电阻变化的电极结构制造技术

低电压、高电流电产生器件的电极结构包括电荷转移组件（６１２）。具有不均匀电阻的电传导组件（６０５）设置在电荷转移组件６１２上用于优化电流耦合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电阻变化的电极结构
本专利技术涉及诸如电池、燃料或光伏电池的电气化学设备以及氧气隔离器、催化剂、传感器等，尤其涉及这些电气化学设备的电流耦合(包括收集或分布)结构。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC)是通过夹在阴极电极层与阳极电极层之间的单个氧化物电解质电池使气态燃料(诸如氢气)与氧化剂(诸如氧气)电气化学反应而产生直流电的能量转换或发电设备。目前SOFC技术的关键特征包括全固态结构、多燃料能力和高温运行。由于这些特征，SOFC具有作为处于对固定和移动应用的开发之中的高性能、清洁和有效的电源的潜力。众所周知，在大多数固态电气化学器件中主要的损耗发生在电极中、和/或电极/电解质界面处。还发现最小化这些由浓差极化或活化极化或者两者兼有所引起的损耗对这些设备的有效运行是至关重要的。例如，最小化这些损耗对在固体氧化物燃料电池中获得大电流和高功率密度非常重要。在通常的运行条件下，SOFC单电池输出小于1V。因此，为了实际应用，单个电池可电串联地组套(stack)以建立电压。组套通过称为互连的部件提供，该部件将一个电池的阳极连接于组套中下一电池的阴极。常规SOFC在约1000℃和环境压力下运行。对于要考虑商业竞争的技术，SOFC系统的成本仍然过高。开支主要是由于SOFC组套的较差性能。SOFC成本降低计划关注的是电解质制作、电极微结构、以及互连的设计和材料。前两个挑战已被解决，但互连的设计和材料仍需改进。若干处理技术已经得到了开发，以产生具有较低电阻的氧化钇稳定的氧化锆的气密电解质薄层。具有较低活性电阻的电极微结构是广泛公知并使用的。SOFC单电池的一个示例是由氧化钇掺杂的或稳定的氧化锆电解质(YSZ)组成的陶瓷三层，该电解质夹在作为阳极的镍/YSZ与连接于掺杂亚铬酸镧互连的掺杂锶的亚锰酸镧(LSM)阴极之间。典型和现有技术的单电池基于-->Sr0.2La0.8MnO3(LSM)/8m/o氧化钇稳定的氧化锆(8YSZ)的多孔复合阴极、镍/8YSZ的多孔复合阳极、以及YSZ电解质，并在800℃传送超过2W/cm2的功率密度。仍需要改进互连的材料和设计。阳极支持设计的互连基于过渡金属、并形成阻止电流流动的氧化物垢。最近才发现：互连的设计和一些设计中的单电池没有有效地收集来自电极的电流。电极中电流分布对系统性能的作用和影响还未得到解决。系统性能有时完全被电极中的电流分布损耗所支配。实际上，可以忽略单电池的电阻效应。与阳极支持或阴极支持电解质相反，康宁公司(Corning)的固体氧化物燃料电池(SOFC)的设计基于如在美国专利No.5,273,837中公开的机械柔性电解质薄片。如在美国专利No.6,623,881中公开的，电解质用作电极的支持并打有用于“穿过电解质”的互连的通孔。不同于其中通过诸如阴极支持管或阳极支持板的分离电解质支承元件的互连来建立电压的其它SOFC设计，康宁的设计将互连与电解质结合，以从在单个电解质膜上排列的多个单电池建立电压。总之，康宁的设计具有比其它设计传送更高容积功率密度的潜力。除了材料的低成本之外，具有穿过电解质互连的柔性电解质设计可同时解决互连材料问题并向电极分发电流(从电极收集电流)。虽然成本是商业可行性的最终决定因素，但是在任何设计中性能都与成本相联系。面积电阻率(ASR)是燃料电池的常用的性能系数。电池电压相对于电流密度的曲线的绝对斜率被定义为电池的面积电阻率(ohm-cm2)。许多因素都会影响ASR，诸如材料性质、工艺条件和设计几何形状。虽然未考虑处理的影响，但是用于构建SOFC的大多数材料的性质是公知的。设计的性能和成本可预期并可最优化。氧离子输运的活化极化和电阻是单电池内部电阻的主要作用因素。较低内部电阻的理论构建和实质特性是公知的。必须注意：浓差极化可在某些情况下影响性能，然而通常可忽略这种影响，除非电流密度超过5A/cm2或者在燃料或氧化剂稀缺的情况下。在设计的下一阶段，将电流从阴极收集到互连焊盘，穿过通孔到达另一互连焊盘，并最后分布在康宁型带状电池的阳极。单电池应被设计成便于电极中的电流分布和收集。