高功率系数固态氧化物燃料电池堆的制作方法

专利名称：高功率系数固态氧化物燃料电池堆的制作方法
高功率系数固态氧化物燃料电池堆
背景技术：
固态氧化物燃料电池(S0FC)发展已经历史上集中于高工作温 度(900-1000°C),且试图使SOFC可被集成为大规模的稳定的发电 设备。通过高工作温度产生的蒸汽通过热交换器用于驱动吸热燃料 过程反应，并且也被典型地引导至涡轮，以便产生更多的电，提高 了稳定的发电单元的总效率。此外，S0FC不需要用以工作的纯氢， 并且可以基于产生一氧化碳的碳氢化合物燃料运行，其充当至燃料 电池中的电极的燃料。
当前的SOFC典型地需要在高工作温度下运行，以便达到这样的 温度在所述温度下，氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)电解质，普遍用 于S0FC的电解质是充分导电的。由于需要用以运行S0FC的高工作 温度， 一些SOFC材料普遍由陶瓷形成，同时其能够承受高温，是易 碎的，并且如果误操作的话则倾于破裂。工作温度的减小可以允许 考虑碱金属用作S0FC材料。具体地，当考虑热膨胀和电子导电标度 特性时，铁素体不锈钢是理想的选择。然而，铁素体不锈钢的氧化 的动力学在超过650摄氏度(。C)的温度下太快。尽管在高温下可以 使用被适当涂敷的铁素体不锈钢，但是该金属将必须具有相当大的 厚度，以便緩和在YSZ充分导电的温度下的氧化/侵蚀过程。
通过燃料电池的阳极典型地支撑YSZ电解质，其是非常多孔和相 对弱的结构，并且对于大的电池占位面积(即大于200平方厘米)， 具有在350至1500微米(nm)范围中的有用厚度。电池堆功率系数， 也就是阳极支撑的YSZ电解质电池堆的假定功率系数(SP)，粗略 地成比例于面功率密度除以阳极厚度。因此，通过增加功率密度或 减小阳极厚度可以增大SP。然而，对于大的电池占位面积，减小阳 极厚度至小于350nm是难以实现的，因为易碎的陶瓷电池倾于破裂。 此外，当电池占位面积增加时，工艺产量减小。
改进集中于SOFC在较低温度下的操作，以努力减小成本和扩展 SOFC的适用性。较低的工作温度增大了可以用于构造装置的材料的 范围，增加材料的耐用性和整体鲁棒性，并且显著降低成本。因此强烈感兴趣的是产生以低于600°C的温度工作的中间温度S0FC。
对利用YSZ电解质的替代物是利用S0FC中的掺杂氯化钆的二氧 化铈(GDC)电解质。利用GDC时的一个问题是在大于600°C的温度 下，燃料气氛中二氧化铈的部分还原产生使性能退化的燃料电池中 的内部短路。然而，在小于600°C的温度下，Ce"至Ce'+的还原是最 小的，并且在500-600°C的温度范围中的燃料电池工作环境下可被 忽略。

发明内容
一种金属的、刚性化的箔支撑结构支撑固态氧化物燃料电池的电 池。该支撑结构包括分离器片，具有被配置用于传送流体的穿孔的 支撑片，以及在分离器片和支撑片之间设置的多孔层。该多孔层为 支撑结构提供支撑和加固，以及在支撑片和分离器片之间提供电连 接。燃料流过该多孔层。


图1是通过金属支撑结构支撑的固态氧化物燃料电池的示意性 截面图。
图2A是刚性化的箔支撑结构的示意性截面图。 图2B是金属支撑结构的示意性截面图。
图2C是从在图2B中示出的视图旋转90度的金属支撑结构的示 意性截面图。
图3是沉积在金属支撑结构上的电池的示意性截面图。
图3A是电池和刚性化的箔支撑结构的穿孔片的示意性放大截面图。
图4是两个堆叠的固态氧化物燃料电池的示意性放大透视截面图。
图5是固态氧化物燃料电池处的化学反应的示意图。 图6A是固态氧化物燃料电池堆的示意性截面图。 图6B是从在图6A中示出的视图旋转90度的固态氧化物燃料电 池堆的示意性截面图。
具体实施例方式
图1表示二氧化铈基固态氧化物燃料电池(S0FC) 10，其通常 包括金属支撑结构11和厚膜三层电池14。金属支撑结构11通常包 括刚性化的箔支撑(RFS) 12,金属接头22和阴极互连24。 RFS 12 支撑电池14,并包括支撑片16，分离器片18和阳极互连20。 S0FC 10 的RFS结构12和电池14形成具有在大约0. 04毫米(mm)和大约 0. 06mm之间的总厚度的非常紧凑和重量轻的结构。具有金属支撑结 构11的SOFC 10能够在低于大约600摄氏度(°C)的温度下工作， 允许较高的潜在功率系数，低成本制造技术，节省成本的材料的使 用，鲁棒性，耐用性和快速启动时间。
