專利名稱：采用液體噴霧制造固體氧化物燃料電池組分的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及組合化學(xué)領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及使用液體噴霧技術(shù)制造固體氧化物燃料電池組分的高處理量系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它能夠借助離子導(dǎo)電電解質(zhì)使氣體燃料和氧化性氣體電化學(xué)結(jié)合而產(chǎn)生電和熱。燃料電池的特性是將化學(xué)能量直接轉(zhuǎn)化為電能而不需燃燒，與常規(guī)方法相比獲得高出許多的轉(zhuǎn)化效率。燃料電池主要由電解質(zhì)和兩個電極，即陽極和陰極組成。一般按照電解質(zhì)的性質(zhì)對燃料電池進(jìn)行分類。
電解質(zhì)可阻止兩個電極進(jìn)行電接觸，同時允許陰極產(chǎn)生的帶電離子流穿過電解質(zhì)以在陽極上放電。電解質(zhì)的性質(zhì)決定燃料電池的操作溫度。電極的功能在于引起反應(yīng)物(燃料)和電解質(zhì)之間的反應(yīng)，而本身不被消耗或腐蝕。按照定義，它還必須是電導(dǎo)體并使各相進(jìn)行接觸。
燃料電池有許多不同的類型，并依據(jù)燃料電池的用途，一些參數(shù)可隨之變化。例如，固體氧化物燃料電池(SOFCs)是完全由固態(tài)材料構(gòu)成的燃料電池。SOFCs采用一種離子導(dǎo)電的氧化物陶瓷作為電解質(zhì)，并在約900-約1000℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行操作。與其它類型的燃料電池相比，SOFCs提供數(shù)種優(yōu)勢，如很少產(chǎn)生電解質(zhì)處理方面的問題，并且在所有燃料電池中效率最高(約50-60％)。SOFCs可用在大規(guī)模發(fā)電、配電和機(jī)動車應(yīng)用上。
開發(fā)SOFC的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，開發(fā)滿足SOFC性能和成本要求的高性能電極和電解質(zhì)材料。雖然存在許多電極和電解質(zhì)的潛在候選材料，仍需要很大努力來優(yōu)化材料組合，化學(xué)組成，工藝條件等。由于數(shù)量眾多的這些潛在候選材料均為三元或四元基的，所以更是如此。
例如，釔穩(wěn)定的鋯(YSZ)通常在SOFCs中用作電解質(zhì)材料。然而，電解質(zhì)性能對Y與Zr的比例較為敏感，該組分比例必須仔細(xì)地進(jìn)行優(yōu)化。對電解質(zhì)其它潛在的候選材料，包括摻有Sr的CeO2和CGO等來說亦如此。電極的材料組成也對SOFC的性能起決定性作用。例如，組成為LaxSrl-xMnO(3-d)(LSM)的普通陰極材料可極大影響電導(dǎo)率和電化學(xué)活性。
典型地，為了獲得電極和電解質(zhì)材料的最佳性能，分別配制并且測試化學(xué)組成不同的元素或組分的各種結(jié)合，這是一個相對緩慢、勞動強(qiáng)度大和費用昂貴的過程。因此，所需的是高處理量系統(tǒng)和方法，其使與SOFC有關(guān)的材料開發(fā)更有效。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法采用組合或小規(guī)模方法，以獲得用于SOFCs的電極和電解質(zhì)材料的高處理量制造、評價和優(yōu)化。
同樣，盡管SOFCs是用于由具有較高效率和較低輻射的燃料產(chǎn)生電能的有前途的技術(shù)，但是妨礙SOFCs廣泛商業(yè)應(yīng)用的因素包括它們制造成本高和操作溫度高。制造成本主要受能夠在較高溫度(約1000℃)下操作的現(xiàn)有電解質(zhì)支持的燃料電池需求的影響。如果操作溫度能降至800℃以下，允許使用不太貴的構(gòu)件，如不銹鋼，則制造成本會顯著降低。較低的操作溫度也將確保更大的整體系統(tǒng)效率并降低活性陶瓷結(jié)構(gòu)中的熱應(yīng)力，導(dǎo)致更長的預(yù)期壽命。
