专利名称：具有缓冲层的固体氧化物燃料电池的制作方法
具有缓冲层的固体氧化物燃料电池
背景技术：
发明领域
本发明一般涉及固体氧化物燃料电池(SOFCs)。
相关技术的说明
为了追求高效且环境友好的能量生产方式，固体氧化物燃料电池 (SOFC)技术已经开始成为常规涡轮发动机和内燃机的潜在替代技术。SOFC 通常定义为一类燃料电池，其中电解质是固体金属氧化物(最好是无孔的或 限于闭孔的)，其中02'从阴极传输到阴极/电解质界面。燃料电池技术通常 比传统的内燃机具有更高的效率，更低的CO和NOx排放量。此外，燃料 电池技术往往是安静且无振动的。固体氧化物燃料电池(SOFC)比其它种类 的燃料电池优越。例如，SOFC可使用如天然气、丙垸、甲醇、煤油和柴油 等燃料源，因为SOFC可以在足以发生内部燃料重整的高温下运行。但是， 在降低SOFC体系的成本以与内燃机和其它燃料电池技术竞争方面仍然存 在挑战。这些挑战包括降低材料的成本、抑制退化或提高循环寿命，提高 运行性质如电流密度和功率密度。
在SOFC的长期工作特性中，传导率衰退是应该解决的重要参数问题， 从而能够形成商业上可行的组件。通常，传导率衰退是由于受到许多因素 的影响，例如固体电解质的晶体结构的变化，电解质与杂质的反应，以及 开-关循环导致的电解质层内的裂纹和裂缝。传导率下降、电阻率上升和接 触表面的退化也会导致运行电压和电流密度的下降，从而对燃料电池的性 能造成不利的影响，包括导致功率输出的下降。由于性能退化，需要更频 繁地更换昂贵的燃料电池组件，结果导致更高的总能量成本。
因此，许多典型的燃料电池系统在以低成本替代其它能源方面还存在 不足。从上文可以看出，提供适用于所需的SOFC应用的改进的SOFC设
计， 一般可以认为是有必要的。
发明概述
依据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池，其包括结合了锰酸镧 材料的阴极，该阴极具有接收氧气流的通道和沿着该通道延伸的缓冲层。 燃料电池还包括具有供燃料通过的通道的阳极，以及位于阴极和阳极之间 的电解质层。设置缓冲层是为了使氧气通入锰酸镧材料之前先由所述通道 通过该缓冲层，从而对氧气通入锰酸镧起到缓冲作用。
依据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池，该燃料电池具有包含 锰酸镧材料的阴极，该阴极具有接收氧气流的通道，该燃料电池还具有包 括供燃料通过的通道的阳极。该燃料电池还包括位于阴极和阳极之间的电 解质层，以及为使氧气通入锰酸镧材料之前先通过其中而设置的缓冲层， 所述缓冲层从而对氧气通入锰酸镧材料起到缓冲作用。
依据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池系统，该系统包括调制 燃料的燃料系统和提供氧气流动路径的空气系统，所述空气系统包括设置 在氧气流动路径中的用于提供缓冲的氧气的缓冲材料。燃料电池系统还包 括与燃料系统和空气系统连接的固体氧化物燃料电池堆，所述固体氧化物 燃料电池堆具有多个固体氧化物燃料电池，所述多个固体氧化物燃料电池 中的各固体氧化物燃料电池包括包含锰酸镧材料的阴极、接收燃料的阳极 以及位于阴极和阳极之间的电解质层，所述阴极包括接收经过缓冲的氧气 的通道。该燃料电池系统还包括与固体氧化物燃料电池堆电耦合的功率调 节器。
附图简要说明
通过参考以下附图，本领域技术人员可以更好地理解本发明，并且本 发明的许多特征和优点对本领域技术人员来说将是显而易见的。
图1是依据本发明的实施方式的SOFC的截面图。
图2是依据本发明的实施方式的SOFC堆的截面图。 图3说明了依据本发明的实施方式的SOFC系统。
在不同的附图中使用的相同的附图标记表示类似或相同的部件。
发明详述
