[发明专利]具有致密阻挡层的固体氧化物燃料电池

说明书

技术领域

总体而言，本发明涉及固体氧化物燃料电池或其它多层多孔陶瓷装置，具体而言，涉及减少此类装置中的漏气的致密阻挡层。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)为通过化学反应发电的装置。图1示出了包括阴极层102、阳极层106和电解质层104的常规SOFC子电池。燃料电池通常以其电解质材料为特征，其中SOFC具有固体氧化物或陶瓷电解质。

在SOFC的运行过程中，氧化剂(通常是空气)通过由阴极102限定的多个空气通道120进给，而燃料如氢气(H₂)通过由阳极106限定的多个燃料通道121进给。氧化剂通道和燃料通道可相对于彼此以直角取向。阳极层和阴极层由电解质层104分开。在运行过程中，氧化剂在阴极处被还原为氧离子。这些氧离子可然后扩散通过固体氧化物电解质到达阳极，在这里，它们可以电化学方式氧化燃料。在此反应中，将放出水副产物以及两个电子。这些电子被输运通过阳极到达外电路(未示出)并然后返回阴极，从而在外电路中提供电能的源。

外电路中电子的流动通常提供大约1.1伏特的电势。为生成更大的电压，燃料电池通常布置为由大量的一个一个电池构成的“层叠体”，紧邻的电池之间有着“互连的”连接和传导电流。如下文中更详细地描述，图2中示出的层叠体设计为平板或“平面”SOFC，其中两个单独的“电池”示意为以重复的序列布置。电池由互连208、216分开，互连208、216用来串联地连接每一个电池以便可合并每一个电池生成的电。

燃料电池制造中一个持续的挑战在于防止在燃料电池内和从燃料电池漏气。漏气因若干原因而成问题。为获得一定的功率，需要氧对氢的化学计量比大于或等于一。若在空气侧上有严重的泄漏，则氢的量可能相对于氧过量并且燃料电池的性能将变差。氢或其它燃料气体泄漏可能因爆炸的危险性而甚至更显著。此外，如果漏氢与阴极材料接触，则阴极自身可能因氢还原而永久地受损。这将不仅损害阴极层的电性质，而且可能导致阴极层的体积膨胀(溶胀)，这可能导致层叠体的完全失效。最后，燃料或氧化剂的泄漏可能分别减小燃料利用率或空气利用率。

因此，需要具有减少的漏气的改进的固体氧化物燃料电池层叠体。

发明内容

本发明总的涉及具有致密阻挡层的固体氧化物燃料电池，所述致密阻挡层形成在燃料电池层叠体中顶部和底部电极层的外表面处或附近。致密阻挡层(DBL)起到密封的作用以防止电极层中的气体(阴极层中的空气或阳极层中的燃料气体)通过最外电极层的外表面从层叠体泄漏出。DBL与多孔外阴极层一起使用将减少逃逸出层叠体的空气的量，这继而可减少层叠体内低氧分压区域的存在。这将防止因阴极材料的还原所致的阴极损坏。当与阳极层一起使用时，DBL将增大燃料向电极中的所需流动并还有助于防止燃料气体在层叠体外可能不安全的积聚。

前面已相当广义地罗列了本发明的特征和技术优势以便随后的本发明详细描述可得到更好的理解。本发明的其它特征和优势将在后文描述。本领域技术人员应理解，所公开的概念和具体实施例可容易地用作改变结构或设计其它结构以实施本发明的相同目的的基础。本领域技术人员还应认识，这样的等价构造不偏离如附随的权利要求书中所陈述的本发明精神和范围。

附图说明

参考附图，本发明可得到更好的理解，并且其众多特征和优势对于本领域技术人员将显而易见。

图1示出了固体氧化物燃料电池中的单个子电池。

图2示意了典型的固体氧化物燃料电池层叠体的一个示例性实施例。

图3为图示，示出了现有技术燃料电池中通过顶部和底部电极的气流。

图4为图示，示出了根据本发明的实施例的燃料电池中通过顶部和底部电极的气流。

图5为根据本发明的实施例具有致密阻挡层的两电池层叠体的照片，所述致密阻挡层形成在顶部和底部阴极层内。

图6a、6b和6c为致密阻挡层(DBL)和沿DBL的长度上不同位置处所取阴极本体层的抛光横截面的图像。

图7为比图8相对较薄的DBL的抛光横截面的图像。

图8为比图7相对较厚的DBL的抛光横截面的图像。

图9为夹层构型中DBL和过渡层的抛光横截面的图像。

附图非意在按比例绘制。在附图中，不同的图中示意的每一个相同或接近相同的部件由相似的数字表示。出于清楚的目的，不是每一个部件都可在每一个附图中有标识。

具体实施方式