专利名称：低降级的相稳定性经掺杂氧化锆电解质组合物的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及燃料电池组件，且具体来说，涉及固体氧化物燃料电池电解质材料。
背景技术：
燃料电池为可以高效率将储存于燃料中的能量转化成电能的电化学装置。电解槽电池为可利用电能还原给定物质(例如水)以产生燃料(例如氢气)的电化学装置。所述燃料电池及电解槽电池可包括以燃料电池及电解模式两者操作的可逆电池。在高温燃料电池系统(例如固体氧化物燃料电池(SOFC)系统)中，氧化流通过燃料电池的阴极侧，而燃料流通过燃料电池的阳极侧。氧化流一般为空气，而燃料流可为烃类燃料，例如甲烷、天然气、戊烷、こ醇或甲醇。在介于650°C与950°C之间的典型温度下操作的燃料电池可将带负电的氧离子从阴极流物流输送到阳极流物流，其中所述离子与游离氢或烃分子中的氢结合形成水蒸气及/或与ー氧化碳结合形成ニ氧化碳。来自带负电离子的过剩电子通过阳极与阴极之间完整的电路回到燃料电池的阴极侧，从而产生通过电路的电流流。固体氧化物可逆燃料电池(SORFC)系统在燃料电池或放电模式下由燃料及氧化剂产生电能与反应产物(即，氧化燃料)且在电解或充电模式下利用电能产生燃料与氧化剂。经氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)SOFC电解质材料显示高氧离子导电率。一般来说，氧化锆掺杂有介于8与11摩尔％之间的氧化钪(Sc2O3)以使立方相氧化锆在650到850°C的高SOFC操作温度下稳定。然而，SSZ电解质材料存在两个问题1)在约580°C下，其显示立方相转变成菱形相，及2)离子导电率随时间推移缓慢减小，这称为老化。其它已显示与ー种第二稀土氧化物共掺杂的SSZ将阻止立方相转变成菱形相。举例来说，IOSclCe氧化锆(10摩尔%Sc203-l摩尔%Ce02-氧化锆)及IOSclY (I摩尔%Sc203_l摩尔％Y203-氧化锆)为不显示立方相转变成菱形相的共掺杂的氧化锆组合物的实例。然而，这两种氧化锆组合物仍发生老化(即，在800-850°C的SOFC操作温度下，离子导电率随时间推移缓慢减小)。虽然所述离子导电率随时间推移发生的老化降级的真实机理在科学文献中没有达成一致，但是，ー种假说为立方相不稳定且缓慢分解为具有较低离子导电率的四方相。所得材料由占主要的立方相与四方相小区域(例如，2到5nm)的两相混合物组成。如图I及2所示，IOSclCe氧化锆可显示四方相的模糊超晶格以及氧化锆的立方萤石结构
发明内容
本发明的一个实施例提供一种用于固体氧化物燃料电池的电解质及/或电极组合物，其包含利用以下稳定的氧化锆(i)氧化钪、( )氧化铈，及(iii)氧化钇及氧化镱中的至少ー者。优选氧化钇及氧化镱中至少ー者的存在量大于O且等于或小于2. 5摩尔％。本发明的另ー实施例提供一种用于固体氧化物燃料电池的经氧化钪稳定的氧化锆电解质组合物，其包括式(ZrO2) lTX_z (Sc2O3) w (CeO2) x (Y2O3) a (Yb2O3) b，其中0. 09 ^ w ^ 0. 11 ；0<x く 0. 025 ；a+b=z ;0 彡 z 彡 0· 025 ;ix+z 彡 0. 02。本发明的另ー实施例提供一种用于固体氧化物燃料电池的经氧化钪稳定的氧化锆电解质组合物，其包括式(ZrO2) h_x_z (Sc2O3) w(Ce02) x(Y203)a (Yb2O3)b,其中 O. 09 ^ w ^ O. 11 ；0 ^ x ^ O. 0125 ；a+b=z,及 O. 0025 彡 z 彡 O. 02 ;且 x+z く O. 02。本发明的另ー实施例提供ー种操作固体氧化物燃料电池的方法，所述固体氧化物燃料电池包括用氧化钪及氧化铈稳定的氧化锆电解质。所述方法包括操作固体氧化物燃料电池至少4000小时以使所述燃料电池的电解质的离子导电率的降级不大于15%。