依据本发明的一方面，提供了一种燃料电池，该燃料电池包括结合了 锰酸镧材料的阴极，该阴极具有接收氧气流的通道和沿着该通道延伸的缓 冲层。燃料电池还具有包括供燃料从其中通过的通道的阳极，以及位于阴 极和阳极之间的电解质层。可以设置缓冲层，用于使氧气通入锰酸镧材料 之前先由所述通道从所述缓冲层通过，从而对氧气通入锰酸镧起到缓冲作 用。
现在来看SOFC的阳极，该阳极是便于燃料在氧化还原反应中氧化、 通常在SOFC设备内产生电流的电极。通常，阳极称为燃料电极，因为它 通常传输燃料气体如氢气(H2)通过阳极材料到阳极/电解质界面，在此发生 氧化反应。阳极材料中高容量的孔隙有助于燃料气体快速传输到阳极/电解 质界面进行氧化。依据一个实施方式，阳极材料的孔隙率(％)不小于阳极总 体积的约10体积％。依据另一个实施方式，阳极的孔隙率(％)不小于约15 体积％，例如不小于约20体积％，或者甚至不小于约30体积％。
通常，燃料气体通道设置在非常接近阳极的地方，以便将燃料气体从 通道有效地传输通过阳极材料，最终到达阳极/电解质界面。在一些实施方 式中，通道与阳极相邻，例如通道结构覆盖在阳极材料上。而在另一些实 施方式中，通道整合到通道中，并延伸到阳极材料中。
依据一个实施方式中，阳极包含金属陶瓷材料，即陶瓷材料和金属材 料的组合。例如，可以由镍和氧化钇稳定的氧化锆或镍和氧化钆稳定的二 氧化铈形成阳极。通常通过包含在阳极前体中的镍氧化物还原产生镍，所 述阳极前体例如经过热处理的生坯陶瓷组合物。
现在来看电解质层，电解质层与阳极相邻，位于阳极和阴极之间。电 解质可由选自以下的材料形成氧化锆、二氧化钸、氧化镓(gallia)和其它 已知的离子导体。通过氧化物稳定剂材料如钇、钪、钐、镱和钆可以提高 氧离子传导率。用于氧化锆的稳定材料包括Ti02、 Ce02、 CaO、 Y203、 MgO、 SC203、 111203和Sn02之类的氧化物。例如，可以由氧化钇稳定的氧化锆、
掺杂氧化钪的氧化锆、掺杂氧化镱的氧化锆、掺杂氧化钐的二氧化钸、掺 杂氧化钆的二氧化铈或掺杂氧化钙的二氧化铈等形成电解质。依据具体的 实施方式，电解质材料是氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。
在一个实施方式中，电解质材料包含在氧化锆基质中的不小于约8.0 摩尔％的氧化物稳定剂，例如不小于约10摩尔％的氧化物稳定剂，或不小 于约12摩尔％的氧化物稳定剂。而且，其它实施方式表明使用更高含量的 氧化物稳定剂，例如在氧化锆中的不小于约15摩尔％的氧化物稳定剂。依 据本发明的实施方式，可以根据电解质材料所需的相、晶体结构和电学性 质来改变氧化锆中氧化物稳定剂的量。
电解质通常是孔隙率明显小于阳极孔隙率的致密结构。而且，不同于 阳极的孔隙，电解质层的孔隙通常是封闭的孔隙，并且通常不像阳极的孔 隙那样是相互连接的孔洞的网。依据一个实施方式，电解质层的孔隙率(％) 不大于约10体积％，或者不大于约5.0体积％。电解质层的孔隙率(％)可 以更小，例如不大于约2.5体积％，或者甚至不大于约1.0体积％。
现在来看阴极，阴极设置在与电解质相邻的位置，从而基本限定阴极/ 电解质界面，有利于氧气在SOFC中的氧化还原反应中还原。类似于阳极， 阴极是多孔材料，以便于气体流过。通常，流过阴极的气体包含氧，例如 空气或其它富氧原料。依据一个实施方式，阴极的孔隙率(％)小于阴极总体 积的约10体积％。其它实施方式具有更高的孔隙率(％)，例如不小于约15 体积％，不小于约20体积，或者甚至不小于约30体积％。
用于阴极的材料通常包含锰酸镧材料。具体地，阴极可由掺杂的锰酸 镧材料制成，使得阴极组合物具有钙钛矿型晶体结构。因此，掺杂的锰酸 镧材料通常具有以下通式表示的组成(Lai.xAx)yMn03.s，其中掺杂物质用 "A"表示，在材料中替代镧(La)，位于钙钛矿晶体结构的A位点。惨杂 材料可以选自碱土金属、铅，或者通常是原子比在0.4-0.9埃之间的二价阳 离子。因此，依据一个实施方式中，掺杂材料选自下组Mg、 Ba、 Sr、 Ca、 Co、 Ga、 Pb和Zr。依据具体的实施方式，掺杂物是Sr，阴极材料是锰酸 镧锶材料，通常称为LSM。
