[发明专利]固体氧化物燃料电池电极表面的活化

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及陶瓷表面，陶瓷电解质，和具有基本无表面偏析的杂质 (segregated impurity)和钝化物(passivating species)的电解质和/或电极 表面的固体氧化物燃料电池。

技术背景

近些年来固体氧化物燃料电池(SOFC)已成为很多研究的课题。固体氧化物 燃料电池在一定温度下，如约700至约1000℃，通过燃料的电化学氧化作用将 燃料中的化学能如氢和/或烃转化为电。传统的SOFC具有夹在阴极层和阳极层 之间的传导氧离子的电解质层。在阴极上还原分子氧并与电解质结合，其中氧 离子通过电解质的传送与例如氢在阳极反应生成水。

理论上，燃料电池如固体氧化物燃料电池与传统内燃机相比能提供更高的 能量转换效率；但迄今为止已开发的固体氧化物燃料电池的功率密度还未达到 理论目标。可能限制固体氧化物燃料电池功率密度的一个方面是制作燃料电池 所用材料(如电解质和/或电极材料)的电阻。可能限制固体氧化物燃料电池 功率密度的另一个方面是电极的极化电阻。例如固体氧化物燃料电池的阴极会 表现出高极化电阻，部分原因是由于发生氧还原反应的电极表面存在表面偏析 的污染物、杂质和/或钝化物。

固体氧化物燃料电池的高工作温度也可能导致包含在燃料电池构建材料 中的污染物、杂质和/或钝化物的移动。经过一段时间，这些污染物、杂质和/ 或钝化物会在电极和电解质的表面偏析，进一步增高极化电阻并降低固体氧化 物燃料电池的功率密度。

因此需要解决固体氧化物燃料电池的功率密度，燃料电池材料中污染物、 杂质和钝化物的存在和表面偏析作用和与固体氧化物燃料电池及制造和操作 固体氧化物燃料电池的方法有关的其它缺点。本发明的制品、装置和方法满足 了这些和其它需要。

发明概述

本发明涉及具有基本上无表面偏析的杂质和/或钝化物的电解质和/或电 极的陶瓷表面、陶瓷电解质和固体氧化物燃料电池。本发明通过采用新的清洁 方法和电极表面活化方法解决了上文所述的至少一部分问题。

在第一个实施方式中，本发明提供一种包含至少一个表面的陶瓷电解质， 其中至少一个表面的至少一部分基本上无偏析的杂质。

在第二个实施方式中，本发明提供一种具有至少一个活性表面的固体氧化 物燃料电池电极，其中至少一个活性表面的至少一部分基本上无偏析的杂质。

在第三个实施方式中，本发明提供一种固体氧化物燃料电池，所述电池包 括：各自具有活性表面的阳极和阴极；和具有表面的电解质；其中所述每个阴 极活性表面、阳极活性表面和电解质表面的至少一部分基本上无偏析的杂质。

在第四个实施方式中，本发明提供一种包含至少一个表面的陶瓷制品，其 中至少一个表面的至少一部分基本上无偏析的杂质。

在第五个实施方式中，本发明提供一种方法，用于从组装或未组装的固体 氧化物燃料电池组件的活性表面的至少一部分中除去至少一部分偏析的杂质， 所述方法包括所述活性表面的至少一部分与清洁剂接触，其中所述接触在足以 除去基本上所有的所述至少一部分偏析的杂质的时间和温度下进行。

本发明的其它实施方式和优点将在随后的说明书、附图和任一权利要求中 详细说明，也可从详细的说明书或本发明的实施中得到。下述优点可从所附的 权利要求书所要求保护的方法和组合中了解得到。应理解无论前文的概述还是 以下的具体描述是示范性的，仅作为解释并不限制本发明所公开的内容。

附图简要说明

插入附图作为说明书的一部分示出了本发明的几种实施方式，并结合说明 书用于解释而不限制本发明的原理。附图中同样的数字代表同样的含义。

附图1示出了X射线光电子能谱数据，描述了依照本发明的多种实施方式， 在室温下烧制制得的(as-prepared)电解质和HF清洁后同样的电解质的硅2p光 谱。

附图2示出了依照本发明的多种实施方式，对于由LSM/3YSZ阴极、Ni/8YSZ 阳极打印的3YSZ电解质网(screen)和Ag基集电器组成的装置在空气和30％氢气 条件下操作，在0.7伏特下测量超过100小时得到的电流密度。