[发明专利]用于SOFC阴极的各向异性的CTE LSM

说明书

相关申请

本申请要求于2009年12月31日提交的美国临时申请号61/335,085的权益。以上申请的全部传授内容通过引用结合在此。 

技术领域

燃料电池是一种通过化学反应来产生电能的装置。典型地，在燃料电池中，一种含氧的气体，如O₂，在阴极处被还原为氧离子（O^2-），并且一种燃料气体，例如H₂，在阳极被氧化，与氧离子形成水。在不同的燃料电池之中，固体氧化物燃料电池（SOFC）使用一种金属氧化物的硬质陶瓷化合物（例如钙或锆的氧化物）以形成燃料电池的部件，例如像，阳极、阴极、电解质、以及连接体。燃料电池一般被设计为堆叠体，由此将每个包括一个阴极、一个阳极、以及与该阴极与该阳极之间的一种固体电解质的多个子组件通过在一个子组件的阴极与另一个子组件的阳极之间定位一种电连接体进行串联组装。 

背景技术

一种SOFC电池设计包括五个层。这些层中的两个是较厚的层：阳极本体和阴极本体。较薄的电解质层以及较薄的功能阳极和阴极层包夹在这些本体层之间。典型地，薄层的厚度是该本体层厚度的仅仅约1/100。在共烧制的电池SOFC的应力产生中最重要的机理是从烧结温度（典型地1300°C-1400°C）冷却下来的步骤，这是由于这五个层的材料之间的热膨胀系数（CTE）不匹配。当这些层之间存在足够的CTE不匹配时，冷却或任何太快的温度变化可能引起该SOFC断裂并且因此失效。由于远远更大的厚度，该应力的大部分是由在阳极本体层与阴极本体层之间的CTE不匹配引起的。由于对于一种固定的几何设计，大多数的陶瓷示出了线性弹性应力应变行为直到在SOFC操作温度范围内失效，所以存在仅仅两种影响该热学不匹配应力的材料特性：这些材料的模量以及热膨胀系数。 

为了降低该热学不匹配应力，所希望的是使得SOFC的阴极以及阳极材料这两者具有与电解质的CTE尽可能接近的CTE，该电解质典型地是由氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）制造的。YSZ的典型CTE总体上在10.5·10^-6°C^-1 与11·10^-6°C^-1之间的范围内，这远远低于大多数的阴极的CTE。确切地说，尽管一种典型的阳极材料具有11.3·10^-6°C^-1的CTE，对于SOFC大多数通常使用的阴极材料是锰酸镧锶（LSM），La_0.2Sr_0.8MnO₃（LSM20/80），它具有在约12.2·10^-6°C^-1与约12.4·10^-6°C^-1之间范围内的CTE（室温与1200°C之间的平均CTE）。参见L.Kindermann等人，La-Sr-Mn-Fe-O钙钛矿的合成以及特性（Synthesis and properties of La-Sr-Mn-Fe-O perovskites），第3届欧洲固体氧化物燃料电池会议记录（Proceedings of the 3rd European solid oxide fuel cellforum）,1998,pp.123。LSM和YSZ材料的CTE之间的差值将会在SOFC中产生大的热不匹配。随着Sr的含量增加超过0.2，该LSM材料的CTE将进一步增加。同样地，另一方面，由于降低的电化学性能，经常所希望的是使用具有小于0.2的Sr含量的LSM。 

因此，存在一种需要来克服以上提及的问题或使其最小化。 

发明内容

本发明总体上是针对一种具有各向异性CTE的阴极以及一种用于形成固体氧化物燃料电池的各向异性CTE阴极的方法。