现在来看掺杂的锰酸镧阴极材料的化学计量比，依据一个实施方式，
提供一系列参数如存在的原子的类型、晶体结构中空位的百分数和原子之
间的比例，特别是阴极材料中La/Mn的比例，以控制在燃料电池工作过程 中，在阴极/电解质界面形成限制传导性的组合物。限制传导性的组合物的 形成会降低电池的效率，縮短SOFC的寿命。依据一个实施方式，掺杂的 锰酸镧阴极材料包括以下特征x不大于约0.5， y不大于约l.O， La/Mn的 比例不大于约1.0。掺杂的锰酸镧组合物中x值表示结构中替代La的掺杂 物的量。依据一个实施方式，x不大于约0.5，例如不大于约0.4或0.3。而 且，阴极材料中掺杂物的量可以更少，例如x不大于约0.2，或者甚至不大 于约O.l，特别是在约0.4-0.05的范围内。
在一个具体的实施方式中，掺杂材料是Sr(LSM阴极)，这样阴极组成 是(LaLxSrx)yMn03.s，其中x不大于约0.5，例如不大于约0.4、 0.3、 0.2或 者甚至不大于约O.l，特别是在约0.3-0.05的范围内。具有上述实施方式所 述的掺杂物浓度的阴极是所需的，用于减少在燃料电池工作过程中在阴极/ 电解质界面形成限制传导性的组合物。
再来看阴极的化学计量比，通式(La^Ax)yMn03.s中y的值表示在晶格 中A位点的原子占据率(X)。换种方式考虑，也可以用1.0减去y值，表示 晶格中A位点的空位率(X)。为了说明的目的，y值小于l.O的掺杂的锰酸 镧材料被称为"A位缺失"结构，因为晶体结构中的A位点不是100%占 据的。依据一个实施方式，y不大于约0.95，例如不大于约0.90、 0.88或者 甚至不大于约0.85。在一个具体的实施方式中，阴极材料是LSM(掺杂材料 是Sr)，其组成是(La^Srx)yMn03.8，其中y值不大于约l.O，例如不大于约 0.95、 0.93或者甚至不大于约0.90，特别是在约0.70-0.99的范围内。具有 上述实施方式所述的A位缺失的掺杂的锰酸镧组成的阴极是所需的，用于 减少在燃料电池工作过程中在阴极/电解质界面形成限制传导性的组合物。
再来看掺杂的锰酸镧阴极材料的组成，依据一个实施方式，La/Mn的 比例不大于约1.0。可以通过加入掺杂物(通式中的x值)和在锰酸镧晶体结 构中产生A位点空位(涉及y值)来调节阴极材料中的La/Mn比例。因此， 在另一个实施方式中，La/Mn的比例小于1.0，例如小于约0.97、 0.95，或 者甚至小于约0.93。依据一个具体的实施方式，阴极材料是组成为
(Lai.xSrx)yMn03.s的LSM，其中x不大于约0.5， y不大于约1.0， La/Mn的 比例不大于1.0。因此，LSM阴极材料中La/Mn的比例可以小于约1.0，例 如小于约0.97、 0.95或者甚至0.90。通常，La/Mn的比例不大于1.0，尤其 小于l.O，提供减少SOFC工作过程中在阴极/电解质界面形成限制传导性的 组合物所需的化学计量条件。这种限制传导性的组合物的形成可能降低 SOFC的效率，縮短其有效寿命。
类似于阳极，阴极是多孔材料，这有助于富氧气体通过阴极材料传输 到阴极/电解质界面，从而给还原反应提供燃料。通常，富氧气体通过通道 供应给阴极。通常，通道设置在非常接近阴极的地方，以有效地将富氧气 体从通道传输，通过多孔阴极材料，最后到达阴极/电解质界面。在一些实 施方式中，通道与阴极相邻或覆盖阴极。在其它实施方式中，通道整合在 阴极材料中，并且沿阴极材料延伸。
依据一个实施方式，SOFC特别包括缓冲层，用于对氧气通入锰酸镧 阴极材料起缓冲作用。缓冲层提供氧气计量流入阴极的介质，从而控制阴 极中的氧分压。对阴极中的氧分压加以控制可以保持燃料电池工作过程中 阴极内所需的还原或氧化环境。保持所需的氧分压可以稳定阴极材料，削 弱阴极材料的分解，否则可能导致在阴极/电极界面形成不利的限制传导性 的组合物，从而降低SOFC的效率，縮短其寿命。
