sofc陰極以及用于共燒制的電池以及堆疊體的方法

專利名稱：sofc陰極以及用于共燒制的電池以及堆疊體的方法
SOfc陰極以及用于共燒制的電池以及堆疊體的方法相關申請本申請要求于2008年12月31日提交的美國臨時申請號61/204，034的權益。以上申請的全部傳授內容都通過弓I用結合在此。
背景技術：
燃料電池通過化學反應產生電，其中在陰極處含氧的氣體被還原為氧離子(02_)， 并且在陽極處一種燃料氣體(如氣體H2)被氧化而與這些氧離子一起形成水。固體氧化物燃料電池使用了一種硬質的、陶瓷的化合物金屬(例如，鈣或鋯)氧化物作為在一個功能陰極以及一個功能陽極之間的電解質。在某些實施方案中，燃料電池被堆疊地安排，由此多個組件通過在一個子組件的陰極以及另一個的陽極之間放置一個電連接體而串聯組裝，每個子組件包括一個陰極、一個陽極以及在該陰極和陽極之間的一種固體電解質。然而，燃料電池以及堆疊體的制造易受溫度波動引起的損害所影響。由于構成陰極、電解質、陽極以及連接體部件的材料的熱膨脹系數之間的差異的結果，溫度上的快速變化也可以影響燃料電池的壽命。此外，燃料電池子單元的一些部件，例如多孔層(包括燃料電池子單元的活性陰極功能層)優選地在制造過程中暴露于比總體上對于每個燃料電池子單元的剩余部分所要求的更低的溫度中。所有這些問題通過將燃料電池子單元(它們必須在生產過程中進行共燒制)組裝成堆疊體以及通過堆疊組件的延長使用(這些組件可能在常規的操作過程中被暴露到反復的并且劇烈的溫度變化中)而復雜化。因此，存在一種需要來將上述問題減至最少或將其消除。

發明內容
本發明總體上是針對一種固體氧化物燃料電池以及一種用于制造至少一個固體氧化物燃料電池的方法。該固體氧化物燃料電池包括一個陽極層、在該陽極層的表面之上的一個電解質層，以及在該電解質層的表面之上的一個陰極層。該陰極層包括在該電解質層之上的一個多孔陰極功能層、一個陰極本體層、以及將該陰極本體層與該多孔陰極功能層隔開的一個多孔中間陰極層，該多孔中間陰極層具有的孔隙率大于該陰極本體層的孔隙率。在另一個實施方案中，本發明是一種固體氧化物燃料電池組件，該組件包括至少兩個子組件，每個子組件各自獨立地包括至少一個子電池。每個子電池包括一個陽極層、在該陽極層的表面之上的一個電解質層，以及在該電解質層的表面之上的一個陰極層。該陰極層包括在該電解質之上一個的多孔陰極功能層、一個陰極本體層、以及將該陰極本體層與該多孔陰極功能層隔開的一個多孔中間陰極層，該多孔中間陰極層具有的孔隙率大于該陰極本體層的孔隙率。每個子電池被一個電連接體分隔開并且是通過一個指向該陽極的氧化反應可運行的以由此至少形成水。這些組部件通過相鄰的子部件之間的一個粘結層粘結到一起。
本發明的一種方法包括形成一個固體氧化物燃料電池的陽極子部件，該陽極子部件包括一個陽極層以及在該陽極層之上的一個電解質層。與該陽極子部件分開而形成一個陰極子部件。該陰極子部件包括一個陰極層以及在該陰極層之上的連接體層。然后將該陽極子部件與該陰極子部件結合，這樣該陰極層鄰接該電解質層，由此形成一個固體氧化物燃料電池。本發明有許多優點。例如，陽極/電解質以及陰極/連接體子部件的單獨制造為將這些部件進行組裝以形成燃料電池時所處的條件提供了更大的靈活性。在一個實施方案中，陽極/電解質以及陰極/連接體子部件的單獨制造可以在更高的溫度下進行，接著通過在一個子部件的陰極層和另一個子部件的電解質層之間插入一個多孔陰極功能層而組裝多個燃料電池部件，并且然后在顯著地低于最佳地制備該陽極/電解質以及陰極/連接體子部件所要求的溫度下燒制該組件。通過這種技術可以在每個子組件中包括其他的燃料電池部件，由此在這些部件的組裝過程中使用了比生產對應的子部件所要求的溫度更低的溫度。此類其他部件的例子包括非功能的陽極層以及粘結部件，例如包括鎳網的組合物，它可以被用來連接以上串聯連接的燃料電池組件。而且，制造技術以及構成該陰極層的材料可以通過在一個燃料電池的組裝過程中并入一個多孔活性功能陰極層之前制造與一個連接體層相結合的陰極本體層而進行優化。