电解质掺杂剂系统技术方案

固体氧化物燃料电池的部件包括具有稳定氧化锆和一种或多种掺杂剂的电解质。稳定氧化锆颗粒可具有至少150nm的d50粒径。电解质可具有不大于1120℃的峰值烧结温度。固体氧化物燃料电池可具有不大于1.09V的平均开路电池电压(OCV)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及固体氧化物燃料电池的电解质及其形成方法。
技术介绍
燃料电池是通过燃料的电化学氧化将化学能转化成电力的能量转换装置。典型的燃料电池包括阴极、阳极、以及在阴极和阳极之间的电解质。在各种燃料电池中，固体氧化物燃料电池(SOFC)使用硬的陶瓷化合物金属氧化物作为电解质。典型地，在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，氧气(O2)在阴极处还原为氧离子(O-2)，并且在阳极处，燃料气体例如氢(H2)或烃例如甲烷(CH4)被氧离子氧化，以形成水和二氧化碳(来自烃)。在一些情况下，燃料电池组件已作为堆叠体进行设计。单一固体氧化物燃料电池包括阴极、阳极、以及在阴极和阳极之间的固体电解质。每个电池可视为子组件，所述子组件可与其他电池组合以形成完全SOFC堆叠体。在装配SOFC堆叠体中，电连接线(interconnects)可设置在一个电池的阴极和另一个电池的阳极之间。SOFC的部件可对在其形成或使用期间由温度的波动引起的损坏敏感。具体地，用于形成各种部件的材料(包括不同组成的陶瓷)显示出不同的材料、化学和电性质，所述性质可导致SOFC制品的故障和失败。特别地，燃料电池对于温度的变化具有有限的耐受性。当一起形成SOFC的两个或更多个不同部件时，与通过温度变化引起的机械应力相关的问题可恶化。因此，局限性可强加于用于形成SOFC的某些方法，所述局限性可限制生产率或造成在操作期间的高失败风险。附图说明虽然说明书由明确指出申请人视为其专利技术的主题的权利要求得出结论，但认为本专利技术与附图结合考虑时将得到更佳理解，在所述附图中：图1示出了根据一个实施例的固体氧化物燃料电池(SOFC)制品；图2示出了根据一个实施例形成SOFC的方法；图3是示出了根据一个特定实施例的掺杂剂对YSZ的峰值烧结温度(T峰)的作用的曲线图；和图4示出了根据一个特定实施例的Fe掺杂剂对YSZ的作用。具体实施方式本公开内容涉及固体氧化物燃料电池制品的部件和形成固体氧化物燃料电池的部件的方法。提供了与附图组合的下述说明书，以帮助理解本文公开的教导。下文讨论将集中于教导的具体实现和实施例。提供该重点以帮助描述教导且不应解释为对教导的范围或适用性的限制。如本文使用的，术语“包含”、“包括”、“具有”或它们的任何其他变体旨在涵盖非排他性的包括。例如，包括一系列特征的过程、方法、制品或装置不必仅限于那些特征，而是可包括未明确列出的或该过程、方法、制品或装置所固有的其他特征。此外，除非明确相反指出，“或”指包括性的或，而非排他性的或。例如，条件A或B由如下任一者满足：A为真(或存在)且B为假(或不存在)，A为假(或不存在)且B为真(或存在)，以及A和B均为真(或存在)。“一种”或“一个”的使用用于描述本文描述的元件和部件。这仅为了便利，并提供本专利技术的范围的一般含义。该描述应理解为包括一种(一个)或至少一种(至少一个)，并且单数还包括复数，或反之亦然，除非其明确具有相反含义。除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语均具有与本专利技术所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。材料、方法和例子仅是举例说明性的并且不意欲为限制性的。在本文未描述的情况下，关于具体材料和处理动作的许多细节是常规的，并且可在教课书及固体氧化物燃料电池领域内的其他来源中找到。参考图1，示出了固体氧化物燃料电池(SOFC)单元电池的一个实施例并且一般标记为100。SOFC单元电池100可包括阳极106、电解质102和阴极116。阳极106可包括阳极本体层(ABL)110和阳极功能层(AFL)112。AFL 112可设置在ABL 110和电解质102之间，并且与ABL 110和电解质102直接接触。同样地，阴极层116可包括阴极本体层(CBL)108和阴极功能层(CFL)114。CFL 114可设置在CBL 108和电解质102之间，并且与CBL 108和电解质102直接接触。在一些情况下，燃料电池组件可设计为子电池，所述子电池可包括设置在电解质的一侧上的阳极和设置在电解质的另一侧上的阴极。在一个实施例中，每个子电池可与其他子电池以堆叠的方式组合，以形成完全SOFC制品。