图I为现有技术lOSclCe氧化锆的对比增强的选区电子衍射图。立方氧化锆的晶带轴为〈110〉型。图2为现有技术lOSclCe氧化锆的对比增强的选区电子衍射图。立方氧化锆的晶带轴为〈112〉型。图3为展示经稳定的氧化锆电解质组合物的示范性及比较实例的离子导电率随时间变化的图。图4为根据本发明实施例的固体氧化物燃料电池的剖面图，且图5为根据本发明实施例的SOFC堆叠的侧视剖面图。
具体实施例方式不希望受到特殊理论的约束，本发明者认为lOSclCe组合物为轻微低度掺杂且不完全稳定(即，稳定性不够)，且因此倾向于由于在高温下立方相缓慢分解或转变成四方相而老化。根据本发明第一实施例，SSZ组合物含有至少2摩尔％另ー种稳定氧化物(例如氧化铈、氧化钇及/或氧化镱)，以向所述SSZ组合物提供充足的稳定作用来减少或防止老化分解。所述稳定氧化物使SSZ的立方相稳定且因此阻止立方相转变成四方相。根据第二实施例，将氧化钇及氧化镱中的至少ー者及氧化铈两者添加到SSZ组合物中以减少或防止老化分解。添加氧化钇及氧化镱中的至少ー者及氧化铈两者使SSZ的立方相稳定且因此阻止立方相转变成四方相。这些实施例的一种示范性组合物为共掺杂有至少两种其它元素的氧化锆IOSclCelY (10摩尔％Sc203_l摩尔％Ce02_l摩尔％Y203-氧化锆)。根据第三实施例，SSZ组合物的热膨胀系数(“CTE”)接近于具有SSZ电解质SOFC的燃料电池堆叠中使用的 互连件的热膨胀系数。所述互连件可包括具有至少94重量％Cr、4到6重量％Fe及O到I重量％Y的铬合金互连件。在第三实施例的第一方面中，SSZ组合物含有总计大于O但小于2摩尔％的氧化铈、氧化钇及/或氧化镱，例如总计I到2摩尔％的氧化钇及/或氧化镱中 的至少ー者及氧化铈。通过略微减小氧化铈、氧化钇及/或氧化镱中至少ー者的量，电解质的CTE增加，以致其与互连件的CTE相差10%或更小，例如5%或更小，例如O到1%，且不会降低电解质的稳定性或耐老化降级性。在第三实施例的第二方面中，以氧化镱替代氧化钇。认为以氧化镱替代氧化钇将增加电解质材料的CTE及离子导电率。因此，认为第三实施例的电解质组合物显示改善的寿命初期离子导电率、低降级及与Cr合金互连件的CTE相同或略微不同的较高CTE。SOFC堆叠中SOFC电解质与互连件之间的CTE差异减小将降低针对堆叠组件的热诱导应カ及破坏。优选所有三个实施例中的电解质组合物的高度、宽度及厚度都是均匀的，而不是通过混合经氧化钇及氧化钪稳定的氧化锆粉末制成的经氧化钇及氧化钪稳定的氧化锆的非均匀复合物。
因此，本发明的第一实施例提供ー种SOFC电解质组合物，其包括利用以下稳定的氧化锆(i)氧化钪、( )氧化铈，及(iii)氧化钇及氧化镱中的至少ー者。氧化钪的存在量可等于9到11摩尔％(例如10摩尔％)，氧化铈的存在量可大于O(例如，至少O. 5摩尔％)且等于或小于2. 5摩尔％(例如I摩尔％)，且氧化钇及氧化镱中的至少ー者的存在量可大于O且等于或小于2. 5摩尔％(例如I摩尔％)。在第一实施例的ー个方面中，氧化钇及氧化镱中的至少ー者包括氧化钇。在第一实施例的另一方面中，氧化钇及氧化镱中的至少ー者包括氧化镱。在第一实施例的又一方面中，氧化钇及氧化镱中的至少ー者包括氧化钇及氧化镱两者。在这一方面中，氧化钇可占组合物的O. 5到I. 5摩尔％且氧化镱可占组合物的I. 5到O. 5摩尔％，以使氧化钇及氧化镱的总含量大于O. 5摩尔％且小于2. 5摩尔％。氧化钪的量大于氧化铈的量及氧化钇及氧化镱中的至少ー者的量。氧化铈的量可等于、小于或大于氧化钇及氧化镱中的至少ー者的量。在本发明第二实施例中，稳定氧化物(例如氧化铈)的量为至少2摩尔％以向SSZ组合物提供充足的稳定作用来減少或避免老化。