SOFC 10具有增加的耐用性和运行时间超过40, 000小时的能 力。由于它的重量轻的结构，SOFC IO也可以比当前的现有技术的固 态氧化物燃料电池被更快速地加热。例如，SOFC 10可以潜在地在大 约5分钟内4皮以大约每分钟110°C的斜率加热至大约600。C。S0FC 10 也具有增加的潜在功率系数(SP),其是以每克瓦特(W/g)或每千 克千瓦(kW/kg)测量的。对于非常薄的陶瓷电池，SP等于RFS 12 的面功率密度(每平方厘米瓦特，W/cm2)除以面质量密度(g/cm2)。 例如，当SOFC 10具有0. 2 W/ci^的面功率密度并且RFS结构12具 有0. 2g/c迈2的面质量密度时，SOFC 10具有大约1W/g的SP。在O. 4 W/cii^的面功率密度下，SOFC 10具有大约2W/g的SP。这显著高于 具有相同的面功率密度的当前现有技术的燃料电池堆的SP。尽管当 燃料总管和集电器板被考虑时，电池堆的实际SP值减小，但是这些 变量的作用随着增加的RFS占位面积和增加的额定电池堆功率容量 而减小。
图2A示出了 RFS 12,其包括支撑片16，分离器片18和阳极互 连20。 RFS 12的支撑片16是直接支撑电池14的薄且可延展的金属 片或箔片。支撑片16包括在支撑片16的相当大部分上的多个穿孔 26。在一个实施例中，支撑片16具有大约0. 015mm的厚度，并且由 不锈钢形成。合适的不锈钢的例子包括但不局限于铁素体不锈钢， 高铬不锈钢等。合适的商业上可利用的铁素体不锈钢的例子包括但 不局限于E-BRITE , 可从Allegheny Ludlum Corporation, Pittsburgh, PA.得到，以及Crofer22 APU，可从德国的Dusseldorf的ThyssenKrupp得到。支撑片16也可以由其他不锈钢形成，只要 该不锈钢具有类似于陶瓷电池14的热膨胀系数的热膨胀系数。其他 合适的铁素体不锈钢的例子是409型不锈钢，钛稳定的铁素体不锈 钢和其他400系不锈钢。支撑片16和电池14的热膨胀系数必须是 类似的，以便最小化会引起陶瓷电池14破裂的热应力。
分离器片18是薄的固态金属片或箔片，并被设置在阳极互连20 和阴极互连24之间(在图2B中示出)。分离器片18防止流过阳极 互连20的气体与流过阴极互连24的气体相互作用。尽管图2A讨论 的支撑片16和分离器片18是两个不同的金属片，但是支撑片16和 分离器片18可以由单个金属片构成。在一个实施例中，分离器片18 具有大约0. 015mm的厚度，并且由用于形成支撑片16的相同材料构 成。
在支撑片16和分离器片18之间设置阳极互连20，以便对RFS 12 提供支撑和加固，并且在支撑片16和分离器片18之间提供电连接。 阳极互连20也是高度多孔的，对流过RFS 12的燃料流呈现出非常 低的电阻。在一个实施例中，阳极互连20包括多个拉长的线或细丝 28，并因此非常轻和薄。细丝28包括第一组细丝28a和第二组细丝 28b，且第一组和第二组细丝28a和28b的每一个细丝28被平行于 它们的相应组的其他细丝28设置。第二组细丝28b然后被垂直于第 一组细丝28a设置。第二组细丝28b的各细丝28b在第一组细丝28a 的相邻细丝28a之上和之下编织，以形成线编织图案，比如丝网状 结构或编织物。细丝28的线编织图案可以是方形编织，或本领域已 知的任何线编织或网。包括氢气的燃料，比如从被处理的碳氢化合 物燃料获得的重整产品或合成气组合物，流过第一和第二组细丝28a 和28b之间的空隙空间30，并且为电化学反应提供可氧化的化学物 质。在一个实施例中，阳极互连20由用于形成支撑片16和分离器 片18的相同材料构成，并且具有大约0. 2mm或更大的厚度。阳极互 连20也可以由其他金属材料制成，所述其他金属材料具有用以对RFS 12提供支撑和加固的足够的结构完整性、用以最小化欧姆损耗的足 够的导电率、以及用以最小化燃料流的压力降低的足够的多孔性。 该材料也必须允许跨越其结构的电子流、抗氧化、并且在燃料环境 中稳定，并且具有类似于用于制备RFS 12的其他材料的热膨胀系数以最小化变形。在一个实施例中，阳极互连20可以具有起伏 (relief)结构的几何形状，并且可以是RFS 12的支撑片16或分 离器片18的构成部分。起伏结构是在参考平面上延伸的三维结构。 通过任何合适的金属形成或化学工艺可以形成该起伏结构。