然而，精心设计的单电池的高功率密度仍可能在电流分布过程中损失。分布/收集损耗在电极过宽、过薄或缺乏传导性时变得严重。这对于阴极中的LSM尤其明显。与阳极中镍的24,000S/cm-->相比，LSM的传导率仅为100S/cm。对于20μm厚的LSM阴极，最佳的理论电极宽度小于约1mm以最小化功率损耗。在当前实践中，很难制作该宽度的带状电池电极。目前，约10μm厚的多孔银-钯合金的高传导率(＞10,000S/cm)层沉积在阴极之上以便于电流分布。这种燃料电池在美国专利No.6,623,881中公开，其中电导体相对平整、并由银-钯合金(例如70％银-30％钯)制成。虽然使用该专利中公开的平整银-钯合金电导体在大多数应用中工作良好，但是它们在一些应用中会限制燃料电池的耐久性且不符合成本要求。银在SOFC的常规运行温度下是不稳定且易变的。一个解决方案是用像金的更加难熔的贵金属电流收集器来代替银。可估计每千瓦电流收集器的材料成本，并且它通过以下方程4000xASRxpxdxt与电池ASR相关，其中p是以美元计算的每克电流收集器材料的成本，d是密度而t是达到指定ASR所需的厚度。金的传导率与银相似，因此同样需要10μm厚的金层。在最大功率处约0.5W/cm2的性能目标对应于0.5Ωcm2的ASR。对于电流收集器，这单独给出约每瓦约200美元的过高的估计材料成本。因此，需要不依赖于银和/或最小化贵金属在阳极电流收集器中的使用的可制造互连设计。去除银的解决方案也将运行的温度范围从600-800拓宽到600-900℃。由于热管理限制略有放松、且在更高的温度下ASR可更低，所以这是有优势的。因此，需要在给定材料性质、成本和制造能力的限制下最优化性能(最小化ASR)、同时最大化组套级的功率输出的各种SOFC设计选择。这些改进结合通孔和通孔/电极触点的单电池设计的条件包括：无银、每个单电池固定量的贵金属、每个单电池限定数目的互连、可制造的电极宽度、使用氧化物阴极电流收集器、以及成形通孔等。特别地，通常、且具体地在用于在阴极中分发电子的电流收集结构内去除银的SOFC设计具有以下优点：1)延长运行系统寿命；2)允许在功率系数更高的更高温度下运行；以及3)放松运行过程中温度管理的限制。因此，需要使用具有具体组分和/或具体几何形状的导电电流收集器的燃料电池，该电流收集器增强燃料电池耐久性并且成本有效。该需要和其它需要通过本专利技术的燃料电池和电导体得到解决。-->
技术实现思路
低电压、高电流的发电设备的电极结构包括电荷转移组件。具有不均匀电阻的导电组件设置在电荷转移组件上用于最优化电流耦合。附图说明本专利技术更加完整的理解可通过参考以下详细描述并结合附图获得，其中：图1A和1B示出根据本专利技术示教的电阻变化燃料电池的俯视图和横截面侧视图，该电阻变化燃料电池具有通过电阻变化导电组件彼此相连的一串电气化学电池；图2A和2B示出根据本专利技术示教的燃料电池的俯视图和横截面侧视图，该燃料电池具有一串通过厚度变化的电阻变化导电组件彼此相连的电气化学电池；图3是详细示出可结合在图2A和2B所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低电压、高电流发电设备的电极结构，包括：　　　　电荷转移组件；以及　　　　电传导组件，具有设置在所述电荷转移组件上用于优化电流耦合的不均匀电阻。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-8-4 10/912,0361.一种低电压、高电流发电设备的电极结构，包括：电荷转移组件；以及电传导组件，具有设置在所述电荷转移组件上用于优化电流耦合的不均匀电阻。2.如权利要求1所述的电极结构，其特征在于，所述电传导组件包括：电流耦合器，设置在第一电池的所述电荷转移组件上；以及通孔触点，使所述电流耦合器和第二电池相互连接。3.如权利要求1所述的电极结构，还包括基板。4.如权利要求3所述的结构，其特征在于，所述基板包括柔性电解质片。5.如权利要求4所述的结构，其特征在于，所述电荷转移组件包括电极。6.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述电传导组件具...

【专利技术属性】
技术研发人员：TD凯查姆，CW坦纳，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]