專利名稱：電極氣體通道支撐物以及用于形成內(nèi)部通道的方法
電極氣體通道支撐物以及用于形成內(nèi)部通道的方法相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)要求于2008年12月17日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/203，105的權(quán)益。以上申請(qǐng)的全部傳授內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合在此。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電的裝置。在不同的燃料電池之中，固體氧化物燃料電池使用了一種硬質(zhì)的、陶瓷的化合物金屬(例如，鈣或鋯)氧化物作為電解質(zhì)。典型地在固體氧化物燃料電池中，在陰極處一種氧氣如O2被還原為氧離子(O2-)，在陽(yáng)極處一種燃料氣體如H2氣被這些陽(yáng)離子氧化而形成水。燃料電池一般被設(shè)計(jì)為堆疊，由此將各自包括一個(gè)陰極、一個(gè)陽(yáng)極以及在陰極與陽(yáng)極之間的一種固體電解質(zhì)的多個(gè)子組件串聯(lián)組裝，是通過(guò)在一個(gè)子組件的陰極與另一個(gè)的陽(yáng)極之間定位一種電連接。一個(gè)固體氧化物燃料電池(SOFC)的效率一部分取決于氧氣和燃料對(duì)應(yīng)地在陰極和陽(yáng)極中的分布。典型地通過(guò)在這些電極(陰極和陽(yáng)極)之間形成的氣體通道來(lái)對(duì)SOFC 堆疊體提供氣體傳送。到達(dá)這些氣體通道的外部途徑典型地是通過(guò)一個(gè)歧管提供的，該歧管充當(dāng)了將燃料和氧氣供應(yīng)到這些氣體通道中的導(dǎo)管。這些氣體通道可以生胚形成為電極結(jié)構(gòu)中的空隙，或它們可以與逃逸性(fugitive)的氣體通道成形物一起生胚形成，隨后在熱加工過(guò)程中移除該成形物。對(duì)于使該固體氧化物燃料電池的所有的層處于良好狀態(tài)所必需的另外的熱加工可以引起旨在作為氣體通道的空隙體積的坍塌，這導(dǎo)致了氧或燃料遞送到電極減少以及隨之發(fā)生的燃料電池的效率減低。因此，存在著對(duì)于防止氣體通道坍塌的新的方法的一種需要。

發(fā)明內(nèi)容
總體上本發(fā)明是針對(duì)固體氧化物燃料電池以及形成固體氧化物燃料電池的方法， 這些燃料電池使用了在該固體氧化物燃料電池的氣體通道內(nèi)的支撐結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明是一種固體氧化物燃料電池，該電池包括一個(gè)陽(yáng)極層、 位于該陽(yáng)極層上的一個(gè)電解質(zhì)層，以及位于該電解質(zhì)層上的一個(gè)陰極層，其中該陽(yáng)極層和該陰極層中至少一個(gè)限定了至少一個(gè)氣體通道，該氣體通道包含至少一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。該陽(yáng)極層或該陰極層可以是多孔的。該支撐結(jié)構(gòu)可以基本上是與相應(yīng)的陰極或陽(yáng)極相同的組合物。該支撐結(jié)構(gòu)可以是無(wú)孔的亦或多孔的。作為替代方案，該支撐結(jié)構(gòu)可以與相應(yīng)的陰極或陽(yáng)極不同的組合物，并且是多孔的亦或無(wú)孔的。在其他實(shí)施方案中，該支撐結(jié)構(gòu)可以具有選自下組的截面形狀，該組由以下各項(xiàng)組成I-型棒、弓形、沿著其長(zhǎng)度限定了多個(gè)孔的管、多孔的柱體、以及U-形支柱。該支撐結(jié)構(gòu)可以在最鄰近該電解質(zhì)層的通道的一部分處是開(kāi)放的。該支撐結(jié)構(gòu)可以包括選自下組的材料，該組由以下各項(xiàng)組成鎳、氧化鎳、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、錳酸鑭鍶、鈦酸鑭鍶、鈦酸鹽、氧化鋁、氧化鋯、以及它們的組合。作為替代方案，該支撐結(jié)構(gòu)可以基本上由選自下組的材料組成，該組由以下各項(xiàng)組成氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、錳酸鑭鍶、以及鈦酸鑭鍶。該支撐結(jié)構(gòu)可以包括選自下組的至少一種材料，該組由以
4下各項(xiàng)組成:NiO、YSZ、Y2O3> A1203、LSM、LSF、LSCF、以及包含陽(yáng)離子例如Ba、Ca、Sr、以及Y 的鈦酸鹽。在一個(gè)實(shí)施方案中，該支撐結(jié)構(gòu)基本上填充了該氣體通道。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該陽(yáng)極層和該陰極層兩者都限定了包括這些支撐結(jié)構(gòu)的通道。在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明是一種固體氧化物燃料電池，該電池包括一個(gè)電極， 該電極是通過(guò)以下過(guò)程形成的形成一個(gè)生胚電極層，該生胚電極層具有一個(gè)平面表面并且限定了至少一個(gè)通道，其中該生胚電極層包括鄰近該通道的成孔物，鄰近該通道的成孔物比該生胚電極的剩余部分具有更高濃度，并且燒結(jié)該生胚電極以由此形成一個(gè)固體氧化物燃料電池的電極，由此燒結(jié)生胚電極引起了至少鄰近這些通道的電極的部分是多孔的， 并且由此鄰近這些通道的成孔物的量是足以引起在燒結(jié)過(guò)程中鄰近這些通道的電極的尺寸比該電極的其余部分減少的更多，從而引起了鄰近相對(duì)高濃度成孔物的該電極的平面表面的至少一部分從該平面表面的主平面縮回。