在支撑片16和分离器片18的端部之间形成金属接头22，并且 所述金属接头形成用于围绕RFS 12的外围的燃料流的气密密封。RFS 12的气密密封提供流过S0FC 10 (在图1中示出)的燃料和氧化剂 气流的可靠分离，并且提供对热应力的高水平的鲁棒性。可选地， 可以将金属支撑结构11形成为不具有金属接头22，在这种情况下， 可以通过合适的玻璃或玻璃陶瓷材料在RFS 12的外围周围形成气密 密封。
为了制备RFS 12，在支撑片16中首先形成穿孔26，以便使支 撑片16为多孔的。可以通过本领域已知的任何合适的方法在支撑片 16中形成穿孔26，所述方法包括但不局限于激光束钻孔，电子束 钻孔，光化学蚀刻以及其他合适的微机械加工工艺。然后在支撑片 16和分离器片18之间设置阳极互连20。然后在最佳的机械负栽下， 支撑片16,阳极互连20和分离器片18在高真空炉中被扩散结合成 单个结构，以便对RFS结构12提供刚性，建立低电阻，并且在支撑 片16和分离器片18之间形成耐用的金属接头22。在扩散结合工艺 步骤中，阳极互连20的细丝28彼此结合，与支撑片16和分离器片 18结合，以电子流的最小电阻建立了强大的连接。如果支撑片16和 分离器片18由单个金属片制成，则穿孔该单片的一半，并且该单片 的一半保持实心。然后在被穿孔的一半和实心的一半之间设置阳极 互连20,并且该单个金属片被对半折叠，以包装阳极互连20。然后 如上面所述，该单个金属片和阳极互连20被扩散结合。也可以通过 本领域已知的焊接工艺结合RFS 12,比如电阻缝焊接和利用兼容的 填充材料的铜焊。
在分离器片18,阳极互连20和支撑片16被结合在一起之后， 通过比如冲压的合适的金属加工工艺将支撑片16和分离器片18的 任何外伸部分集合在一起，随后围绕周长对其进行激光束焊接，电 子束焊接，电阻缝焊接，或者铜焊，以利用金属接头22气密密封RFS 12。通过本领域熟知的方法形成金属接头22，所述方法包括但不局限于电阻缝焊接，激光束焊接，电子束焊接，以及铜焊。通过上 面讨论的制造工艺形成的RFS 12导致通过金属接头22沿着它的外 围被气密密封的集成的且重量轻的薄壁外壳。在一个实施例中，RFS 12具有大约0. 5mm的厚度。当起伏结构被与支撑片16或分离器板18 集成时，类似的结合或接合工艺可以用于制备RFS 12。
在利用金属接头22气密密封RFS结构12时，阴极互连24连接 至在分离器片18处的RFS 12，如图2B中所示的。在分离器片18下 面直接设置阴极互连24，并且阴极互连24通过分离器片18与阳极 互连20分离。与阳极互连20类丝，阴极互连24也是高度多孔的， 并且对流过阴极互连24的氧化剂呈现出非常低的电阻。典型地包括 氧气的氧化剂流流过阴极互连24,以便为电化学反应供给氧分子。 该氧化剂流可以包括但不局限于纯氧、空气、经过过滤和净化的 空气，或者其他包含氧的气流。RFS 12和阴极互连24—起形成在现 有技术中被称作双极板的构造。
通过弯曲或弄皱拉制金属网(expanded metal)的薄片形成阴 极互连24，以便形成重复的通道结构，氧化剂流通过该通道结构。 利用气密密封的燃料流，氧化剂流可以被配置成借助简单的外部"导 管状"无密封总管系统流过阴极互连24。当阴极互连24由拉制金属 网形成时，阴极互连24具有非常低的质量密度。利用拉制金属网的 另一优点是它允许阴极互连24的重量最小化。在一个实施例中，阴 极互连24由用于形成支撑片16,分离器片18和阳极互连20的相同 材料制成。阴极互连24也可以由薄箔双金属结构或镍基超合金 (super alloy)形成，只要所使用的合金在SOFC 10的工作温度下 具有足够的导电率。此外，阴极互连24也可以被涂敷贵金属和它们 的合金，包括但不局限于银、银合金、金、金合金、铩、柏合金、 钯、钯合金、铑、铑合金，或其他緩和氧化皮(oxide scale)的电 阻效应并且有助于通过阴极互连24的导电率的贵金属或贵金属的合 金。