此外，一個子部件陰極層可以包括在陰極本體和陰極功能層之間的界面處的多個空氣通道，由此消除了對通過該陰極本體的空氣通透性的要求，并且簡化了與一個燃料電池組件的每個燃料電池部件的連接體層相鄰的陰極本體層的共燒制。此外，陰極本體層總體上提供了在連接體層處比多孔對應物更大的機械支持。此外，可以使用另外的制造技術，例如在與一種多孔生坯組合之前，將這些通道模制或機加工成處于一個連接體層的界面的遠端的一個陰極本體層的一部分，該多孔生坯將與該本體陰極/連接體以及陽極/電解質子部件共燒制以形成一個燃料電池組件的燃料電池部件。本發明可以用于固體氧化物燃料電池(SOFC)系統中。SOFC提供了高效率發電而同時低排放并且低噪音操作的可能性。它們還被視為提供了電效率、廢熱發電效率、以及燃料處理簡單性的有利的組合。使用SOFC的一個例子是在家庭或其他建筑物中。SOFC可以使用用于加熱家庭的相同燃料，例如天然氣。SOFC系統可以運行延長的時間段以產生電力為家庭供電并且如果產生過多的量，可以將過多的量賣給電網。并且，可以使用SOFC系統中所產生的熱來為家庭提供熱水。在電力服務是不可靠的或不存在的地區，SOFC可以是特別有用的。


圖1是本發明的固體氧化物燃料電池組件的一個實施方案的示意性圖示。圖2A-B是根據本發明的方法制造的一個固體氧化物燃料子電池的本體陰極以及連接體子部件的一個實施方案的示意性圖示(部分地)。圖3A-C代表在結合以形成一個固體氧化物燃料子電池之前的本發明的一種固體氧化物燃料子電池的組件。圖4A-C是兩個子組件以及一個粘結層在結合以形成本發明的一個固體氧化物燃料電池組件之前的一個實施方案的示意性圖示。圖5是本發明的固體氧化物燃料電池的另一個實施方案的示意性圖示。
圖6是串聯連接的燃料電池組件的圖示。A =陽極層、AFL =陽極功能層、EI =電解質層、CFL =陰極功能層、CIL =陰極中間層、A =陽極層、C =陰極層、IC =連接體層、ABL =陽極粘結層、BL =粘結層、TA =末端陽極層。
具體實施例方式從以下對本發明的示例性實施方案的更具體的說明中上述內容將是清楚的，這些實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指代相同的部分。這些圖并非必須是按比例的，而是將重點放在展示本發明的多個實施方案上。在此引用的所有專利、公開的申請以及參考文獻的傳授內容通過引用以其整體結合在此。圖1示出了本發明的固體氧化物燃料電池(SOFC)組件10。燃料電池組件10包括多個子組件12并且每個子組件12包括多個子電池14。每個子電池14包括陽極16，該陽極包括限定了通道20的本體陽極層18，以及活性陽極層22。與每個子電池14 一起還包括固體氧化物電解質層對。每個子電池14進一步包括陰極沈，該陰極包括限定了陰極通道30 的陰極本體層28，以及活性陰極層32，該活性陰極層包括一個多孔陰極功能層32a以及一個多孔中間陰極層32b，該多孔中間陰極層將陰極本體層觀和多孔陰極功能層3 隔開，多孔中間陰極層32具有的孔隙率大于陰極本體層觀的孔隙率。陰極功能層3 可以由一種導電材料例如像亞錳酸鑭鍶(LSM)或LaNiFeO3,以及一種離子傳導材料例如像氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)、Sc摻雜的氧化鋯、或摻雜的鈰構成。作為替代方案，陰極功能層3 可以由一種混合的、離子以及電子(MIEC)傳導性材料例如鐵酸鑭鍶輝砷鈷礦(LSCF)、或摻雜的 1^必603、或11記(和離子傳導性材料的混合物構成的。LSM/YSZ之比可以是在從約30/70至約 70/30重量％的范圍內，優選約50/50重量％。LSM和YSZ的中值粒徑(d5Q)都在約0. 1 μ m 至約1 μ m的范圍內，并且陰極功能層32a的總孔隙率是在約25體積％至約35體積％的范圍內。陰極本體層觀可以是由一種電子傳導性材料例如LSM、LSCF、或鐵酸鑭鍶輝砷鈷礦 (LSF)構成的，與陰極功能層3 相比具有在約0. 5 μ m至約5 μ m之間范圍內的更粗的粒徑 d50。陰極層觀的孔隙率低于陰極功能層3 的孔隙率，其范圍是在約5Vol%至約25ν01% 之間，或陰極層觀可以是全致密的。