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明是針對(duì)形成固體氧化物燃料電池的電極的一種方法， 該方法包括形成一個(gè)生胚電極層，該電極層限定了至少一個(gè)通道，并且燒結(jié)該生胚電極以由此形成一個(gè)固體氧化物燃料電池的電極。該生胚電極可以包括鄰近該通道的成孔物。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該生胚電極包括在鄰近該通道處比該生胚電極的剩余部分中更高濃度的成孔物，由此燒結(jié)該生胚電極引起了至少鄰近這些通道的電極的部分是多孔的。鄰近這些通道的成孔物的量可以是足以引起在燒結(jié)過(guò)程中鄰近這些通道的電極的尺寸比該電極的其余部分減少的更多。在一個(gè)實(shí)施方案中，該生胚電極具有一個(gè)平面表面，并且該電極可以被燒結(jié)為引起鄰近相對(duì)高濃度的成孔物的電極的平面表面的至少一部分從該平面表面的主平面縮回。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該通道可以是一個(gè)管道，當(dāng)組裝該燃料電池時(shí)該管道是由該電極完全限定的，或作為替代方案，該通道在該生胚電極的一個(gè)側(cè)面上是開(kāi)放的。該方法可以包括將電極材料的一個(gè)覆蓋層置于該通道上面的步驟，其中該覆蓋層在鄰近該通道處具有比該覆蓋層的剩余部分更高的成孔物濃度。該通道可以在該電極的一個(gè)側(cè)面上是開(kāi)放的，并且該方法可以包括將一個(gè)電極材料的覆蓋層置于該開(kāi)放的通道之上的步驟，該覆蓋層包括一種成孔物，該成孔物在鄰近該開(kāi)放通道處具有比該覆蓋層的剩余部分中更高濃度。在一個(gè)實(shí)施方案中，成孔物的量以及燒結(jié)的量相組合引起了至少在鄰近這些通道處該覆蓋層是多孔的。在另一個(gè)實(shí)施方案中，燒結(jié)的量是足以引起具有更高濃度的成孔物的覆蓋層的至少一部分從該覆蓋層的表面的主平面縮回。在又一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明是針對(duì)固體氧化物燃料電池的堆疊體，該堆疊體包括多個(gè)子電池，每個(gè)子電池包括一個(gè)陽(yáng)極層、位于該陽(yáng)極層之上的一個(gè)電解質(zhì)層、位于該電解質(zhì)層之上的一個(gè)陰極層、位于該陰極上并且位于該電解質(zhì)遠(yuǎn)端的一個(gè)第一粘結(jié)層，位于該第一粘結(jié)層處的一個(gè)相互連接層，以及一個(gè)第二粘結(jié)層，該第二粘結(jié)層位于該相互連接層處并且位于該堆疊體的子電池的第一粘結(jié)層的遠(yuǎn)端并且與該堆疊體的一個(gè)相鄰的子電池的陽(yáng)極層相鄰，其中該陽(yáng)極層和該陰極層中至少一個(gè)限定了至少一個(gè)氣體通道，該氣體通道包括至少一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是是通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的支撐結(jié)構(gòu)防止氣體通道坍塌提高了固體氧化物燃料電池的操作效率(由于穿過(guò)這些電池的相應(yīng)的電極的燃料和氧氣的更高的流動(dòng)速率)。本發(fā)明可以用于固體氧化物燃料電池(SOFC)系統(tǒng)中。SOFC提供了高效率發(fā)電，同時(shí)低排放并且低噪音操作的可能性。它們還被看作提供了電效率、廢熱發(fā)電效
5率、以及燃料處理簡(jiǎn)單性的有利的組合。使用SOFC的一個(gè)例子是在家中或其他建筑物中。 SOFC可以使用用于加熱家庭的相同燃料，例如天然氣。SOFC系統(tǒng)可以運(yùn)行長(zhǎng)期的時(shí)間期間以產(chǎn)生電力為家庭供電并且如果產(chǎn)生過(guò)多的量，可以將過(guò)多的量賣(mài)給電網(wǎng)。并且，可以使用 SOFC系統(tǒng)中所產(chǎn)生的熱來(lái)為家庭提供熱水。在電力服務(wù)是不可靠的或不存在的地區(qū)，SOFC 可以是特別有用的。


圖1是本發(fā)明的燃料電池的一個(gè)示意圖。圖2A是本發(fā)明的燃料電池部件的一個(gè)示意圖，包括一個(gè)I-型棒支撐結(jié)構(gòu)。圖2B是本發(fā)明的燃料電池部件的一個(gè)示意圖，包括一個(gè)弧形支撐結(jié)構(gòu)。圖2C是本發(fā)明的燃料電池部件的一個(gè)示意圖，包括一個(gè)U-形支撐結(jié)構(gòu)。圖2D是本發(fā)明的燃料電池部件的一個(gè)示意圖，包括一個(gè)基本上填充氣體通道的支撐結(jié)構(gòu)。圖2E是本發(fā)明的燃料電池部件的一個(gè)示意圖，包括一個(gè)形狀為沿著它的長(zhǎng)度限定了多個(gè)孔的管的支撐結(jié)構(gòu)。圖2F是本發(fā)明的燃料電池部件的一個(gè)示意圖，包括形狀為多孔管的一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。圖3是本發(fā)明的燃料電池堆疊體的一個(gè)示意圖。圖4是固體氧化物燃料電池部件的一個(gè)圖。圖5是包括氣體通道的固體氧化物燃料電池部件的一個(gè)圖。
