一些实施例中，至少一些ni可以通过化学屏障层36沿着路径38从阳极导体层22和/或阳极24，例如通过缺陷(例如孔隙，微裂缝)迁移到互连件34中。或者，化学阻隔层36可能不存在，在这种情况下，ni可以直接迁移到互连件34中。如果互连件34中的ni金属被氧化，则氧化可以增加互连件34的电阻。
根据本公开的一些实施例，燃料电池系统10还包括在阴极导体层30和互连件34之间的致密氧阻隔层32。致密氧阻隔层32可以防止或减少互连件34中镍金属的氧化，例如，通过防止或减少氧从阴极导体层30和/或阴极层28扩散到互连件34中。没有致密氧阻隔层，互连件34可以直接与阴极导体层30(或在该电化学电池12a不包括阴极导体层30的构造中的阴极层28)接触，使得来自阴极导体层30的氧可被传输到互连件34中，从而允许可能在高温下发生的互连件34中存在的ni的氧化和/或互连件34中pd或其他贵金属的氧化。类似地，致密氧阻隔层32也覆盖互连件34的一部分，否则其将通过阴极导体30与电解质26之间的间隙40直接暴露于空气环境，以防止或减少互连件34中ni金属和/或贵金属的氧化，例如通过防止或减少氧从空气环境扩散到互连件34。可以提供阴极导体30和电解质26之间的间隙40，例如，以避免寄生电池并降低短路风险。
另外，例如与其中互连件34与阴极导体层30直接互相接触的构造相比，致密氧阻隔层32还可以防止或减少互连件34中的ni和/或pd或其他贵金属扩散到阴极导体层30(或阴极28)。
致密氧阻隔层32可以由合适的导电陶瓷材料形成。致密氧阻隔层32可由陶瓷材料形成，所述陶瓷材料呈现防止或减少贵金属和/或ni金属从互连件34扩散到阴极导体30的电子电导率，以及防止或减少氧从阴极导体30和/或从间隙40内的空气环境扩散到互连件34中的低孔隙率。在一些实施例中，致密氧阻隔层32显示大约10％或更小，例如大约5％或更小的孔隙率以阻挡氧。在一些实施例中，致密氧阻隔层32显示约1s/cm或更大(例如，约2s/cm或更大)的电子电导率。在一些实施例中，致密氧阻隔层32的高电导率和低孔隙率可提供改善的与互连件34的接触。在燃料电池运行期间，这种改善的接触可以较低的互连件面比电阻(asr)贡献允许和/或改善电子从互连件到阴极28或阴极导体层30中之一的传输。在一些实施例中，具有致密氧阻隔的主互连件(pic)的asr可以提高大约0.01ohm-cm2至大约0.04ohm-cm2。
在一些实施例中，所选陶瓷材料可以具有与阴极导体30(或阴极28)和/或电解质材料(例如lsm，lnf，(mn，co)3o4等)相容的热膨胀系数(cte)和化学组成。
适用于形成致密氧阻隔层的示例性陶瓷材料包括：
1.导电尖晶石氧化物如(mn，co)3o4，(cu，fe)3o4等。
2.(mn，co，ax)3o4尖晶石，其中a是过渡金属，例如cu，co，cr，a1等，并且其中0＜x＜0.1。
3.出于相容性和其他考虑，与离子相形成复合物的导电尖晶石，诸如但不限于ysz，scsz等。在一些实施例中，离子相可以小于约30体积％以避免寄生电池。
4.abo3钙钛矿，诸如lsm，lnf，psm，lsc，lscf，lscm，lsmt等。
5.b位上的过渡金属，如cu，co，cr，a1等掺杂的钙钛矿。在一些实施例中，b位上的过渡金属≤0.1。
6.出于相容性和其他考虑，与离子相形成复合物的abo3钙钛矿，诸如但不限于ysz，scsz等。在一些实施例中，离子相可以小于约30体积％以避免寄生电池。
7.尖晶石氧化物-abo3钙钛矿复合物如(mn，co，ax)3o4-lnf，((mn，co，ax)3o4-lsm，其中a是过渡金属且0≤x＜0.1。
