使用金属陶瓷电解质的阳极支撑和固体氧化物燃料电池制造技术

具有改进性能的低成本的新型固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）制品和其制造方法。该结构特征和方法包括构造阳极（即，燃料电极）；施加金属陶瓷电解质，其包括陶瓷和电化学活性物质的混合物，并施加阴极层。含有少量过渡金属的金属陶瓷电解质可降低与阳极的热膨胀不匹配，并使得具有分级构成的电化学活性物质横过阳极／电解质结构。在操作条件下，在氧化侧（阴极侧）存在致密的电解质和金属氧化物亚层；同时该电解质的另一侧（还原侧）由含有过渡金属的多孔亚层构成。调节存在于阳极和金属陶瓷电解质中的金属量，以实现良好的功率输出和提高的电化学性能，同时保持ＳＯＦＣ的结构完整性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术通常涉及燃料电池，更具体地说，涉及阳极支撑的固体氧化物燃料电池或SOFCs，和制造方法，其中通过应用新型金属陶瓷电解质，该燃料电池具有增强的包括电化学性能的物理性能。
技术介绍
已经开发了几种不同的固体氧化物燃料电池结构设计，包括管状的，平面的和单片的设计，所有的在技术文献中都有案可查(例如，Q.M.Nguyen et al.，″Science and Technology of Ceramic Fuel Cells″，Elsevier Science，Jan.1995)。管状的SOFC设计来源于与平面燃料电池组相联系的焊接问题(见G.Hoogers，″Fuel Cell Technology Handbook″，CRC Press，Aug.2002)。典型的管状SOFC包括用于传导氧-离子的陶瓷膜，在其上沉积的空气电极(即阴极)和燃料电极(即阳极)。在阴极氧转化为氧离子，其扩散通过该膜，并在阳极与燃料反应。然后在阳极产生的电子通过外部载荷迁移到接通电路。通常遵循三种类型的构造，以形成上述的结构设计：a)电解质-支撑的，其中致密的电解质被用作载体，在该层的每侧施加阳极和阴极(见Aitken等人的美国专利5,273,837和Badding等人的美国专利6,428,920；b)空气电极-支撑的(如阴极-支撑的)，其中多孔掺杂的亚锰酸镧基质形成阴极，其涂覆有气密的电解质层，随后涂覆阳极层(见，例如，Carlson et al.的美国专利5,108,850；及Isenberg的美国专利5,989,634；和c)燃料电极-支撑的(如阳极支撑的)，其中金属陶瓷阳极载体涂覆有电解质层薄膜，随后涂覆阴极层(见Divisek et al.的美国专利5,-->998,056，及Kim et al.的美国专利6,228,521)。为得到更高的效率和/或更低的工作温度，电解质-支撑的SOFC的电解质层必须是致密的，气密的和非常薄的(优选几微米)。在多孔电极基质(或者阴极或者阳极)上沉积薄的电解质薄膜的技术目前正在开发(见H.P.Buchkremer et al.，″Advances in Manufacturing andOperation of Anode，Supported SOFC Cells and Stacks″，Proceedings ofthe Third European Solid Oxide Fuel Cell Forum，June 1998，p.143-149)。授予Siemens Westinghouse Power Corp.，Orlando，FL的很多专利公开所谓的空气电极-支撑的(AES)技术(见例如，Ruka等人美国专利5,916,700；和Borglum等人的美国专利；和Borglum等人的美国专利6,379,485)。尽管在管状的SOFC领域得到显著的工艺成就，阴极-支撑的燃料电池具有几种缺点。尤其是，阴极材料，掺杂有锶的亚锰酸镧，是非常昂贵的。由陶瓷材料组成的阴极他们的强度低于由金属陶瓷制成的，即，陶瓷和金属的复合物。典型的阴极-支撑的SOFCs经济上没有优势，因为需要大量投资的沉淀方法，比如电化学的气相沉积(见Carlson等人的美国专利5,108,850和Isenberg的美国专利5989634)。因此，阳极支撑的SOFCs逐渐得到注意，因为它们可以低成本制造同时维持高的机械结构强度和提供大功率密度(见Song等人的美国专利6,436,565)。然而，阳极支撑的SOFCs仍存在缺乏优良的电化学性能和结构可靠性的缺点。这主要是由于阳极金属陶瓷和常规的陶瓷电解质之间的热膨胀系数不匹配，这在制造时，或在操作的时候可导致电池故障。因此，需要改进的，易于适应和经济的SOFCs，和制造在操作条件下具有优良的物理和电化学性能的阳极支撑的SOFC的方法。