降低SOFCs的操作溫度的障礙之一是，普通陰極材料LSM的效率。在中等溫度下，LSM的陰極極化較高，導(dǎo)致大量的效率損失。因此，需要較低活化極化的新的陰極組合物。然而，制造新的陰極組合物的標(biāo)準(zhǔn)陶瓷工藝技術(shù)是費時和昂貴的。典型地，新粉末組合物采用多個步驟包括沉淀、過濾和鍛燒步驟來進(jìn)行合成。由于陰極結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)(即多孔性)顯著影響其性能，必須對粉末仔細(xì)加工以制造具有均勻微觀結(jié)構(gòu)的陰極結(jié)構(gòu)。與合成這種陶瓷粉末相關(guān)的費用限制可制造和評價的陰極組合物的數(shù)量。
因此，所需要的是，制造和評價用于固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)和電極材料性能的高處理量系統(tǒng)和方法。此外，所需的是合成和優(yōu)化電極和電極-電解質(zhì)組合性能的系統(tǒng)和方法。更進(jìn)一步的，所需的是基于化學(xué)組成和可變工藝來優(yōu)化這些材料的小規(guī)模技術(shù)。快速的設(shè)備運行方法結(jié)合結(jié)構(gòu)和表面方法將便于提高SOFCs用新材料的發(fā)現(xiàn)速率。

發(fā)明內(nèi)容
在不同的實施方式中，本發(fā)明提供制造和評價用于固體氧化物燃料電池(“SOFCs”)的電極和電解質(zhì)材料的的高處理量系統(tǒng)和方法。本發(fā)明包括用于這些電極和電極-電解質(zhì)組合的性能的綜合、評價和最佳化的系統(tǒng)和方法，以及采用小規(guī)模技術(shù)，基于可變化學(xué)組成和工藝，進(jìn)行這種綜合、評價和優(yōu)化。有利地是，快速設(shè)備運行系統(tǒng)和方法與結(jié)構(gòu)和表面系統(tǒng)和方法的結(jié)合，便于更快速地發(fā)現(xiàn)用于SOFCs的新材料和材料組合。
在不同的實施方式中，本發(fā)明進(jìn)一步提供通常用于合成多組成無機(jī)材料的容易且快速的技術(shù)。這些技術(shù)可用于發(fā)現(xiàn)SOFCs中(如電極，電解質(zhì)，互連，密封等)采用的新無機(jī)材料、熒光體、閃爍劑、PZT材料等。這些技術(shù)可以進(jìn)行梯度或空間分辨(spatially resolved)組合物的合成和分析，其可以用于彌補非穩(wěn)態(tài)應(yīng)用。這些材料的合成涉及采用液體噴霧/霧化技術(shù)將材料沉積在基底上。通過用許多彼此之間以及與基底之間以適當(dāng)角度設(shè)置的液體噴霧裝置形成梯度排列。通過可控制的液體流量可形成離散或連續(xù)的梯度排列。
在本發(fā)明的一個實施方式中，適用于固體氧化物燃料電池的電極或電解質(zhì)材料排列的制造方法包括提供一種不燒結(jié)或部分燒結(jié)的基底，并采用許多液體噴霧裝置把電極和電解質(zhì)材料輸送至基底的許多區(qū)域，其中許多液體噴霧裝置以與基底或相互之間合適的角度設(shè)置，從而使噴霧裝置的噴射煙流重疊以形成梯度排列，并燒結(jié)基底。在一個實施方式中，許多液體噴霧裝置被靜止固定且基底能夠采用x-y平臺(stage)在x-y坐標(biāo)空間內(nèi)移動。在一可選擇實施方式中，基底被靜止固定并且許多液體噴霧裝置能在x-y坐標(biāo)空間內(nèi)移動。在另一個實施方式中，基底和裝置均能移動。
還在本發(fā)明的另一個實施方式中，適用于固體氧化物燃料電池的電極和電解質(zhì)材料的制造和評價系統(tǒng)包括許多液體噴霧裝置，其可操作地將固體氧化物燃料電池組分輸送至基底的許多區(qū)域以形成梯度排列，以及掩膜，其可操作地控制基底的許多區(qū)域中的哪一些接收組分，其中液體噴霧裝置的出口以相互之間和與基底之間合適的角度設(shè)置，從而使裝置的噴射煙流重疊以形成梯度排列。在幾個實施例中，由本發(fā)明系統(tǒng)產(chǎn)生的梯度排列包括由2或更多組分組成的三元、四元或任何其它的排列。
還在本發(fā)明的另一個實施方式中，一種有效生產(chǎn)適用于固體氧化物燃料電池材料的梯度排列的高處理量系統(tǒng)，其中評價材料排列的許多組元的每一個的相關(guān)性能。