在另一个实施例中，阴极互连24也可以由类似于阳极互连20 的细丝28布置的多个拉长的细丝形成，以便形成线编织图案。该线 编织图案然后被弯曲或弄皱以形成类似于阴极互连24由拉制金属网 片形成时的重复通道结构。平行于该通道结构导引主氧化剂流速度矢量，以便最小化压力降低损失。
在另一个实施例中，该丝网状结构可以被配置成通过当细丝由单
个的结垢(scale-forming)合金制成时在细丝的外部表面上形成的 氧化皮，基本上消除了呈现给电子流的欧姆电阻。这可以通过阴极 互连24中的导电细丝实现。所述导电细丝具有高导电率，并且在氧 化剂气氛中不形成阻垢(resistive scale)。导电细丝净皮编织成阴 极互连24的线编织，并且接触分离器片18和电池14，以便为电子 的流动提供直接的低欧姆电阻路径。导电细丝在由不锈钢或其他高 强度的合金制成并且充当弄皱的丝网状结构中的结构负载承受元件 的剩余细丝中的各个位置处在一个方向上被编织成线编织。在一个 实施例中，阴极互连24的导电细丝可以由贵金属和它们的合金制 成，包括但不局限于银、银合金、金、金合金、铂、铂合金、钯、 钯合金、铑、铑合金、贵金属与银的合金，或者其他在S0FC 10 (在 图1中示出)的工作温度下不形成绝缘氧化皮的贵金属或贵金属的 合金。
通过合适的结合工艺，比如金属至金属的铜焊，阴极互连24也 结合至分离器片18。银，银合金，金，金合金，以及其他贵金属合 金可以用于铜焊阴极互连24和分离器片18。贵金属可以包括任何数 量的碱金属，只要所得到的接头中的合金成分和液体填充物金属层 在空气中不氧化成电介质氧化物成分。此外，用于铜焊阴极互连24 和分离器片18的材料一起将具有可以利用支撑片16，阳极互连20 和分离器片18制备的熔点或液线温度。通过本领域已知的任何金属 接合方法，阴极互连24也可以连接至分离器片18，所述方法包括但 不局限于激光束焊接，电子束焊接，点焊，和结合。
阴极互连24也结合至相邻S0FC 10的电池14，以便最小化界面 欧姆电阻(在图5中示出)。通过利用结合至金属和陶瓷的金属或 陶瓷导电材料可以实现阴极互连24和电池14的结合。这些结合材 料优选在环境条件下被施加为膏剂(paste),然后被烧制以实现结 合。合适的金属结合材料包括但不局限于银、银合金、金、金合 金、铂、铂合金、钯、钯合金、铑、铑合金，或具有合适的碱金属 成分或陶瓷材料的贵金属的合金。碱金属成分与贵金属结合材料的 合并减小了成本，并且可以增强阴极互连24与电池14的结合。金属结合膏剂中陶瓷材料以分散的粉末形式的并入限制了金属粉末的 稠化，并且允许结合层保持充分的多孔性，有助于分子氧扩散至电
池14的扩散。可以用于结合阴极互连24和电池24的陶资材料包括 但不局限于部分或完全稳定的氧化锆，氧化铝，或其他稳定的陶 瓷粉末和陶瓷导电粉末，包括钙钛矿材料，比如掺杂锶的亚锰酸镧 (lanthanum manganite )， 掺杂锶的镧钴铁氧体(lanthanum cobalt-ferrite)等。在一个实施例中，贵金属结合材料与陶瓷导 电粉末相混合以结合阴极互连24至电池14。
