综合性固体氧化物燃料电池制造技术

一种固体氧化物燃料电池，包括阳极、与阳极相对的阴极，以及设置在阳极和阴极之间的电解质。电解质包括紧接于阳极的阻挡层，此阻挡层可防止电解质和阳极之间的化学相互作用，并防止电解质中的元素损耗。电解质还包括紧接于阴极的加强层，此加强层具有可为电解质提供抗断裂性的交错的层组成部分。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
综合性固体氧化物燃料电池专利技术背景本专利技术大体上涉及固体氧化物燃料电池(SOFC)，更具体地涉及一种固体氧化物燃料电池中的多层、多功能电解质，其具有较高机械强度、较高离子电导率，在空气和燃料中保持稳定，与燃料电池中的其它部分化学相容，并且具有较低的操作温度。固体氧化物燃料电池是一种能量转换装置，其可通过使气态燃料(如氢)通过氧化物电解质与氧化剂(如氧)发生电化学反应来产生直流电。当前SOFC技术的主要特征包括全固态结构、可采用多种燃料的能力和较高的操作温度。由于这些特征，SOFC具有可成为高性能、清洁且高效的能源的潜力，并且已经被开发用于多种发电应用中。在典型的操作条件下，一个SOFC单电池产生的电压小于1V。因此为了进行实际应用，应将多个单电池电串联地堆叠来形成电压。堆叠由被称为互连结构的部件来提供，其将一个电池的阳极与一组电池中的下一电池的阴极相连。传统的SOFC在约1000℃和环境压力下操作。SOFC单电池为陶瓷的三层结构，其由夹在阳极和阴极之间的氧化物电解质形成。传统的SOFC材料为采用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)来制造电解质，采用掺杂锶的亚锰酸镧(LSM)来制造阴极，采用镍/YSZ来制造阳极，并且用掺杂的亚铬酸镧来制造互连结构。目前，对SOFC来说存在两种基本的电池结构：电解质支撑式和电极支撑式。在电解质支撑式电池中，电解质为电池的机械支撑结构，其厚度通常在150到250μm之间。电解质支撑式电池例如用于一些平面SOFC设计中。在电极支撑式电池中，电极中的一个(即阳极或阴极)-->为支撑结构。电解质为形成于支撑电极上的薄膜(不大于50μm)。管状的电串联分段式电池和一些平面SOFC设计采用这种类型的电池。传统的基于YSZ的SOFC通常采用厚度大于50μm的电解质，并需要1000℃的操作温度以减小电解质的欧姆损耗。高温操作对燃料电池系统提出了严格的材料和处理要求。因此，在SOFC的开发中，近来的趋势是将操作温度降低到800℃之下。降低SOFC的操作温度所带来的优点包括材料的选择面更宽，电池寿命延长，热应力降低，可靠性提高，以及可能降低燃料电池的成本。降低操作温度所带来的另一重要优点是可采用低成本的金属来制造互连结构。已经进行了多种尝试以降低基于YSZ的SOFC的操作温度，同时保持其工作效率。一种已尝试的方法是减小电解质的厚度以减小电阻损耗。已经对多种使电池具有薄膜(约5到25μm厚)的方法进行了评估。具有较薄电解质膜的电极支撑式电池(具体而言是阳极支撑式电池)在较低温度下具有较高的性能。例如在de Souza等人的“低温固体氧化物燃料电池的YSZ薄膜电解质”，2nd Euro.SOFCForum，2，677-685(1996)；de Souza等人的“在低温下具有较高性能的薄膜固体氧化物燃料电池”，Solid State Ionics，98，57-61(1997)；Kim等人的“中等温度下阳极支撑式固体氧化物燃料电池的极化效应”，J.Electrochem.Soc.，146(1)，69-78(1999)；Minh的“用于发电应用的薄膜固体氧化物燃料电池的进展”，Proc.4th Int’l Symp.On SOFCs，138-145(1995)；Minh等人的“高性能的较低温度的SOFC技术”，Int’lNewsletter Fuel Cell Bulletin，No.6，9-11(1999)中已经报道了在800℃下功率密度超过1W/cm2的情况。降低操作温度的另一种尝试包括使用离子电导率超过YSZ的另一些固体电解质材料，如Minh的“陶瓷燃料电池”，J.Am.Ceram.Soc.，76[3]，563-88(1993)中所述。然而，替代性电解质材料方面的工作仍处于十分初级的阶段。电解质和阴极被认为是在较低操作温度下实现高效率的障碍，-->这是因为它们在当前电池材料和结构中具有较大的性能损耗。在YSZ电解质支撑式电池中，YSZ的电导率需要约1000℃的操作温度以实现高效的操作。