現(xiàn)在將參考附圖舉例說明本發(fā)明的各種具體實施方式
。在這些附圖中相同的元件標(biāo)記相同的數(shù)字。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施方式用于測試固體氧化物燃料電池組分的性能而產(chǎn)生梯度排列的噴霧/霧化系統(tǒng)的示意圖。
圖2是用于說明本發(fā)明的示范性實施方式的梯度排列的示意圖。
具體實施例方式
根據(jù)要求，在此公開了本發(fā)明的詳細(xì)實施方式，然而，應(yīng)當(dāng)理解所公開的實施方式只是示范性的，可包含在本發(fā)明各種可替換形式中。本文公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)當(dāng)理解為限制，而是只作為權(quán)利要求的基礎(chǔ)，作為代表性的基礎(chǔ)用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以不同方式應(yīng)用本發(fā)明。如下描述的方法和系統(tǒng)適用于固體氧化物燃料電池組分的高處理量制造和測量，然而，原則上也適用于采用液體噴霧的任何高處理量的技術(shù)。
本發(fā)明提供系統(tǒng)和方法，其采用組合化學(xué)方法以獲得用于固體氧化物燃料電池(“SOFCs”)的電極和電解質(zhì)材料的梯度排列的高處理量制造和評價。本發(fā)明提供合成和優(yōu)化電極和電極-電解質(zhì)組合性能的系統(tǒng)和方法。如下描述的噴霧技術(shù)可用于研究SOFCs所需的合適的電極和電解質(zhì)材料。
在其中一個實施方式中，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法基于液體噴霧技術(shù)的使用，即依靠推進(jìn)力產(chǎn)生不同化學(xué)組分的梯度排列。該技術(shù)可以進(jìn)行金屬鹽混合物或金屬鹽混合物的組合在基底上的平均分布。當(dāng)用許多液體噴霧器/霧化器噴涂時，可產(chǎn)生三元、四元或任何其它的梯度排列。當(dāng)施加到基底上時，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)的添加，一旦材料被燒結(jié)，則可增強(qiáng)物理或化學(xué)特性?？赡苁苡绊懙奈锢硖匦园ǎ珉娮踊螂x子電導(dǎo)率、孔徑大小和孔密度。
現(xiàn)在參照圖1，在本發(fā)明的一個實施方式中，制造用于SOFCs的電極或電解質(zhì)材料的梯度排列102的液體噴霧/霧化系統(tǒng)包括許多材料104(示出了材料A、B和C)，它們適于輸送到基底106的表面。許多材料104可形成材料離散或連續(xù)的材料梯度排列，其在反應(yīng)的或不反應(yīng)的基底106之上、與該基底作用或者在基底內(nèi)作用。通過將許多液體輸送裝置110的噴嘴108與基底106之間以及彼此之間以合適的角度設(shè)置，而生成梯度排列102，從而輸送裝置110的噴射煙流重疊形成所期望的梯度混合物。
基底106可以是一種具有剛性或半剛性表面的材料。在數(shù)個實施方案中，基底106的至少一個表面應(yīng)基本平坦?；?06可在不同SOFC材料的測試區(qū)域之間包括物理分隔?；?06可含有，例如多孔或致密的釔穩(wěn)定的鋯(“YSZ”)、生陶瓷、涂有塑料的陶瓷、金屬鉑或類似物?；椎谋砻鎱^(qū)域設(shè)計成滿足特定應(yīng)用的需要。基底106的表面積優(yōu)選在1-50cm2的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在30-40cm2的范圍內(nèi)。為了評價用于SOFCs的電極材料，可以將Fe-Cr合金或?qū)щ娞沾?，如LaCrO3或金屬鉑，用于排列的電極。為了評價用于SOFCs的電解質(zhì)材料，可以將涂有LaxSrl-xMnO(3-d)(“LSM”)的Fe-Cr合金、金屬鉑或LaCrO3用于排列的電極。