陰極中間層32b典型地是由與陰極本體層觀相同的材料構成的，但是具有的孔隙率大于層32a的孔隙率，是在約30Vol%至約45Vol%之間的范圍內。活性陽極層22以及活性陰極層32典型地是多孔的。此外，陽極通道20以及陰極通道30分別是部分地由本體陽極層18以及陰極本體層觀限定的，并且進一步分別是由活性陽極層22以及活性陰極層32限定的。作為替代方案，陽極層中的通道可以是在該層內完全封閉的或者是在陽極層的頂部形成并且由連接體34和陽極層18之間的陽極粘結層44 所限定。可以將本領域中已知的任何適合的陰極材料用于陰極26，例如， 在“High Temperature Solid Oxide Fuel Ce 11 s !Fundamentals, Design and Applications，”pp. 119-143，Singhal 等人 Ed.，Elsevier Ltd. (2003)中，其全部傳授內容通過引用結合在此。在一個實施方案中，陰極沈包括一種基于La-亞錳酸鹽(例如， Lai_aMri03，其中“a”等于或大于零，并且等于或小于0. 4)或基于La-鐵酸鹽的材料。典型地， 該基于La-亞錳酸鹽或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-亞錳酸鹽的材料的例子包括LaSr-亞錳酸鹽(LSM)(例如，La1^tSrkMnO3,其中k等于或大于0. 1，并且等于或小于0. 4，(La+Sr) /Mn是在約1. 0至約 0. 90 (摩爾比)之間的范圍內)以及LaCa-亞錳酸鹽(例如，La1^kCakMnO3, k是等于或大于
0.1，并且等于或小于0.4，(La+Ca)/Mn是在約1. 0至約0. 90(摩爾比)之間的范圍內)。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0.90(摩爾比)之間的范圍內)。在一個具體實施方案中，陰極沈包括LaSr-亞錳酸鹽(LSM)(例如，La1^tSrkMnO3)和LaSrCo-鐵酸鹽(LSCF)中至少一個。常見的例子包括 (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° 用于多孔陰極功能層32a以及多孔中間陰極層32b的合適的材料各自獨立地包括基于亞錳酸鑭或基于鐵酸鑭的材料，并且優選摻雜的亞錳酸鑭Lai_kSrkMn03，其中k是在約0. 1和約 0. 4之間范圍內，并且該多孔陰極功能層進一步包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)、二氧化鈰、以及氧化鈧。可以將本領域中已知的任何適合的陽極材料用于陽極16，例如， 在“High Temperature Solid Oxide Fuel Ce 11 s !Fundamentals, Sesign and Applications，”pp. 149_169，Dinghal，等人Ed. ,Elsevier Ltd. (2003)中，其全部傳授內容通過引用結合在此。在一個實施方案中，陽極16包括一種鎳(Ni)金屬陶瓷。如在此所使用的，短語“Ni金屬陶瓷”是指一種陶瓷金屬復合材料，它包括Ni，例如約20wt%至70wt%的 Ni。Ni金屬陶瓷的例子是包括Ni和YSZ，例如含有約15襯％的^O3的^O2以及包括Ni以及Y-氧化鋯或Sc-氧化鋯的材料。陽極材料的一個另外的例子是Cu- 二氧化鈰或Co-YSZ。 Ni金屬陶瓷的具體實例包括在約67wt% Ni和約33wt% YSZ以及約33wt% Ni和67wt% YSZ之間的組合物。典型地，陽極16和陰極沈各自的厚度是獨立地在約0. 3mm至約2mm之間的范圍內。確切地說，陽極16和陰極沈各自的厚度是獨立地在約0. 5mm至約1. 5mm之間的范圍內。固體氧化物電解質M在陽極16和陰極沈之間。可以將本領域中已知的任何適合的固體氧化物電解質用于本發明中，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，其全部傳授內容通過引用結合在此。