依据一个实施方式，缓冲层具有负还原电位，使得在燃料电池组件工 作过程中在缓冲层中形成氧化条件。缓冲层中的氧化条件降低了阴极中的 氧分压，这样与没有缓冲层的燃料电池阴极相比，阴极中的氧分压得到降 低。该缓冲层材料对于缓冲氧气流入阴极和提供工作过程中所需的阴极内 环境是特别有用的。依据一个实施方式，缓冲层调节了通过缓冲层的氧气， 使得阴极中的氧分压在IOO(TC时不大于约l.O大气压。这样，阴极内的氧 分压可以小于例如不大于约0.9大气压、0.8大气压、或者甚至不大于约0.7 大气压。
依据一个实施方式，缓冲层包含两相材料。所述两相可包括金属材料 和金属氧化物材料，例如过渡金属和陶瓷的组合物。或者，两相可以都包 含氧化物。用于缓冲层的氧化物材料可包括Ni-NiO、 Fe304-Fe203 、
Mn304-Mn203、 Mn203-Mn02、 Cu-Cu20和Mi^CVCLaLxAJyMnOw之类的材 料。依据一个具体的实施方式，缓冲层可包括两相材料，其中第一相是与 阴极材料不相似的陶瓷氧化物材料，第二相是与阴极相同的材料，例如锰 酸镧材料。为了说明，不相似的陶瓷氧化物材料包括与阴极材料具有不同 化学组成的氧化物材料。在一个实施方式中，缓冲层包含组成通常为 Mn304-(La!.xAx)yMn03.s的两相材料。该组合物的第一相是Mn304， 一种不 同于锰酸镧阴极组合物的组合物，而第二相是(La"Ax)yMn03-s， 一种与锰 酸镧阴极材料具有相同化学组成的化合物。应该认识到，与阴极组成类似 的缓冲层材料的化学组成可包括如上所述依据阴极的组成所选择的所需组 成。
再来看缓冲层，缓冲层通常设置在最接近富氧气体流的位置，便于气 体从其中通过，以在气体进入阴极之前对气体流起缓冲作用。依据一个实 施方式，缓冲层沿着阴极的通道延伸，例如缓冲层包含在阴极材料中。例 如，可以将缓冲层整合到阴极中，这样缓冲层作为平面层设置在与阴极中 的通道相邻的位置。例如，缓冲层是设置在通道和阴极本体材料之间的平 面层结构。但是，依据一个具体的实施方式，缓冲层沿着通道延伸，通常 包围通道的外围。更具体地说，缓冲层可以用于限定通道，也就是说形成 供富氧气体流过的通道的内表面。
参看图1，显示了依据本发明的实施方式的平面SOFC设备的截面图。 图l显示了一种SOFC，其具有阳极109、阴极101和位于阳极109和阴极 101之间的电解质层107，所述阳极109包括用于传递燃料气体的阳极通道 111。阴极101还包括用于传递富氧气体到阴极101的阴极通道103。阴极 通道103包括位于阴极通道103内表面上的缓冲层105，这样缓冲层位于氧 气流动路径中。缓冲层105的位置有利于对氧气流入阴极101起到缓冲作 用，从而抑制了限制传导性的组合物在阴极/电解质界面110的形成。
依据另一个实施方式，可以制造结合了多个燃料电池的燃料电池堆。 燃料电池堆中的各燃料电池具有阴极、阳极和位于阴极和阳极之间的电解 质，其中所述阴极包括锰酸镧材料和用于接收氧气流的通道，以及沿着通 道延伸的缓冲层。图2显示了依据本发明的实施方式的具有多个燃料电池的燃料电池 堆。依据一个实施方式，燃料电池共享电极，例如位于各燃料电池之间的
阳极和阴极，但是也可以使用其它结构。燃料电池堆包括被电解质层204、 208和212分隔的电极层202、 206、 210和214。如上述实施方式所述，各 电极层可包括如上所述用于富氧气体或燃料气体传输的通道216。
在所述的具体的实施方式中，电极202是阳极，电极206是阴极，电 解质层204位于电极202和204之间，形成单个固体氧化物燃料电池。可 以认识到，另一单个固体氧化物燃料电池由电极206(如上所述是阴极)、电 解质层208和电极210(阳极)形成。如示例性的实施方式中所述的，各燃料 电池共享电极，例如电极206提供气体到电解质层204和208。此外，依据 所述的实施方式的电极210是阳极，提供燃料气体到电解质层208和212。 该电池堆可以重复图案排列，这样若干电极在相邻的固体氧化物燃料电池 之间共享。或者，无共享的电极的构造可以使用透气的互连间隔。电池堆 可与其它电池堆串联、并联，或者是串联/并联混杂的构造。
