用于固體氧化物燃料電池的粘結(jié)層的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開通常涉及固體氧化物燃料電池或其他多層多孔陶瓷裝置，并特別地涉及用以將燃料電池堆接合在一起的粘結(jié)層。
【背景技術(shù)】
[0002]固體氧化物燃料電池(SOFC)為通過化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電的裝置。圖1顯示了常規(guī)SOFC電池，其包括正極層102、負(fù)極層106和電解質(zhì)層104。燃料電池通常特征在于它們的電解質(zhì)材料，且SOFC具有固體氧化物或陶瓷電解質(zhì)。
[0003]在SOFC的操作過程中，氧化劑(通常為空氣)被供給通過由正極102限定的多個(gè)空氣通道120，而燃料(如氫氣(H2))被供給通過由負(fù)極106限定的多個(gè)燃料通道121。氧化劑通道和燃料通道可相對(duì)彼此以直角取向。負(fù)極層和正極層由電解質(zhì)層104分隔。在操作過程中，氧化劑在正極被還原成氧離子。這些氧離子可隨后擴(kuò)散通過固體氧化物電解質(zhì)至負(fù)極，在負(fù)極處，這些氧離子可電化學(xué)氧化燃料。在該反應(yīng)中，放出水副產(chǎn)物以及兩個(gè)電子。這些電子被傳輸通過負(fù)極至外部電路(未顯示)，然后回到正極，從而在外部電路中提供電能源。在外部電路中的電子流動(dòng)通常提供大約1.1伏特的電勢。
[0004]為了產(chǎn)生更大的電壓，串聯(lián)組合大量的單個(gè)電池(每個(gè)電池由負(fù)極和正極組成，所述負(fù)極和正極由電解質(zhì)層分隔)，從而可組合每個(gè)電池所產(chǎn)生的電力。在制造過程中，通常希望將多個(gè)電池組合成更大的單元(為了便利，在本文稱為“電池單元”)。圖2示出了固體氧化物燃料電池單元的一個(gè)示例性實(shí)施例。圖2的電池單元包括六個(gè)單獨(dú)的如圖1所示的電池(231、323、233、234、236和236)。如在圖1中所示的電池中那樣，被組合以形成圖2的電池單元的單獨(dú)的電池中的每一個(gè)包括由電解質(zhì)層204分隔的正極層202(具有空氣通道220)和負(fù)極層206(具有燃料通道221)。使用互連層208組合單獨(dú)的電池?？呻S后將這些具有特定功率輸出的單獨(dú)制造的單元組合在一起，以產(chǎn)生具有幾乎任何所需的總功率輸出的燃料電池堆。所需數(shù)量的單獨(dú)的電池單元堆疊在彼此的頂部并粘結(jié)在一起，以產(chǎn)生最終的固體氧化物燃料電池堆。
[0005]用于連接單獨(dú)的電池單元的粘結(jié)材料應(yīng)該在燃料電池堆所承受的整個(gè)溫度范圍內(nèi)是電連接的、透氣的、機(jī)械性強(qiáng)的且熱穩(wěn)定的。由于固體氧化物燃料電池堆的高要求操作條件，已證實(shí)滿足這些要求的理想粘結(jié)材料是難以捉摸的。
[0006]因此，需要用于將單獨(dú)形成的電池單元接合在一起以產(chǎn)生固體氧化物燃料電池堆的改進(jìn)的粘結(jié)層。
【附圖說明】
[0007]通過參照附圖，本公開可更好地得以理解，且本公開的許多特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。
[0008]圖1顯示了固體氧化物燃料電池中的單個(gè)電池。
[0009]圖2示出了固體氧化物燃料電池單元的一個(gè)示例性實(shí)施例。
[0010]圖3顯示了由三個(gè)固體氧化物燃料電池單元的組合所獲得的固體氧化物燃料電池堆。
[0011]所附附圖不旨在按比例繪制。在附圖中，在各個(gè)圖中示出的每個(gè)相同或接近相同的部件由相同的數(shù)字表示。為了清楚的目的，在每個(gè)附圖中并未標(biāo)記每個(gè)組件。