具體實(shí)施例方式從以下對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的更具體的說(shuō)明中上述內(nèi)容將是清楚的，這些實(shí)施方案是如附圖中所展示的，其中貫穿這些不同的視圖中類似的參考符號(hào)指代相同的部分。這些圖并不必須是按比例的，而是將重點(diǎn)放在展示本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施方案上。在此引用的所有專利、公開(kāi)的申請(qǐng)以及參考文獻(xiàn)的傳授內(nèi)容通過(guò)引用整體地結(jié)合在此。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明是一種固體氧化物燃料電池，該電池包括一個(gè)陽(yáng)極層、 位于該陽(yáng)極層上的一個(gè)電解質(zhì)層，以及位于該電解質(zhì)層上的一個(gè)陰極層，其中該陽(yáng)極層和該陰極層中至少一個(gè)限定了至少一個(gè)氣體通道，該氣體通道包含至少一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。圖1 示出了本發(fā)明的燃料電池10。燃料電池10包括電解質(zhì)12、陽(yáng)極14、和陰極16。典型地，陽(yáng)極14和陰極16電極是多孔的。在燃料電池10中，陽(yáng)極14至少部分地限定了與燃料氣體來(lái)源(例如氫(H2)氣或天然氣，該天然氣可以在陽(yáng)極14處原位地被轉(zhuǎn)化為H2氣體)流體連通的第一氣體通道18中的至少一個(gè)。陰極16至少部分限定了與氧氣體的一個(gè)來(lái)源(例如空氣)流體連通的第二氣體通道20中至少一個(gè)。通道18和第二氣體通道20中至少一組氣體，以及優(yōu)選地兩組氣體通道，包括支撐結(jié)構(gòu)22(示為I-型棒)。支撐結(jié)構(gòu)22可以是基本上與相應(yīng)的陰極或陽(yáng)極相同的組合物，或支撐結(jié)構(gòu)22可以具有一種不同的組合物。支撐結(jié)構(gòu)22可以是多孔的亦或無(wú)孔的。圖2A-F示出了支撐結(jié)構(gòu)22的形狀的例子，如在圖2A中的I-型棒、圖2B中的弧形、圖2C中的U-形支柱、圖2E中的沿著其長(zhǎng)度限定了多個(gè)孔的管、以及圖2F中的多孔的柱體。圖2A-D僅示出了電解質(zhì)12以及在陰極16中形成的支撐結(jié)構(gòu)22，但是相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)22也可以在陽(yáng)極14內(nèi)形成。支撐結(jié)構(gòu)22可以基本上填充氣體通道(如圖2D中所示)。 如圖2B和2C中所展示的，支撐結(jié)構(gòu)22可以在最鄰近電解質(zhì)12的通道的一部分處是開(kāi)放的?？梢詫⒈绢I(lǐng)域中已知的任何適合的陽(yáng)極材料用于陽(yáng)極14，例如， 在“High Temperature Solid Oxide Fuel Ce 11 s !Fundamentals, Design and Applications，”pp. 149_169，Dinghal，等人Ed. ,Elsevier Ltd. (2003)中，其全部傳授內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合在此。在一個(gè)實(shí)施方案中，陽(yáng)極14包括一種鎳(Ni)金屬陶瓷。如在此所使用的，短語(yǔ)“Ni金屬陶瓷”是指一種陶瓷金屬?gòu)?fù)合材料，它包括Ni，例如約20wt%至70wt%的 Ni。Ni金屬陶瓷的例子是包括Ni、鈦酸鑭鍶(LST)、以及氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)(例如包含約15wt% Y2O3的&02)的材料，以及包括Ni以及Y-氧化鋯或Sc-氧化鋯的材料。陽(yáng)極材料的一個(gè)另外的例子是二氧化鈰。Ni金屬陶瓷的一個(gè)具體例子包括67wt%的Ni以及 33wt%^ YSZ?？梢詫⒈绢I(lǐng)域中已知的任何適合的陰極材料用于陰極16，例如， 在“High Temperature Solid Oxide Fuel Ce 11 s !Fundamentals, Design and Applications，”pp. 119-143，Dinghal 等人 Ed.，Elsevier Ltd. (2003)中，其全部傳授內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合在此。在一個(gè)實(shí)施方案中，陰極16包括一種基于La-錳酸鹽(例如， Lai_aMri03，其中“a”是等于或大于零，并且等于或小于0.1)或基于La-鐵酸鹽的材料。典型地，該基于La-錳酸鹽或La-鐵酸鹽的材料摻雜有一種或多種適合的摻雜劑，例如Sr、Ca、 Ba、Mg、Ni、Co或狗。摻雜的基于La-錳酸鹽的材料的例子包括LaSr-錳酸鹽(LSM)(例如，La1^tSrkMnO3,其中k是等于或大于0. 1，并且等于或小于0. 3，(La+Sr) /Mn是在約1. 0至約0. 95 (摩爾比)之間的范圍內(nèi))以及LaCa-錳酸鹽(例如，LiVkCakMnO3, k是等于或大于
