[发明专利]用于具有高功率和高机械强度的低成本的电解质负载型高温燃料电池的电解质

说明书

技术背景

开发具有高功率和高机械强度的电解质负载型燃料电池的一个动机在于，这种燃料电池能用于固定式和移动式发电，例如用于地面车辆中，用于航天中，与储氢材料(例如金属氢化物)组合用作最大负荷为兆瓦级的发电站，用作民用能源领域中的功率-加热系统。

本发明属于高温燃料电池技术领域。燃料电池是高效地将化学能直接转化成电能的电化学电池。与常规发电站和涡轮技术相比，燃料电池技术即使在0.1-1000千瓦范围的小型设备中也能提供高的电能效率。

燃料电池中利用的最常见的化学反应是氢和氧之间的反应。与低温燃料电池(如聚合物电解质膜燃料电池)相比，高温燃料电池提供以下优点，在阳极的适当催化活性条件下，这种电池不仅能转化氢，还能转化一氧化碳和/或甲烷和高级烃，这种转化是直接的，或者适当时，在利用水或大气氧进行简单重整之后，产生富含氢和富含一氧化碳的燃料气体，再转化成电能。

在高温燃料电池中，利用陶瓷膜将阳极和阴极反应隔开，这是电池组和燃料电池之类电化学能量转化器的常规做法，所述陶瓷膜被称为电解质，必须是电绝缘的，但是能传导氢离子或氧离子。本发明为高温燃料电池提供了一种电解质，该电解质基于氧离子导体，被称为固体氧化物电解质，本发明还提供了一种电解质负载型固体氧化物燃料电池(SOFC，固体氧化物燃料电池)，该燃料电池基于这种电解质，可以通过向该传导氧离子的电解质施加阳极和阴极而获得，所述阳极对于氢的氧化反应是电催化活性的，所述阴极对于氧的还原反应是电催化活性的。

单独一个高温燃料电池产生约1伏的最大开路或零负荷电压，所以必须串联(即，阳极连阴极；即，双极的)多个单独的电池，即形成堆栈，从而形成可用于产生能量的等于或大于12伏的电压。在燃料电池栈的单独的电池之间插入互连件，也称为双极板，从而提供阳极和阴极的气体空间的必要分隔，并且以导电方式紧密连接各电池从而使电流通过该电池栈成为可能。出于成本的原因，同时出于可操作性(加热行为，热质量)的原因，期望使用0.2-0.5毫米厚度的金属双极板材料。金属材料的选择受到许多要求的限制，包括耐腐蚀性、钝化层的导电性、以及与陶瓷电池的热膨胀行为的匹配。

已知的合适金属材料是通过熔融冶金制造的铁素体钢(如来自萨斯克姆(ThyssenKruppVDM)的Crofer22APU)，通过粉末冶金制造的Fe-Cr合金(如来自皮乐尼(Plansee)的ITM合金)，或通过粉末冶金制造的Cr-Fe基合金(如来自皮乐尼(Plansee)的Ducrolloy)。后者的缺点在于，采用现有制造技术无法生产通常要求的厚度小于1.5毫米的双极板；优点在于，这些材料即使在950℃条件下也是耐腐蚀和具有机械强度的。可以有利地对铁素体合金进行加工，制造厚度通常为0.3-0.5毫米的薄板；但是，这些材料的缺点在于，它们只能在最高850℃的条件下保持耐腐蚀性。

CrFe基合金主要含铬(例如对于西门子(Siemens)/皮乐尼(Plansee)材料，95％铬，5％铁)。CrFe基合金只能通过粉末冶金制造；它们通过压制粉末而成形，不能通过切削机加工也不能通过冷作成形(例如通过弯曲，深拉等)，原因是它们太脆。

铁素体Fe-Cr合金(具有25％的最大铬含量)可以通过与钢类似的熔融冶金制造(例如通过真空熔融)，因此可以轧制成板，通过切削机加工并通过冷作成形。

作为熔融冶金制造法的替代，铁素体Fe-Cr合金还能通过粉末冶金制造，例如通过压制和烧结。制得的铁素体Fe-Cr合金具有与通过熔融冶金制得的铁素体钢类似的性质；但是由于制造方法的原因，所制得的并不是钢。

通过熔融冶金和粉末冶金制造的适合用作SOFC双极板材料的Fe-Cr合金的特征在于，其热膨胀系数(TEC；以下报道的所有值都在30℃的参比温度条件下)为，800℃时为11.8-12.2×10^-6开^-1，200℃时为10.6-10.7×10^-6开^-1。CrFe基合金具有以下热膨胀系数，800℃时为10.1×10^-6开^-1，200℃时为8.9×10^-6开^-1。由于必须在双极板和陶瓷电池之间获得牢固结合，所以期望双极板和陶瓷电池的热膨胀系数之间的差距非常小。

陶瓷燃料电池可大致分成电解质类，阴极类，阳极类和第三材料负载类电池。另外，从几何学角度考虑，可分成管状和平面状电池。