基底上的一個預(yù)定區(qū)域是一個局部區(qū)域，它是、已經(jīng)是或試圖用于特定固體氧化物燃料電池組分的沉積。預(yù)定區(qū)域可具有任何常規(guī)形狀，如線形、圓形、矩形、橢圓形或楔形。該區(qū)域可用標(biāo)記識別，如標(biāo)簽或條形碼，其可用于識別基底106上的哪個預(yù)定區(qū)域上沉淀的是哪種組分。表面積、區(qū)域數(shù)和預(yù)定區(qū)域的位置可以取決于特定的應(yīng)用。
輸送裝置110可操作地用于將一種或多種材料以液體形式送至基底106的表面，其位于基底106表面之上或與之相鄰。許多輸送裝置110的每一個可包含霧化器、噴霧器、普通或等離子的或任何其它本領(lǐng)域已知的液體噴霧器。輸送裝置110借助正壓工作，經(jīng)噴嘴108向基底106的表面噴出一種或多種材料。輸送裝置110采用如圖1所示的方式進(jìn)行排列，從而產(chǎn)生出三元、四元或其它梯度排列102。優(yōu)選地，輸送裝置110相對于基底106的表面是可移動的，從而可將一種或多種材料送至基底106表面的專門預(yù)定區(qū)域。任選的，這些預(yù)定區(qū)域可對應(yīng)于掩膜112的許多孔或開口位置。沉積在基底106上的一種或多種材料形成SOFCs組分的梯度排列102。
基底106可以布置在掩膜112之上或靠近掩膜112。典型地，掩膜112包括具有許多可穿過掩膜布置的孔(未顯示)或布置在其中的開口(未顯示)的板、薄片、薄膜、涂層或類似物。許多孔或開口的每一個可以是，例如基本上是圓形、長圓形、正方形、矩形、三角形或更復(fù)雜的形狀。掩膜112鄰近基底106的表面布置，使得通過許多孔的每一個孔的材料有選擇性地被阻止或被保護(hù)而不接觸基底106表面的預(yù)定區(qū)域。
可通過選擇性地控制許多材料102的每一種流向液體輸送裝置110和/或噴嘴108的流速而形成許多材料104的預(yù)定組合。這樣，許多材料104的預(yù)定組合可隨噴霧控制和基底位置的變化而離散或連續(xù)地變化。
通過將許多材料104噴灑到基底106的預(yù)定區(qū)域上而形成電極或電解質(zhì)材料的梯度排列102。這樣，許多材料104可以形成，例如被電解質(zhì)材料隔開的電極材料的離散排列、電極材料的連續(xù)排列、電解質(zhì)材料的離散排列、電解質(zhì)材料的連續(xù)排列或它們的任何組合。梯度排列包括陰極材料的排列，其中陰極材料的排列的直徑約為700-2000微米和厚度約為1000微米。
在一個實施方案中，一個噴嘴108可保持靜止，而目標(biāo)基底106通過采用一個可編程的x-y平臺111而具有在x-y坐標(biāo)空間內(nèi)移動的能力。通過施加不同進(jìn)料速度至兩種或多種含金屬的溶液中并同時在x或y方向移動目標(biāo)可產(chǎn)生連續(xù)的組成梯度。該實施方案不采用高真空裝置即可使薄膜合成的濃度和組成可控且連續(xù)地變化。
對于電解質(zhì)研究，可采用無掩膜的方法。在該實施方案中，可分解的基底可以進(jìn)行梯度固體的形成。在陶瓷基底的一側(cè)濺射金屬產(chǎn)生一個共用電極，利用掩膜112在另一側(cè)濺射離散金屬接點的排列，在兩個電極之間隔離了用于電化學(xué)表征的組成點。對于陰極材料，通過在陽極-電解質(zhì)基底上噴射離散或連續(xù)梯度的組合物來完成類似的方法。每塊電池通常是共用陽極，同時采用掩膜112可將金屬接點濺射在陰極材料上。這種設(shè)計可以用于含燃料條件下材料的電化學(xué)評價。
許多材料104含有SOFC組分，即沉積在基底106上的各種物質(zhì)。這些組分可相互作用以制造一種特定材料。這些組分可直接相互反應(yīng)或與一種外部能源如熱輻射進(jìn)行反應(yīng)。存在于基底106中或被添加到這些組分中的附加材料或化學(xué)物質(zhì)也可對這些組分起作用。這些組分形成層、共混物、混合物或其組合。許多材料104可含有例如適于向基底106的表面提供預(yù)定金屬離子、金屬陽離子、金屬離子的組合、和/或金屬陽離子的組合的許多材料，例如金屬氧化物、金屬碳酸鹽、金屬鹽等。許多材料104可含有金屬溶液，這些溶液含作為主體以及作為摻雜劑目的的金屬，以及有機(jī)粘合劑或結(jié)構(gòu)變化用聚合物。本領(lǐng)域普通技術(shù)中已知的其它合適材料也均可用于電極和電解質(zhì)。許多材料104可進(jìn)一步包括粘合劑和/或載體材料以增強(qiáng)涂覆和/或滲透過程。
