[发明专利]制造封闭端陶瓷燃料电池管的方法

说明书

按照由美国能源部授予的合同No.DE-FC21-91MC28055，美国政府对本发明具有一定的权利。

本发明涉及燃料电池，更具体地说，涉及一种制造用于固态氧化物燃料电池等的封闭端陶瓷管的方法。

燃料电池属于最有效的动力产生装置。一种类型的固态氧化物燃料电池(SOFC)发生器当用在其中涡轮燃烧器由SOFC代替的集成SOFC-燃烧涡轮动力系统中时，具有百分之70的设计净效率。

已知几种不同的燃料电池结构。例如，一种类型的固态氧化物燃料电池包括带有一个开放端和一个封闭端的内部多孔掺杂亚锰酸镧管，该管用作用于各电池的支撑结构，并且也是电池的阴极或空气电极(AE)。一层薄的气密三氧化物二钇稳定氧化物锆电解质除互连表面的较薄加肋之外覆盖着空气电极，这是一个掺杂镧亚铬酸盐的致密气密层。该加肋用作对于相邻电池、或者另外对于动力触点的电气接触区域。一个是阳极或燃料电极的多孔镍氧化物锆金属陶瓷层覆盖电解质，但不覆盖互连加肋。典型封闭端SOFC空气电极管具有约1.81m的长度、约2.2cm的直径，并且用在密封差的SOFC结构中。

示范燃料电池公开在授予Isenberg的美国专利No.4,431,715、授予Isenberg的No.4,395,468、授予Isenberg的No.4,490,444、授予Ruka的No.4,562,124、授予Ruka的No.4,631,138、授予Isenberg的No.4,748,091、授予Zymboly的No.4,751,152、授予Reichner的No.4,791,035、授予Pollack等的No.4,833,045、授予Reichner的No.4,874,678、授予Reichner的No.4,876,163、授予Reichner的No.4,888,254、授予Misawa等的No.5,103,871、授予Carlson等的No.5,108,850、授予Misawa等的No.5,112,544、授予Di Croce等的No.5,258,240、及授予Draper等的No.5,273,828中，其每一个通过参考包括在本说明书中。

用于工业用途的空气电极的封闭端的主要要求是，它具有与空气电极管壁的性质类似的性质，并且最好在大体积制造设施中能迅速构造。

通常情况下不同的技术用来形成空气电极管的封闭端。一种方法称作压制孔塞技术。这种过程包括通过挤压形成一根空气电极材料杆，把杆插入在一根干燥、未烧结的管中，及施加单轴载荷。这种技术的问题在于，施加到孔塞材料上的载荷必须足以实现孔塞与管材料之间的适当结合，但绝不要大到折断该管。该方法还要求受控干燥，以便使孔塞从壁上剥离和/或孔塞裂开的可能性最小。由该方法制成的孔塞还要求烧结堵塞端的加工。在用这种技术制成的管中最常见的问题是在孔塞/壁界面处的不良结合。而且，这种技术不能用来生产封闭端加肋管状空气电极，由于其潜在性能增强正在研究这种电极。

已经用来制造空气电极管的另外一种方法称作浇铸孔塞技术。这种方法包括把一个纤维素预制件插入到干燥、未烧结管中以便限定孔塞内部半径。一种包括AE颗粒的水基悬浮液的空气电极粉浆沉积或浇铸到预制件上。需要精确控制孔塞粉浆流变形态以保证重复性。该组件然后在受控湿度和温室中缓慢干燥，以防止孔塞从管壁上剥离或孔塞中裂纹的形成。一旦空气电极是干燥的，就把它烧结到希望密度，并且把堵塞端加工或磨削到适当的半球形半径和孔塞厚度。在用这种技术制成的管中最常见的问题是，在管壁与孔塞之间孔隙率的巨大差别、和在孔塞/壁界面处的不良结合。与这种技术有关的成品率问题使得它不是一种可行的工业选择。

也使用挤压封闭端技术生产诸管。这种技术利用一个限定封闭端外部半球形半径的可除去模具盖。借助于到位的该模具盖，挤压材料直到形成封闭端。然后把挤压压力减小到零，并且除去模具盖。挤压再次开始，直到得到要求的管长度。尽管这种技术是在过去方法上相对于封闭端均匀性的改进，但正是开始/停止挤压过程占用大量时间来进行。在大体积挤压制造操作中，与挤压载荷的重复施加和除去相反，通过连续流程提高挤压产品的均匀性和可重复性。使用这种多步骤挤压过程方法构造的封闭端不是最后形状，并且需要烧结后加工。另外，这种技术不能用来生产封闭端加肋管状空气电极。