在此实施例中，氧化钇及/或氧化镱任选添加到组合物中且可省略。因此，第一实施例及第ニ实施例两者中的SSZ电解质组合物可具有式(I)(ZrO2) Htz (Sc2O3) w (CeO2) x (Y2O3) a (Yb2O3) b (I),其中w为约O. 09到O. 11，x为大于O到O. 025，a与b的总和等于z，且z为O到O. 025，且X加z的总和大于或等于O. 02。换句话说，O. 09 ^ O. 11 ;0〈x彡O. 025 ；a+b=z,且O彡z彡0. 025 ;ix+z彡O. 02。优选x在O. 005到O. 025范围内，z在O. 005到O. 025范围内，且X与z的总和大于或等于O. 02且小于或等于O. 03。换句话说，O. 005 ^ X ^ O. 025 ；O. 005 ^ z ^ O. 025 ;且 O. 02 く (x+z) く O. 03。更优选地，w=0. I ；x=0. 01 ;且 ζ=0· 01。因此，w可为约10摩尔％，X可为约I摩尔％，且ζ可为约I摩尔％。式(I)中，b可小于a(即b〈a)，a可小于b (即a〈b)，a可等于O (即a=0)，b可等于O (即b=0)，或a可等于b (即a=b)。根据第三实施例，SSZ组合物具有接近于含SSZ电解质SOFC的燃料电池堆叠中使用的互连件的热膨胀系数的相对较高的热膨胀系数(“CTE”)。所述互连件可包括具有至少94重量％Cr、4到6重量％Fe及O到I重量％Y的铬合金互连件。在第三实施例的第一方面中，SSZ组合物含有总计大于O而小于2摩尔％的氧化钇及/或氧化镱中的至少ー者及氧化铈。举例来说，SSZ组合物含有总计O. 5到I. 75摩尔％(例如总计O. 5到I. 5摩尔％，包含总计I到I. 5摩尔％)的氧化钇及/或氧化镱中的至少ー者及氧化铈。SSZ组合物可含有O. 25到I. 25摩尔％氧化铈，例如O. 5到I摩尔％氧化铈，及O. 25到I. 25摩尔％(例如O. 5到I摩尔％)的氧化钇、氧化镱或氧化钇与氧化镱的组合。在第三实施例的第二方面中，以氧化镱替代氧化钇以使组合物实质上不含氧化钇(例如，无法避免的微量氧化钇或小于O. I摩尔％氧化钇)。认为以氧化镱替代氧化钇可增加电解质材料的CTE及离子导电率。SSZ组合物可含有O到I. 25摩尔％氧化铺，例如O. 5到I摩尔％氧化铺，及O. 25到2摩尔％(例如O. 5到I摩尔％)氧化镱。如果SSZ组合物含有至少O. 75摩尔％氧化镱，例如I到2摩尔％氧化镱，包含I到I. 5摩尔％氧化镱，那么所述组合物可实质上不含氧化铈(例如，无法避免的微量氧化铈或小于O. I摩尔％氧化铈)。因此，在第三实施例的第二方 面中，固体氧化物燃料电池的电解质组合物包括利用以下稳定的氧化锆(i)存在量等于9到11摩尔％的氧化钪，及(ii)存在量等于I到2摩尔％的氧化镱。因此，第三实施例的SSZ电解质组合物可具有式(2):(ZrO2) Htz (Sc2O3) w (CeO2) x (Y2O3) a (Yb2O3) b (2)，其中w 为约 O. 09 到 O. 11，X 为 O 到 O. 0125，a 为 O 至Ij O. 0125，b 为 O 至Ij O. 02，a与b的总和等于z，且z为O. 0025到O. 02，且x加z的总和小于或等于O. 02。换句话说，O. 09 ^ w ^ O. 11 ；0 ^ X ^ O. 0125 ；a+b=z,且 O. 0025 彡 z 彡 O. 02 ;且 x+z 彡 O. 02。优选地，在第三实施例的第一方面中，X在O. 0025到O. 0125范围内，例如为O. 005到O. 01，z在O. 0025到O. 0125范围内，例如为O. 005到O. 01，且x与z的总和大于或等于O. 005且小于或等于O. 0175，例如大于或等于O. 01且小于或等于O. 015。换句话说，O. 0025 ^ O. 0125,例如 0.005 彡 X 彡 0.01 ；0. 0025 彡 z 彡 0.0125，例如 O. 005 ^ z ^ 0.01,且
