專利名稱：具有復(fù)合集流體的燃料電池模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施方式涉及復(fù)合集流體，且更具體地，涉及使用組合材料的集流單元。
背景技術(shù)：
燃料電池可隨著電解質(zhì)的類型或種類而變化。燃料電池的輸出范圍和使用目的不同，使得可根據(jù)目的選擇合適的燃料電池。在各種類型的燃料電池中，在固體氧化物燃料電池中，電解質(zhì)的位置可容易地控制和可固定，使得實(shí)質(zhì)上不存在耗盡電解質(zhì)的可能性。固體氧化物燃料電池不容易被腐蝕，使得材料的壽命是長的。因此，固體氧化物燃料電池可用于分布式發(fā)電、用在商業(yè)中和用在家庭中。集流體是固體氧化物燃料電池(SOFC)堆的制造中的核心部件。對于電耦合的高的電傳導(dǎo)性、在陰極和陽極環(huán)境的化學(xué)穩(wěn)定性、與SOFC電池構(gòu)成部件在熱膨脹系數(shù)方面的相容性、如果必要的用于支撐堆的機(jī)械強(qiáng)度加工性能、和經(jīng)濟(jì)上可行的價格是用于SOFC的集流體的期望特性。近來，基于陶瓷的材料和基于金屬的材料已用在SOFC中的集流體中?；谔沾傻牟牧虾突诮饘俚牟牧暇哂酗@著的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施方式的一方面涉及使用金屬和陶瓷的集流體結(jié)構(gòu)體。本發(fā)明的實(shí)施方式的一方面涉及使用組合材料以提供化學(xué)穩(wěn)定性如抗氧化性和/ 或集流效率的改善的集流體。本發(fā)明的實(shí)施方式的一方面涉及用于改善集流體與燃料電池單元電池之間的粘著力的單元。在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，提供燃料電池模塊，其包括中空的圓柱形單元電池，其包括布置在該中空的圓柱形單元電池的徑向方向上的第一電極層、電解質(zhì)層和第二電極層；由位于所述第二電極層外周上的金屬材料網(wǎng)或傳導(dǎo)線形成的集流體；和包括位于所述集流體表面上的陶瓷材料粉末的多個輔助集流體。 所述輔助集流體還可位于所述第二電極層的外周上。所述輔助集流體的所述陶瓷材料粉末的陶瓷顆粒相互連接在一起以容許電子在它們之間移動。所述集流體的直徑可為0. 5mm或2mm或在0. 5mm與2mm之間。所述集流體可包括選自Ag、基于鐵氧體的!^e-Cr金屬、基于Ni的合金、和基于Cr 的合金的至少一種。
所述輔助集流體可包括基于LaCrO3的陶瓷。所述輔助集流體可具有30%或50% 或在30%與50%之間的孔隙率。當(dāng)所述第二電極層可為陰極時，所述輔助集流體可包括基于LaMnO3的陶瓷和/或基于LaCoO3的陶瓷。所述輔助集流體可具有小于或等于50%的孔隙率。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，在集流體纏繞在其周圍的中空的圓柱形單元電池上形成輔助集流體的方法包括加工陶瓷材料以形成粉末，將所述陶瓷材料粉末施加到所述集流體的表面上，和在500°C或600°C或在500°C與600°C之間的溫度下進(jìn)行熱處理以使所述陶瓷材料粉末固結(jié)(粘結(jié)，cake)到所述集流體的表面上。在將所述陶瓷材料粉末施加到所述集流體的表面上中，所述陶瓷材料粉末進(jìn)一步附著至所述中空的圓柱形單元電池的所述第二電極層的外周。根據(jù)本發(fā)明的各方面，與其中使用單一金屬集流體的情況相比，通過金屬集流體與陶瓷材料的組合，抗氧化性改善，由此延長所述燃料電池的壽命。另外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，由于所述金屬材料用作主要的(例如，基本的)集流材料，與其中使用單一陶瓷集流體的情況相比，集流結(jié)構(gòu)體的加工性能(例如，加工的容易性)改善，熱傳導(dǎo)性增強(qiáng)使得堆的溫度分布變得基本上均勻且所述燃料電池的效率改善，和電傳導(dǎo)性高，使得集流效率改善。S卩，根據(jù)本發(fā)明的各方面，所述金屬和所述陶瓷同時用在集流體中，使得可抵償當(dāng)使用單一材料(例如，單獨(dú)的金屬或陶瓷)時可產(chǎn)生的缺點(diǎn)且呈現(xiàn)各材料的優(yōu)點(diǎn)。因此，可構(gòu)造更有效的燃料電池。另外，根據(jù)本發(fā)明的各方面，金屬集流體覆蓋有用作陰極組分的基于LaMnO3的陶瓷粉末和/或基于LaCoO3的陶瓷粉末，使得離子均勻地分布在單元電池表面上且使得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性改善。另外，粘結(jié)劑可用于固結(jié)輔助集流體且可通過蒸發(fā)而除去，使得所述輔助集流體的孔隙率可改善。


