專利名稱：Tubular electrochemical cell的制作方法
技術領域：
本發明涉及管狀化學電池。
背景技術：
電化學裝置(諸如燃料電池、氧氣泵、傳感器等)通常提供將化學能以最小的污染 有效地轉換為電能的機會。電化學裝置通常包括可以實現平面、管狀或單片設計的電化學 電池。各種設計有各種劣勢，例如，平面固態氧化物燃料電池(“S0FC”)的慢啟動以及管狀 SOFC的較低的體積功率密度。雖然管狀電池設計已經證實了具有足夠的熱沖擊耐受性以及高機械強度，但是它 們相對于其他電池設計能具有低的體積功率封裝密度。例如，為了產生等量的功率，管狀電 化學電池通常比平面或單片電化學電池的尺寸大得多。增加電化學電池的尺寸(即，直徑 或長度)以產生更大量的功率的一個缺點是較低的體積功率密度。然而，減小管狀電池的 尺寸可以增加含有許多管狀電池的電化學電池堆棧的體積功率密度。不幸地，堆棧中太多 的電池可能使得操作變得復雜并且增加制造成本。因此，需要改善管狀電化學電池的功率和電壓性能。
發明內容
為了滿足這些和其他需要，本教導涉及電化學電池，其包括陽極層、陰極層、電解 質層、由陽極層限制的燃料通道以及由陰極層限制的氧化劑通道，其中，該電解質層與陽極 層和陰極層中的一者進行離子或者質子傳遞，陽極層、電解質層和陰極層一同基本形成封 閉的費馬螺線。本教導的另一個實施例涉及電化學電池，其包括置于陽極層與陰極層之間以形成 多層構件的電解質層，多層構件基本可以形成包括燃料通道和氧化劑通道的封閉的費馬螺 線。陽極層、陰極層以及電解質層都可以具有基本平面的尺寸并且陽極層和陰極層中的一 者與電解質層進行離子和質子傳遞中的至少一者。燃料通道包括由陽極層形成的內邊界以 及由陽極層形成的外邊界。氧化劑通道包括由陰極層形成的內邊界以及由陰極層形成的外 邊界。在一些實施例中，陽極層也可以具有重整層。陽極層、電解質層和陰極層都具有約 5μπι到約2mm之間的寬度。電化學電池可以是陽極支撐的電化學電池、陰極支撐的電化學 電池、電解質支撐的電化學電池、金屬支撐的電化學電池或者襯底支撐的電化學電池。燃料 通道和氧化劑通道都可以具有約0. Imm到約5mm之間的寬度。電解質層可以包括離子導體 或質子導體。在特定實施例中，電化學電池是固態氧化物燃料電池。本教導的另一方面涉及制造電化學電池的方法。該方法包括將第一層基本形成 為封閉的費馬螺線，其中，第一層具有第一側和第二側；將第二層與第一層的第一側的至少 一部分相結合；以及將第三層與第二層的至少一部分相結合。在一些實施例中，可以對第一 層進行預燒制。在一些實施例中，可以對第一層和第二層進行燒制。在一些實施例中，可以對整個電化學電池進行燒制。可以通過擠壓成型、凝膠注模成型、3-D壓印或者滾壓預形成 的帶來形成第一層。可以通過浸漬涂布或凝膠注模成型來將第二層與第一層相結合。可以 通過浸漬涂布或凝膠注模成型將第三層與第二層相結合。第一層的第二側可以被掩蓋以有 助于涂布第二層和第三層。在一些實施例中，第一層和第三層都可以包括電極材料，并且第 二層可以包括電解質材料。在一些實施例中，重整催化劑可以與第一層的第二側或者第三 層的暴露側相結合。在一些實施例中，第四層可以與第三層的至少一部分相結合，其中，第 一層是支撐件，第二層和第四層是電極，并且第三層是電解質。在特定實施例中，制造電化學電池的方法包括將電解質層基本形成為封閉的費馬 螺線，其中，電解質層具有第一側和第二側；將陰極層與電解質層的第一側的至少一部分相 結合；以及將陽極層與電解質層的第二側的至少一部分相結合。