图2C示出了从在图2B中示出的图旋转90度的并具有燃料总管 32的金属支撑结构11。燃料总管32连接至SOFC 10的分离器片18， 并且连接至开口 33处相邻SOFC 10 (在图6B中示出)的支撑片16。 通过合适的工艺，比如激光或电子束切片，开口 33被切割穿过RFS 12，以便为燃料流汇流产生通过RFS 12的开口通道。燃料沿向上的 方向流过在SOFC 10的一側上的燃料总管连接器32，并且横向分布 通过RFS12,在此它基本上被电池14消耗。然后被反应的燃料通过 在SOFC 10的相对侧上被设置的燃料总管连接器32退出。被结合至 RFS 12的燃料总管连接器32的至少其中一个表面必须具有电介质 膜，以便防止电池14或电池堆100 (在图5中示出)短路。电化学 氧化允许对单个平坦表面的选择性氧化，从而使例如仅被结合至支 撑片16的燃料总管连接器32的表面被电化学氧化，而另一相对的 表面保持处于金属状态，用于至分离器片18的金属至金属结合。可 替代地，相邻SOFC IO的分离器片18或支撑片16可以具有局部的 电介质涂层。用于形成燃料总管连接器32的合适金属是在氧化时产 生铝氧化皮的包含铝的不锈钢。具体合适的不锈钢的例子是 Fecralloys、铁铬铝不锈钢类。合适的商业上可用的Fecralloy的 例子是Aluchrom Y,可从德国的Diisseldorf的ThyssenKrupp得到。 选择性氧化为电池堆制备以及降低的制造成本提供了灵活性。电介 质涂层也可以由预先被氧化或阳极化的金属形成。
在一个实施例中，燃料总管连接器32可以由两部分构成，其可 以或可以不由相同的金属合金形成。所述部分之一被处理以产生电 介质膜，而第二部分在其金属状态保持未被处理。在燃料电池堆的 装配过程中，这两部分随后被密封在一起。通过利用活性金属铜焊合金进行铜焊，燃料总管连接器32的电 介质表面被附着或结合至支撑片16。活性金属铜焊合金与陶瓷表面 反应以形成高强度、共价结合的接头。这通过活性元素的并入来实 现，所述活性元素一般是Ti,其与毗连的陶瓷表面反应以彻底变湿 并且与氧化物表面结合。这允许与电介质结合相组合的化学结合的 低重量、高强度和完整性，以实现电隔离的气密结合。用于铜焊燃 料总管连接器32至支撑片16的合适的铜焊材料的例子包括但不局 限于活性金属铜焊合金和银铜氧化物组合物。在一个实施例中， 使用基于银的铜焊材料。在大约600。C下，银和它的合金是极其稳定 的，并且可以用于密封和金属至金属的铜焊。玻璃或玻璃陶瓷材料 也可以用于结合燃料总管连接器32至RFS 12。
图3和3A都描述了沉积在金属支撑结构11之上的电池14，并 且将彼此结合地进行讨论。图3示出了具有沉积在支撑片16之上的 电池14的金属支撑结构11的截面图。图3A示出了电池14的放大 视图。厚膜三层电池14包括阳极电极层34，电解质层36，以及阴 极电极层38。在一个实施例中，阳极电极层34，电解质层36和阴 极电极层38中的每一个具有在大约0. OlOmm和大约0. lmm之间的厚 度。
在支撑片16上直接沉积阳极电极层34，并且阳极电极层34通 过支撑片16的穿孔26与流过阳极互连20的燃料联系。在一个实施 例中，阳极电极层34由金属粉末和传导氧离子的陶瓷氧化物粉末的 混合物形成，比如镍和二氧化铈，铜和二氧化铈，或者镍铜和二氧 化铈。阳极电极层34也可以由镍、铜的氧化物和与比如掺杂的二氧 化铈，掺杂的镧镓酸盐，稳定的氧化锆等的传导氧离子的陶瓷氧化 物粉末混合的其合金形成。
在阳极电极层34的顶部上沉积电解质层36,并且电解质层36 足够稠密以便不具有允许跨越电解质层36的分子气体扩散的互连的 孔隙。因为电解质层36不具有互连的孔隙，因此电解质层36充当 与阳极电极层34联系的燃料和与阴极电极层38联系的氧化剂之间 的气体阻挡。电解质层36也重叠阳极电极层34，以便沿着电池14 的外围封锁阳极电极层34的多孔边缘。也可以通过沿着外围施加玻 璃或玻璃陶瓷组合物来密封阳极电极层34的多孔边缘，只要该组合物不包括任何污染物并且具有合适的物理和机械特性，以便使RFS 结构12的鲁棒性在瞬态或稳态条件下不被影响。在一个实施例中， 电解质层36由掺杂有稀土 (RE)金属氧化物的二氧化铈(CeOO形 成。在另一个实施例中，电解质层36由掺杂有稀土 (RE)金属氧化 物和过渡金属氧化物的二氧化铈(CeOO形成。 一个或多个RE氧化 物可被用作掺杂剂。用于电解质层36的具体合适的组合物是双倍掺 杂的二氧化铈，如在美国专利5， 001， 021中教导的，以及单掺杂的 RE二氧化铈，比如掺杂氯化钆的二氧化铈(GDC)。双倍掺杂的二氧 化铈和单掺杂的RE 二氧化铈允许SOFC 10在大约500°C和600°C之 间的中间温度下工作。在另一个实施例中，电解质层36可以具有从 高离子传导性掺杂的镧镓酸盐类中选择的组合物，比如掺杂锶的镧 镓酸盐，掺杂锶的镧掺杂镁的镓酸盐等等。在另一个实施例中，电 解质层36可以具有从部分稳定的氧化锆和完全稳定的氧化锆类中选 择的组合物。如果从该类选择出电解质层36，则SOFC 10将需要在 较高的温度下工作，以实现足够用于受限制的任务的应用和使用寿 命的高面功率密度。