0.1，并且等于或小于0.3，(La+Ca)/Mn是在約1. 0至約0. 95 (摩爾比)之間的范圍內(nèi))。摻雜的基于La-鐵酸鹽的材料的例子包括LaSrCo-鐵酸鹽(LSCF)(例如，La1_qSrqCo1_JFeJ03, 其中q和j各自獨(dú)立地是等于或大于0.1，并且等于或小于0.4，(La+Sr)/(Fe+Co)是在約
1.0至約0.95(摩爾比)之間的范圍內(nèi))。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，陰極16包括LaSr-錳酸鹽(LSM)(例如，La1^kSrkMnO3)和LaSrCo-鐵酸鹽(LSCF)中至少一個(gè)。通常的例子包括 (La0.8Sr0.2)0.98Mn03±5 ( δ 是等于或大于零，并且等于或小于 0. 3)以及 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.803°典型地，陽(yáng)極和陰極電極14和16各自的厚度是獨(dú)立地在約0. 5mm至約2mm之間的范圍內(nèi)。確切地說(shuō)，陽(yáng)極和陰極電極14和16各自的厚度是獨(dú)立地在約Imm至約2mm之間的范圍內(nèi)。固體電解質(zhì)12是位于陽(yáng)極14和陰極16之間?？梢詫⒈绢I(lǐng)域中已知的任何適合的固體電解質(zhì)用于本發(fā)明中，例如，在“High Temperature Solid Oxide Fuel Cells Fundamentals, Design and Applications,，，pp. 83-112, Dinghal,等人 Ed. , Elsevier Ltd. (2003)中所描述的那些，其全部傳授內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合在此。例子包括YSZ、錳酸鑭鍶(LSM)、基于ZrO2的材料(例如Sc2O3摻雜的ZrO2、Y2O3摻雜的ZrO2、以及Yb2O3摻雜的 ZrO2)；基于CeR的材料(例如Sm2O3摻雜的Ce02、Gd2O3摻雜的Ce02、Y2O3摻雜的CeR以及 CaO摻雜的CeO2)；基于Ln-掊酸鹽的材料(Ln =—種鑭系金屬，例如La、Pr、Nd或Sm)(例如 LaGaO3 摻雜有 Ca、Sr、Ba、Mg、Co、Ni、Fe 或它們的一種混合物(例如，La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.203>
7Laa8Sr0 2Ga0 8Mg015Co0 0503、La0 9Sr0 ^a0 8Mg0 203> LaSrGa04、LaSrGa3O7 或 La0 9A0 JaO3 其中 A =Sr，Ca或Ba)；以及它們的混合物。其他例子包括摻雜的釔_鋯酸鹽(例如，YZr2O7)、摻雜的釓-鈦酸鹽(例如，Gd2Ti2O7)以及鈣鐵鋁石(例如,B^In2O6或BiMn2O5)。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，電解質(zhì)12包括摻雜有8mol % Y2O3的ZrO2 (即，8mol % Y2O3摻雜的ZrO2)。典型地，固體電解質(zhì)12的厚度是在約5 μ m至約50 μ m之間的范圍內(nèi)，例如約5 μ m 至約20 μ m之間，更優(yōu)選地約5 μ m至約10 μ m之間。作為替代方案，固體電解質(zhì)12的厚度可以是在約20 μ m至約500 μ m之間，更優(yōu)選地在約IOOym至約500 μ m之間。在一個(gè)實(shí)施方案中使用具有厚度大于約100 μ m的固體電解質(zhì)12，固體電解質(zhì)12可以為燃料電池10提供結(jié)構(gòu)支撐。在一個(gè)實(shí)施方案中，支撐結(jié)構(gòu)22包括選自下組的一種材料，該組由以下各項(xiàng)組成鎳、氧化鎳、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、錳酸鑭鍶、鈦酸鑭鍶、鈦酸鹽、氧化鋁、氧化鋯、以及它們的組合。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該支撐結(jié)構(gòu)基本上由選自下組的一種材料組成，該組由以下各項(xiàng)組成鎳、氧化鎳、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、錳酸鑭鍶、鈦酸鑭鍶、鈦酸鹽、氧化鋁、 氧化鋯、以及它們的組合。作為替代方案，支撐結(jié)構(gòu)22可以包括選自下組的至少一種材料，該組由以下各項(xiàng)組成氧化鎳(NiO)、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)、氧化釔(Y203)、氧化鋁(Al2O3)、錳酸鑭鍶(LSM)、鐵酸鑭鍶(LSF)、鐵酸鑭鍶輝砷鈷礦(lanthanum strontium cobaltite ferrite) (LSCF)、以及包含陽(yáng)離子例如Ba、Ca、Sr、以及Y的鈦酸鹽。該支撐結(jié)構(gòu)可以是與上述相應(yīng)的陰極或陽(yáng)極材料相同的材料。在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明是一種固體氧化物燃料電池，該電池包括一個(gè)電極， 該電極是通過(guò)以下過(guò)程形成的形成一個(gè)生胚電極層，該生胚電極層具有一個(gè)平面表面并且限定了至少一個(gè)通道，其中該生胚電極層包括鄰近該通道的成孔物，鄰近該通道的成孔物比該生胚電極的剩余部分具有更高濃度，并且燒結(jié)該生胚電極以由此形成一個(gè)固體氧化物燃料電池的電極，由此燒結(jié)生胚電極引起了至少鄰近這些通道的電極的部分是多孔的， 并且由此鄰近這些通道的成孔物的量是足以引起在燒結(jié)過(guò)程中鄰近這些通道的電極的尺寸比該電極的其余部分減少的更多，從而引起了鄰近相對(duì)高濃度成孔物的電極的平面表面的至少一部分從該平面表面的主平面縮回。