在SOFC例如SOFC堆叠体或完全SOFC制品的一个实施例中，连接线可设置在一个子电池的阴极和另一个子电池的阳极之间，特别是在相对电解质的阳极或阴极的一侧上。如图1中所示，连接线104可设置在相对电解质102的阳极106的一侧上，例如相对电解质102的ABL 110的一侧上。尽管图1中未示出，但另一个子电池的阴极可设置在相对阳极106的连接线104的一侧上。通常，在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，氧气(O2)在阴极处还原为氧离子(O-2)，并且在阳极处，燃料气体例如氢(H2)或烃例如甲烷(CH4)被氧离子氧化，以形成水和二氧化碳(来自烃)。在阳极和阴极之间的电解质作用于基本上防止来自阳极和阴极的燃料和氧化剂气体的混合，并且允许氧离子转运跨越电解质从阴极到阳极。因此，电解质可包括可帮助上述功能的特定性质。例如，电解质可具有特定理论密度，以帮助基本上防止来自阳极和阴极的燃料和氧化剂气体的混合。为了确保SOFC的功能性，电解质可具有至少92％的密度。在不大于91％的密度下，部件的显著比例的孔是连接的。根据一个实施例，电解质102可具有至少93％，例如至少94％、至少65％、至少96％、至少97％、至少98％、至少99％、或甚至100％的理论密度。在另一个实施例中，电解质可具有基本上气密的密度。如本文使用的，气密与完全密度同义使用，并且定义为具有至少98％的密度。相反，电解质102可具有特定孔隙率。根据一个实施例，电解质102可具有不大于5体积％，例如不大于4体积％、不大于3体积％、不大于2体积％、或不大于1体积％的孔隙率。一些残留孔隙率可保留在电解质中。然而，任何此类残留孔隙率通常是闭孔率，并且不形成连接线网络。在一个实施例中，孔隙率可包括开孔率和闭孔率。在一个特定实施例中，孔隙率的至少大部分包括闭孔率，例如至少约75％，或甚至至少约90％。在阅读说明书后，技术人员应了解密度、开孔率和闭孔率可基于阿基米德原理进行计算。在SOFC的典型部件例如电解质中，增加的厚度可提供增加的结构完整性，但还可趋于增加电阻。在一个实施例中，电解质102可具有不大于250微米的厚度。在另一个实施例中，电解质102可具有不大于200微米，例如不大于150微米、不大于100微米、不大于75微米、不大于50微米、不大于45微米，例如不大于40微米、不大于35微米、不大于30微米、不大于25微米、不大于20微米、不大于15微米、或甚至不大于10微米的厚度。因为增加的厚度可趋于增加电阻，所以相反的趋于是真实的，其中减少的厚度可趋于减少电阻。然而，减少的厚度还可趋于减少结构完整性。根据一个实施例，电解质102可具有至少5微米的厚度。在另一个实施例中，电解质102可具有至少10微米，例如至少15微米、至少20微米、至少25微米、至少30微米、至少35微米、至少40微米、或甚至至少45微米的厚度。在阅读说明书后，技术人员应了解电解质102可具有在上述任何最大值或最小值的范围内的厚度。例如，在一个实施例中，电解质102可具有在100微米至250微米、5微米至25本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体氧化物燃料电池的部件，所述部件包含：包括稳定氧化锆和至少三种不同掺杂剂的电解质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.28 US 61/9719911.一种固体氧化物燃料电池的部件，所述部件包含：包括稳定氧化锆和至少三种不同掺杂剂的电解质。2.根据权利要求1所述的部件，其中所述稳定氧化锆具有不大于1120℃的峰值烧结温度。3.根据权利要求1所述的部件，其中所述电解质由具有至少150nm的d50粒径的稳定氧化锆颗粒形成。4.根据权利要求1所述的部件，其中所述电解质由具有不大于400nm的d50粒径的稳定氧化锆颗粒形成。5.根据权利要求1所述的部件，其中所述稳定氧化锆包括Mn、Al、Cu、Fe或其任何组合。6.根据权利要求1所述的部件，其中所述稳定氧化锆包括Mn，并且其中所述Mn以不大于5原子％的量存在。7.根据权利要求1所述的部件，其中所述稳定氧化锆包括Al，并且其中所述Al以不大于3原子％的量存在。8.根据权利要求1所述的部件，其中所述稳定氧化锆包括Fe，并且其中所述Fe以不大于10原子％的量存在。9.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·莫安拉姆，
申请(专利权)人：圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US