在电解质层36的顶部上沉积阴极电极层38，并且阴极电极层38 与流过相邻SOFC 10 (在图5中示出)的阴极互连24的氧化剂联系。 与电解质层36类似，阴极电极层38可以是电解质材料和掺杂锶的 镧钴铁氧体或其他高活性混合的离子-电子传导材料的组合物。
通过本领域已知的合适的陶瓷工艺，可以在RFS12的支撑片16 上沉积电池14的陶瓷成分和电解质，所述工艺包括但不局限于粉 浆浇铸，带浇铸，丝网印刷，电泳沉积，和旋涂，其后是通过烧制 和烧结的结合和稠化。也可以通过其他方法沉积电池14，包括但不 局限于热等离子喷涂，电子束物理汽相沉积，溅射，和化学汽相 沉积。
图4示出了发生于SOFC 10的电池14处的电化学反应，并结合 图3和3A来讨论。在操作中，分离器片18,金属接头22和电解质 层36提供基本上气密密封的结构，该气密密封的结构防止燃料和氧 化剂流相互作用。当燃料流过RFS 12时，该燃料通过支撑片16中 的穿孔26传递到电池14，并且接触阳极层电极34和电解质层36。 一氧化碳与水反应，以形成二氧化碳和氢，并且氩气与电解质层36处的氧离子反应，以产生水和电子。在电池14中被释放的电子通过 阳极互连24中的细丝28流到外部电路40，以便在返回阴极电极层 38之前驱动电负载。当氧化剂流过阴极互连24时，该氧化剂接触阴 极电极层38和电解质层36。氧化剂流中的氧与电解质层36处的电 子反应，并且被还原以产生氧离子。该循环连续地重复，只要存在 流过S0FC 10的燃料的稳定供给和氧化剂的稳定供给，并且电负载 通过外部电路40连接至电池14。
图5是电池堆100的两个S0FC 10的透视截面图，每一个具有 金属支撑结构11。当前现有技术的固态氧化物燃料电池具有小于大 约0. 5kW/kg的潜在功率系数。S0FC IO提供大于大约lkW/kg的潜在 功率系数。这主要因为RFS 12的减小的厚度和重量轻的结构。尽管 如此，为了提供足够的功率产生能力，典型地串联放置多个S0FC 10 以形成与电池堆100类似的电池堆。相对于彼此堆叠SOFC 10，以使 分离器片18防止流过每一个阳极互连20的燃料与流过相邻SOFC 10 的阴极互连24的氧化剂混合。在一个实施例中，通过首先将多个SOFC 10装配成堆叠结构并且然后将该多个SOFC 10结合在一起来形成电 池堆100。用于结合阴极互连24至阴极电极层38以及结合燃料总管 连接器32至支撑片16的材料和工艺被选择性地选择以优选在一个 温度循环内结合所述材料。尽管图5仅描述了电池堆100中的两个 SOFC 10，但是电池堆100可以根据需要具有任何数量的SOFC 10以 便为指定地点提供足够的电力产生。
图6A是电池堆100的截面图。当串联布置SOFC 10以形成电池 堆100时，分别在电池堆IOO之下和之上设置第一金属板42和第二 金属板44以充当集电器，以及为电子提供最小的电阻以便行进至外 部电路40和从外部电路40出来。类似于当仅存在一个SOFC 10时， 电池堆100的每一个SOFC 10的分离器片18，金属接头22和电解质 层36 (在图3和图3A中示出)防止燃料和氧化剂流相互作用。流过 阳极互连20的燃料和流过阴极互连24的氧化剂以相同的方式相互 作用，形成水，并且从燃料流中的氢释放电子，以及利用经由外部 电路40返回至电池堆100的电子来减小氧化剂流中的氧分子。然 而，在电池堆100中，取代将在每一个电池14中释放的电子通过阳 极互连20的细丝28 (在图3中示出)传送到外部电路40，所述电子向下通过阳极互连20的细丝28,通过分离器片18,并且通过阴 极互连24行进至相邻S0FC 10的阴极层38。当电子接触电池堆100 的底部处的第一金属板42时，这些电子行进至外部电路40，以便提 供能量，并且然后返回至在电池堆100的相对端上的第二金属板44。 这些电子然后流过接触第二金属板44的阴极互连24，以重复该循环 和提供电功率给外部电路40。