本教導的另一方面涉及操作電化學電池的方法。在一些實施例中，操作基本圓柱 體的電化學電池的方法包括使得燃料流動經過電化學電池，其中，燃料以第一平均燃料半 徑進入電化學電池并且以第二平均燃料半徑離開；以及使得氧化劑流動經過電化學電池， 其中，氧化劑以第一平均氧化劑半徑進入電化學電池并且以第二平均氧化劑半徑離開。在 一些實施例中，燃料和氧化劑沿著相同的軸向方向流動。在某些實施例中，燃料和氧化劑 沿著相反的軸向方向流動。在一些實施例中，其中，第一平均燃料半徑小于第二平均燃料半 徑，并且第一平均氧化劑半徑小于第二平均氧化劑半徑。在各種實施例中，操作電化學電池的方法包括將流體引導經過電化學電池，其 中，電化學電池基本是圓柱體的并且具有軸向長度，并且其中流體具有濃度；以及沿著電化 學電池的軸向長度的至少一部分徑向地改變流體的濃度。在某些實施例中，操作基本圓柱體的電化學電池的方法包括將燃料流大致沿著 電化學電池的軸線引導進入電化學電池；以及沿著電化學電池的軸向長度的至少一部分將 電化學電池中的燃料流暴露到增加的陽極表面面積。
應該理解，附圖沒有必要按照比例而是主要強調示出本教導的原理。附圖不是為 了以任何方式限制本教導的范圍。圖1是費馬螺線的示意圖。圖2是封閉的費馬螺線的示意圖。圖3是根據本教導的電化學電池的實施例的示意立體圖。圖4是圖3中示出的實施例的3A-3B處的截面圖。圖5是制造本教導的電化學電池的制造方法的實施例的高等級流程圖。圖6是操作本教導的電化學電池的方法的實施例的高等級流程圖。
具體實施例方式本教導可以提供具有改善的功率和電壓性能以及燃料利用而不增加電化學電池 的外部尺寸的電化學電池。例如，本教導包括具有表現為費馬螺線的內部結構的管狀電化 學電池。在實施例中，內部結構是表現為封閉的費馬螺線形狀的基本平面的多層構件(包 括陰極、陽極和電解質)，使得燃料通道和氧化劑通道形成在多層構件的任一側上。本教導
5可以用來設計相比于具有相同外部尺寸的現有技術的管狀電化學電池具有較高體積功率 密度的電化學電池。在說明書通篇中，在將裝置或組件描述為具有、包括或包含特定部件時或者將過 程描述為具有、包括或包含特定的處理步驟時，可以預料到本教導的組件也由所列舉的部 件組成或基本由其組成，并且本教導的過程也由所列舉的處理步驟組成或基本由其組成。 應該理解，步驟的順序或執行特定動作的順序是不重要的，只要該方法保持可操作。此外， 可以同時進行兩個以上的步驟或動作。在應用中，在元件或部件包括在所列舉的元件或部件表中和/或從其中選擇時， 應該理解元件或部件可以是所列舉的元件或部件中的任何一者并且可以從所列舉的元件 或部件中的兩者以上中選擇。此外，應該理解，無論是明確的還是暗示的，可以在不超出本 教導的精神和范圍的情況下以各種方式結合這里描述的組件、設備或方法的元件和/或者 特征。可以理解，為了清楚，已經將本發明的附圖和描述簡化了，以在省略其他元件的同 時示出與清楚地理解本教導相關的元件。例如，這里沒有描述涉及擠壓成型、凝膠注模成型 或者3-D壓印的特定細節。然而，本領域技術人員將會理解到，這些和其他的制造技術可以 用于產生復雜的形狀。因為這些技術是本領域公知的并且因為它們不能有助于更好地理解 本教導，所以不提供這些技術的詳細討論。除非特別說明，術語“包括”或“具有”的使用應當理解為開放的和非限制性的。除非特別說明，這里使用的單數形式包括多個(反之亦然)。此外，除非特別說明， 當在定量值之前使用術語“約”時，本教導也包括特定定量值自身。在以下討論的示意性實施例中，術語“費馬螺線”通常指的是拋物線螺線，諸如圖 1中示出的螺線50。螺線50是按照以下極坐標公式的費馬螺線(一種類型的阿基米德螺 線)r = 士 θ 1/2(更一般的費馬螺線按照r= a2 θ )。本領域的技術人員將會認識到可以在不超 出本教導的原理的情況下使用費馬螺線的變形。