例如，对于厚度约为150μm、面积约为1cm2的YSZ电解质来说，在约1000℃下基于约0.1S/cm的电导率，电解质的电阻约为0.15Ω。因此，电解质的面积比电阻(ASR)约为0.15Ω-cm2。为了实现高效的操作，希望得到ASR约为0.05Ω-cm2的高性能电池。为了在较低操作温度(如800℃)下实现约0.05Ω-cm2的ASR，可计算出YSZ的所需厚度(即15μm)。如果所需操作温度小于800℃而ASR保持相同值，必须进一步减小YSZ的厚度，或者必须使用高导电性的其它电解质材料。对于SOFC中的其它电解质材料来说，所需操作温度决定材料的选择以实现高性能。电解质的电导率和稳定性是选择电解质材料中的两个关键参数。在氟石、钙钛矿和钙铁石结构中发现了最高的离子电导率，如Boivin等人在Chem Mater.，10，P2870(1998)中的文章所述。这些包括Bi2O3、CeO2、LaGaO3和Sr-Fe-Co氧化物的掺杂材料。在这些材料中，掺杂的Bi2O3在燃料空气中是不稳定的，掺杂的Sr2Fe2O5是混合的离子和电子导体。因此，这两种材料不适合用作SOFC电解质。在美国专利No.5731097中已经尝试采用一层为掺杂的CeO2和另一层为YBa2Cu3O7的双层电解质来提高开路电压(OCV)。在美国专利No.5725965中提出了另一种双层电解质，其中掺杂的Bi2O3层被掺杂的CeO2保护层保护而与燃料环境隔开。在约550到700℃的较低操作温度下，已经考虑过掺杂有Gd的二氧化铈(CeO2)(即CGO)和掺杂有Sr，Mg的镓酸镧(LaGaO3)(即LSGM)或者除Sr和Mg外还掺杂了Fe的镓酸镧(即LSGMFe)，这是因为它们的电导率较高(见Feng等人，Eur.J.Solid St.Inorg.Chem.，31，P663(1994)；Huang等人的“优良的钙钛矿氧化离子导体、掺杂锶和镁的LaGaO3：I，相关系和电性能”，J.Am.Ceram.Soc.，81，[10]，2565-75(1998)；Steele的“氧化陶瓷中的氧迁移和交换”，J.Power-->Sources，49，1-14(1994)；Ishihara等人的“采用掺杂有过渡金属阳离子的LaGaO3电解质的中等温度固体氧化物燃料电池”，Proc.Electrochem.Soc.Mtg.，Seattle，May 2-5(1999))。例如，15μm的LSGMFe电解质可以在约525℃下操作，其ASR为0.05Ω-cm2。在上述这些材料中，在燃料环境中，CGO在500℃以上具有非常好的电子导电率，这就降低了开路电压并降低了燃料电池的效率。因此，为了成为有效的电解质，根据Doshi等人的“可在500℃下操作的固体氧化物燃料电池的进展”，J.Electrochem.Soc.，146(4)，1273-1278(1999)，CGO必须在500℃或更低温度下使用，或者被改性或保护以防止燃料环境所造成的降低。LSGM(La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3)和LSGMFe(La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.17Fe0.3O3)具有较高的离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体氧化物燃料电池包括：阳极；与所述阳极相对的阴极；和设置在所述阳极和阴极之间的电解质，所述电解质包括紧接于所述阳极的阻挡层，所述阻挡层可防止所述电解质和阳极之间的化学相互作用，并防止所述电解质中的元素损耗。

【技术特征摘要】
US 2000-8-18 09/642,7501.一种固体氧化物燃料电池包括：阳极；与所述阳极相对的阴极；和设置在所述阳极和阴极之间的电解质，所述电解质包括紧接于所述阳极的阻挡层，所述阻挡层可防止所述电解质和阳极之间的化学相互作用，并防止所述电解质中的元素损耗。2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述电池还包括位于所述阳极和电解质中间的过渡层，所述过渡层减小了所述阳极和电解质之间的热膨胀不匹配。3.根据权利要求1到2中一项或多项所述的燃料电池，其特征在于，所述电解质还包括紧接于所述阴极的加强层，所述加强层为所述电解质提供了机械强度。4.根据权利要求3...

【专利技术属性】
技术研发人员：R多施，G莱尔，B钟，E翁，K蒙特戈梅里，N敏，J关，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]