例子包括基于 ZrO2的材料，例如Sc2O3摻雜的&02、Y2O3摻雜的&02、以及Yb2O3摻雜的^O2 ；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CeR ；基于Ln-掊酸鹽的材料(Ln =—種鑭系金屬，例如La、Pr、Nd或Sm)，例如摻雜有Ca、Sr、Ba、 Mg、Co、Ni、Fe 或它們的一種混合物(例如，La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.203, La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.0503, La0 9Sr0 !Ga0 8Mg0 203> LaSrGaO4> LaSrGa3O7 或 Laa9AaiGaO3 其中 A = Sr、Ca 或 Ba)的 LaGaO3 ； 以及它們的混合物。其他例子包括摻雜的釔-鋯酸鹽(例如，1&207)、摻雜的釓-鈦酸鹽 (例如，Gd2Ti2O7)以及鈣鐵鋁石(例如，Ba2In2O6 ^ Ba2In2O5) 0在一個具體實施方案中，電解質24包括摻雜有8mol % Y2O3的ZrO2 (即，8mol % Y2O3摻雜的ZrO2)。典型地，固體電解質M的厚度是在約5 μ m和約50 μ m之間的范圍內，諸如在約 5 μ m和約20 μ m之間，更優選地在約5 μ m和約10 μ m之間。作為替代方案，固體電解質M的厚度可以是在約20 μ m和約500之間，更優選地在約100 μ m和約500 μ m之間。在一個使用具有大于約100 μ m的厚度的固體電解質M的實施方案中，固體電解質M可以提供對子電池14以及隨后的子組件12的結構支持。子電池14進一步包括連接體34。可以使用已知的適合用作連接體層的任何材料。適合的連接體層的一個例子是由鉻形成的一個層，并且可以進一步包括稀土元素，例如摻雜的稀土鉻鐵礦。在一個實施方案中，連接體層34包括鑭、鍶、鈣、鈷、鎵、釔、鈦酸鹽和鎂中至少一個。在其他具體實施方案中，該連接體層可以包括陶瓷，例如LaSrCr03、LaMgCr03、 LaCaCrO3> YCrO3> LaCrO3 > LaCoO3、CaCrO3> CaCoO3、LaNiO3、LaCrO3 > CaNiO3 以及 CaCrO3。在另一個實施方案中，連接體34可以包括兩個層，如于2008年12月16日提交的美國專利申請號12/316，806，以及于2009年7月2日公開的名稱為“用于燃料電池堆的陶瓷連接體”的 US2009/0169958 Al中所述，其全部傳授內容通過引用結合在此。子電池14串聯連接到一起構成了子組件12。任選地，一個非功能的末端陽極36可以被置于在子電池14的一端處的每個連接體34之后。末端陽極36不是一個操作陽極，并且可以具有與該陽極不同的組成。確切地說，該末端陽極可以包含該連接體材料的某一部分以幫助改進在該陽極粘結層 44和連接體層之間的粘結強度。典型地，該末端陽極可以包含在約33wt%至約67wt%之間的金屬相，優選鎳，以及在約67wt%至約33wt%之間的陶瓷相，優選YSZ與在約30wt%和約 70wt %之間的連接體材料的一種混合物。多個子組件12串聯地連接。如圖1所示，子組件12通過粘結層38連接在一個子組件12的末端陽極36以及另一個子組件12的陽極16上。在一個實施方案中，陽極粘結層44具有與組件粘結層38相同的組成但是組件粘結層38可以具有大于或等于陽極粘結層44的厚度。適合用作粘結層38的材料的具體實施方案是本領域已知的，并且包括例如一個金屬相(優選Ni)與YSZ以及任選地還有該連接體相的混合物。對于這些單獨的組分的組合物范圍可以是在約33wt% Ni與約67wt%之間的Ni與約67wt%及約33wt%之間的陶瓷相。該陶瓷相是由YSZ與約和約50wt%之間的連接體相構成的。