O.005 く (x+z) く O. 0175，例如 O. 01 く (x+z) く O. 015。更优选地，w=0. I ;当 z=0. 005 时，x=0. 01，且当z=0. 01时，x=0. 005。因此，w可为约10摩尔％，x可为约O. 5到I摩尔％，且z可为约O. 5到I摩尔％。优选地，在第三实施例的第二方面中，X在O到O. 0125范围内，例如为O. 005到O. 01，O彡a彡O. 001 (优选地，a=0)，且b与z在O. 0025到O. 02范围内，例如为O. 005到O. 01，且X与z的总和大于或等于O. 005且小于或等于O. 02，例如为O. 01到O. 015。式⑵中，b可小于a(即b〈a), a可小于b (即a〈b), a可等于O (即a=0), b可等于O (即b=0)，或a可等于b (即a=b)。优选a或b中仅有ー者等于O。根据第三实施例的示范性组合物包含IOSclCelY(10摩尔％Sc203+l摩尔％Ce02+l摩尔％Y203)，剩余部分为氧化锆；IOSclCeO. 5Υ(10 摩尔 ％Sc203+l 摩尔 ％Ce02+0. 5 摩尔 ％Y203)，剩余部分为氧化锆；IOSclCelYb (10 摩尔 ％Sc203+l 摩尔 ％Ce02+l 摩尔 ％Yb203)，剩余部分为氧化锆；IOSclCeO. 5Yb (10 摩尔 ％Sc203+l 摩尔 ％Ce02+0. 5 摩尔 ％Yb203)，剩余部分为氧化锆；IOScO. 5CeO. 5Y(10 摩尔 ％Sc203+0. 5 摩尔 ％Ce02+0. 5 摩尔 ％Y203)，剩余部分为氧化错；IOScO. 5CeO. 5Yb (10 摩尔 ％Sc203+0. 5 摩尔 ％Ce02+0. 5 摩尔 ％Yb203)，剩余部分为氧化锆；IOScO. 5CelY(10 摩尔 ％Sc203+0. 5 摩尔 ％Ce02+l 摩尔 ％Y203)，剩余部分为氧化锆；IOScO. 5CelYb (10 摩尔 ％Sc203+0. 5 摩尔 ％Ce02+l 摩尔 ％Yb203)，剩余部分为氧化锆；及IOSclYb (10摩尔％Sc203+l摩尔％Yb203)，剩余部分为氧化锆。电解质组合物的实施例具有O. 14S/cm或更大，优选O. 15S/cm或更大，例如O. 16到O. 17S/cm的高起始离子导电率。在空气中及/或在含H2环境中，于4000小时之后，本发明组合物的离子导电率随时间推移的降级可小于15%，例如为O到15%，例如为O到10%，包含I到5%。此离子导电率降级的最小化可归因于立方相的稳定化导致阻止立方相转变成四方相。此外，本发明实施例中至少ー者提供一种电解质组合物，其中所述组合物在约25到850°C温度下不发生立方相转变成菱形相。换句话说，所述组合物在室温到约850°C下为立方体(即，所述组合物在室温到SOFC操作温度下保持立方相，而未随时间推移产生四方区域或转变成菱形相)。因此，在850°C温度下4000小时之后，本发明组合物的离子导电率的降级不大于15%。举例来说，如图3所示，在850°C下随时间推移进行比较及示范性组合物样品的导电率测量。利用DC4点法通过范德堡(Van der Pauw)几何形状測量所述样品的导电率。所述样品是在具高温及受控气体环境的试验台中进行测试。在空气或氢气环境中，在850°C下进行测量。示范性样品包括利用10摩尔％氧化钪、I摩尔％氧化铈及I摩尔％氧化钇稳定的氧化锆组合物(“lOSclCelY”)。一种示范性样品的导电率测量是在氢气氛围中进行，且另ー样品是在空气中进行。比较样品包括利用10摩尔％氧化钪及I摩尔％氧化铈稳定的氧化锆组合物(“lOSclCe”)。