技术实现思路
-->本专利技术广泛地涉及固体氧化物燃料电池(SOFC)，其包括内部燃料电极(阳极)作为载体，中间的金属陶瓷电解质，和外部的空气电极(阴极)，其中金属陶瓷电解质包括分散于整个陶瓷材料的较少的金属相。本专利技术的一方面，SOFC也可以包括电极集电器。阳极可以由过渡金属(如优选Ni)和陶瓷(如稳定的氧化锆或掺杂的二氧化铈)制造，即金属陶瓷，其也可为整个电池提供物理支撑。阳极的导电性基于金属含量。通过在电解质中，引入少量(多至15vol％)的过渡金属(或者如用于阳极相同的金属或者另外的活性过渡金属)与陶瓷(如稳定的氧化锆，掺杂的二氧化铈)，从而大大地降低在阳极和金属陶瓷电解质层之间的热膨胀系数的不匹配。这使得阳极的金属含量增加(多至80.0vol％)，并因此增加导电性。本专利技术的另一个方面，分散于整个阳极和金属陶瓷电解质的金属相可以选自元素周期表的过渡金属族，他们的合金，他们的元素的物理混合物或未化合的状态的物理混合物。有用的过渡金属的典型的例子包括但不限于Ni，Co，Cu，Ag和W。往往优选镍，也可使用比如铂和钌的催化活性的贵金属。如果在高温操作SOFC，那么用于金属陶瓷阳极和金属陶瓷电解质的陶瓷电解质物质优选稳定的氧化锆，例如：(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08。如果在中等温度(500°-700℃)操作SOFC，那么用于金属陶瓷阳极和金属陶瓷电解质的陶瓷电解质物质优选掺杂的二氧化铈，如(Ce0.90Gd0.10)O0.195。然而，各种材料可用于宽的温度范围，基于设计约束条件选择材料。本专利技术涉及典型的固体氧化物燃料电池结构设计，包括管状的，平面的和整块设计。″整块″可能包括实际上，既不是管状的又不是平面的那些任何结构形式，如伸长的，扁平的管式；螺旋形状的圆顶，或也可涉及在第三方支撑材料上的电池结构。因此，本专利技术还广泛地涉-->及几种结构形式，包括使用新型金属陶瓷电解质制造阳极支撑的SOFC的方法。这些设计中间每一个包括几种优选生产技术，由工艺和经济因素确定其适用性。例如，优选通过压出工艺制造管状的基质，优选通过浇铸或冲压工艺制造平面基质。因此，本专利技术的另外的目的是提供制造改进的SOFC的方法，与常规的燃料电池构造方法相比较，具有较少的处理步骤和较低成本。特别重要的一点是本专利技术能以较低成本得到大功率密度燃料电池，同时保持机械可靠性。根据本专利技术，制造阳极支撑的具有金属陶瓷电解质的SOFC的这些方法之一包括以下步骤：(i)将阳极浆料形成阳极层；(ii)在第一浆料涂覆过程中，在阳极层上施加金属陶瓷电解质浆料，得到金属陶瓷电解质-涂敷的阳极；(iii)第二浆料涂覆过程中，在该金属陶瓷电解质-涂敷的阳极上施加至少一种阴极浆料，以得到阴极层，和(iv)烧结阳极层，金属陶瓷电解质层，和至少一种阴极层。这些制造方法中，纳米尺寸的粒子可用来制备具有金属陶瓷电解质的阳极支撑的SOFC。对于该实施方式，通过使用常规的或纳米尺寸的陶瓷粉末(例如：稳定的氧化锆，掺杂的二氧化铈)，或同时使用两种，可以将金属或电解质物质引入燃料电极混合物。此外，纳米尺寸的金属陶瓷电解质浆料可为含水的或无水的(即基于有机溶剂，优选醇和/或酮)。可以在约1050℃～约1300℃的温度范围，在氧化性气氛下，进行烧结燃料电极、纳米尺寸的金属陶瓷电解质和空气电极的步骤，直到纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体氧化物燃料电池，其特征为包括：阳极层，至少一个阴极层，和置于所述阳极层和阴极层之间的电解质层，其中所述电解质层进一步包括金属陶瓷电解质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-12-2 60/526,398;US 2004-8-3 10/910,026;US 1.