具有互连的燃料电池系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般设及燃料电池，具体设及用于燃料电池的互连。 柳〇引背景
[0003] 燃料电池，燃料电池系统，用于燃料电池和燃料电池系统的互连一直是人们感兴 趣的领域。一些现有的系统对于某些应用而言具有各种缺点、缺陷和不足。因此，仍然需要 进一步发展该技术领域。
【发明内容】
[0004] 在一些方面，本申请描述了具有互连的燃料电池系统，该系统通过提供增加的扩 散距离和减少的扩散流动区，从而减少或消除燃料和氧化剂的扩散（泄漏）。在一些方面， 本发明描述了用于形成燃料电池系统中所用的化学屏障的示例性材料组合物。可在燃料电 池系统中使用化学屏障，防止或减少燃料电池系统的互连与至少一个与互连电连通的部件 之间的材料迁移，所述至少一个部件例如是一个或多个阳极，阳极导电层/导体膜，阴极和 /或阴极导电层/导体膜。按照该方式，可W降低或基本消除由运种材料迁移（扩散）导致 的性质可能带来不利的效应，例如形成空隙，在界面处富含一个或多个非电子传导相或低 电子传导相。 阳〇化]在一些例子中，运种化学屏障可由渗杂铁酸锁形成。例如，化学屏障可由表 现出巧铁矿结构的渗杂铁酸锁形成，该巧铁矿结构包括A位和B位，其中A位渗杂了 至少一种La,Y，Ce, Pr,Nd,Sm,Gd,Dy,化和化。又例如，化学屏障可由表现出巧铁矿结 构的渗杂铁酸锁形成，该巧铁矿结构包括A位和B位，其中B位渗杂了M，其中M包括 佩，Co,Cu,Mn,Ni,V，化，Ga和Al中的至少一种。
[0006] 在一个例子中，本发明设及一种燃料电池，该燃料电池包括第一电化学电池，该第 一电化学电池包括第一阳极和第一阴极；第二电化学电池，该第二电化学电池包括第二阳 极和第二阴极；被配置为传导电子从第一阳极流向第二阴极的互连；被配置为防止或减少 互连与至少一个与该互连电连通的部件之间的材料迁移的化学屏障，其中该化学屏障包括 渗杂铁酸锁。
[0007] 又例如，本发明设及一种制备燃料电池的方法，该方法包括形成一种化学屏障，该 化学屏障被配置成防止或减少互连与至少一个与燃料电池中的互连电连通的部件之间的 材料迁移。燃料电池包括第一电化学电池，该第一电化学电池包括第一阳极和第一阴极；第 二电化学电池，该第二电化学电池包括第二阳极和第二阴极；被配置为传导电子从第一阳 极流向第二阴极的互连；W及配置的化学屏障。化学屏障包括渗杂铁酸锁。
[000引在附图和W下描述中详细说明了本发明的一种或多种实施方式。通过附图和详述W及权利要求书，不难了解本发明的其它特征、目的和优点。
[0009] 附图简述
[0010] 现在参照附图进行说明，在全部附图中相同的附图标记指的是相同的部件。
[0011] 图1示意性地显示了按照本发明的实施方式的燃料电池系统的非限制性例子的 一些方面。
[0012] 图2示意性地显示了按照本发明的实施方式的燃料电池系统的横截面的非限制 性例子的一些方面。
[0013] 图3是图2所示的互连的一部分的放大截面图。
[0014] 图4A和4B显示了互连构造的一些替代实施方式。
[0015] 图5显示了与本发明实施方式对比的假设互连。
[0016] 图6A和6B分别显示互连另一实施方式的非限制性例子的一些方面的俯视图和侧 视图。
[0017] 图7示意性地显示了按照本发明的实施方式的具有陶瓷密封的燃料电池系统的 横截面的非限制性例子的一些方面。
[0018] 图8示意性地显示了具有陶瓷密封的燃料电池系统的另一实施方式的横截面的 非限制性例子的一些方面。
[0019] 图9示意性地显示了具有陶瓷密封的燃料电池系统的另一实施方式的横截面的 非限制性例子的一些方面。
[0020] 图10示意性地显示了具有化学屏障的本发明实施方式的截面的非限制性例子的 一些方面。