0029]術語“封閉的費馬螺線”指的是其中螺線自身封閉的費馬螺線，諸如如圖2所示的 方式。圖2示出了其中第一端4和第二端6封閉的示例性封閉費馬螺線2。圖3是根據本教導的具有一般的圓柱體形狀的示例性電化學電池10的示意性立 體圖以及表示封閉費馬螺線的截面圖。如圖所示，電化學電池10包括第一端32、中點34和 第二端36。電化學電池可以是本領域中公知的任何類型的電化學電池，例如包括燃料電池或 電解電池。本教導包含在大范圍溫度下工作的燃料電池，包括高溫電池(例如，固態氧化物 燃料電池和熔融碳酸鹽燃料電池)以及低溫電池(例如，磷酸燃料電池和質子交換膜燃料 電池。)圖4是圖3中示出的實施例的3Α-3Β的截面圖。電化學電池10可以包括陽極12、 電解質14、陰極16、燃料通道18 (由陽極12限制)以及氧化劑通道20 (由陰極16限制)。 在圖示實施例中，電解質14置于陽極12與陰極16之間，使得陽極12、電解質14和陰極16 一同形成多層構件19。多層構件19轉而具有基本圓柱體形狀并且展現出封閉費馬螺線的截面。如所示，電化學電池10也包括徑向中心26、半半徑位置28和半徑30。在操作中，氧 化劑(諸如空氣)流動經過氧化劑通道20，并且燃料以相同或相反的軸向方向流動經過燃 料通道18。氧化劑通道20中的氧化劑分子透過陰極16并且接觸電解質14，在離子導體的 情況下，在該位置處形成氧離子。氧離子擴散到電解質14中并且遷移到多層構件19的另 一側，在該位置處氧離子與陽極12和流動經過燃料通道18的燃料相遇。陽極層(S卩，陽極)可以具有基本平面的尺寸，具有范圍從約5 μ m到約2000 μ m 的寬度。由于陽極是載荷支承結構，例如，在陽極、陰極和電解質之中具有最大的機械強度， 所以電化學電池可以是陽極支撐的。在陽極支撐實施例中，陽極可以具有在約0. 5mm到約 2mm的范圍內的寬度。根據這種實施例，電解質可以具有約5 μ m到約50 μ m的寬度，并且陰 極可以具有約10 μ m到約100 μ m的寬度。在成分上，陽極可以由本領域公知的任何適合的多孔電極制成。例如，陽極可以由 陶瓷材料或金屬陶瓷材料制成。陶瓷材料或金屬陶瓷材料的金屬陶瓷成分例如可以包括基 于氧化鋯的材料或基于氧化鈰的材料。示例性材料包括但不限于穩定的氧化鋯(例如，氧 化釔穩定的氧化鋯，特別地為(ZrO2)a92(Y2O3)atl8)以及摻雜的氧化鈰(例如，摻雜釓的氧化 鈰(Cea9ciGdaici)Ou5)。在金屬陶瓷的情況下，金屬成分可以包括一種以上的過渡金屬、它們 的合金和/或物理混合物。可以以氧化物或鹽(例如，Ni0、Ni(N03)2)的形式來引入金屬成 分(例如，Ni、Co、Cu、Ag和W)，并且基于金屬陶瓷材料的總體積，該金屬成分可以存在于從 約30. Ovol. %到約80. Ovol. %的范圍內。例如，陽極可以是具有氧化釔穩定的氧化鋯的多 孔鎳金屬陶瓷。其他合適的電極材料包括可以包括金屬成分也可以不包括金屬成分的基于 氧化鋁和/或氧化鈦的金屬陶瓷。在各種實施例中，如共同未決美國申請No. 11/880，105中所公開的(通過引用將 其全部結合在這里)，陽極層也包括重整層。