粘結層38以及陽極粘結層44的一個具體例子是33wt% Ni以及67wt% YSZ0與陽極粘結層44，任選的子組件粘結層38以及任選的末端陽極36串聯連接的子組件12的其他具體例子在圖6中示出，其中陽極本體層18可以包含氣體通道20并且陰極本體層觀可以包含氣體通道30。 在另一個實施方案中，粘結層38以及陽極粘結層44可以是可配合的粘結層。如在此使用的術語“可配合的粘結層”是指這樣一種粘結層，它在一個SOFC組件(該粘結層是該組件的一部分)制造和使用的過程中對于相鄰層的維度改變是可適配的或可相協調的，同時仍粘結一個子組件的一個電極(功能的或非功能的)或連接體以及一個相鄰的子組件的子電池的一端處的活性電極。合適的相適合的粘結層的例子包括金屬網、金屬氈或其組合，優選為了良好的電導性而用鎳金屬漿料涂覆的那些。與一種相適合的粘結層組裝的堆疊體可能需要被置于輕微的壓縮中以確保在子電池或子組件以及該相適合的粘結層之間良好的電接觸。本發明的SOFC燃料電池組件10可以包括任何適當數目的子組件12，以及在每個子組件12內任何數目的子電池14。在一個實施方案中，子電池的一個子組件將包括在約六和約十個之間的子電池，并且燃料電池10的每個子組件將包括在約四和約六個之間的子組件，每個子組件12通過一個粘結層38與相鄰的子組件12分開。SOFC燃料電池組件10 的堆疊體可以串聯或并聯地連接。
本發明還包括一種形成染料電池組件的方法，例如以上所描述的。該方法包括形成一個在圖2A中示出的陽極子部件40。該陽極子部件40包括陽極層16以及電解質M。 陽極層16以及電解質層M可以通過本領域已知的任何適當的技術形成。例如，在一個實施方案中，陽極子部件40可以通過帶流延(tape casting)以及層壓、模壓、溫壓凝膠灌制、 噴涂、絲網印刷、輥壓實(roll compaction)、擠出以及注塑模制而形成。單獨地并且除形成陽極子部件40之外形成了圖2B中示出的陰極子部件42。陰極子部件42包括本體陰極觀以及連接體34。可以使用本領域已知的用于形成陰極子部件42的任何適當的技術。在一個實施方案中，例如，陰極子部件42的制造可以包括以下步驟，例如帶流延以及層壓、模壓、溫壓凝膠灌制、噴涂、絲網印刷、輥壓實、擠出以及注塑模制而形成。在圖3所表示的一個特別優選的實施方案中，在圖3A中示出的陽極子部件40包括陽極層16，該陽極層部分地限定了通道20。陽極子部件40包括陽極層16以及電解質層 24。通道20可以通過本領域已知的任何適當的技術形成，例如像結合有形的逃逸物、壓花、 在條帶中切割通道并且然后將這些條帶層壓來限定多個通道、使用通過預成型件的擠出或在輥壓實中使用有圖案的輥。存在多種可以用來在陰極和陽極層內形成通道或通路的可能的逃逸物材料(例如像，石墨或纖維)。總體上，在材料的選擇上僅有的限制將是在燒制方法的過程中該材料應該燃燒或從該燃料電池中作為氣體除去，并且該材料不與陶瓷顆粒反應。基于有機物的材料充分滿足這兩個條件。因此，纖維可以是天然纖維；棉花、韌皮纖維、繩索纖維、或動物纖維(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、聚丙烯酸樹脂、聚乙烯樹脂、聚烯烴樹脂、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度的粘結劑材料，例如合成橡膠、熱塑性塑料、或聚乙烯的和擠出長度的增塑劑材料，例如乙二醇和鄰苯二甲酸酯基團。在另一個實施方案中， 該材料可以是意大利面條制品，例如細面條。在另一個實施方案中，陰極子部件42部分地限定了通道30，如圖3C中所示。通道30的剩余部分在組裝陰極子部件42、陽極子部件40(圖3A中所示)以及生坯功能陰極 32(圖;3B中所示)時被限定。本體陰極觀內的通道30可以通過本領域已知的任何適當的技術形成，例如以下方法結合有形的逃逸物、壓花、在條帶中切割通道并且然后將這些條帶層壓以限定多個通道、使用通過預成型件的擠出、或在輥壓實中使用有圖案的輥。圖:3B中示出的生坯功能陰極32是多孔的，至少是在與陽極子部件40以及陰極子部件42結合燒制之后是多孔的。在一個實施方案中，生坯功能陰極32是由電子傳導性材料例如像LSM以及離子傳導性材料例如像YSZ構成的。