這些已經(jīng)沉積在基底104的預(yù)定區(qū)域上的組分或其組合包括梯度排列形式的組分的層、共混物或混合物。該混合物中每一種組分可單獨變化。混合物可含有兩種或多種物質(zhì)。為了特定的性能或特征，篩選梯度排列的所得材料，以確定它們的相對性能。
任選地，基底106可部分燒結(jié)。用于SOFCs的電極或電解質(zhì)材料的梯度排列102的制造系統(tǒng)也可包括用于加熱電極或電解質(zhì)材料的排列的溫度控制裝置，從而燒結(jié)該電極或電解質(zhì)材料的排列，以在評價SOFC之前除去任何粘合劑和/或載體材料。金屬鹽混合物的燒結(jié)可在原處與噴霧同時發(fā)生，然而在多數(shù)情況下，需要的是在噴霧后燒結(jié)。
在其它示范性實施方式中，如上所述可形成電活性材料的排列。然而，在燒結(jié)前和在組分摻雜之前或之后，可將化學(xué)試劑添加到感興趣的點上，試圖影響該點微觀結(jié)構(gòu)的變化。例如，試劑可在燒結(jié)后添加，可以進(jìn)行孔隙率或組裝密度的可變控制。這便于組成和微觀結(jié)構(gòu)的小規(guī)?？刂?。從而微觀結(jié)構(gòu)、組成和材料性能之間的關(guān)系能夠快速發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化。
現(xiàn)在參照圖2，本發(fā)明的系統(tǒng)包括實施例中提供的許多材料，A 202，B 204和C 206，它們置于多個液體噴霧裝置內(nèi)共同操作，用于將SOFC組分輸送至基底106的表面，形成材料的離散或連續(xù)組成梯度排列。如圖所示，產(chǎn)生出各個材料和材料組合的區(qū)域。如上所述，許多材料可以是，例如許多不溶性金屬氧化物、金屬碳酸鹽、銨漿等。任選地，許多材料也可包括許多粘合劑和/或分散劑。采用連接到和作用在基底106或液體噴霧裝置上的可編程x-y平臺等可以在空間上捕集組成梯度排列。x-y平臺也可操作地使許多材料組合的沉積速度與基底106的移動速度配合。離散組分可通過中斷與x-y平臺配合的流動而產(chǎn)生。
本發(fā)明的系統(tǒng)和方法描述了多組成電池的形成，其適合用于SOFCs的陰極和陽極材料的快速研究。通過用共同的陰極材料噴射材料均勻的陽極，多組成電池的不同區(qū)域可被測量并評價這些區(qū)域的性能。采用多通道或多電極分析儀器可快速測定組分性能。
優(yōu)選地，用于SOFCs的電極或電解質(zhì)材料排列的系統(tǒng)還包括測試裝置114，它可操作地經(jīng)由這里稱為一個或多個取樣機(jī)構(gòu)116的一個或多個導(dǎo)線、探頭、傳感器等被連接到基底106的多個區(qū)域的每個區(qū)域。測試裝置114從一個或多個取樣機(jī)構(gòu)116處收集數(shù)據(jù)，并任選地與計算機(jī)118結(jié)合來評價和比較梯度排列102的每一組元的相關(guān)性能。測試裝置114和計算機(jī)118可包括多通道電化學(xué)工位，其能夠從串聯(lián)或并聯(lián)的排列102的每一組元中取樣。為了評價用于SOFCs的電極材料，電阻、過電位、極化電流等可被測量、評價和對比。可能就相同的材料特性篩選或考察各種材料。例如，采用恒電流方法測量過電位。采用恒定電壓方法測量極化電流。為了評價用于SOFCs的電解質(zhì)材料，采用一臺交流電(“AC”)阻抗分析器、或一臺電位分析計(potentiastat)等對離子電阻、斷路電壓等進(jìn)行測量、評價和對比。優(yōu)選地，關(guān)于離子電阻的測量，則采用單頻率的電化學(xué)阻抗光譜學(xué)進(jìn)行測量。與電極、電解質(zhì)和SOFCs的性能有關(guān)的其它測量、評價和對比手段是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的，且可與本發(fā)明的系統(tǒng)和方法一起實施。這些手段和技術(shù)還可與環(huán)境控制裝置一起實施，這些環(huán)境控制裝置可操作地將電極，電解質(zhì)的排列或?qū)OFCs與周圍環(huán)境隔開。