比较组合物的导电率是在空气及氢气氛围中測量。如图3所示，在4000小时之后，比较组合物lOSclCe随时间推移而经历显著的导电率降级，例如，降级大于约15%。然而，示范性组合物lOSclCelY在空气或氢气中4000小时之后离子导电率的降级不大于15%。可利用本发明的实施例作为平面固体氧化物燃料电池的电解质层。换句话说，可利用所述组合物作为包括阳极及阴极的平面固体氧化物燃料电池的电解质层。优选将所述组合物用于电解质层支撑阳极及阴极的经电解质支撑的电池中。举例来说，图4说明根据本发明实施例的固体氧化物燃料电池I。电池I包含阳极电极3、固体氧化物电解质5及阴极电极7。电解质5可包括经稳定的氧化锆，例如，如上所述利用以下稳定的氧化锆(i)氧化钪、(ii)氧化铈，及(iii)氧化钇及氧化镱中的至少ー者。或者，电解质5可包括含式
(I)及包含所述式的上述任何实施例的电解质组合物。形成图4所示的经电解质支撑的平面SOFC I的方法包含在平面固体氧化物电解质5的第一面上形成阴极电极7及在平面固体氧化物电极的第二面上形成阳极电极3。所述阳极及所述阴极可以任ー顺序形成于电解质的相对面上。如图4所示，阳极电极3可含有ー层或多个子层。因此，阳极电极3可含有组成及 镍含量各不同的第一部分13及第二部分23。举例来说，第一部分13位于电解质5与第二部分23之间。阳极电极的第一部分13可含有镍及陶瓷相，例如经稳定的氧化锆及/或经掺杂的氧化铈，例如经氧化钐掺杂的氧化铈。阳极电极的第二部分23也可含有镍及陶瓷相，例如经稳定的氧化锆及/或经掺杂的氧化铈，例如经氧化钐掺杂的氧化铈。第一部分13可含有比阳极电极的第二部分23低的含镍相与陶瓷相比率。阴极电极7可包括导电材料，例如导电1丐钛矿材料，例如镧银水猛矿(lanthanum strontium manganite, LSM)。还可使用其它导电钙钛矿(例如LSCo等)，或金属(例如Pt)。所述阴极及阳极电极的组成、定向及配置可包括共同待决的第11/907，204号及第11/785，034号美国专利申请案中所论述的组成、定向及配置，所述申请案全文以引用的方式并入本文。在本发明另一实施例中，包括利用氧化钇及氧化镱中的至少ー者、氧化钪及氧化铈稳定的氧化锆的第一、第二及/或第三实施例的组合物可用于固体氧化物燃料电池的阳极电极、阴极电极或两种电极中。因此，第一、第二及第三实施例的组合物可用于SOFC阳极、阴极及电解质中的任一者、两者或所有三者中。在复合阳极及/或阴极电极中，使用第一、第二或第三实施例的经稳定的氧化锆作为固体氧化物离子导电相，而使用导电材料(例如金属，例如镍、铜、钴、钼、钯等，或其合金；或导电陶瓷，例如镧锶水锰矿0^)、镧锶辉钴矿(La，Sr)Co03、镧锶钴铁氧体(La，Sr) (Co，Fe)03等)作为导电相。复合电极(例如阳极或阴极)的固体氧化物离子导电相的离子导电率的降级会导致电极性能的降级。因此，相比含有降级速率较高的陶瓷材料的复合电极，含有具低离子导电率降级的固体氧化物离子导电相(例如IOSclCelY)的复合电极将显示较低降级。举例来说,利用氧化钇及氧化镱中的至少ー者、氧化钪及氧化铈稳定的氧化锆可用于单层或多层复合阳极电极中。举例来说，利用氧化钇及氧化镱中的至少ー者、氧化钪及氧化铈稳定的氧化锆可用于上述阳极电极3的第一部分13及/或第二部分23中。阳极电极的第一部分13可含有镍及经稳定的氧化锆陶瓷相。阳极电极的第二部分23也可含有镍及经稳定的氧化锆陶瓷相。第一部分13可含有比阳极电极的第二部分23低的含镍相与陶瓷相比率。举例来说，阳极电极的第一部分13可含有5到30体积％的孔隙率及I到20体 积％的镍相含量且剩余部分为经稳定的氧化锆陶瓷相。阳极电极的第二部分23可含有31到60体积％的较高孔隙率、21到60体积％的镍相含量且剩余部分为经稳定的氧化锆陶瓷相。