[发明专利]多孔金属或金属合金制成的基底，其制备方法，以及具有包含这种基底的金属载体的HTE或者SOFC电池

说明书

技术领域

本发明涉及由多孔金属或金属合金制成的基底。

本发明进一步涉及用于通过压制-烧结来制备这种基底的方法。

本发明最后涉及高温电解电池(“HTE”)或高温燃料电池(“SOFC”或“固体氧化物燃料电池”)，更具体而言是具有包含所述基底的金属载体的高温电解池电池或高温燃料电池(“MSC”或“金属负载的电池”)。

本发明的技术领域由此可以一般定义为新能源技术的领域，更具体而言定义为高温电解电池和高温燃料电池，甚至更具体而言，定义为具有金属载体的高温电解电池和高温燃料电池的领域。

背景技术

第一代高温电解电池或高温燃料电池，包含由电解质形成的载体并由此命名为电解质-负载电池(“ESC”)。这种电解质负载电池如图1中所示：氧O₂电极(1)和氢或水电极(2)位于构成载体(3)的厚电解质的任一侧。

第二代高温电解电池或高温燃料电池，包含由电极形成的载体而在“SOFC”术语学中命名为阳极(Anode)负载电池(“ASC”)或在“HTE”术语学中命名为阴极(Cathode)-负载电池(“CSC”)。这种电极负载的电池“ASC”或“CSC”如图2中所示：电解质(3)和氧电极(1)位于用作载体的厚的氢或水电极(2)之上。

第三代高温电解电池或高温燃料电池中，我们对其中尤其更感兴趣是包含了一种多孔金属载体并由此命名为金属负载的电池(“MSC”)。这种金属负载的电池可以依据两种构造而出现，这两种构造分别如图3A和3B所示，这要根据与多孔金属载体接触放置的电极是氢或水电极(2)(图3A)还是氧电极(1)(图3B)而定。关于“HTE”和“SOFC”的这些不同类型的更详细细节可以在文献[1]中找到。

在图3A和3B中所示的金属负载的电池包括四层(包括一个金属层和三个陶瓷层)，即：

-多孔金属载体(4)，一般具有小于1mm的厚度，其确保：

○通过其机械性能和其厚度而对电池的机械支撑作用，

○从电化学反应的角度通过其孔隙率直至(达到)电极的气体分布，

○通过其金属导电性质的电流集流，

-对于SOFC是阳极而对于THE是阴极的H₂/H₂O电极(2)。通过金属载体(4)的方式，这种电极可以制作得更薄，例如厚度小于50μm，其抗氧化还原循环的能力由此更好而其成本更低；

-电解质(3)，O^2-离子的离子导体。电解质(3)可以制作得更薄，例如厚度小于10μm，其工作温度可以由此降低；

-O₂电极(1)，对于SOFC是阴极而对于THE是阳极。这种电极(1)可以制作得更薄，例如厚度小于50μm。

在文献[2]和[3]中提及了制作多孔金属载体的不同类型的金属材料。首先，这些都是通过标准的传统的冶金学生产的金属合金并随后通过粉末冶金学而生产的合金，这都描述于这些文献中而作为生产金属载体的较好候选物[2-3]。

在这些载体上通过真空等离子体沉积方法(VPS，或真空等离子体喷雾)沉积陶瓷层(阳极，电解质，阴极)，这些沉积方法并不需要任何在高温下的烧结步骤[2-3]。

制作多孔材料的方法在这些文献中并无描述，而多孔结构以及可选地具有孔隙率梯度的孔隙率的优化，也未提及。

另外，多孔金属载体的部分氧化既没描述也没有在文献[2]和[3]中给出启示。

在文献[5]～[8]中，描述了多孔金属载体。设想了两种选择，用于随后将陶瓷层沉积于该载体上：

-要么陶瓷层沉积于“生的”金属载体上，即未烧结，而载体以及陶瓷层的组装随后在高温下共烧结，但是在还原性气氛下以避免金属载体发生显著氧化；

-要么陶瓷层沉积于已经烧结的金属载体上而随后独立地烧结，这应该在较低温度下完成，毋庸置疑是为了避免金属氧化及其致密化作用。

沉积陶瓷层的技术大多数是传统湿法技术如带式浇铸或丝网印刷(strip casting或screen printing)。

根据文献[4]，多孔金属载体可以通过带式浇铸而进行生产[4]。

文献[8]报道了通过等静压压制而制作的管式多孔金属载体，毋庸置疑是因为管式结构并不容许采用带式浇铸。

文献[4]～[8]并未提及任何微孔结构的优化，或无论采用什么技术可选具有孔隙率梯度的孔隙率的优化。文献[4]～[8]并未提及其使用之前多孔金属载体的任何初步部分氧化步骤(预氧化)。