再来看图2的具体实施方式
，缓冲层218显示为沿着电极206和214 的通道216延伸。依据图2所示的实施方式，缓冲层限定了通道216，也就 是说，形成了通道216的内表面，这样缓冲层设置在氧气流动路径中。缓 冲层218的位置有利于对氧气进入电极206和214起缓冲作用。
上述固体氧化物燃料电池可以结合到SOFC系统中，用于生产能量。 图3显示了示例性的SOFC系统。该系统包括燃料系统302、空气系统304、 SOFC堆308和功率调节器310。该系统还可包括根据预期的SOFC堆的运 行温度设置的重整器306。
燃料进入燃料系统302。燃料系统302可清洁燃料和/或加热燃料，以 制备用于重整或反应。燃料系统302可包括热交换器、压縮机、泵、吸收 床和其它部件。燃料从燃料系统302进入重整器306。重整器306可使用燃 料生产氢和其它分子。重整器306通常用于低温SOFC系统。高温SOFC 系统具有内部重整的优点，因此可使用未重整的燃料。
在该具体的实施方式中，富氧气体是空气，该气体通过空气系统304 进入系统。空气系统304可清洁、压缩、纯化和/或加热空气。空气系统可
包括压縮机、吸收床、膜、热交换器和其它部件。
燃料和空气被引入SOFC堆308。燃料通常被引导通过SOFC堆中燃料 电池的阳极，空气通常被引导通过阴极。对于SOFC的情况，氧离子从阴 极通过电解质到达阳极，产生电势。用与SOFC堆308电耦合的功率调节 器310调节该电势。功率调节器310可传递能量至电网或电路。从SOFC 堆排出的废气可用于热交换或用在重整过程中。
依据本发明的实施方式，SOFC、 SOFC堆或使用SOFC组件的动力系 统的寿命得到提高，并且具有稳定的性能。依据具体的实施方式，阴极中 所需的氧化和/或还原环境可以得到保持，从而抑制阴极材料的分解，而阴 极材料的分解可能导致在阴极/电解质界面处形成限制传导性的组合物。此 外，本文中各种SOFC实施方式的具体组成特征可以减少阴极的分解，并 且减少在阴极/电解质界面形成限制传导性的组合物。例如，本文的SOFC 实施方式中A位缺失的锰酸镧可提供所需的阴极材料镧缺失，从而延迟镧 迁移到阴极/电解质界面，而这一点与阴极材料的分解和随后的限制传导性 的组合物的形成有关。
此外，依据某些实施方式，A位缺失的锰酸镧阴极与La/Mn比例小于 1.0这两个特征的组合有助于在阴极/电解质界面形成钝化层。该钝化层是不 限制传导性的组合物，这样通过减少其它物质(如La)迁移到阴极/电解质界 面，能抑制阴极/电解质界面处限制传导性的组合物的形成。此外，La/Mn 比例小于1.0的A位缺失的阴极还可以进一步改变，以包含掺杂材料(例如 Sr)。在本发明的各种SOFC实施方式中加入掺杂材料，可以通过减少某些 物质在热力学驱动下迁移到阴极/电解质界面形成限制传导性的组合物而进 一步抑制限制传导性的组合物的形成。依据某些实施方式，缓冲层和特定 的阴极组合物的组合是非常优越的，可以通过以下几点来减少限制传导性 的组合物的形成保持阴极内所需的氧分压(氧化/还原环境)，减少某些物 质在热力学驱动下迁移到阴极/电解质表面，以及在SOFC工作过程中在阴 极/电解质界面形成钝化层，由此减少限制传导性的组合物的形成。
以上公开的主题事项应该理解为说明性的而非限制性的，我们希望所 附的权利要求涵盖所有的这些修改、提高和其它落在本发明实质范围内的
实施方式。因此，在法律所允许的最大程度上，本发明的范围将由所附权 利要求及其等同要求的被允许的最广义的解释来确定，并且不受以上的详 细描述的限制和约束。
权利要求
1.一种燃料电池组件，其包括阴极，其包含锰酸镧材料，该阴极具有接收氧气流的通道和沿着所述通道延伸的氧气流通过的缓冲层；阳极，其包括接收燃料流的通道；和位于所述阴极和所述阳极之间的电解质层。