[0021] 图11示意性地显示了具有化学屏障的本发明实施方式的截面的非限制性例子的 一些方面。
[0022] 图12示意性地显示了具有化学屏障和陶瓷密封的本发明实施方式的截面的非限 制性例子的一些方面。
[0023] 图13示意性地显示了具有化学屏障和陶瓷密封的本发明实施方式的截面的非限 制性例子的一些方面。
[0024] 图14示意性地显示了具有化学屏障的本发明实施方式的截面的非限制性例子的 一些方面。
[00巧]图15示意性地显示了具有化学屏障的本发明实施方式的截面的非限制性例子的 一些方面。
[00%] 图16示意性地显示了具有化学屏障、陶瓷密封、W及阴极导体膜和电解质层之间 的间隙的本发明实施方式的截面的非限制性例子的一些方面。
[0027] 图17示意性地显示了具有化学屏障、陶瓷密封、W及互连辅助导体和电解质层之 间的间隙的本发明实施方式的截面的非限制性例子的一些方面。
[0028] 图18示意性地显示了具有化学屏障、陶瓷密封、W及阴极导体膜和电解质层之间 绝缘体的本发明实施方式的截面的非限制性例子的一些方面。
[0029] 图19示意性地显示了具有化学屏障、陶瓷密封、W及互连辅助导体和电解质层之 间的绝缘体的本发明实施方式的截面的非限制性例子的一些方面。
[0030] 图20是总结了各实施例材料的电导率的图。
[0031] 图21是总结了各实施例材料的测试结果的图。
[0032] 图22是显示包括化学屏障的示例性电池的各个层的图。 阳〇3引发明详述
[0034] 参见附图，尤其是图1，示意性地显示了按照本发明的实施方式的燃料电池系统 10的非限制性例子的一些方面。在图I所示的实施方式中，描述了本发明实施方式的方面 的各个特征、部件和它们之间的相互关系。但是，本发明不限于图1的特定实施方式，部件、 特征和它们之间的相互关系示于图1，并在本文中进行了描述。
[0035] 本发明燃料电池系统10的实施方式包括形成基材14上的多个电化学电池12,即 独立的燃料电池。电化学电池12通过互连16串联在一起。燃料电池系统10是沉积在平 面多孔陶瓷管上的分段串联设置，但是应理解本发明同样适用于在其它基材（例如圆形多 孔陶瓷管）上的分段串联设置。在不同实施方式中，燃料电池系统10可W是集成平面燃料 电池系统或管状燃料电池系统。
[0036] 本实施方式的各个电化学电池12具有氧化剂侧18和燃料侧20。氧化剂通常是空 气，但是也可W是纯氧（〇2)或其它氧化剂，例如包括稀薄空气用于具有空气循环回路的燃 料电池系统，并且从氧化剂侧18将氧化剂提供给电化学电池12。本实施方式的基材14是 多孔的，例如多孔陶瓷材料，该材料在燃料电池运行条件下稳定，并且与其它燃料电池材料 化学相容。在其它实施方式中，基材14可W是表面改性的材料，例如具有涂层或其它表面 改性的多孔陶瓷材料，例如用于防止或降低电化学电池12的层和基材14之间的相互作用。 通过多孔基材14中的通道（未示出）将燃料如重整控燃料（诸如合成气）从燃料侧20供 应给电化学电池12。尽管空气和控燃料重整得到的合成气被用于本发明实施方式中，但是 应理解在不背离本发明范围的情况下可W使用用其它氧化剂和燃料（例如纯氨和纯氧）的 电化学电池。另外，尽管在本实施方式中，燃料是通过基材14供应给电化学电池12，应理解 在本发明其它实施方式中，氧化剂可通过多孔基材供应该电化学电池。
[0037] 参见图2,更详细地描述了燃料电池系统10的非限制性例子的一些方面。燃料电 池系统10可由多个丝网印刷在基材14上的层构成。丝网印刷是一种方法，该方法利用具 有开口的编织网，通过该开口燃料将电池层沉积在基材14上。丝网的开口决定了印刷层的 长度和宽度。丝网网目、丝径、油墨固体负载和油墨流变性决定印刷层的厚度。燃料电池系 统10的层包括阳极导电层22,阳极层24,电解质层26,阴极层28和阴极导电层30。在一 种形式中，电解质层26由电解质亚层26A和电解质压层26B构成。在其它实施方中，电解 质层26可由任何数量的亚层形成。应理解，图2不是按比例绘制的；例如，为了清楚起见， 垂直方向的尺寸被放大。