成孔物可以包括例如石墨粉。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明是針對(duì)形成固體氧化物燃料電池的電極的一種方法， 該方法包括形成一個(gè)生胚電極層，該電極層限定了至少一個(gè)通道，并且燒結(jié)該生胚電極以由此形成一個(gè)固體氧化物燃料電池的電極。該生胚電極可以包括鄰近該通道的成孔物。成孔物可以包括例如石墨粉。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該生胚電極包括在鄰近通道處比該生胚電極的剩余部分中更高濃度的成孔物，由此燒結(jié)該生胚電極引起了至少鄰近通道的電極的部分是多孔的。鄰近這些通道的成孔物的量可以是足以引起在燒結(jié)過(guò)程中鄰近這些通道的電極的尺寸比該電極的其余部分減少的更多。在一個(gè)實(shí)施方案中，該生胚電極具有一個(gè)平面表面，并且該電極可以被燒結(jié)成引起了鄰近相對(duì)高濃度的成孔物的電極的平面表面的至少一部分從該平面表面的主平面縮回。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該通道可以是一個(gè)管道，當(dāng)組裝該燃料電池時(shí)該管道是由該電極完全限定的，或作為替代方案，該通道在該生胚電極的一個(gè)側(cè)面上是開(kāi)放的。該方法可以包括將電極材料的一個(gè)覆蓋層置于該通道之上的步驟， 其中該覆蓋層在鄰近通道處具有比該覆蓋層的剩余部分更高的成孔物濃度。該通道可以在該電極的一個(gè)側(cè)面上是開(kāi)放的，并且該方法可以包括將電極材料的一個(gè)覆蓋層置于該開(kāi)放的通道之上的步驟，該覆蓋層包括一種成孔物，該成孔物在鄰近該開(kāi)放通道處具有比該覆蓋層的剩余部分中更高濃度。在一個(gè)實(shí)施方案中，成孔物的量以及燒結(jié)的量相組合引起了至少在鄰近這些通道處該覆蓋層是多孔的。在另一個(gè)實(shí)施方案中，燒結(jié)的量是足以引起具有更高濃度的成孔物的覆蓋層的至少一部分以從該覆蓋層的表面的主平面縮回。在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明是針對(duì)形成固體氧化物燃料電池前體的方法，包括將生胚陽(yáng)極層或生胚陰極層進(jìn)行素?zé)牟襟E，其中該生胚陽(yáng)極層或生胚陰極層限定了一個(gè)通道。一種支撐物可以位于該生胚陽(yáng)極或生胚陰極層的通道內(nèi)。支撐結(jié)構(gòu)可以是多孔的。 支撐結(jié)構(gòu)可以由逃逸性的材料制成，由此在生胚陽(yáng)極或生胚陰極層素?zé)^(guò)程中該支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生耗散，或該支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)溶解或升華移去，或可以物理地移去該支撐結(jié)構(gòu)。作為替代方案，可以在無(wú)支撐物下制造通道，素?zé)牟襟E產(chǎn)生了支撐結(jié)構(gòu)。存在可以用來(lái)在陰極和陽(yáng)極層內(nèi)形成通道或通路的多種可能的材料(像，例如纖維)。總體上，在選擇材料上唯一的限制應(yīng)該是在燒制過(guò)程過(guò)程中該材料應(yīng)該被燒掉或從該燃料電池中作為氣體地離開(kāi)，并且該材料不與陶瓷顆粒反應(yīng)。基于有機(jī)物的材料充分地滿足了這兩個(gè)條件。因此，這些纖維可以是天然纖維；棉花、韌皮纖維、繩索纖維、或動(dòng)物纖維(例如羊毛)，或它們可以是制造的纖維；再生纖維素、纖維素雙乙酸酯、纖維素三乙酸酯、聚酰胺、聚酯、聚丙烯酸樹(shù)脂、聚乙烯樹(shù)脂、聚烯烴樹(shù)脂、碳或石墨纖維、或液晶聚合物。 作為替代方案，這些纖維可以是擠出長(zhǎng)度的粘結(jié)劑材料，例如合成橡膠、熱塑性塑料、或聚乙烯的和擠出長(zhǎng)度的增塑劑材料，例如乙二醇和鄰苯二甲酸酯基團(tuán)。在另一個(gè)實(shí)施方案中， 該材料可以是各種意大利面制品例如細(xì)面條。適合通過(guò)溶解或升華而移去的逃逸性的材料的實(shí)例包括莰烯(二環(huán)的單萜)以及冰(H2O)。素?zé)梢园ㄔ诳諝鉁囟仍诩s1200°C至約 1500°C的范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行熱處理，優(yōu)選地在約1350°C。這些通道可以是直的，或它們可以在平面或在三維空間內(nèi)限定非線性路徑。該支撐結(jié)構(gòu)可以具有選自下組的截面形狀，該組由以下各項(xiàng)組成I-型棒、弓形、 沿著其長(zhǎng)度限定了多個(gè)孔的管、多孔的管、多孔的柱體、以及U-形支柱。該支撐結(jié)構(gòu)可以在最鄰近該電解質(zhì)層的通道的一部分處是開(kāi)放的。在一個(gè)實(shí)施方案中，該支撐結(jié)構(gòu)包括選自下組的一種材料，該組由以下各項(xiàng)組成鎳、氧化鎳、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、錳酸鑭鍶、鈦酸鑭鍶、鈦酸鹽、氧化鋁、氧化鋯、以及它們的組合。