2. 如权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述缓冲层形成 所述阴极的通道的内表面。
3. 如权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述缓冲层包含 两相材料。
4. 如权利要求3所述的燃料电池组件，其特征在于，所述缓冲层包含 选自下组的材料Ni誦NiO、 Fe304-Fe203、 Mn304-Mn203、 Mn203-Mn02、 Cu-Cu20、和Mn304隱(LaLxAx)yMn03-s。
5. 如权利要求4所述的燃料电池组件，其特征在于，所述缓冲层包含 选自下组的材料Mn304-Mn203、 Mn203-Mn02和Mi^CVCLakAOyMnO^o
6. 如权利要求3所述的燃料电池组件，其特征在于，所述缓冲层包含 两相材料，第一相包含陶瓷氧化物材料，第二相包含锰酸镧材料。
7. 如权利要求6所述的燃料电池组件，其特征在于，所述缓冲层包含 通式为Mn304-(La^AJyMn03.5的两相材料，其中x不大于约0.3, y不大于 约1.0， La/Mn的比例小于约1.0。
8. 如权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述缓冲层具有 负还原电位，在燃料电池组件工作的过程中，缓冲层被氧化，这样与没有 缓冲层的阴极内的氧分压相比，这种经过调节的供氧使得阴极内的氧分压 较低。
9. 如权利要求8所述的燃料电池组件，其特征在于，所述缓冲层对阴 极提供经过调节的氧源，使得阴极内经过调节的氧源的分压值在IOO(TC不 大于约l大气压。
10. 如权利要求l所述的燃料电池组件，其特征在于，所述阴极包含组 成为(LaLxAx)yMn03.5的锰酸镧材料，其中y不大于约l.O， x不大于约0.5， La/Mn的比值不大于约1.0。
11. 如权利要求10所述的燃料电池组件，其特征在于，y不大于约0.95， La/Mn的比值小于约1.0
12. 如权利要求11所述的燃料电池组件，其特征在于，y不大于约0.85。
13. 如权利要求l所述的燃料电池组件，其特征在于，所述阴极包含组 成为(La^Ax)yMn03.5的锰酸镧材料，其中A是选自下组的掺杂材料Mg、 Ba、 Sr、 Ca、 Co、 Ga、 Pb和Zr。
14. 如权利要求13所述的燃料电池组件，其特征在于，A是Sr。
15. 如权利要求13所述的燃料电池组件，其特征在于，所述阴极包括 (Lai.xSrx)yMn03，其中x不大于约0.5， y不大于约l.O, La/Mn的比例不大 于约1.0。
16. 如权利要求15所述的燃料电池组件，其特征在于，y不大于约0.95， La/Mn的比例小于约1.0。
17. 如权利要求l所述的燃料电池组件，其特征在于，所述阳极包含包 括金属相和陶瓷相的金属陶瓷。
18. 如权利要求43所述的燃料电池组件，其特征在于，所述金属相包 含Ni，所述陶瓷相包含氧化锆。
19. 如权利要求1所述的燃料电池组件，其特征在于，所述电解质包含 稳定的氧化锆。
20. 如权利要求19所述的燃料电池组件，其特征在于，所述电解质包 含在Zr02中的不少于约8摩尔％的氧化物稳定剂。
21. 如权利要求20所述的燃料电池组件，其特征在于，所述电解质包 含在Zr02中的不少于约10摩尔％的氧化物稳定剂。
22. 如权利要求21所述的燃料电池组件，其特征在于，所述电解质包 含氧化钇稳定的氧化锆。
23. 如权利要求l所述的燃料电池组件，其特征在于，所述燃料电池组 件是具有多个燃料电池的燃料电池堆的组件，各燃料电池具有包含锰酸 镧材料的阴极，该阴极具有接收氧气流的通道和沿着该通道延伸的氧气流 通过的缓冲层；包括接收燃料流的阳极；以及位于阴极和阳极之间的电解 质层。