[0038] 用于固体氧化物燃料电池（SOFC)的互连优选是导电性的，W将电子从一个电化 学电池传输到另一个电化学电池；在燃料电池运行过程中在氧化和还原环境下都是机械和 化学稳定的；并且是无孔的，从而防止燃料和/或氧化剂通过互连扩散。如果互连是多孔 的，燃料可扩散到氧化剂侧并且燃烧，产生局部热点，导致燃料电池的寿命缩短，例如由于 材料降解和机械故障导致燃料电池的寿命缩短，W及燃料电池系统的效率下降。类似地，氧 化剂可扩散到燃料侧，导致燃料燃烧。严重的互连泄漏将明显降低燃料的利用率和燃料电 池的性能，或者导致燃料电池或电池组的突发故障。
[0039] 对于分段串联电池，可通过在多孔陶瓷基材如基材上沉积薄膜形成燃料电池部 件。在一种形式中，通过丝网印刷方法沉积膜，包括互连。在其它实施方式中，可使用其它 方法来沉积或W其它方式在基材上形成薄膜。互连层的厚度可为5-30微米，也可W明显更 厚，例如100微米。如果互连不是完全无孔的，例如由于烧结孔隙，微裂缝，空桐W及在加工 过程中产生的其它缺陷，气体或空气通过互连层的通量可能非常高，导致上述不利的效应。 因此，在本发明的一个方面，互连（互连16)被配置成最大程度地减少或消除氧化剂和燃料 通过互连的扩散。
[0040] 本实施方式的互连16的材料是贵金属，例如Ag,Pd,Au和/或Pt和/或其合金， 但是在不背离本发明范围的情况下也可W使用其它材料。例如，在其它实施方式中，也可 W考虑使用其它材料，包括贵金属合金，例如Ag-Pd,Ag-Au,Ag-Pt,Au-Pd,Au-Pt,Pt-Pd,Ag -Au-Pd,Ag-Au-Pt,Ag-Au-Pd-Pt和/或Pt-Pd-Au-Ag类别中的双相、S相、四相合金，包括 具有少量非贵金属添加物的合金，由贵金属组成的金属陶瓷，贵金属合金，Ni金属和/或 Ni合金，W及惰性陶瓷相，例如氧化侣，或具有极低的离子传导性、不会产生明显的寄生效 应的陶瓷相，例如YSZ(氧化锭稳定的氧化错，也称为氧化锭渗杂的氧化错，氧化锭渗杂量 为3-8摩尔％，优选3-5摩尔％)，ScSZ(氧化筑稳定的氧化错，氧化筑渗杂量为4-10摩 尔％，优选4-6摩尔％ )，和/或导电陶瓷，例如具有A位或B位取代或渗杂的导电巧铁 矿，W实现足够的相稳定性和/或足W作为互连充分的导电性，例如包括W下所列中的至 少一种：LNF化aNixFeix〇3,优选X= 0. 6)，LSM化曰1xSrxMrA，X= 0. 1-0. 3)，渗杂氧化姉， 渗杂铁酸锁（例如LaxSrixTi〇3-，X= 0. 1-0. 3)，LSCM化曰1xSfx化 1yMny〇3,X= 0. 1-0. 3， 且y= 0. 25-0. 75)，渗杂亚铭酸锭（例如YixCaxCr〇3-，X= 0. 1-0. 3)和/或其它渗杂亚 铭酸铜（例如LaixCax化〇3 6,X= 0. 15-0. 3)，和导电陶瓷，例如W下所列中的至少一种： LNF化aNixFeix〇3,优选X= 0. 6)，LSM化曰1xSrxMn〇3,X= 0. 1-0. 3)，渗杂铁酸锁，渗杂亚铭酸 锭，LSCM化曰1班斯iyMny〇3)和其它渗杂亚铭酸铜。在一些实施方式中，考虑全部或部分互 连16可由Ni金属陶瓷和/或Ni合金金属陶瓷作为上述材料的补充或代替上述材料形成。 Ni金属陶瓷和/或Ni合金金属陶瓷可具有一个或多个陶瓷相，例如但不限于，为YSZ(氧化 锭渗杂量为3-8摩尔％，优选3-5摩尔％ )，氧化侣，ScSZ(氧化筑渗杂量为4-10摩尔％，优 选4-6摩尔％ )，渗杂氧化姉和/或Ti〇2的陶瓷相.