LSM/YSZ之比可以是在從約30/70 至約70/30重量％的范圍內，優選約50/50重量％。層32b典型地是由與本體陰極28相同的材料構成的，例如LSM、LSCF、或鐵酸鑭鍶輝砷鈷礦(LSF)，與陰極功能層3 相比具有在約0. 5 μ m至約5 μ m之間范圍內的更粗的粒徑d5(l，但是具有的孔隙率大于層3 的孔隙率， 在約30Vol%和約45Vol%之間的范圍內。在燒制之前該生坯功能陰極32的厚度可以是在約20 μ m和約200 μ m之間的范圍內，并且優選地在約20 μ m和約100 μ m之間的范圍內。陽極子部件40、陰極子部件42、生坯功能陰極層32、以及陽極粘結層44是通過將生坯功能陰極層30置于陽極子部件40的電解質層M和陰極子部件42的陰極本體層28之間并且將陽極粘結層44置于陽極子部件40和陽極子部件42的連接體層34之間而結合的。然后將結合后的子部件40、42以及生坯功能陰極層32以及陽極粘結層44在適當的溫度下燒制以由此將生坯功能陰極32以及陽極粘結層44進行燒結并且將子部件40以及42 粘結成一個燃料電池堆的子組件。典型地，這些子部件以及生坯功能陰極層32在一個溫度下進行共燒制，該溫度低于在陽極子部件40以及陰極子部件40以及陰極子部件42的單獨制造過程中對它們進行燒制時所使用的溫度。盡管不希望受限制于任何具體的理論，據信在結合并且通過與生坯功能陰極層32共燒制之前單獨地制造陽極子部件40以及陰極子部件42提供了對于在最佳的溫度以及時間段內燒制每種子部件的更大的靈活性而不會減小在不同的最佳溫度以及時期內燒制生坯功能陰極層32的機會。在一個實施方案中，陽極子部件40、陰極子部件42、生坯功能陰極層32以及陽極粘結層44是通過在約1000°C和約 1250°C之間范圍內的溫度下共燒制在約0. 5小時至約4小時的時間段而粘結的，優選地在約1100°C和約1200°C之間范圍內的溫度下共燒制在約1小時和約2小時之間范圍內的時間段。陽極子部件40、陰極子部件42、生坯功能陰極層32以及生坯陽極粘結層44的共燒制可以形成由多個串聯連接的子電池14組成的燃料電池堆8，如圖6所示。作為替代方案，陽極子部件40、陰極子部件42、生坯功能陰極層32以及生坯陽極粘結層44可以通過共燒制而粘結成一個子組件12。子組件12然后可以用粘結層38串聯地結合成一個燃料電池堆8。還應理解的是這種安排可以顛倒，由此每個子組件在每個子電池之上的活性陽極處以及每個子組件的末端處可以具有連接體，并且一個非功能的陰極可以被置于每個子組件的末端處的連接體上。多個子組件可以結合以形成一個燃料電池堆，例如在約4和約6個之間的子組件可以結合以形成一個燃料電池堆。在一個具體的實施方案中，多個陽極子部件40、陰極子部件42、生坯功能陰極層 32以及生坯陽極粘結層44可以在適當的溫度下進行安排并且共燒制，以由此形成一個燃料電池堆8，該溫度優選低于形成每個陽極子部件40以及陰極子部件42所使用的溫度。一種適當的陽極粘結層的例子是由Ni金屬與YSZ陶瓷或Ni與YSZ陶瓷以及連接體陶瓷材料所組成的層。在一個第二實施方案中，多個陽極子部件40、陰極子部件42、以及生坯功能陰極層32在適當的溫度下共燒制，以由此形成燒制的子電池，該溫度優選地低于形成每個陽極子部件40以及陰極子部件42所使用的溫度。然后將燒制的子電池14與相適合的陽極粘結層44安排到一起并且壓縮成一個燃料電池堆8。適當的相適合的粘結層的例子是包括鎳網或鎳氈(優選用鎳漿涂覆的)的粘結層。在一個第三實施方案中，多個陽極子部件40、包含一個末端陽極的陰極子部件 42、生坯功能陰極層32以及生坯陽極粘結層44可以在適當的溫度下進行安排并且共燒制， 以由此形成一個燃料電池堆8，該溫度優選地低于形成每個陽極子部件40以及陰極子部件 42所使用的溫度。一種適當的陽極粘結層的例子是由Ni金屬與YSZ陶瓷或Ni與YSZ以及連接體的陶瓷材料所組成的層。在一個第四實施方案中，多個陽極子部件40、包含一個末端陽極的陰極子部件 42、以及生坯功能陰極層32在適當的溫度下共燒制，以由此形成燒制的子電池，該溫度優選地低于形成每個陽極子部件40以及陰極子部件42所使用的溫度。