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該支撐結(jié)構(gòu)基本上由選自下組的一種材料組成，該組由以下各項(xiàng)組成鎳、氧化鎳、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、錳酸鑭鍶、鈦酸鑭鍶、鈦酸鹽、氧化鋁、氧化鋯、以及它們的組合。該支撐結(jié)構(gòu)可以是與相應(yīng)的陰極或陽(yáng)極材料相同的材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，該支撐結(jié)構(gòu)基本上填充了該氣體通道。該支撐結(jié)構(gòu)可以包括選自下組的至少一種材料，該組由以下各項(xiàng)組成NiO、YSZ、Y203> A1203、 LSM、LSF, LSCF,以及包含陽(yáng)離子例如Ba、Ca、Sr、以及Y的鈦酸鹽。作為替代方案，該支撐結(jié)構(gòu)可以包括NiO、YSZ、Y203>A1203> LSM、LSF, LSCF,以及包含陽(yáng)離子例如Ba、Ca、Sr、以及Y 的鈦酸鹽的共混物。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該陽(yáng)極層和該陰極層兩者都限定了包括這些支撐結(jié)構(gòu)的通道。該方法可以包括以下步驟將素?zé)^(guò)的層置于一個(gè)生胚功能層上，并且將該組合的層燒制從而形成一個(gè)具有通道層和多孔的功能層的陰極或陽(yáng)極。在一個(gè)實(shí)施方案中，生胚陰極和生胚陽(yáng)極層兩者都被素?zé)?，并且該方法進(jìn)一步包括通過(guò)一種方法來(lái)組裝預(yù)燒結(jié)過(guò)的堆疊體的步驟，該方法包括將該素?zé)^(guò)的陽(yáng)極層置于一個(gè)生胚陽(yáng)極功能層之上，并且將一個(gè)素?zé)^(guò)的陰極層置于一個(gè)生胚的陰極功能層之上。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該方法進(jìn)一步包括組裝一種疊層材料的步驟，該疊層材料包括一個(gè)素?zé)^(guò)的陽(yáng)極層以及一個(gè)生胚的陽(yáng)極功能層、位于該生胚陽(yáng)極功能層處的一個(gè)生胚的電解質(zhì)層、位于該生胚電解質(zhì)層處的素?zé)^(guò)的陰極層以及生胚陰極功能層、以及位于該素?zé)^(guò)的層處的一個(gè)相互連接層。該疊層材料可以被燒制成一種固體氧化物燃料電池，或作為替代方案，該方法可以進(jìn)一步包括組裝至少兩個(gè)疊層材料并且燒制以形成固體氧化物燃料電池的堆疊體的步驟。可以充分地?zé)圃摨B層材料從而引起該功能層是多孔的。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以將該疊層材料熱壓。在另一個(gè)實(shí)施方案中，一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)可以位于至少一個(gè)通道的至少一部分之內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方案中，該支撐結(jié)構(gòu)是由逃逸性的材料制成的，由此在素?zé)撋哧?yáng)極或陰極層過(guò)程中該支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生耗散。逃逸性的材料的例子包括石墨以及石墨/聚合物混合物。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)溶解而移去。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該支撐結(jié)構(gòu)是通過(guò)升華而移去。適合通過(guò)溶解或升華而移去的逃逸性的材料的例子包括莰烯(二環(huán)的單萜)以及冰(H2O)。在一個(gè)實(shí)施方案中，該支撐結(jié)構(gòu)是物理地移去的。該支撐結(jié)構(gòu)可以具有選自下組的截面形狀，該組由以下各項(xiàng)組成ι-型棒、弓形、沿著其長(zhǎng)度限定了多個(gè)孔的管、多孔的柱體、以及U-形支柱。在一個(gè)實(shí)施方案中，該支撐結(jié)構(gòu)可以是多孔的。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該支撐結(jié)構(gòu)可以在最鄰近該電解質(zhì)層的通道的一部分處是開(kāi)放的。在一個(gè)實(shí)施方案中， 該支撐結(jié)構(gòu)可以包括選自下組的一種材料，該組由以下各項(xiàng)組成鎳、氧化鎳、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、錳酸鑭鍶、鈦酸鑭鍶、鈦酸鹽、氧化鋁、氧化鋯、以及它們的組合。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該支撐結(jié)構(gòu)基本上可以由選自下組的一種材料組成，該組由以下各項(xiàng)組成鎳、氧化鎳、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、錳酸鑭鍶、鈦酸鑭鍶、鈦酸鹽、氧化鋁、氧化鋯、以及它們的組合。 該支撐結(jié)構(gòu)可以是與相應(yīng)的陰極或陽(yáng)極材料相同的材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，該支撐結(jié)構(gòu)基本上填充了氣體通道。