【具體實(shí)施方式】
[0012]本公開可用于固體氧化物燃料電池(SOFC)體系中。SOFC提供了以低排放和低噪音操作而高效率發(fā)電的可能性。它們也提供了電效率、聯(lián)產(chǎn)效率和燃料加工簡單性的有利組合。SOFC的用途的一個(gè)例子是在家中或其他建筑物中。SOFC可使用與用于加熱住宅相同的燃料，如天然氣。SOFC體系可運(yùn)行長時(shí)間以發(fā)電，從而為住宅供電，如果產(chǎn)生過量，則可將過量的電銷售給電網(wǎng)。而且，SOFC體系中產(chǎn)生的熱量是高品質(zhì)的，因此可用于提供用于住宅的熱水。SOFC可特別地用于供電不可靠或不存在的區(qū)域中。
[0013]為使固體氧化物燃料電池運(yùn)行，致密電解質(zhì)層必須分隔兩個(gè)多孔電極。電極為電導(dǎo)體，且必需從電池收集直流電。在圖1的特定實(shí)施例中，電極102為正極，電極106為負(fù)極。一個(gè)負(fù)極106和一個(gè)正極102由電解質(zhì)104分隔的設(shè)置在本文稱為電池。
[0014]在下述制造過程中，通常希望將多個(gè)電池組合成更大的單元(為了便利，在本文稱為“電池單元”)。電池在彼此頂部堆疊，并經(jīng)由電互連層連接，以形成具有某個(gè)功率輸出的單獨(dú)制造的電池單元。電導(dǎo)互連層在每一對(duì)相鄰電池的負(fù)極層與正極層之間形成以串聯(lián)連接電池，從而可組合每個(gè)電池所產(chǎn)生的電力。圖2示出了具有六個(gè)單獨(dú)的正極-負(fù)極電池(231-236)的固體氧化物燃料電池單元的一個(gè)示例性實(shí)施例，每個(gè)正極-負(fù)極電池具有由電解質(zhì)層204分隔的正極層202(具有空氣通道220)和負(fù)極層206(具有燃料通道221)。在特定實(shí)施例中，互連層208將一個(gè)電池的負(fù)極206連接至相鄰電池224的正極202。
[0015]可隨后將這些具有特定功率輸出的單獨(dú)制造的單元組合在一起，以產(chǎn)生具有幾乎任何所需的總功率輸出的燃料電池堆。所需數(shù)量的單獨(dú)的電池單元堆疊在彼此的頂部并粘結(jié)在一起，以產(chǎn)生最終的固體氧化物燃料電池堆。
[0016]圖2中的電池單元顯示為具有六個(gè)電池。實(shí)際上，燃料電池堆可具有適用于堆的特定工作的電池單元數(shù)量，每個(gè)電池單元可具有適用于工作的電池?cái)?shù)量。如本文所述形成的典型的燃料電池具有大量的電池單元，每個(gè)電池單元具有多個(gè)電池。
[0017]每個(gè)多孔電極層也可包括通道220、221。取決于電極類型，氧化劑氣體或燃料氣體流動(dòng)通過通道，離子被傳輸經(jīng)過電解質(zhì)層。盡管更復(fù)雜的氣體(如分別的天然氣/丙烷和空氣)可供給至電池并在許多情況中供給至電池，但基本要求是僅有氫氣和氧氣。
[0018]參照圖2，在固體氧化物燃料電池的操作中，由電解質(zhì)204分隔負(fù)極206中的氧化劑氣體和正極202中的燃料氣體產(chǎn)生氧氣分壓梯度。該梯度使得氧離子被傳輸經(jīng)過電解質(zhì)204并與燃料反應(yīng)。所述方式可被重復(fù)多次，以形成具有大量單獨(dú)的電池單元和電池的堆。
[0019]相鄰的堆疊電池必須被結(jié)合在一起并串聯(lián)電連接，從而可組合每個(gè)電池所產(chǎn)生的電力。增加電池?cái)?shù)量會(huì)增加堆的Z軸尺寸。堆的X軸和Y軸可獨(dú)立于Z軸而增加。