重整層可以包括局部氧化重整催化劑、蒸汽重 整催化劑和/或自熱重整催化劑。重整層和電解質層可以與陽極的相反側整體或部分地相 結合。本領域技術人員將會認識到重整層可以與電化學電池的陽極層相結合，無論電池是 陽極支撐的、陰極支撐的、電解質支撐的還是襯底支撐的。陰極層(即，陰極)可以具有基本平面的尺寸，具有范圍從約5μπι到約2mm的寬 度。電化學電池可以是陰極支撐的。對于陰極支撐的電化學電池，陰極可以具有在約0. 5mm 到約2mm的范圍內的寬度。在陰極支撐的電化學電池中，電解質可以具有約5 μ m到約50 μ m 的寬度，并且陽極可以具有約5 μ m到約100 μ m的寬度。陰極可以是本領域公知的任何導 電多孔材料。合適的陰極材料的示例包括各種鈣鈦礦，例如但不限于亞錳酸鑭鈣鈦礦陶瓷、 鐵酸鑭鈣鈦礦陶瓷、亞錳酸鐠鈣鈦礦陶瓷和鐵酸鐠鈣鈦礦陶瓷。電解質層(S卩，電解質)可以具有基本平面的尺寸，具有從約5μπι到約2000μπι 的范圍的寬度。電化學電池可以是電解質支撐的。對于電解質支撐的電化學電池，電解質 可以具有約0. Imm到約2mm的范圍的寬度。在電解質支撐的電化學電池中，陽極可以具有 約5 μ m到約100 μ m的寬度，并且陰極可以具有約5 μ m到約100 μ m的寬度。電解質層(即，電解質)可以是任何離子的或者質子導電材料。在一些實施例中， 電解質可以由陶瓷或金屬陶瓷材料制成。離子導體允許將離子傳遞通過電解質層。由于離子穿過導體晶格中的空隙空間的 運動，所以離子導體是導電性的固態電導體。合適的離子導體材料包括螢石構造的電解質、基于氧化鋯的氧化物離子導體、基于氧化鈰的氧化物離子導體、鈣鈦礦構造的電解質和鈣 鐵石。質子導體允許質子傳遞經過電解質層。質子導體是其中可移動的氫離子(質子) 是主要電荷載流子的電解質(諸如固態電解質的)。質子導體可以包括聚合物或陶瓷。合 適的質子導體材料包括基于BaCeO3的化合物；基于SrfrO3的化合物；基于CdrO3的化合 物；摻雜有 Gd 的 BaThO3 和 BaTbO3 ；BaTHa9GaaiO3，Sr2Gd2O5 ；以及 Sr2Dy205。在各種實施例中， 電解質層可以由摻雜的陶瓷(諸如摻雜的氧化鋯的薄的致密層)制成。燃料通道允許將燃料輸送到陽極。如圖4所示，燃料通道可以具有由陽極層之間 的間隔所限定的約0. Imm到約5mm之間的寬度。以此方式，燃料通道具有由陽極層形成的 內邊界和由陽極層形成的外邊界。本領域技術人員將會理解到燃料通道可以構造為在電化 學電池的任一端處接收燃料。氧化劑通道允許將氧化劑輸送到陰極。如圖4所示，氧化劑通道可以具有由陰極 層之間的間隔所限定的約0. Imm到約5mm之間的寬度。以此方式，氧化劑層具有由陰極層 形成的內邊界和由陰極層形成的外邊界。本領域技術人員將會認識到氧化劑通道可以構造 為在電化學電池的任一端處接收氧化劑。除了陽極、陰極和電解質之外，電化學電池也可以包括用于機械支撐電池的支撐 層。示例性支撐材料包括金屬陶瓷、陶瓷(例如氧化鋁、氧化鋯和亞鉻酸鑭)以及金屬。圖5描繪了根據本教導的制造電化學電池的示例性方法500的流程圖。在步驟 502中，使用本領域中公知的技術(例如，擠壓成型、凝膠注模成型、3-D壓印)將支撐結構 或第一層形成為費馬螺線。步驟502也包括在適當的溫度下對第一層進行燒制，以制造固 態支撐件。擠壓成型是用于制造具有固定的截面輪廓的物體的制造過程。第一層可以被擠壓 和/或牽引經過具有期望輪廓形狀(即，封閉的費馬螺線)的模子。