一旦篩選后，可對各材料進(jìn)行分類，或就材料特性進(jìn)行相互比較的研究。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，制造和評價用于SOFCs的電極或電解質(zhì)材料的排列的方法包括提供許多適合輸送至基底表面的材料。如上所述，許多材料可在基底表面以梯度排列的形式形成梯度涂層，或者它們可滲透基底，形成適合評價的電極或電解質(zhì)材料的排列。通過選擇性地變更基底的許多區(qū)域的每一個的化學(xué)組成和/或物理微觀結(jié)構(gòu)，許多材料可形成電極或電解質(zhì)材料的排列。
為了向基底表面輸送許多材料，采用許多液體輸送裝置110將材料噴在基底上，該液體輸送裝置彼此之間以及與基底106之間以預(yù)定的角度設(shè)置。裝置110可被定位以獲得期望的梯度排列圖形，如三元或四元圖形。如上所述，輸送裝置110可含有，如噴霧器或液體噴霧裝置。優(yōu)選地，輸送裝置110相對于基底106的表面可移動，這既可借助輸送裝置的移動也可借助基底的移動，例如通過移動平臺等的使用。許多材料的預(yù)定組合可隨著基底位置的變化而離散或連續(xù)變化。
通常，通過將SOFC組分輸送至基底106的預(yù)定區(qū)域而制備材料的排列。在一個實施方式中，例如，第一組分被輸送至基底的第一預(yù)定區(qū)域，第二組分被輸送至同一基底的第二預(yù)定區(qū)域，和第三組分被輸送至同一基底的第三預(yù)定區(qū)域。該工藝?yán)^續(xù)輸送其它組分(例如第四，第五等組分)和/或其它材料(例如第四，第五等材料)直到排列完成。在另一個實施方式中，采用上述方式形成排列，但是在各種組分輸送至基底106之后，執(zhí)行一個工藝步驟，即允許或使得組分相互作用以形成層、共混物、混合物和/或組分之間反應(yīng)獲得的材料。在另一個實施方式中，采用一種平行輸送技術(shù)，將兩種或多種組分輸送至基底的預(yù)定區(qū)域，從而在接觸基底106之前組分彼此相互作用。每一組分可采用均勻或梯度方式進(jìn)行輸送，以在單一預(yù)定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生單一化學(xué)計量(stoichiometry)或許多化學(xué)計量。
通常，為了以組合方式將組分涂在基底106上，物理屏蔽系統(tǒng)可結(jié)合各種沉積技術(shù)使用，從而在基底106的預(yù)定位置上產(chǎn)生最終材料的排列。組分材料的排列在基底106上的厚度通常不同。組分例如能以氣體、液體或粉末的形式分散到基底106上。合適的沉積技術(shù)包括但并不限于濺射、噴涂和離散液體分配技術(shù)(例如移液管、注射器等)。另外，這種分配系統(tǒng)可以是人工的，或者是自動化的，例如采用機(jī)器人技術(shù)。
對于SOFCs材料的合成而言，化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)均為重要的變量。利用本發(fā)明方法和系統(tǒng)制造梯度排列102促進(jìn)了組成庫的重復(fù)，從而用多變量處理和微觀結(jié)構(gòu)控制的機(jī)會是可能的。排列的重復(fù)便于多處理變量的研究。通過采用多探頭儀器監(jiān)控不同溫度下的過電位而測試給定排列的各個組合物的電導(dǎo)率和在氧錯在下的催化劑活性。利用最終結(jié)果基于性能測量來對組成和處理進(jìn)行分類。為了使物理微觀結(jié)構(gòu)和性能相關(guān)聯(lián)，可采用微觀XRD、XRF和TOF-SIMMS進(jìn)一步表征具有期望結(jié)果的材料。
顯而易見地是，已經(jīng)提供了根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)和方法的高處理量技術(shù)，這些技術(shù)用于制造和評價用于固體氧化物燃料電池的電極和電解質(zhì)材料的排列。盡管本發(fā)明的方法和系統(tǒng)已參照優(yōu)選實施方案及其實施例進(jìn)行了描述，其它的實施方案和實施例可完成相同的功能和/或取得相同的結(jié)果。所有這些等同的實施方案和實施例均屬于本發(fā)明的構(gòu)思和范圍，而且被以下權(quán)利要求覆蓋。