附圖與說明書一起說明本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，且與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。圖1為說明本發(fā)明的實(shí)施方式所基于的單元電池和集流結(jié)構(gòu)體的透視圖；圖2為說明圖1的單元電池和集流結(jié)構(gòu)體沿著單元電池的中心軸所取的橫截面圖；圖3為說明根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式的覆蓋在金屬集流體上的輔助集流體的透視圖；圖4為說明根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式的圖3的單元電池和集流結(jié)構(gòu)體沿著單元電池的中心軸所取的的橫截面圖；圖5為說明根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式的覆蓋在金屬集流體和單元電池的外周上的輔助集流體的透視圖；和圖6為說明根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式的圖5的單元電池和集流結(jié)構(gòu)體沿著單元電池的中心軸所取的的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式在下面的詳細(xì)描述中，已簡單地通過圖解顯示和描述了本發(fā)明的僅一些示例性實(shí)施方式。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到的，所描述的實(shí)施方式可以各種不同的方式改變，全部都不脫離本發(fā)明的精神或范圍。因此，附圖和描述將被認(rèn)為在本質(zhì)上是說明性的且不是限制性的。另外，當(dāng)一個元件被稱為“在”另一元件“上”時，其可直接在所述元件上或者間接在所述元件上，其中一個或多個中間元件介于其間。而且，當(dāng)一個元件被稱為“連接至”另一元件時，其可直接連接至所述元件或者間接連接至所述元件，其中一個或多個中間元件介于其間。在下文中，相同的附圖標(biāo)記是指相同的元件。在下文中，將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施方式。相同的部件用相同的附圖標(biāo)記表
7J\ ο可比較的燃料電池包括用于將燃料重整以供應(yīng)重整燃料的燃料轉(zhuǎn)換器(重整器和反應(yīng)器)和燃料電池模塊。這里，燃料電池模塊是指包括用于通過電化學(xué)方法將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電和熱能的燃料電池堆的組件。例如，燃料電池模塊包括燃料電池堆，燃料、氧氣、 冷卻水和排放的材料移動通過其的管道系統(tǒng)，由所述堆產(chǎn)生的電移動通過其的配線線路， 用于控制或監(jiān)控所述堆的部件、和用于在所述堆不正常地工作時采取糾正措施的部件。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式，提供待結(jié)合到外部傳導(dǎo)線的用于傳輸由單元電池通過氧化反應(yīng)產(chǎn)生的電子的集流體和單元電池的結(jié)構(gòu)體。在下文中，將更詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施方式。單元電池100示于圖1和2中。圖2為沿著線V1-V1，所取的截面圖。單元電池100可由中空圓柱體或中空多邊柱體形成，如圖1中所示。另外，單元電池100被分為從中心軸向外側(cè)沿著該中空圓柱體的徑向方向布置的三個層。內(nèi)層101和外層103為電極層且電解質(zhì)層102設(shè)置于兩個電極層之間。這里，根據(jù)預(yù)期的應(yīng)用，在內(nèi)層 101上可形成陽極且在外層103上可形成陰極，或者，相反，在外層103上可形成陽極且在內(nèi)層101上可形成陰極。