所述含镍相可任选含有I到50原子％,例如5到30原子％的另ー金属(例如钴及/或铜)，且剩余部分为镍。在另ー实例中，阴极电极7可包括复合阴极，其含有10到70体积％的导电相(例如导电钙钛矿材料(例如LSM))且剩余部分为孔隙及经稳定的氧化锆离子导电相。在本发明另一实施例中，ー种操作固体氧化物燃料电池(例如，图4的燃料电池I)的方法包括操作所述燃料电池至少4000小时以使所述燃料电池的SSZ电解质的离子导电率的降级不大于15%。优选地，提供于电解质的阴极及阳极面上的电解质组合物在室温到约850°C下以及在空气及氢气环境中在850°C下操作至少4000小时之后为立方体(即，所述组合物在室温到SOFC操作温度下保持立方相，且在至少4000小时内未产生四方区域或转变成菱形相)。燃料电池堆叠通常由呈平面元件、管或其它几何结构形状的多个SOFC I构建。必须将燃料及空气提供到电化学活性表面，这ー表面可极大。所述电池堆可包括多个平面或板状燃料电池。所述燃料电池可具有其它配置，例如管状。所述电池堆可为垂直定向堆叠，或所述燃料电池可水平堆叠或在介于垂直与水平之间的任何其它合适的方向上进行堆叠。如以上提及的第11/907，204号及第11/785，034号美国申请案所述，多个互连件是位于电池堆中，使得每ー燃料电池位于两个互连件之间，且每一互连件充当气体隔板。通常，如图5所示，将ー个电池的燃料电极3电连接到相邻电池的空气电极7的互连件9还用作气流隔板9。所述气流隔板将流到电池堆中一个电池的燃料电极(即，阳极3)的燃料(例如烃类燃料)与流到所述电池堆中相邻电池的空气电极(即，阴极7)的氧化剂(例如空气)分隔开。隔板9含有介于凸缘(rib) 10之间的气流通路或通道8。在此情况中，用作互连件的气流隔板是由导电材料制成或含有导电材料。可在阳极电极与互连件之间提供导电接触层，例如镍接触层。图5显示下层SOFC I位于两块气体隔板9之间。文中所用术语“燃料电池堆叠”意指共享燃料进ロ及排放通路或立管(riser)的多个堆叠的燃料电池。文中所用的“燃料电池堆叠”包含相异的电实体，其含有连接到电カ调节设备及电池堆的电力(即，电)输出的两块端板。因此，在ー些配置中，可由其它堆叠単独地控制来自此相异电实体的电カ输出。文中所用术语“燃料电池堆叠”还包含所述相异电实体的一部分。举例来说，所述电池堆可共享相同的端板。在此情况中，所述电池堆共同地包括相异电实体，例如管柱。在此情况中，无法单独地对来自两个堆叠的电カ输出进行控制。
出于说明及描述的目的，已呈现前述本发明的描述。其无意为详尽的或将本发明限制于所掲示的精确形式，且可根据以上教示作出或可由本发明的实施获得修改及变化。选择描述内容来解释本发明的原理及其实际应用。本发明的范围拟由所附权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.一种用于固体氧化物燃料电池的电解质组合物，其包括 利用以下稳定的氧化锆 (i)氧化钪； (ii)氧化铺；及 (iii)存在量大于O且等于或小于2.5摩尔％的氧化钇及氧化镱中的至少ー者。
2.根据权利要求I所述的组合物，其中所述氧化钪的存在量等于9到11摩尔％且所述氧化铈的存在量大于O且等于或小于2. 5摩尔％。
3.根据权利要求2所述的组合物，其中氧化铈、氧化钇及氧化镱的总量以总计等于O.5及I. 5摩尔％的量存在，所述氧化铈的存在量等于O. 25到I. 25摩尔％，且氧化铱及氧化镱中的一者的存在量等于O. 25到I. 25摩尔％。
4.根据权利要求3所述的组合物，其中氧化铈、氧化钇及氧化镱的总量以总计等于I及I.5摩尔％的量存在，所述氧化铈的存在量等于O. 5到I摩尔％，且氧化钇及氧化镱中的一者的存在量等于O. 5到I摩尔％。
5.根据权利要求I所述的组合物，其中所述氧化钇及氧化镱中的至少ー者包括氧化钇。