權(quán)利要求
1.一種制造和評價用于固體氧化物燃料電池的電極和電解質(zhì)材料的方法，該方法包括提供不燒結(jié)或部分燒結(jié)的基底(106)；和采用許多液體噴霧裝置(110)將電極和電解質(zhì)材料送至基底(106)的許多區(qū)域，其中液體噴霧裝置(110)彼此之間以及與基底(106)之間以適宜的角度設(shè)置，從而噴霧裝置(110)的噴射煙流重疊形成梯度排列(102)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中許多液體噴霧裝置(110)被靜止固定且基底(106)能夠使用x-y平臺(111)在x-y坐標(biāo)空間內(nèi)移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中基底(106)被靜止固定并且許多液體噴霧裝置(110)能夠使用x-y平臺(111)在x-y坐標(biāo)空間內(nèi)移動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中梯度排列(102)是離散或連續(xù)的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中許多液體噴霧裝置(110)的進(jìn)料速度可被控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括采用掩膜(112)以隔離兩個電極之間的用于電化學(xué)表征的組成點。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中陰極材料的特征在于在陽極-電解質(zhì)基底(106)上噴射離散或連續(xù)的梯度混合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中基底(106)包括選自多孔基底(106)和非多孔基底(106)的基底(106)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括將化學(xué)物質(zhì)散布到基底(106)中，其中，在燒結(jié)時，所述化學(xué)物種改變不同化學(xué)組成的許多區(qū)域中的每個區(qū)域的物理或化學(xué)特性。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中將化學(xué)物質(zhì)散布到基底(106)中包括將選自金屬離子、金屬陽離子、金屬離子的組合、和金屬陽離子的組合的化學(xué)物質(zhì)散布到基底(106)中。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中梯度排列(102)含有陰極材料的排列，其中陰極材料的排列其直徑約為700-2000微米和厚度約為1000微米。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括測試不同化學(xué)組成的許多區(qū)域中每個區(qū)域的電導(dǎo)率和電化學(xué)活性。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括使用試驗結(jié)果，關(guān)于其用于固體氧化物燃料電池的適宜性，將不同化學(xué)組成的許多區(qū)域中每一區(qū)域的化學(xué)組成和工藝條件進(jìn)行評級。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中許多液體噴霧裝置(110)包括如下至少一種普通噴霧器、等離子噴霧器和霧化器。