凝膠注模成型是與用于制造復雜的形狀的注漿成型類似的形成過程。在凝膠注模 成型中，陶瓷粉末的粘土與有機單體的溶液相結合并且被引入模子中。模子的內容物可以 聚合以形成堅固的、交聯的結構。模子可以有包括金屬和有機材料(即，蠟、聚合物和石墨) 的任何材料制成。通過有機模子，沒有必要脫模，因為有機模子可以在熱處理過程中燒掉。 根據本教導，模子可以是費馬螺線的形狀。三維壓印(3-D壓印)指的是分層建造期望的形狀。使用形狀或期望的部件的計 算機模型，分層算法產生每層的詳細信息。每層開始于將粉末的薄分布散布在粉末床的表 面上。使用與噴墨印刷類似的技術，粘合劑材料選擇性地將粉末顆粒結合到將要形成層的 位置處。對粉末床和正在進行處理的部分進行支撐的活塞下降，使得可以散布并選擇性地 結合下一個粉末層。這種一層接一層的過程重復，直到該部件完成。在移除未粘合的粉末 之后，有必要進行熱處理以燒掉粘合劑、增加部件強度和/或為接下來的處理步驟產生期 望的結構。在步驟504中，在形成(并且在一些實施例中燒制)第一層之后，使第二層與第一 層的第一側(即，與涂布重整層的那一側相反的一側)的至少一部分或者整個第一層相結 合。第二層可以通過浸漬涂布、凝膠注模成型或其他薄膜涂布手段而與第一層相結合。浸漬涂布包括制備第二層材料的溶液以及將第一層浸漬到溶液中，利用第二層涂布陽極。第一層的某些區域被掩蓋以限制到該特定區域的涂布。掩模可以是膠帶、臘或者 本領域技術人員所公知的保護被掩蓋的區域使其不暴露到溶液中的任何其他材料或者方 法。例如，如果第一層將要在第一層的第一側上涂布第二層，那么第一層的第二側可以被掩 蓋以使得溶液將會僅暴露第一層的第一側。在第二層已經與第一層的第一側結合之后，可 以移除掩模并且可以燒制第一層和第二層兩者。在步驟506中，將第三層與第二層相結合。第三層可以與第二層的至少一部分或 者整個第二層相結合。第三層可以以與上述將第二層與第一層相結合的方式相同的方式 (浸漬涂布、凝膠注模成型或其他薄膜涂布手段)與第二層相結合。在第三層已經與第二結 合之后，可以對整個電化學電池進行燒制。如果第一層是具有第一側和第二側的基本平面的陽極層，那么可以以與上述將第 二層與第一層相結合的方式相同的方式將重整層涂布在陽極的第二側上。在各種實施例中，第一層和第三層可以是電極并且第二層可以是電解質。在一些 實施例中，第一層可以是陽極，第三層可以是陰極并且第二層可以是電解質，從而制造陽極 支撐的電化學電池。在一些實施例中，第一層可以是陰極，第三層可以是陽極并且第二層可 以是電解質，從而制造陰極支撐的電化學電池。在陰極支撐的電化學電池中，重整層可以與 第三層(即，上述陽極層)相結合。在一些實施例中，第一層是電解質并且第二和第三層是都與第一層相結合的電 極，從而制造電解質支撐的電化學電池。如上所述，可以使用浸漬涂布、凝膠注模成型或其 他薄膜涂布手段將第二層和第三層與第一層相結合。如果第三層是陽極層，那么第四重整 層可以與陽極相結合。在各種實施例中，包括與第三層的至少一部分相結合的第四層的電化學電池可以 是襯底支撐的。在這些實施例中，第一層可以是襯底，第二和第四層可以是電極并且第三層 可以是電解質，從而制造襯底支撐的電化學電池。襯底可以由陶瓷、金屬陶瓷或金屬制成。 此外，第五層可以與第四層相結合，例如，第五層可以是與陽極層相結合的重整層。此外，全 部重整或部分重整的材料可以注入支撐層中。全部重整意味著引入的燃料可以在位于支撐 層中的重整層處被完全地重整。部分重整意味著位于支撐層中的重整層僅能夠對于引入燃 料的一部分執行重整。在一些實施例中，引入的燃料的剩余部分可以在燃料電池的陽極重