該支撐結(jié)構(gòu)可以包括選自下組的至少一種材料，該組由以下各項(xiàng)組成:NiO、YSZ、Y2O3> A1203、LSM、LSF、LSCF、以及包含陽(yáng)離子例如Ba、Ca、Sr、以及Y的鈦酸鹽。作為替代方案，該支撐結(jié)構(gòu)可以包括NiO、YSZ、Y2O3> A1203、LSM、LSF, LSCF,以及包含陽(yáng)離子例如Ba、Ca、Sr、以及Y的鈦酸鹽的共混物。這些支撐結(jié)構(gòu)可以通過(guò)水性流延陽(yáng)極和陰極粉末的漿料來(lái)制造。可以在基于干粉末IOwt%的水平下使用基于丙烯酸的粘結(jié)劑系統(tǒng)(WB4101，Polymer Innovations, Inc.， Vista,CA) 0可以流延厚度為大致350微米的薄片。在示例實(shí)施方案中，然后可以將流延的薄片切成兩種構(gòu)型具有長(zhǎng)度和寬度尺寸為約^mm的固體正方形(示于圖4中)，以及相同外部尺寸的正方形，但是移去材料以產(chǎn)生13個(gè)平行的縫隙，每個(gè)縫隙具有約1. 3mm的寬度以及約50mm的長(zhǎng)度(如圖5中所示)。作為替代方案，可以將一種圖案壓印于兩個(gè)固體正方形中。然后這些正方形邊緣對(duì)齊地垂直地堆疊從而產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部空腔。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以將任何適合形狀的兩個(gè)固體薄片(像例如正方形、矩形、或橢圓形)放在一起，緊接著是5個(gè)通道切片，從而效地產(chǎn)生了約1. 3mm寬乘約1. 4mm深的13個(gè)凹陷。然后可以將一個(gè)逃逸性的桿(例如，來(lái)自Pentel的1. 3mm直徑的HB鉛筆鉛)置于在這些堆疊的薄片內(nèi)所產(chǎn)生的這些空腔的每一個(gè)中。然后可以將兩個(gè)固體薄片置于頂部以覆蓋該空腔。然后可以在溫度約300° F并且壓力約3，OOOpsi下進(jìn)行熱壓將這些堆疊的薄片層疊在一起。然后可以將隨后形成的部分進(jìn)行熱處理以便移去粘結(jié)劑以及逃逸性的通道形成物并且用來(lái)
10部分地?zé)Y(jié)陶瓷粉末。熱曲線的一個(gè)實(shí)例列于下面表1中。使用從室溫至675°C的熱曲線的部分來(lái)移去粘結(jié)劑和逃逸性的通道形成物，同時(shí)該熱曲線的剩余部分提高了陶瓷材料的強(qiáng)度。 表1用于形成氣體通道的熱曲線(°C )
權(quán)利要求
1.一種固體氧化物燃料電池，包括a)一個(gè)陽(yáng)極層；b)位于該陽(yáng)極層之上的一個(gè)電解質(zhì)層；以及c)位于該電解質(zhì)層之上的一個(gè)陰極層，其中該陽(yáng)極層和該陰極層中至少一個(gè)限定了至少一個(gè)氣體通道，該氣體通道包括至少一個(gè)支持結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池，其中該陽(yáng)極層或該陰極層是多孔的。
3.如權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池，其中該支持結(jié)構(gòu)是多孔的。
4.如權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池，其中該支撐結(jié)構(gòu)是一種與相應(yīng)的陰極或陽(yáng)極不同的組合物。
5.如權(quán)利要求4所述的固體氧化物燃料電池，其中該支撐結(jié)構(gòu)具有選自下組的截面形狀，該組由以下各項(xiàng)組成ι-型棒、弓形、沿著其長(zhǎng)度限定了多個(gè)孔的管、多孔的柱體、以及 U-形支柱。
6.如權(quán)利要求5所述的固體氧化物燃料電池，其中該支撐結(jié)構(gòu)是在最鄰近該電解質(zhì)層的通道的一部分處開(kāi)放的。
7.如權(quán)利要求5所述的固體氧化物燃料電池，其中該支撐結(jié)構(gòu)包括選自下組的一種材料，該組由以下各項(xiàng)組成鎳、氧化鎳、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、錳酸鑭鍶、鈦酸鑭鍶、鈦酸鹽、 氧化鋁、氧化鋯、以及它們的組合。
8.如權(quán)利要求4所述的固體氧化物燃料電池，其中該支持結(jié)構(gòu)基本上填充了該氣體通道。
9.如權(quán)利要求8所述的固體氧化物燃料電池，其中該支撐結(jié)構(gòu)包括選自下組的至少一種材料，該組由以下各項(xiàng)組成氧化鎳(NiO)、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)、氧化釔(Y2O3)、氧化鋁(Al2O3)、錳酸鑭鍶(LSM)、鐵酸鑭鍶(LSF)、鐵酸鑭鍶輝砷鈷礦(LSCF)、以及包含陽(yáng)離子例如Ba、Ca、Sr、以及Y的鈦酸鹽。
10.如權(quán)利要求9所述的固體氧化物燃料電池，其中該支撐結(jié)構(gòu)包括NiO、YSZ、Y203、 A1203、LSM、LSF, LSCF,以及包含陽(yáng)離子例如Ba、Ca、Sr、以及Y的鈦酸鹽的共混物。
11.如權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池，其中該陽(yáng)極層和該陰極層兩者都限定了包括支撐結(jié)構(gòu)的通道。