图6B是从在图6A中示出的图旋转90度的并且设置在热绝缘的 填充了氧化剂的腔室36中的电池堆100的示意性截面图。腔室46 为流过电池堆100的SOFC 10的氧化剂流提供无密封的总管，并且 包括热绝缘48和套筒50。通过入口和出口强制通风系统(未示出)， 腔室46为电池堆100管理氧化剂流。绝缘48是热绝缘材料，其紧 密装配于电池堆IOO上以导引氧化剂通过阴极互连24并且最小化氧 化剂的绕过电池堆100的部分。在一个实施例中，绝缘48由含纤维 的陶瓷形成，其是介电绝缘或电绝缘的，并且可以由多种材料形成， 包括但不局限于Fiberfax ,含纤维的氧化铝，编织的氧化铝纤维， 或者其任何组合。套筒50优选由金属形成并包围绝缘48。尽管图6B 描述了流过阴极互连24的氧化剂流被配置成相对于流过阳极互连20 的燃料流的逆流图案，但是也可以以传统的逆流，协流，或交叉流 图案中的任何一个来配置氧化剂和燃料流的流动。
本发明的固态氧化物燃料电池具有用于支撑厚膜三层电池的刚 性化的箔支撑(RFS)。用于三层电池的电解质是掺杂稀土的二氧化 铈，并且特别是掺杂氯化钆的二氧化铈，允许固态氧化剂电池在低 于大约600°C的温度下工作。结果，RFS可以由在这些温度下耐用的 较不昂贵的材料形成，特别是不锈钢合金，比如铁素体不锈钢，和 其他高铬合金。由于低热质量电池和RFS的使用，固态氧化物燃料 电池也可以被快速地加热至大约600°C的工作温度，并且显著缩短了 燃料电池的启动时间。
RFS包括被结合在一起的支撑片，阳极互连和分离器片，以便形 成薄和重量轻的结构，且直接在支撑片的顶部上沉积电池。阴极互 连也连接至分离器片。对支撑片穿孔以使流过阳极互连的燃料开始 与电池接触。分离器片是固态的金属片，并且以可靠和鲁棒的方式 保持流过阳极互连的空隙空间的燃料和流过阴极互连的空隙空间的氧化剂彼此分开。
并入RFS的固态氧化物燃料电池比利用阳极电极层作为电池支 撑的当前现有技术的平面固态氧化物燃料电池薄大约三倍。尽管厚 度的显著减小，但是RFS电池支撑结构仍并入了电池支撑、阳极互 连、用于燃料流动的空隙空间、和分离器板的功能。此外，形成RFS 的金属的可延展性允许形成非常薄的箔，其一般易于变形和翘曲， 并且在大的占位面积标度下，不提供用于易碎陶瓷电池的刚性支 撑。然而，被结合的RFS是"加固的"结构，通过互连的细丝或用 于阳极互联的多孔结构的其他几何构造被加固。RFS因此提供对在平 面外变形的充足抵抗性，并且对SOFC三层提供优良的支撑。
通过连续的半批或成批的金属加工工艺，金属RFS也可以被制成 大的占位面积。超过300mm x 300mm的RFS占位面积尺寸被预期提 供相比较于通过陶瓷支撑支撑的平面SOFC电池的显著优点，由于目 前陶瓷制造工艺和工艺产量的局限性，平面SOFC电池被局限于小于 200mm x 200mm的尺寸。RFS也显示出可以以非常高的精确度和可靠 性设计和实施的可控制的几何形状和多孔性特征。这些特征转化成 很好控制的燃料气体流动阻力和在多个电池堆中基本上均匀的燃料 分布。
尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将 认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以在形式和细节 方面进4亍改变。
权利要求
1、一种用于支撑固态氧化物燃料电池的电池的金属的、刚性化的箔支撑结构，该支撑结构包括分离器片；具有被配置用于传送流体的穿孔的支撑片；以及在分离器片和支撑片之间设置的多孔层，用于为支撑结构提供支撑和加固，在支撑片和分离器片之间提供电连接，并且允许流体流过该多孔层。
2、 权利要求1的支撑结构
3、 权利要求1的支撑结构 离器片。
4、 权利要求1的支撑结构 形成。