6.根据权利要求I所述的组合物，其中所述氧化钇及氧化镱中的至少ー者包括氧化镱。
7.根据权利要求I所述的组合物，其中氧化钪的量大于氧化铈的量及所述氧化钇及氧化镱中的至少ー者的量，且所述氧化铈量等于、小于或大于所述氧化钇及氧化镱中的至少一者的量。
8.根据权利要求I所述的组合物，其中所述组合物在850°C温度下4000小时之后，离子导电率的降级不大于15%。
9.根据权利要求I所述的组合物，其中所述组合物在约25°C到850°C温度下不发生立方相到菱形相的转变且所述组合物在固体氧化物燃料电池中在空气或氢气环境中的至少一者中在850°C下操作至少4000小时之后，包括实质上不含四方相区域的立方相。
10.根据权利要求I所述的组合物，其中所述组合物用作包括阳极及阴极的平面固体氧化物燃料电池的电解质层，且所述电解质层支撑所述阳极及所述阴极。
11.一种用于固体氧化物燃料电池的经氧化钪稳定的氧化锆电解质组合物，其包括式(ZrO2) lTO (Sc2O3) w (CeO2) x (Y2O3) a (Yb2O3) b,其中 0. 09 ≤ w ≤0. 11 ；0<x ≤O. 025 ；a+b=z ；O≤ z ≤O. 025 ;且 x+z ≤ O. 02。
12.根据权利要求11所述的电解质组合物，其中O.005 ≤X≤O. 025 ；O. 005 ≤ z ≤O. 025 ;且 O. 02 く (x+z) く O. 03。
13.根据权利要求12所述的电解质组合物，其中 w=0. I ；x=0. 01 ;及 z=0. 01 ;且 所述组合物包括含10摩尔％Sc203、l摩尔％Ce02及I摩尔％Y203的氧化锆。
14.根据权利要求11所述的电解质组合物，其中 所述组合物在850°C温度下4000小时之后，离子导电率的降级不大于15% ； 所述组合物在固体氧化物燃料电池中在空气或氢气环境中的至少ー者中在8500C下操作至少4000小时之后，包括实质上不含四方相区域的立方相；且所述组合物在约25°C到850°C的温度下不发生立方相到菱形相的转变。
15.根据权利要求11所述的组合物，其中所述组合物用作包括阳极及阴极的平面固体氧化物燃料电池的电解质层，且所述电解质层支撑所述阳极及所述阴极。
16.一种用于固体氧化物燃料电池的经氧化钪稳定的氧化锆电解质组合物，其包括式(ZrO2) h_x_z (Sc2O3) w(Ce02) x(Y203)a (Yb2O3)b,其中 O. 09 ≤ w ≤ O. 11 ；0 ≤ x ≤ O. 0125 ；a+b=z,及 O. 0025 ≤ z ≤ O. 02 ;且 x+z く O. 02。
17.根据权利要求16所述的电解质组合物，其中O.0025≤X≤O. 0125 ；O. 0025 ≤ z ≤ O. 0125 ;且 O. 005 く (x+z) く O. 0175。
18.根据权利要求17所述的电解质组合物，其中O.005^x^0.01 ；0. 005≤z≤O. 01 ；O. 01 く (x+z) く O. 015。
19.根据权利要求16所述的电解质组合物，其中所述组合物包括以下至少ー者 10摩尔％Sc203、l摩尔％Ce02、l摩尔％Y203，剩余部分为氧化锆； 10摩尔％Sc203、l摩尔％Ce02、0. 5摩尔％Y203，剩余部分为氧化锆； 10摩尔％Sc203、l摩尔％Ce02、l摩尔％Yb203，剩余部分为氧化锆； 10摩尔％Sc203、l摩尔％Ce02、0. 5摩尔％Yb203，剩余部分为氧化锆； 10摩尔％Sc203、0. 5摩尔％Ce02、0. 5摩尔％Y203，剰余部分为氧化锆； 10摩尔％Sc203、0. 5摩尔％Ce02、0. 5摩尔％Yb203，剩余部分为氧化锆； 10摩尔％Sc203、0. 5摩尔％Ce02、l摩尔％Y203，剩余部分为氧化锆 '及 10摩尔％Sc203、l摩尔％Yb203，剩余部分为氧化锆。