8.lsm，其中可以使用诸如bacuo2-cuo，nio的烧结助剂来增加层的致密化。
9.lnf，其中可以使用诸如b2o3的烧结助剂来增加层的致密化。
在一些实施例中，致密氧阻隔层32可具有在约1至约100微米范围内，优选在一些实施例中在约5至约20微米或约10微米的范围内的厚度。
可以使用任何合适的技术来形成致密氧阻隔层。在一些实施例中，如果具有较高的烧结温度，例如lsm，掺杂的lsm或掺杂的(mn，co)3o4尖晶石，则可以通过与电解质层共烧来制造致密氧阻隔层32。例如，如果其具有较低的烧结温度，例如(mn，co)3o4尖晶石，则也可以通过与阴极层28和/或阴极导体层30共烧来制造致密氧阻隔层32。致密氧阻隔层32也可以通过在优选的温度下单独烧制而制成。
在使用贵金属，或贵金属合金，或贵金属/合金金属陶瓷作为互连件的sofc中可使用致密氧阻隔层32。致密氧阻隔32可用于ip-sofc中的所有互连件设计，其中电子在平面内流过互连件，例如，其中互连件是部分包埋于延伸电解质和致密阻隔层之间的长条，和/或其中互连件是部分包埋于延伸电解质和致密阻隔层之间的通孔(via)设计。
图4是表示一个根据本发明的一种实施方式的燃料电池系统10的另一个示例性剖面的概念图。图4中的燃料电池系统10可以与图3所示的燃料电池系统相同或相似。但是，如图4所示，系统10不包括阳极导体层22，其由阳极层24代替。在这种情况下，阳极层24可以具有足够的电导以水平传输电子，在这种情况下，阳极层24可以同时用作活性阳极和acc/阳极导体层22。同样，阳极层24不需要单独的acc/阳极层，如图4所示。
图5是表示一个根据本发明的一种实施方式的燃料电池系统10的另一个示例性剖面的概念图。图5中的燃料电池系统10可以与图3所示的燃料电池系统相同或相似。然而，如图5所示，互连件34延伸到电解质26与阳极层24/阳极导体层26之间的活性电池区域中。与例如图3和4的实施例相比，可以利用不同的印刷顺序(acc/阳极导体层22，阳极24，化学阻隔36和互连件34)来实现这样的构造。
图6是表示一个根据本发明的一种实施方式的燃料电池系统10的另一个示例性剖面的概念图。图6中的燃料电池系统10可以与图3所示的燃料电池系统相同或相似。然而，如图6所示，致密氧阻隔层32与电解质26重叠并且可以在电解质26之后且在阴极导体层30之前印刷。在致密氧阻隔层32顶部上没有阴极导体层30的右侧重叠可能产生寄生电池。然而，由于致密氧阻隔层32的惰性阴极，寄生损失可以忽略不计。在这样的构造中，可能有两种考虑：1)确保电解质26之间的间隙完全被致密氧阻隔层32填充以阻挡氧，例如在沉积致密氧阻隔层32期间未对准或偏移的情况；和2)图6中所示的包埋于ccc30与电解质层26之间左侧的致密氧阻隔层32的延伸部分可有助于减少寄生效应。在一些实施例中，系统10可以如图6所示构造，但阴极导体层30在任一侧上与两个电解质层26直接相邻，并且致密氧阻隔层32在阴极导体层30下方的互连件体34上。
图7是表示一个根据本发明的一种实施方式的燃料电池系统10的另一个示例性剖面的概念图。图7中的燃料电池系统10可以与图3所示的燃料电池系统相同或相似。然而，如图7所示，致密氧阻隔层32与电解质26重叠并且可以在互连件34之后且在电解质层26之前印刷。由于致密氧阻隔层32在电解质26下方，所以该构造不会产生寄生电池。在一些实施例中，系统10可以如图7中所示构造，但致密氧阻隔层32不覆盖互连件34和电解质26之间互连件34的垂直边缘。
实施例
进行了多方面的试验以对根据本发明的示例性致密氧阻隔层组合物的一个或多个方面进行评价。然而，本发明的实施例并不受这些试验性组合物的限制。
