[发明专利]使用金属陶瓷电解质的阳极支撑的固体氧化物燃料电池无效

专利信息
申请号: 200480035824.7 申请日: 2004-12-01
公开(公告)号: CN101107740A 公开(公告)日: 2008-01-16
发明(设计)人: 凯纳·芬纳蒂;大卫·科英布拉 申请(专利权)人: 纳米动力公司
主分类号: H01M8/00 分类号: H01M8/00;H01M4/00;H01M8/10;H01M8/08;H01M4/86;H01M4/88
代理公司: 中原信达知识产权代理有限责任公司 代理人: 郭国清;樊卫民
地址: 美国*** 国省代码: 美国;US
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摘要:
搜索关键词: 使用 金属陶瓷 电解质 阳极 支撑 固体 氧化物 燃料电池
【说明书】:

发明领域

本发明通常涉及燃料电池,更具体地说,涉及阳极支撑的固体氧化物燃料电池或SOFCs,和制造方法,其中通过应用新型金属陶瓷电解质,该燃料电池具有增强的包括电化学性能的物理性能。

背景技术

已经开发了几种不同的固体氧化物燃料电池结构设计,包括管状的,平面的和单片的设计,所有的在技术文献中都有案可查(例如,Q.M.Nguyen et al.,″Science and Technology of Ceramic Fuel Cells″,Elsevier Science,Jan.1995)。管状的SOFC设计来源于与平面燃料电池组相联系的焊接问题(见G.Hoogers,″Fuel Cell Technology Handbook″,CRC Press,Aug.2002)。典型的管状SOFC包括用于传导氧-离子的陶瓷膜,在其上沉积的空气电极(即阴极)和燃料电极(即阳极)。在阴极氧转化为氧离子,其扩散通过该膜,并在阳极与燃料反应。然后在阳极产生的电子通过外部载荷迁移到接通电路。

通常遵循三种类型的构造,以形成上述的结构设计:

a)电解质-支撑的,其中致密的电解质被用作载体,在该层的每侧施加阳极和阴极(见Aitken等人的美国专利5,273,837和Badding等人的美国专利6,428,920;

b)空气电极-支撑的(如阴极-支撑的),其中多孔掺杂的亚锰酸镧基质形成阴极,其涂覆有气密的电解质层,随后涂覆阳极层(见,例如,Carlson et al.的美国专利5,108,850;及Isenberg的美国专利5,989,634;和

c)燃料电极-支撑的(如阳极支撑的),其中金属陶瓷阳极载体涂覆有电解质层薄膜,随后涂覆阴极层(见Divisek et al.的美国专利5,998,056,及Kim et al.的美国专利6,228,521)。

为得到更高的效率和/或更低的工作温度,电解质-支撑的SOFC的电解质层必须是致密的,气密的和非常薄的(优选几微米)。在多孔电极基质(或者阴极或者阳极)上沉积薄的电解质薄膜的技术目前正在开发(见H.P.Buchkremer et al.,″Advances in Manufacturing andOperation of Anode,Supported SOFC Cells and Stacks″,Proceedings ofthe Third European Solid Oxide Fuel Cell Forum,June 1998,p.143-149)。

授予Siemens Westinghouse Power Corp.,Orlando,FL的很多专利公开所谓的空气电极-支撑的(AES)技术(见例如,Ruka等人美国专利5,916,700;和Borglum等人的美国专利;和Borglum等人的美国专利6,379,485)。尽管在管状的SOFC领域得到显著的工艺成就,阴极-支撑的燃料电池具有几种缺点。尤其是,阴极材料,掺杂有锶的亚锰酸镧,是非常昂贵的。由陶瓷材料组成的阴极他们的强度低于由金属陶瓷制成的,即,陶瓷和金属的复合物。典型的阴极-支撑的SOFCs经济上没有优势,因为需要大量投资的沉淀方法,比如电化学的气相沉积(见Carlson等人的美国专利5,108,850和Isenberg的美国专利5989634)。

因此,阳极支撑的SOFCs逐渐得到注意,因为它们可以低成本制造同时维持高的机械结构强度和提供大功率密度(见Song等人的美国专利6,436,565)。然而,阳极支撑的SOFCs仍存在缺乏优良的电化学性能和结构可靠性的缺点。这主要是由于阳极金属陶瓷和常规的陶瓷电解质之间的热膨胀系数不匹配,这在制造时,或在操作的时候可导致电池故障。

因此,需要改进的,易于适应和经济的SOFCs,和制造在操作条件下具有优良的物理和电化学性能的阳极支撑的SOFC的方法。

发明内容

本发明广泛地涉及固体氧化物燃料电池(SOFC),其包括内部燃料电极(阳极)作为载体,中间的金属陶瓷电解质,和外部的空气电极(阴极),其中金属陶瓷电解质包括分散于整个陶瓷材料的较少的金属相。本发明的一方面,SOFC也可以包括电极集电器。

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