5、 权利要求1的支撑结构 多个细丝形成。
6、 权利要求1的支撑结构 成到分离器片。
7、 权利要求1的支撑结构 高铬不锈钢形成。
8、 权利要求1的支撑结构 厚度。
9、 权利要求1的支撑结构 的面质量密度。
10、 一种具有多个重复单元的高功率系数固态氧化物燃料电池 堆，所述固态氧化物燃料电池堆的每一个重复单元包括金属的、刚性化的箔支撑結构，其被设置用于支撑燃料电池，该 支撑结构包括被穿孔的支撑片； 分离器片；以及在被穿孔的支撑片和分离器片之间设置的多孔层，用于为支撑 结构提供支撑和加固，并且用于在支撑片和分离器片之间提供电连 接；,其中由支撑片直接支撑电池。，其中支撑片基本上被气密密封至分，其中支撑片和分离器片由单个箔片，其中多孔层由以线编织图案配置的，其中多孔层是起伏结构，并且被集，其中分离器片、支撑片和多孔层由，其中该支撑结构具有小于1毫米的,其中该支撑结构具有小于0. 4g/cm2在该刚性化的箔支撑结构的被穿孔的支撑片上沉积的三层固态氧化物燃料电池；以及 阴极互连。
11、 权利要求10的燃料电池堆，其中该三层固态氧化物燃料电 池包括掺杂有稀土金属氧化物的二氧化铈。
12、 权利要求11的燃料电池堆，其中该三层固态氧化物燃料电 池包括掺杂有稀土金属氧化物和过渡金属氧化物的二氧化铈。
13、 权利要求11的燃料电池堆，其中该三层固态氧化物燃料电 池的电解质层选自包括下述的组掺杂氯化钆的二氧化铈，掺杂锶 的镧镓酸盐，掺杂锶的镧掺杂镁的镓酸盐，以及部分稳定和完全稳 定的氧化锆。
14、 权利要求10的燃料电池堆，其中阴极互连由拉制金属网片 或以网状结构配置的多个细丝形成。
15、 权利要求14的燃料电池堆，其中阴极互连由不锈钢形成。
16、 权利要求10的燃料电池堆，其中阴极互连的至少一部分包 括高导电的材料。
17、 权利要求10的燃料电池堆，其中多孔层由以线编织图案配 置的多个细丝形成。
18、 权利要求10的燃料电池堆，其中该燃料电池堆具有至少0. 5 每千克千瓦的功率系数。
19、 权利要求10的燃料电池堆，其中该刚性化的箔支撑结构具 有小于1毫米的厚度。
20、 权利要求10的燃料电池堆，并且进一步包括被配置用于将 燃料传送到多孔层的总管结构。
21、 权利要求10的燃料电池堆，并且进一步包括填充了氧化剂 流体的腔室，其中该固态氧化物燃料电池堆被容纳在该填充了氧化 剂流体的腔室内，并且其中该腔室允许阴极互连与氧化剂流体开口 连通。
22、 权利要求21的燃料电池堆，其中氧化剂持续流过该填充了 流体的腔室。
23、 一种制备具有金属支撑结构的固态氧化物燃料电池堆的方 法，该方法包括在第一箔片中形成多个穿孔； 在第一箔片和第二箔片之间设置加固网状结构； 结合第一箔片、第二箔片和该加固网状结构； 在第一箔片和第二箔片之间形成气密密封；以及 在第 一 箔片的第一侧上沉积厚膜三层电池。
24、 权利要求23的方法，其中形成气密密封包括电子束焊接、 激光束焊接、电阻焊接、或铜焊。
25、 权利要求23的方法，其中结合第一和第二箔片至该加固网 状结构包括扩散结合、电阻焊接、或铜焊第一和第二箔片至该加固 网状结构。
26、 利要求23的方法，其中第一箔片和第二箔片由具有第一半 和第二半的最初箔片形成。
27、 权利要求26的方法，其中结合第一箔片，第二箔片和该加 固网状结构包括利用在箔片的第一和第二半之间设置的该加固网状 结构，在第二半箔片上折叠笫一半箔片。
全文摘要
一种金属的刚性化的箔支撑结构(11)支撑固态氧化物燃料电池(10)的电池(14)。该支撑结构(11)包括分离器片(18)，具有被配置用于传送流体的穿孔(26)的支撑片(16)，以及在分离器片(18)和支撑片(16)之间设置的多孔层(20)。该多孔层(20)为支撑结构(11)提供支撑和加固，以及在支撑片(16)和分离器片(18)之间提供电连接。燃料流过该多孔层(20)。
文档编号H01M6/18GK101416334SQ200580048245
公开日2009年4月22日 申请日期2005年12月21日 优先权日2004年12月21日
发明者J·雅马尼斯 申请人:联合工艺公司