[0041] 用于互连16的材料的一个例子是y(PdxPtiX)- (1-y)YSZ。其中X是0-1 (重量比）， 对于较低的氨通量，优选X为0-0. 5。Y是0. 35-0. 80 (体积比），优选y是0. 4-0. 6。
[0042] 本实施方式的阳极导电层22是由儀金属陶瓷形成的电极导电层，所述儀金属陶 瓷例如是Ni-YSZ(氧化错中氧化锭的渗杂量为3-8摩尔％ )，Ni-ScSZ(氧化筑渗杂量为 4-10摩尔％，优选对于10摩尔％氧化筑-Zr02,为了相稳定性，进行二次渗杂）和/或Ni 渗杂的氧化姉（例如Gd或Sm渗杂），渗杂的亚铭酸铜（例如在A位渗杂化，在B位渗杂 Zn)，渗杂的铁酸锁（例如在A位渗杂La,在B位渗杂Mn)和/或LaixSrxMriyCriy〇3。或者， 可W考虑使用其它材料用于阳极导电层22,例如部分或全部基于贵金属的金属陶瓷。金属 陶瓷中的贵金属可包括例如Pt,Pd,Au,Ag,和/或它们的合金。陶瓷相可包括例如非活性 不导电相，包括例如YSZ，ScSZ和/或一种或多种其它非活性相，例如具有所需的热膨胀系 数（CTE)，W控制层的CTEW与基材和电解质的CTE匹配。在一些实施方式中，陶瓷相可包 括Al2〇3和/或尖晶石如NiAl2〇4,MgAl2〇4,MgCr2〇4,化化〇4。在其它实施方式中，陶瓷相可W 是导电的，例如，渗杂亚铭酸铜，渗杂铁酸锁和/或一种或多种形式的LaSrMn化0。
[0043] 阳极导电层材料的一个例子是76. 5%Pd, 8. 5%Ni, 15% 3YSZ。 W44] 在本实施方式中，阳极24由XNiO-(IOO-X)YSZ(X为55-75(重量tt))，yNiO- (100-y)ScSZ(y是55-75 (重量比）），NiO-氧化礼稳定的氧化姉（例如55 重量％NiO-45重量％GDC)和/或NiO氧化衫稳定的氧化姉形成，但是在不背离本 发明范围的情况下可使用其它材料。例如，或者可W考虑阳极层24由渗杂铁酸锁和1日1xSrxMriy&iy〇3(例如Lao.75Sro.25Mno.5Cro.5O3)制成。
[0045] 本实施方式的电解质层26如电解质亚层26A和/或电解质亚层26B可由陶瓷材 料制成。在一种形式中，可使用质子和/或氧离子导电陶瓷。在一种形式中，电解质层26 由YSZ形成，例如3YSZ和/或8YSZ。在其它实施方式中，电解质层26可由ScSZ形成，ScSZ 包括例如4ScSZ，6ScSz和/或lOScSZ，作为YSZ的补充或替代YSZ。在其他实施方式中，可 使用其它材料。例如，或者考虑电解质层26可由渗杂氧化姉和/或渗杂嫁酸铜制成。在任 何情况中，电解质层26基本上不允许燃料电池10中使用的流体（例如作为燃料的合成气 或纯氨，W及作为氧化剂的空气或02)通过其扩散，但是允许氧离子或质子扩散。
[0046] 阴极层28可由W下所列中的至少一种形成：LSMlXaixSrxMn〇3,X= 0.1-0.：3),LalxS：rxF'e03，（例如x=0.リ，LalxS：rxCOyFely03(例如Lao.6S;ro.4Coo.2Feo.s03)和/或 Pri,Sr,Mn〇3(例如Pre.sSre.2Mn〇3)，但是在不背离本发明范围的情况下可W使用其它材料。 例如，或者可W考虑使用Ruddlesden-Po卵er儀酸盐和LaixCaxMn〇3(例如La〇.sCa〇.2Mn〇3)材 料。
[0047] 阴极导电层30是由导电陶瓷形成的电极导电层，例如W下所列中的至少一种： LaNixFeix〇3(例如LaNio.sFe。.4〇3)，LaixSrxMrA(例如La。.7sSr。.2sMn〇3)，渗杂的亚铭酸铜（例 如LaixCaxCr〇3 6,X= 0. 15-0. 3)，和 / 或PrixSrxCo〇3,例如Pr〇.sSr〇.2Co〇3。在其它实施方 式中，阴极导电层30可由其它材料例如贵金属