12.—種固體氧化物燃料電池，包括通過(guò)以下各項(xiàng)形成的一個(gè)電極a)形成一個(gè)生胚電極層，該生胚電極層具有一個(gè)平面表面并且限定了至少一個(gè)通道， 其中該生胚電極層包括鄰近該通道的成孔物，該鄰近該通道的成孔物比該生胚電極的剩余部分中具有更高濃度；并且b)燒結(jié)該生胚電極以由此形成一個(gè)固體氧化物燃料電池的電極，由此燒結(jié)該生胚電極引起了至少鄰近這些通道的電極的部分是多孔的，并且由此鄰近這些通道的成孔物的量足以引起在燒結(jié)過(guò)程中鄰近這些通道的電極的尺寸比該電極的其余部分減少的更多，從而引起了鄰近相對(duì)高濃度的的成孔物的電極的平面表面的至少一部分從該平面表面的主平面縮回。
13.一種形成固體氧化物燃料電池的電極的方法，包括以下步驟a)形成一個(gè)生胚電極層，該生胚電極層限定了至少一個(gè)通道；并且b)燒結(jié)該生胚電極以由此形成一個(gè)固體氧化物燃料電池的電極。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中該生胚電極包括鄰近該通道的成孔物。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中該生胚電極包括在鄰近該通道處比該生胚電極的剩余部分中更高濃度的成孔物，由此燒結(jié)該生胚電極引起了至少鄰近這些通道的電極的部分是多孔的。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中鄰近這些通道的成孔物的量是足以引起在燒結(jié)過(guò)程中鄰近這些通道的電極的尺寸比該電極的其余部分減少的更多。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中該生胚電極具有一個(gè)平面表面，并且其中該電極被燒結(jié)成引起鄰近相對(duì)高濃度的成孔物的該電極的平面表面的至少一部分從該平面表面的主平面縮回。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中該通道是一個(gè)管道，當(dāng)組裝燃料電池時(shí)該管道由電極完全限定。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中該通道是開(kāi)放的，由此該通道在該生胚電極的一個(gè)側(cè)面上是開(kāi)放的。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包括將一個(gè)電極材料的覆蓋層置于該通道之上的步驟，其中該覆蓋層在鄰近這些通道處具有比該覆蓋層的剩余部分更高的成孔物濃度。
21.如權(quán)利要求13所述的方法，其中該通道在該電極的一個(gè)側(cè)面上是開(kāi)放的，該方法包括將一個(gè)電極材料的覆蓋層置于該開(kāi)放的通道之上的步驟，該覆蓋層包括一種成孔物， 該成孔物在鄰近該開(kāi)放通道處具有比該覆蓋層的剩余部分中更高濃度。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中成孔物的量以及燒結(jié)的量相組合引起了至少在鄰近這些通道處該覆蓋層是多孔的。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中燒結(jié)的量是足以引起具有更高濃度的成孔物的覆蓋層的至少一部分以從該覆蓋層的表面的主平面縮回。
24.—種固體氧化物燃料電池的堆疊體，該堆疊體包括多個(gè)子電池，每個(gè)子電池包括a)一個(gè)陽(yáng)極層；b)位于該陽(yáng)極層之上的一個(gè)電解質(zhì)層；c)位于該電解質(zhì)層之上的一個(gè)陰極層；d)位于該陰極處并且位于該電解質(zhì)遠(yuǎn)端的一個(gè)第一粘結(jié)層；e)位于該第一粘結(jié)層處的一個(gè)相互連接層；以及f)一個(gè)第二粘結(jié)層，該第二粘結(jié)層位于該相互連接層處并且位于該堆疊體的一個(gè)子電池的第一粘結(jié)層遠(yuǎn)端并且與該堆疊體的一個(gè)相鄰的子電池的陽(yáng)極層相鄰；其中該陽(yáng)極層和該陰極層中至少一個(gè)限定了至少一個(gè)氣體通道，該氣體通道包括至少一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種固體氧化物燃料電池，包括一個(gè)陽(yáng)極層、位于該陽(yáng)極層上的一個(gè)電解質(zhì)層，以及位于該電解質(zhì)層上的一個(gè)陰極層，其中該陽(yáng)極層和該陰極層中至少一個(gè)限定了至少一個(gè)氣體通道，該氣體通道包含至少一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。該支撐結(jié)構(gòu)可以具有以下各項(xiàng)的一種截面形狀為I-型棒、弓形、沿著其長(zhǎng)度限定了多個(gè)孔的管、多孔的柱體、或U-形支柱。該支撐結(jié)構(gòu)可以在最鄰近該電解質(zhì)層的氣體通道的一部分處是開(kāi)放的。
文檔編號(hào)H01M8/12GK102301512SQ200980155516
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2009年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者J·A·薩瓦特萊, J·皮特拉斯 申請(qǐng)人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司