15.一種制造和評價適用于固體氧化物燃料電池的電極和電解質(zhì)材料的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括許多液體噴霧裝置(110)，其可用于將固體氧化物燃料電池組分輸送至基底(106)的許多區(qū)域以形成梯度排列(102)；和掩膜(112)，用于控制基底(106)的許多區(qū)域中的哪一個接收組分；其中液體噴霧裝置(110)的出口彼此之間以及與基底(106)之間以適宜的角度設(shè)置，從而裝置(110)的噴射煙流重疊形成梯度排列(102)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中梯度排列(102)包括三元、四元或由2個或更多組分組成的任何其它的排列。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中許多液體噴霧裝置(110)被靜止固定且基底(106)能夠在x-y坐標(biāo)空間內(nèi)移動。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中基底(106)被靜止固定且許多液體噴霧裝置(110)能夠在x-y坐標(biāo)空間內(nèi)移動。
19.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中梯度排列(102)是離散或連續(xù)的。
20.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中許多液體噴霧裝置(110)的進(jìn)料速度可被控制。
21.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中掩膜(112)用于隔離兩個電極之間用于電化學(xué)表征的組成點。
22.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中陰極材料通過在陽極-電解質(zhì)基底(106)上噴射離散或連續(xù)的梯度混合物進(jìn)行表征。
23.根據(jù)權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中基底(106)包括選自多孔基底(106)和無孔基底(106)的基底(106)。
24.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中基底(106)含有燒結(jié)時可改變不同化學(xué)組成的許多區(qū)域中每一個區(qū)域的物理或化學(xué)特性的化學(xué)物質(zhì)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的系統(tǒng)，其中散布到基底(106)中的化學(xué)物質(zhì)選自金屬離子、金屬陽離子、金屬離子的組合和金屬陽離子的組合的化學(xué)物質(zhì)。
26.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中梯度排列(102)包含陰極材料的排列，其中陰極材料的排列其直徑約為700-2000微米和厚度約為1000微米。
27.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中對于不同電導(dǎo)率和電化學(xué)活性測試梯度排列(102)。
28.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中許多液體噴霧裝置(110)包括如下至少一種普通噴霧器、等離子噴霧器和霧化器。
全文摘要
用于制造和評價固體氧化物燃料電池用的電極和電解質(zhì)材料性能的高處理量的系統(tǒng)和方法?；诨瘜W(xué)組成和可變工藝優(yōu)化燃料電池材料的小規(guī)模技術(shù)。制造和評價用于固體氧化物燃料電池的電極和電解質(zhì)材料的方法包括提供一種不燒結(jié)或部分燒結(jié)的基底(106)，采用許多液體噴霧裝置(110)將電極和電解質(zhì)材料送至基底的許多區(qū)域，其中液體噴霧裝置(110)彼此之間以及與基底(106)之間以適宜的角度設(shè)置，從而噴霧裝置的噴射煙流重疊形成梯度排列(102)。系統(tǒng)包括許多液體噴霧裝置(110)和掩膜(112)，其可操作地控制基體(106)的多個區(qū)域中哪一個接收組分。
文檔編號B05D1/02GK1505193SQ20031012034
公開日2004年6月16日 申請日期2003年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月4日
發(fā)明者J·P·勒蒙, A·湯普森, C·魏, J P 勒蒙, 丈 申請人:通用電氣公司