然后將燒制的子電池14與相適合的陽極粘結層44安排到一起并且壓縮成一個燃料電池堆8。適當的相適合的粘結層的例子是包括鎳網或鎳氈(優選地用Ni漿料涂覆)的粘結層。在一個第五實施方案中，多個陽極子部件40、陰極子部件42、生坯功能陰極層32 和陽極粘結層44在適當的溫度下共燒制，以由此形成一個子組件12，該溫度優選地低于形成每個陽極子部件40以及陰極子部件42所使用的溫度。多個子組件12可以使用粘結層 38串聯安排，如圖4B所示。子組件12和粘結層38可以如在的圖4A、4B和4C中的對應取向中所示的進行安排。然后這些子組件通過粘結層38彼此粘結并且然后被燒制以形成組件10，如圖5中所示的。一種適當的陽極粘結層的例子是由Ni金屬與YSZ陶瓷或Ni與YSZ 陶瓷以及連接體陶瓷材料所組成的層。在一個第六實施方案中，多個陽極子部件40、陰極子部件42、生坯功能陰極層32 和陽極粘結層44在適當的溫度下共燒制，以由此形成一個子組件12，該溫度優選地低于形成每個陽極子部件40以及陰極子部件42所使用的溫度。多個子組件12可以使用相適合的粘結層38串聯安排，如圖4B所示并且然后壓縮成一個燃料電池堆。適當的相適合的粘結層的例子是包括鎳網或鎳氈(優選用鎳漿料涂覆的)的粘結層。在一個第七實施方案中，多個陽極子部件40、包含一個末端陽極的陰極子部件 42、生坯功能陰極層32和陽極粘結層44在適當的溫度下共燒制，以由此形成一個子組件 12，該溫度優選地低于形成每個陽極子部件40以及陰極子部件42所使用的溫度。多個子組件12可以使用粘結層38串聯安排，如圖4B所示。子組件12和粘結層38可以如在圖4A、 4B和4C中的對應的取向中所示的進行安排。然后這些子組件通過粘結層38彼此粘結并且然后被燒制以形成組件10，如圖5中所示的。一種適當的陽極粘結層的例子是由Ni金屬與 YSZ陶瓷或Ni與YSZ陶瓷以及連接體陶瓷材料所組成的層。在一個第八實施方案中，多個陽極子部件40、包含一個末端陽極的陰極子部件 42、生坯功能陰極層32和陽極粘結層44在適當的溫度下共燒制，以由此形成一個子組件 12，該溫度優選地低于形成每個陽極子部件40以及陰極子部件42所使用的溫度。多個子組件12可以使用相適合的粘結層38串聯安排，如圖4B所示并且然后壓縮成一個燃料電池堆。適當的相適合的粘結層的例子是包括鎳網或鎳氈(優選用鎳漿料涂覆的)的粘結層。本發明的燃料電池組件10可以如本領域已知的其他堆疊的燃料電池組件運行。 具體而言，含氧的氣體(例如O2)通過引導氧氣穿過陰極層觀的通道30而在陰極處被還原成氧離子(02_)。引導一種合適的燃料氣體通過本體陽極18的通道20并且氧化，其中氧離子遷移通過固體氧化物電解質，以由此在陽極至少形成水。等效物雖然通過參考本發明的示例性實施方案對本發明進行了具體的展示和說明，但本領域中的普通技術人員應當理解，在不背離所附的權利要求書所涵蓋的本發明的范圍的前提下，可以在形式和細節上對這些實施方案作出不同的變更。
權利要求
1.一種固體氧化物燃料電池，包括a)一個陽極層；b)在該陽極層的表面之上的一個電解質層；以及c)在該電解質層的表面之上的一個陰極層，該陰極層包括， i)在該電解質層的表面之上的一個多孔陰極功能層， ) 一個陰極本體層，以及iii) 一個將該陰極本體層與該多孔陰極功能層隔開的中間陰極層，該多孔中間陰極層具有的孔隙率大于該陰極本體層的孔隙率。
2.如權利要求1所述的固體氧化物燃料電池，其中，該固體氧化物燃料電池包括多個子電池，每個子電池包括一個陽極、一個陰極以及將該陽極和陰極隔開的一種電解質，并且進一步包括在一個子電池的陽極與另一個子電池的陰極之間的一種連接體。
3.如權利要求2所述的固體氧化物燃料電池，其中至少一個連接體是與一個子電池的陰極直接接觸的。
4.如權利要求1所述的固體氧化物燃料電池，其中該陰極本體層是多孔的并且限定了除該陰極本體層的孔隙率之外的多個管道。
5.如權利要求1所述的固體氧化物燃料電池，其中該陰極本體層是致密的并且與該多孔中間陰極層一起限定了至少一個基本上與該電解質層平行的管道。