[0020]在一些情況中，可能希望一種類型的電極比另一類型的電極多一個(gè)。例如，有時(shí)希望使堆的兩個(gè)暴露的末端層為正極層，因?yàn)檎龢O層在空氣中穩(wěn)定，而負(fù)極層如果暴露于空氣則會(huì)氧化。這種設(shè)置在圖2的電池單元中顯示。有時(shí)也有利的是在堆的頂部和底部具有相同類型的電極層，從而在制造工程中存在對(duì)稱性。如本文使用的術(shù)語“頂部”和“底部”僅為了便利，因?yàn)槎芽梢砸匀魏畏较蛉∠?。術(shù)語“外部電極層”或“最外電極層”等在本文用于指堆中的第一電極層和最后電極層(在圖1和2的取向中的頂部和底部電極層)。
[0021]因此，在其他實(shí)施例(如圖2中所示的堆)中，正極層可比負(fù)極層多一層。因此，頂部電極層(在圖2的取向上)和底部電極層均為正極層。在其他實(shí)施例中，反之亦然，負(fù)極層比正極層多一層，使得頂部電極和底部電極均為負(fù)極層。圖2顯示了具有總共十三個(gè)電極層的實(shí)施例。電解質(zhì)204或互連208分隔每個(gè)相鄰的電極層對(duì)。
[0022]為了產(chǎn)生具有所需功率輸出的最終固體氧化物燃料電池堆，將適當(dāng)數(shù)量的具有特定功率輸出的單獨(dú)制造的電池單元組合在一起。在極簡單的實(shí)例中，如果制造的電池單元各自產(chǎn)生20瓦的功率輸出，且如果最終固體氧化物燃料電池堆的所需功率輸出為60瓦，則需要組合三個(gè)單獨(dú)制造的電池單元以產(chǎn)生所需功率輸出。圖3顯示了得自三個(gè)如圖2所示的電池單元(320a、320b、320c)的這種組合的結(jié)合的固體氧化物燃料電池堆310。
[0023]如下文詳細(xì)討論，用于將電池單元結(jié)合在一起的粘結(jié)層優(yōu)選在燃料電池堆所承受的整個(gè)溫度范圍內(nèi)是電連接的、透氣的、機(jī)械性強(qiáng)的且熱穩(wěn)定的。如本文所用的術(shù)語“粘結(jié)層”指用于將兩個(gè)相同類型的電極層連接在一起的材料層。換言之，根據(jù)本文描述的特定實(shí)施例的粘結(jié)層將來自一個(gè)電池單元的外部正極層連接至另一電池單元的外部正極層(正極至正極)?；蛘?，粘結(jié)層可連接來自相鄰電池單元的負(fù)極層(負(fù)極至負(fù)極)。因此，粘結(jié)層可區(qū)分于“互連層”，如本文所用的互連層指連接來自相鄰電池的不同類型的電極層的層(正極至負(fù)極)。
[0024]用于正極的材料可包括亞錳酸鑭材料。正極可由摻雜的亞錳酸鑭材料制得，從而將鈣鈦礦類型的晶體結(jié)構(gòu)提供給正極組成。因此，摻雜的亞錳酸鑭材料具有由式(LanAx)yMn03-s表示的一般組成，其中摻雜劑材料由“A”表示，并在鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的A位點(diǎn)上在材料內(nèi)替代鑭(La)。摻雜劑材料可選自堿土金屬、鉛，或原子比為約0.4至0.9埃之間的通常二價(jià)的陽離子。這樣，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，摻雜劑材料選自由如下組成的元素的組:Mg、Ba、Sr、Ca、Co、Ga、Pb和Zr。根據(jù)一個(gè)特定實(shí)施例，摻雜劑為Sr，正極層可包含通常稱為LSM的錳酸鑭鍶材料。
[0025]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，摻雜的亞猛酸鑭正極材料包含(Lai—xAx)yMn03-s，其中X不大于約
0.5，y不大于約1.0，La/Mn比不大于約1.0。摻雜的亞猛酸鑭組成內(nèi)的x值表不在結(jié)構(gòu)內(nèi)替代La的摻雜劑的量。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，X不大于約0.5，如不大于約0.4或0.3。而且，正極材料內(nèi)提供的摻雜劑的量可更少，使得X不大于約0.2或0.1，特別是在約0.4至0.05之間的范圍內(nèi)。