iF. ο在一些實施例中，可以使用上述的擠壓成型、凝膠注模成型或3-D壓印過程來形 成燃料通道和氧化劑通道。在一些實施例中，可以使用多孔前驅物制作通道。多孔前驅物 是可以破壞性地移除以在物體中制造空隙通道的材料。示例性多孔前驅物包括但不限于 基于碳的材料、麥稈或紡織品(包括機織的、針織的、打結的、栽絨的、系住的或無紡的纖維 或織物材料)。可以通過燃燒、使用溶劑溶解或者本領域技術人員公知的、用來從陶瓷或金 屬陶瓷中移除多孔前驅物而不傷害陶瓷或金屬陶瓷的結構的任何其他手段，來破壞性地移 除碳、石墨或者其他材料。本教導的另一個方面涉及操作電化學電池的方法。該方法包括使得燃料進入電化 學電池的燃料通道并且將氧化劑引入電化學電池的氧化劑通道。燃料可以是氫(當陽極不 具有重整層時)或者燃料可以是在陽極重整層上重整的碳氫化合物的混合物。根據涂布到 陽極層上的重整物的類型，碳氫化合物的混合物可以是任何形式的氣體或液體碳氫化合物
9以及可以與空氣(部分氧化重整)或蒸汽(蒸汽或自熱重整)混合的碳氫化合物。圖6是本教導的操作電化學電池的示例性方法600的高等級的流程圖。參照圖4 和圖6，隨著燃料例如在第一端32處進入電化學電池，方法600在步驟602中開始。可以沿 著電化學電池的整個截面稍微均勻地將燃料引導到燃料通道18中。在另一個實施例中，可 以在小于電化學電池的整個截面處(諸如，僅在電化學電池的徑向中心26的附近)將燃料 引導到燃料通道18中。在另一個示例中，可以在徑向中心26與半半徑位置28之間或者在 電化學電池的徑向截面的某個其他點處將燃料均勻地引導到電化學電池中。本領域技術人 員將會明白，在小于電池的整個截面處引導燃料可以使得燃料隨著其縱向穿過電池而徑向 向外擴散。例如，在第一端32處引入徑向中心26與半半徑位置28之間的燃料可以朝向半 徑位置30徑向向外擴散，使其以比在第一端32處更大的平均燃料半徑離開第二端36。本領 域技術人員將會認識到，這種徑向擴散可以使得燃料濃度沿著電化學電池的長度變化。雖 然步驟602已經按照將燃料引入第一端32進行了描述，但是本領域技術人員將會認識到， 可以將燃料引入第二端36。燃料可以經由本領域技術人員公知的輸送機構輸送到電化學電池。例如，可以經 由燃料泵或者使用容納在燃料容器中的壓力而將燃料輸送到電化學電池中。方法600的步驟604包括使得氧化劑流動經過電化學電池，其中，氧化劑以第一平 均氧化劑半徑進入并以第二平均氧化劑半徑離開。可以以與上述參照燃料描述的方式基本 相同的方式，但是通常通過費馬螺線的氧化劑通道將氧化劑引入電化學電池中。可以在電化學電池的相同端或者可以在電化學電池的相反端引導燃料和氧化劑 的每個。例如，可以在電化學電池的第一端處將燃料引導到燃料通道中，并且在第二端處將 氧化劑引導到氧化劑通道中。在特定實施例中，操作電化學電池的方法包括將具有濃度的流體引導通過本教導 的基本圓柱體的電化學電池。因為電化學電池的結構，所以流體的濃度至少沿著電化學電 池的軸向長度的一部分徑向地變化。流體可以是燃料、氧化劑或廢氣。參照圖4，本領域技術人員將會認識到，使燃料流(S卩，燃料)如上所述地偏向徑向 中心26可以沿著電池的縱軸的至少一部分將燃料流暴露到增加的陽極表面面積。例如，如 果在第一端32處將燃料流引導到費馬螺線形的電化學電池的徑向中心中，燃料流可以沿 著電池的縱軸徑向地擴散，并且遭遇更多的與其反應的陽極表面面積。