6.如權利要求5所述的固體氧化物燃料電池，其中該管道部分地是由該陰極本體層內的一個通道限定的。
7.如權利要求1所述的固體氧化物燃料電池，其中該多孔陰極功能層的組成是與該多孔中間陰極層的組成不同的。
8.如權利要求1所述的固體氧化物燃料電池，其中該多孔陰極功能層以及該多孔中間陰極層各自獨立地包括至少一個下組的成員，該組由基于亞錳酸鑭或基于鐵酸鑭的材料組成，并且其中該多孔陰極功能層進一步包括至少一個選自下組的成員，該組由以下各項組成氧化釔穩定的氧化鋯、二氧化鈰、以及氧化鈧。
9.如權利要求1所述的固體氧化物燃料電池，其中該陽極層包括一個本體陽極層以及將該本體陽極層與該電解質隔開的一個多孔陽極層。
10.如權利要求9所述的固體氧化物燃料電池，其中該本體陽極層是致密的并且與該多孔陽極層一起限定了至少一個基本上與該電解質層平行的管道。
11.如權利要求10所述的固體氧化物燃料電池，其中該管道是部分地由該陽極本體層內的一個通道限定的。
12.—種固體氧化物燃料電池組件，包括a)至少兩個子組件，每個子組件獨立地包括至少一個子電池，其中每個子電池包括， i) 一個陽極層， )在該陽極層的表面之上的一個電解質層，以及 iii)在該電解質層的表面之上的一個陰極層，該陰極層包括， 在該電解質層之上的一個多孔陰極功能層， 一個陰極本體層，以及將該陰極本體層與該多孔陰極功能層隔開的一個多孔中間陰極層，該多孔中間陰極層具有的孔隙率大于該陰極本體層的孔隙率；以及 b)在相鄰的子組件之間的一個粘結層。
13.如權利要求12所述的固體氧化物燃料電池，進一步包括，a)在至少一個子組件的末尾處的一個末端陽極，以及b)將該子組件的子電池的末端陽極與陰極隔開的一個電連接體。
14.一種制造至少一個固體氧化物燃料電池的方法，包括以下步驟a)形成一個陽極子部件，該陽極子部件包括， i) 一個陽極層；以及 )在該陽極層之上的一個電解質層；b)形成一個陰極子部件，該陰極子部件包括 i) 一個陰極層；以及 )在該陰極層之上的一個連接體層；并且c)將該陽極子部件與該陰極子部件結合，由此該陰極層鄰接該電解質層，從而形成該固體氧化物燃料電池。
15.如權利要求14所述的方法，進一步包括在將該陽極子部件與該陰極子部件結合之前在該電解質層處形成一個多孔陰極功能層的步驟，并且其中該陰極層是一個陰極本體層。
16.如權利要求15所述的方法，進一步包括以下步驟在該陽極子部件與該陰極子部件之間插入一個多孔中間陰極層，并且然后將該結合的子部件進行燒制以由此形成該固體氧化物燃料電池。
17.如權利要求16所述的方法，其中該多孔中間陰極層具有的孔隙率大于該陰極本體層的孔隙率。
18.如權利要求17所述的方法，其中該多孔中間陰極層的燒結溫度低于該陰極本體層的孔隙率。
19.如權利要求16所述的方法，其中該陰極子部件的陰極層限定了至少一個鄰接該多孔中間陰極層的通道。
20.如權利要求19所述的方法，其中該陽極子部件以及該陰極子部件中的至少一個是通過一種包括燒結的方法形成的。
21.如權利要求20所述的方法，其中該陽極子部件以及該陰極子部件是通過一種方法結合的，該方法包括將一個位于該陽極子部件與該陰極子部件之間的多孔陰極功能層的生坯前體在一個溫度下燒結，該溫度低于對該陽極子部件以及該陰極子部件進行燒結時的溫度。
全文摘要
一種固體氧化物燃料電池包括一個陽極層、在該陽極層的表面之上的一個電解質層，以及在該電解質層的表面之上的一個陰極層。該陰極層包括一個陰極本體層、在該電解質處的一個多孔陰極功能層、將該陰極本體層與該多孔陰極功能層隔開的一個中間陰極層，該多孔中間陰極層具有的孔隙率大于該陰極本體層的孔隙率。這些固體氧化物燃料電池可以結合以形成粘結到一起而形成固體氧化物燃料電池組件的子組件。
文檔編號H01M8/12GK102265441SQ200980153020
公開日2011年11月30日 申請日期2009年12月29日 優先權日2008年12月31日
發明者C·J·雷利, 林 G·, Y·納倫達 申請人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司