一种固体氧化物燃料电池，其特征为包括：阳极层，至少一个阴极层，和置于所述阳极层和阴极层之间的电解质层，其中所述电解质层进一步包括金属陶瓷电解质。2.如权利要求1的固体氧化物燃料电池，其特征在于，作为复合结构，其中所述阳极层是内部的层，所述阴极层是外部的层，和所述电解质层置于所述的阳极层和所述的阴极层之间。3.如权利要求1的固体氧化物燃料电池，其特征在于，其中金属陶瓷电解质包括：选自稳定的氧化锆，掺杂的二氧化铈和其混合物的陶瓷材料，和包括元素周期表过渡金属族的至少一种金属的金属相。4.如权利要求3的固体氧化物燃料电池，其特征在于，其中稳定的氧化锆是(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08，掺杂的二氧化铈是(Ce0.90Gd0.10)O1.95。5.如权利要求3的固体氧化物燃料电池，其特征在于，其中过渡金属选自Ni、Co、Cu、Ag、W、Pt和Ru。6.如权利要求3的固体氧化物燃料电池，其特征在于，其中所述金属陶瓷电解质中，所述金属相的金属含量为约0.1vol％～约15.0vol％。7.如权利要求3的固体氧化物燃料电池，其特征在于，其中烧结态的电解质层的厚度小于0.1mm。-->8.如权利要求1的固体氧化物燃料电池，其特征在于，其中所述阳极层进一步包括：选自稳定的氧化锆，掺杂的二氧化铈和其混合物的陶瓷材料，和包括元素周期表过渡金属族的至少一种金属的金属相。9.如权利要求8的固体氧化物燃料电池，其特征在于，其中稳定的氧化锆是(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08，掺杂的二氧化铈是(Ce0.90Gd0.10)O1.95。10.如权利要求8的固体氧化物燃料电池，其特征在于，其中过渡金属选自Ni、Co、Cu、Ag、和W。11.如权利要求8的固体氧化物燃料电池，其特征在于，其中所述阳极金属陶瓷的金属相的金属含量为约30vol％～约80vol％。12.如权利要求8的固体氧化物燃料电池，其特征在于，其中所述烧结态的阳极层的厚度为约0.2mm～约1.0mm。13.如权利要求1的固体氧化物燃料电池，其特征在于，其中所述阴极层包括：包括第一阴极材料和选自稳定的氧化锆、掺杂的二氧化铈和其混合物的阴极陶瓷材料的第一阴极层，和包括第二阴极材料的第二阴极层。14.如权利要求13的固体氧化物燃料电池，其特征在于，其中稳定的氧化锆是(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08，掺杂的二氧化铈是(Ce0.90Gd0.10)O1.95。15.如权利要求13的固体氧化物燃料电池，其特征在于，其中所述第一和第二阴极材料独立地选自La1-xSrxMnO3和La1-xSnxFeO3，和其中x为0.1～0.5。-->16.如权利要求1的固体氧化物燃料电池，其特征为进一步包括置于相邻的所述阳极层和/或所述至少一个阴极层，和所述电解质层之间的可提高燃料电池性能的至少一个中间层。17.如权利要求16的固体氧化物燃料电池，其特征在于，其中所述提高性能的中间层包括催化剂材料。18.如权利要求1的固体氧化物燃料电池，其特征为包括管状的并在两端开口的、管状的并在一端开口的、平面或整块的结构构造，其中所述结构构造包括阳极和阴极集电器。19.一种燃料电池组，其特征为包括如权利要求18的多个所述固体氧化物燃料电池。20.一种通过以下步骤制造固体氧化物燃料电池的方法，其特征在于所述的步骤包括：(i)将阳极浆料形成阳极层；(ii)在第一浆料涂覆过程中，在阳极层上施加金属陶瓷电解质浆料，以得到金属陶瓷电解质-涂敷的阳极；(iii)在第二浆料涂覆过程中，将至少一种阴极浆料涂覆到金...

【专利技术属性】
技术研发人员：凯纳芬纳蒂，大卫科英布拉，
申请(专利权)人：纳米动力公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]