在這點上，本領域技 術人員也可以理解，在徑向中心26處引導燃料流可以使得電池的功率輪廓變得平坦。此外，相比于相等尺寸的標準管狀電化學電池，電化學電池的費馬螺線設計可以 調節溫度。例如，如果在電化學電池的徑向中心處將燃料和氧化劑引入電化學電池，那么燃 料和氧化劑的最高濃度將會在電池的徑向中心處。相比于在電池的徑向邊緣處，燃料和氧 化劑也將會在電化學電池的徑向中心處以更高的速度移動。因為燃料和氧化劑的相對高的 速度，所以盡管有高濃度，但是一些燃料和氧化劑將不會在電池的中心處反應。因此，電池 的中心將會到達過高溫度的可能性降低，因此減小了對于電化學電池的熱沖擊的可能性。 因為氧化劑和燃料沿著螺線向外徑向移動，所以它們各自的速度降低。這種速度的降低使 得燃料和氧化劑必須與陽極和陰極反應的駐留時間增加。此外，隨著燃料和氧化劑徑向地 分散，它們都暴露到與其反應的、更具有電化學活性的表面區域。因此，在電池的中心的反 應速率不會顯著地高于電池的外側邊緣。因為反應速率直接與電化學電池的工作溫度相關，所以，電化學電池的徑向溫度輪廓可以比標準管狀電池略微平坦。此外，在電池的溫度 在工作期間上升時，電化學電池的螺線形狀可以適應電池的徑向膨脹。本教導的實施例也可以相對于類似外部尺寸的標準管狀電池顯著地增加電池和 堆棧體積功率密度。因為在與具有類似外部尺寸的電池相比時，燃料和氧化劑具有在其上 反應的、增大的電化學活性表面，所以更大比例的燃料將會反應，因此利用相同外部尺寸的 電化學電池產生更多電力。例如，根據設計，本教導的電化學電池可以在相同的工作條件下 (即，燃料和氧化劑流動速率、溫度、電負載和壓力)產生在約50%到約300%功率增加的范 圍內的增加的功率輸出。其他實施例本教導可以實施為上文中沒有描述的其他特定形式，而不背離其精神或基本特 征。上述實施例因此在所有方面都被認為是示意性的而不是限制這里描述的本教導。本發 明的范圍因此由權利要求而不是上述描述所表明，并且在權利要求的含義和等同范圍內的 所有改變都包括在其中。
權利要求
一種電化學電池，包括陽極層；陰極層；與所述陽極層和所述陰極層中的一者進行離子和質子傳遞中的至少一者的電解質層，其中，所述陽極層、所述電解質層和所述陰極層一同基本形成封閉的費馬螺線；由所述陽極層限制的燃料通道；以及由所述陰極層限制的氧化劑通道。
2.一種電化學電池，包括 陽極層；陰極層；以及 電解質層，其中，所述電解質層置于所述陽極層與所述陰極層之間以形成多層構件，并且所述陽 極層和所述陰極層中的一者與所述電解質層進行離子和質子傳遞中的至少一者；并且其中，所述多層構件基本形成包括燃料通道和氧化劑通道的封閉的費馬螺線，所述燃 料通道包括由所述陽極層形成的內邊界以及由所述陽極層形成的外邊界；并且所述氧化劑 通道包括由所述陰極層形成的內邊界以及由所述陰極層形成的外邊界。
3.根據權利要求1或2所述的電化學電池，其中，所述陽極層還包括重整層。
4.根據權利要求1-3中任意一項所述的電化學電池，其中，所述陽極層、所述電解質層 和所述陰極層都具有約5 μ m到約2000 μ m之間的寬度。
5.根據權利要求1-4中任意一項所述的電化學電池，其中，所述電化學電池是陽極支 撐的電化學電池、陰極支撐的電化學電池、電解質支撐的電化學電池、金屬支撐的電化學電 池或者襯底支撐的電化學電池。
6.根據權利要求1-5中任意一項所述的電化學電池，其中，所述燃料通道和所述氧化 劑通道都具有約0. Imm到約5mm之間的寬度。
7.根據權利要求1-6中任意一項所述的電化學電池，其中，所述電解質層包括離子導 體或質子導體。