24. —种燃料电池，其包括阴极，其包含锰酸镧材料，该阴极具有接收氧气流的通道； 阳极，其包括供燃料流通过的通道； 位于所述阴极和所述阳极之间的电解质层；和缓冲层，用于使氧气在通入锰酸镧材料之前先通过该缓冲层，从而使 得该缓冲层对氧气通入锰酸镧材料起到缓冲作用。
25. 如权利要求24所述的燃料电池，其特征在于，所述缓冲层延伸到 阴极中，并与阴极整合在一起。
26. 如权利要求25所述的燃料电池，其特征在于，所述缓冲层沿着阴 极的通道延伸。
27. 如权利要求26所述的燃料电池，其特征在于，所述缓冲层形成所 述阴极的通道的内表面。
28. 如权利要求24所述的燃料电池，其特征在于，所述缓冲层包含两 相材料。
29. 如权利要求28所述的燃料电池，其特征在于，所述缓冲层包含选 自下组的材料Ni-NiO、 Fe304-Fe203、 Mn304-Mn203、 Mn203-Mn02、 Cu-Cu20 和Mn304-(La,.xAx)yMn03.s。
30. 如权利要求29所述的燃料电池，其特征在于，所述缓冲层包含选 自下组的材料Mn304-Mn203、 Mn203-Mn02和Mr^CXKLaLxAOyMnOs.^
31. 如权利要求28所述的燃料电池，其特征在于，所述缓冲层包含两 相材料，第一相包含陶瓷氧化物材料，第二相包含锰酸镧材料。
32. 如权利要求31所述的燃料电池，其特征在于，所述缓冲层包含通 式为Mn304-(LaLxAJyMn03.s的两相材料，其中x不大于约0.3， y不大于约 1.0， La/Mn的比例小于约1.0 。
33. 如权利要求24所述的燃料电池，其特征在于，所述缓冲层具有负 还原电位，在燃料电池组件工作的过程中，缓冲层被氧化，这样与没有缓 冲层的阴极内的氧分压相比，这种经过调节的氧源使得阴极内的氧分压较 低。
34. 如权利要求24所述的燃料电池，其特征在于，所述缓冲层对阴极 提供经过调节的氧源，使得阴极内经过调节的氧源的分压值在IOO(TC不大 于约l大气压。
35. 如权利要求24所述的燃料电池，其特征在于，所述阴极包含多孔 材料，所述阴极的百分孔隙率不小于阴极总体积的约10体积％。
36. 如权利要求24所述的燃料电池，其特征在于，所述阴极包含组成 为(La^Ax)yMn03.s的锰酸镧材料，其中y不大于约1.0， x不大于约0.5， La/Mn的比值不大于约1.0。
37. 如权利要求36所述的燃料电池，其特征在于，y不大于约0.95， La/Mn的比值小于约1.0
38. 如权利要求37所述的燃料电池，其特征在于，y不大于约0.85。
39. 如权利要求36所述的燃料电池，其特征在于，所述阴极包含组成 为(LaLxAx)yMn03.5的锰酸镧材料，其中A是选自下组的掺杂材料Mg、 Ba、 Sr、 Ca、 Co、 Ga、 Pb和Zr。
40. 如权利要求39所述的燃料电池，其特征在于，A是Sr。
41. 如权利要求40所述的燃料电池，其特征在于，所述阴极包括 (Lai.xSrx)yMn03，其中x不大于约0.5， y不大于约l.O， La/Mn的比例不大 于约1.0。
42. 如权利要求41所述的燃料电池，其特征在于，y不大于约0.95， La/Mn的比例小于约1.0。
43. 如权利要求24所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极包含包括 金属相和陶瓷相的金属陶瓷。
44. 如权利要求43所述的燃料电池，其特征在于，所述金属相包含Ni， 所述陶瓷相包含氧化锆或任何其它合金材料。
45. 如权利要求24所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极包含孔隙 率不小于阳极总体积的约10体积％的多孔材料。
46. 如权利要求24所述的燃料电池，其特征在于，所述电解质包含稳 定的氧化锆。
47. 如权利要求46所述的燃料电池，其特征在于，所述电解质包含在 Zr02中的不少于约8摩尔％的氧化物稳定剂。