选择用于致密氧阻隔层的示例性组合物，并在空气和氮气(较低的po2)下测量组合物的电导率。样品组合物为mnco尖晶石，lnf，lsm8590，lsm8098和lsm8095。在空气环境中，po2约为0.21，在氮气环境中po2约为5×10-5。在两种不同环境中进行测试的原因是，即使致密互连件以及致密氧阻隔层和延伸的电解质(例如如图3中所示)可以是气密的(例如，材料具有足够低的孔隙率并且气体不能通过或以低于阈值的速率通过，例如小于或等于每分钟约6标准立方厘米(sccm))，少量h2可以传输通过合金(例如，当使用具有不同机理的pd时)，并且在致密氧阻隔层和互连件之间的界面处产生较低的po2。因此，可能希望致密氧阻隔层在一些低po2水平下稳定，例如用于测试的所测低po2。建模表明，在一些实施例中，具有大约2s/cm或更大的电导率的致密氧阻隔层可以为互连件提供较低的asr，因为电流流过致密氧阻隔的厚度而没有面内传导。图8是说明空气和氮气中的每一种样品组合物的电导率的图。如所示，所有选择的样品组合物在空气和氮气环境下表现出大约2s/cm或更高的电导率。
图9是显示在1100，1200，1300和1400摄氏度下烧结之后的mnco2o4尖晶石样品的xrd图(来自参考文献：eeunjeongyi，miyoungyoon，ji-woongmoon，和haejinhwang，用于分离氧的mnco2o4/氧化钆-掺杂的二氧化铈(gdc)双相复合膜的制备(fabricationofamnco2o4/gadolinia-dopedceria(gdc)dual-phasecompositemembraneforoxygenseparation)，jofthekoreanceramicsociety，47[2]199-204，2010)。当烧制温度低于1300摄氏度时，mnco2o4显示为单相，这意味着当使用mnco2o4以本文所述的方式形成致密氧阻隔层时，mnco2o4可能能够与阴极导体层共烧。制备ip-sofc设计的五电池(5个电池通过致密氧阻隔层和互连件串联连接)，致密氧阻隔层由lsm形成，其分别烧制。在重整油燃料下，五电池样品均在900-925摄氏度下进行测试并显示出有前景的结果。
图10是说明具有致密氧阻隔层的五电池测试制品的耐久性的图。如图所示，互连件具有高至2000小时(hr)的稳定性能(例如，基本上无劣化)和asr(例如，低至0.03ohm-cm2)。
在另一个实施例中，在互连件未被ccc层覆盖的情况中观察到互连件中显著的贵金属损失，这导致主互连件asr增加。图11a是显示来自测试的asr耐久性的图，并且图11b是显示来自未覆盖的互连件的贵金属损失的sem图像。亚尺寸电池(pct107a2)的asr耐久性和测试后分析显示互连件劣化(图11a)并且由于贵金属损失(图11b)。
然而，在另一个实施例中，当互连件被ccc层完全覆盖时，观察到来自互连件的贵重金属损失少得多，并且发现picasr在3500小时的运行中是稳定的。图12a是显示来自测试的asr耐久性的图，并且图12b是显示在3500小时的运行之后的互连件(标记为i-通孔)的sem图像。亚尺寸电池的asr耐久性和测试后分析显示了稳定的性能和少得多的贵金属损失，例如，由于ccc层邻接电解质边缘并且互连件被ccc层完全覆盖。
尽管不希望被理论束缚，但是人们认为，由于ccc是多孔层，因此基于结果，通过与阴极侧的气流的相互作用，理论上仍可能存在贵金属损失机制。相信如果在ccc和互连件层之间施加致密氧阻隔层，则可以消除或者减少贵金属损失机制。
已经描述了许多本发明的实施方式。这些和其它实施方式包括在所附权利要求书的范围内。