8.根據權利要求1-7中任意一項所述的電化學電池，其中，所述電化學電池是固態氧 化物燃料電池。
9.一種制造電化學電池的方法，包括將第一層基本形成為封閉的費馬螺線，其中，所述第一層具有第一側和第二側； 將第二層與所述第一層的所述第一側的至少一部分相結合；并且 將第三層與所述第二層的至少一部分相結合，其中，一個或多個層包括電極材料，并且 一個層包括電解質材料。
10.根據權利要求9所述的方法，還包括對所述第一層進行預燒制。
11.根據權利要求9或10所述的方法，還包括對所述第一層和所述第二層進行燒制。
12.根據權利要求9-11中任意一項所述的方法，還包括對所述電化學電池進行燒制。
13.根據權利要求9-12中任意一項所述的方法，其中，形成所述第一層包括擠壓成型、 凝膠注模成型或3-D壓印。
14.根據權利要求9-13中任意一項所述的方法，其中，形成所述第一層包括使用多孔前驅物來在所述電化學電池中制造空隙。
15.根據權利要求14所述的方法，包括移除所述多孔前驅物。
16.根據權利要求9-14中任意一項所述的方法，其中，結合所述第二層包括浸漬涂布 或凝膠注模成型。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，結合所述第二層還包括掩蓋所述第一層的所 述第二側。
18.根據權利要求9-17中任意一項所述的方法，其中，結合所述第三層包括浸漬涂布 或凝膠注模成型。
19.根據權利要求9-18中任意一項所述的方法，其中，所述第一層和所述第三層都包 括電極材料，并且所述第二層包括電解質材料。
20.根據權利要求9-19中任意一項所述的方法，包括將重整催化劑與所述第一層的所 述第二側或者所述第三層的所述暴露側相結合。
21.根據權利要求9-18中任意一項所述的方法，包括將第四層與所述第三層的至少一 部分相結合，其中，所述第一層包括支撐件，所述第二層和所述第四層包括電極，并且所述 第三層包括電解質。
22.—種操作基本圓柱體的電化學電池的方法，包括使得燃料流動經過所述電化學電池，其中，所述燃料以第一平均燃料半徑進入所述電 化學電池，并且以第二平均燃料半徑離開；并且使得氧化劑流動經過所述電化學電池，其中，所述氧化劑以第一平均氧化劑半徑進入 所述電化學電池，并且以第二平均氧化劑半徑離開，其中，所述第一平均燃料半徑和所述第 一平均氧化劑半徑分別小于所述第二平均燃料半徑以及所述第二平均氧化劑半徑。
23.根據權利要求22所述的方法，其中，所述燃料和所述氧化劑沿著相同的軸向方向 流動。
24.根據權利要求22所述的方法，其中，所述燃料和所述氧化劑沿著相反的軸向方向流動。
25.一種操作電化學電池的方法，包括將流體引導經過電化學電池，其中，所述電化學電池基本是圓柱體的并且具有軸向長 度，并且其中，所述流體具有濃度；并且沿著所述電化學電池的所述軸向長度的至少一部分徑向地改變所述流體的濃度。
26.一種操作基本圓柱體的電化學電池的方法，包括將燃料流大致沿著所述電化學電池的軸線引導進入所述電化學電池；并且沿著所述電化學電池的所述軸向長度的至少一部分將所述電化學電池中的所述燃料 流暴露到增加的陽極表面面積。
全文摘要
文檔編號H01M8/12GK101953008SQ20078010216
公開日2011年1月19日 申請日期2007年11月6日 優先權日2007年11月6日
發明者Finnerty Caine, Du Yanhai 申請人:Nanodynamics Energy Inc