20.根据权利要求16所述的电解质组合物，其中 所述组合物在850°C温度下4000小时之后，离子导电率的降级不大于15% ； 所述组合物在固体氧化物燃料电池中在空气或氢气环境中的至少ー者中在8500C下操作至少4000小时之后，包括实质上不含四方相区域的立方相；且 所述组合物在约25°C到850°C的温度下不发生立方相到菱形相的转变。
21.根据权利要求16所述的组合物，其中 所述组合物用作包括阳极及阴极的平面固体氧化物燃料电池的电解质层； 所述电解质层支撑所述阳极及所述阴极； 所述固体氧化物燃料电池位于固体氧化物燃料电池堆叠中邻近互连件，所述互连件包括至少94重量％Cr、4到6重量％Fe及O到I重量％Y ;且 所述电解质的热膨胀系数与所述互连件的热膨胀系数相差1%或更小。
22.一种用于固体氧化物燃料电池的电解质组合物，其包括 利用以下稳定的氧化锆 (i)存在量等于9到11摩尔％的氧化钪 '及 ( )存在量等于I到2摩尔％的氧化镱。
23.ー种固体氧化物燃料电池，其包括 固体氧化物电解质； 阳极电极；及 阴极电极； 其中所述阳极电极及所述阴极电极中的至少ー者包括含导电相及离子导电相的复合电极，所述离子导电相包括利用以下稳定的氧化锆 (i)氧化钪； (ii)氧化铺；及 (iii)存在量大于O且等于或小于2.5摩尔％的氧化钇及氧化镱中的至少ー者。
24.根据权利要求23所述的燃料电池，其中所述阳极电极包括所述导电相包括镍的所述复合电极。
25.根据权利要求23所述的燃料电池，其中所述阴极电极包括所述导电相包括导电钙
26.根据权利要求23所述的燃料电池，其中所述经稳定的氧化锆电极组合物包括式(I) (ZrO2) H-rz (Sc2O3) w(Ce02) x(Y203)a (Yb2O3)b,其中 O. 09 彡 w 彡 O. 11 ;0〈x 彡 O. 025 ；a+b=z ；O^ z ^ O. 025 ;且 x+z ^ O. 02 ； 或式⑵ (ZrO2) lTX_z (Sc2O3) w (CeO2) x (Y2O3) a (Yb2O3) b,其中 0. 09 彡 w 彡 0. 11 ;0 彡 x 彡 0. 0125 ；a+b=z,及 O. 0025 < z < O. 02 ;且 x+z < O. 02。
27.根据权利要求23所述的燃料电池，其中所述电解质包括利用以下稳定的氧化锆 (i)氧化钪； (ii)氧化铺；及 (iii)存在量大于O且等于或小于2.5摩尔％的氧化钇及氧化镱中的至少ー者。
28.ー种操作包括利用氧化钪及氧化铈稳定的氧化锆电解质的固体氧化物燃料电池的方法，所述方法包括操作所述固体氧化物燃料电池至少4000小时以使所述燃料电池的电解质的离子导电率的降级不大于15%。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述电解质包括利用氧化钇及氧化镱中的至少ー者、氧化钪及氧化铈稳定的氧化锆，其在所述固体氧化物燃料电池中在空气及氢气环境中的至少ー者中在850°C下操作至少4000小时之后，包括实质上不含四方相区域的立方相。
全文摘要
本发明涉及一种包含阴极电极、固体氧化物电解质及阳极电极的固体氧化物燃料电池SOFC。所述电解质及/或电极组合物包含利用以下稳定的氧化锆(i)氧化钪、(ii)氧化铈，及(iii)氧化钇及氧化镱中的至少一者。所述组合物在850℃温度下4000小时之后，离子导电率的降级不大于15%。
文档编号C04B35/01GK102725902SQ201180006935
公开日2012年10月10日 申请日期2011年1月19日 优先权日2010年1月26日
发明者伊马德·埃·巴塔韦, 塔德·阿姆斯特朗, 马丁·加诺塞克, 马诺杰·皮莱 申请人:博隆能源股份有限公司