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式，兩種情況都包括。另外，如果必要，在所述三個層之間可進(jìn)一步設(shè)置中間層。所述中間層可通過將兩個相鄰層的組分混合形成且可對所述兩個層的粘著力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性作貢獻(xiàn)。集流體110由將纏繞在單元電池100的外周周圍的線形成。由于根據(jù)本發(fā)明的集流體110主要由金屬形成，集流體110可以多種合適的形式設(shè)置在所述單元電池的外部且不限于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的傳導(dǎo)線的形式。即，在與圖3中所示實(shí)施方式不同的實(shí)施方式中，集流體110可由金屬材料網(wǎng)形成。集流體110的材料包括基于陶瓷的材料和基于金屬的材料。由于所述各材料具有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，通常，使用具有適于預(yù)期應(yīng)用的特性的材料。主要用作固體氧化物燃料電池(SOFC)集流體110的材料的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)總結(jié)于下表1中。表 權(quán)利要求
1.具有復(fù)合集流體的燃料電池模塊，包括中空的圓柱形單元電池，其包括布置在該中空的圓柱形單元電池的徑向方向上的第一電極層、電解質(zhì)層和第二電極層；由位于所述第二電極層外周上的金屬材料網(wǎng)或傳導(dǎo)線形成的集流體；和包括位于所述集流體表面上的陶瓷材料粉末的多個輔助集流體。
2.如權(quán)利要求1中所述的燃料電池模塊，其中所述輔助集流體的所述陶瓷材料粉末的陶瓷顆粒相互連接在一起以容許電子在它們之間移動。
3.如權(quán)利要求1中所述的燃料電池模塊，其中所述集流體的直徑為0.5mm或2mm或在 0. 5mm與2mm之間。
4.如權(quán)利要求1中所述的燃料電池模塊，其中所述集流體包括選自Ag、基于鐵氧體的 Fe-Cr金屬、基于Ni的合金、和基于Cr的合金的至少一種。
5.如權(quán)利要求1中所述的燃料電池模塊，其中所述輔助集流體包括基于LaCrO3的陶ο
6.如權(quán)利要求5中所述的燃料電池模塊，其中所述輔助集流體具有30%或50%或在 30%與50%之間的孔隙率。
7.如權(quán)利要求1中所述的燃料電池模塊，其中所述第二電極層為陰極，和其中所述輔助集流體包括基于LaMnO3的陶瓷和/或基于LaCoO3的陶瓷。
8.如權(quán)利要求7中所述的燃料電池模塊，其中所述輔助集流體具有小于或等于50%的孔隙率。
9.如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)中所述的燃料電池模塊，其中所述輔助集流體還位于所述第二電極層的外周上。
10.在集流體纏繞在其周圍的中空的圓柱形單元電池中形成如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)中所述的輔助集流體的方法，包括加工陶瓷材料以形成粉末；將所述陶瓷材料粉末施加到所述集流體的表面上；和在500°C或600°C或在500°C與600°C之間的溫度下進(jìn)行熱處理以使所述陶瓷材料粉末固結(jié)到所述集流體的表面上。
11.如權(quán)利要求10中所述的方法，其中，在將所述陶瓷材料粉末施加到所述集流體的表面上中，將所述粉狀陶瓷材料粉末進(jìn)一步施加到所述中空的圓柱形單元電池的第二電極的外周。
全文摘要
具有復(fù)合集流體的燃料電池模塊包括中空的圓柱形單元電池，其包括布置在該中空的圓柱形單元電池的徑向方向上的第一電極層、電解質(zhì)層和第二電極層；包括位于所述第二電極層外周上的金屬材料網(wǎng)或傳導(dǎo)線的集流體；和包括位于所述集流體表面上的陶瓷材料粉末的多個輔助集流體。
文檔編號H01M8/10GK102479964SQ20111035666
公開日2012年5月30日 申請日期2011年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月19日
發(fā)明者徐晙源, 權(quán)鎬真, 李承泰, 金潺岱 申請人:三星Sdi株式會社