48. 如权利要求47所述的燃料电池，其特征在于，所述电解质包含在 Zr02中的不少于约10摩尔％的氧化物稳定剂。
49. 如权利要求48所述的燃料电池，其特征在于，所述电解质包含氧 化钇稳定的氧化锆(YSZ)。
50. 如权利要求24所述的燃料电池，其特征在于，所述电解质包含孔 隙率不大于电解质层总体积的约10体积％的材料。
51. —种燃料电池系统，其包括-用于调节燃料的燃料系统；提供氧气流动路径的空气系统，该空气系统包含设置在氧气流动路径 中的缓冲材料，用于提供经过缓冲的氧气；与燃料系统连接并且与空气系统连接的固体氧化物燃料电池堆，该固 体氧化物燃料电池堆具有多个固体氧化物燃料电池，所述多个固体氧化物 燃料电池中的各固体氧化物燃料电池包括包含锰酸镧材料的阴极，该阴极具有接收经过缓冲的氧气的通道； 用于接收燃料的阳极；位于所述阴极和所述阳极之间的电解质层； 与固体氧化物燃料电池堆电耦合的功率调节器。
52. 如权利要求51所述的燃料电池系统，其特征在于，所述缓冲材料 是沿着阴极的通道延伸的缓冲材料层。
53. 如权利要求52所述的燃料电池系统，其特征在于，所述缓冲层形 成所述阴极的通道的内表面。
54. 如权利要求51所述的燃料电池系统，其特征在于，所述缓冲层包 含两相材料。
55. 如权利要求54所述的燃料电池系统，其特征在于，所述缓冲层包 含选自下组的材料Ni-NiO、 Fe304-Fe203、 Mn304-Mn203、 Mn203-Mn02、 Cu-Cu20和Mri304-(LaLxAx)yMn03.5。
56. 如权利要求54所述的燃料电池系统，其特征在于，所述缓冲层包含两相材料，第一相包含陶瓷氧化物材料，第二相包含锰酸镧材料。
57. 如权利要求56所述的燃料电池系统，其特征在于，所述缓冲层包 含通式为Mn304-(LaLxAx)yMn03.s的两相材料，其中x不大于约0.3， y不大 于约1.0， La/Mn的比例小于约1.0。
58. 如权利要求51所述的燃料电池系统，其特征在于，所述缓冲层具 有负还原电位，在燃料电池组件工作的过程中，缓冲层被氧化，这样与没 有缓冲层的阴极内的氧分压相比，这种经过调节的氧源使得阴极内的氧分 压较低。
59. 如权利要求51所述的燃料电池系统，其特征在于，所述缓冲层对 阴极提供经过调节的氧源，使得阴极内经过调节的氧源的分压值在IOOO'C 不大于约1大气压。
60. 如权利要求51所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阴极包含 组成为(LakAx)yMn03.5的锰酸镧材料，其中y不大于约l.O，x不大于约0.5， La/Mn的比值不大于约1.0。
61. 如权利要求60所述的燃料电池系统，其特征在于，所述锰酸镧材 料包括组成为(La,.xSrx)yMn03的材料，其中y不大于约1.0， x不大于约0.5， La/Mn的比例小于约1.0。
62. 如权利要求51所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳极包括 包含Ni的金属相和包含氧化锆的陶瓷相。
63. 如权利要求51所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电解质包 含氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池组件，该组件具有一个阴极和一个缓冲层，其中所述阴极包含锰酸镧材料和接收氧气流的通道，沿着该通道延伸的氧气流通过所述缓冲层。该燃料电池组件还包括具有接收燃料流的通道的阳极，以及位于阴极和阳极之间的电解质。
文档编号H01M4/86GK101361213SQ200680051142
公开日2009年2月4日 申请日期2006年12月12日 优先权日2005年12月15日
发明者N·E·布朗 申请人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司