具有致密阻挡层的固体氧化物燃料电池的制作方法
【技术领域】
[0001]总体而言，本发明涉及固体氧化物燃料电池或其它多层多孔陶瓷装置，具体而言， 涉及减少此类装置中的漏气的致密阻挡层。
【背景技术】
[0002] 固体氧化物燃料电池（S0FC)为通过化学反应发电的装置。图1示出了包括阴极 层102、阳极层106和电解质层104的常规S0FC子电池。燃料电池通常以其电解质材料为 特征，其中S0FC具有固体氧化物或陶瓷电解质。
[0003] 在S0FC的运行过程中，氧化剂（通常是空气）通过由阴极102限定的多个空气通 道120进给，而燃料如氢气（?)通过由阳极106限定的多个燃料通道121进给。氧化剂通 道和燃料通道可相对于彼此以直角取向。阳极层和阴极层由电解质层104分开。在运行过 程中，氧化剂在阴极处被还原为氧离子。这些氧离子可然后扩散通过固体氧化物电解质到 达阳极，在这里，它们可以电化学方式氧化燃料。在此反应中，将放出水副产物以及两个电 子。这些电子被输运通过阳极到达外电路（未示出）并然后返回阴极，从而在外电路中提 供电能的源。
[0004] 外电路中电子的流动通常提供大约1. 1伏特的电势。为生成更大的电压，燃料电 池通常布置为由大量的一个一个电池构成的"层叠体"，紧邻的电池之间有着"互连的"连接 和传导电流。如下文中更详细地描述，图2中示出的层叠体设计为平板或"平面"S0FC，其 中两个单独的"电池"示意为以重复的序列布置。电池由互连208、216分开，互连208、216 用来串联地连接每一个电池以便可合并每一个电池生成的电。
[0005] 燃料电池制造中一个持续的挑战在于防止在燃料电池内和从燃料电池漏气。漏气 因若干原因而成问题。为获得一定的功率，需要氧对氢的化学计量比大于或等于一。若在 空气侧上有严重的泄漏，则氢的量可能相对于氧过量并且燃料电池的性能将变差。氢或其 它燃料气体泄漏可能因爆炸的危险性而甚至更显著。此外，如果漏氢与阴极材料接触，则阴 极自身可能因氢还原而永久地受损。这将不仅损害阴极层的电性质，而且可能导致阴极层 的体积膨胀（溶胀），这可能导致层叠体的完全失效。最后，燃料或氧化剂的泄漏可能分别 减小燃料利用率或空气利用率。
[0006] 因此，需要具有减少的漏气的改进的固体氧化物燃料电池层叠体。
【发明内容】
[0007] 本发明总的涉及具有致密阻挡层的固体氧化物燃料电池，所述致密阻挡层形成在 燃料电池层叠体中顶部和底部电极层的外表面处或附近。致密阻挡层（DBL)起到密封的作 用以防止电极层中的气体（阴极层中的空气或阳极层中的燃料气体）通过最外电极层的外 表面从层叠体泄漏出。DBL与多孔外阴极层一起使用将减少逃逸出层叠体的空气的量，这继 而可减少层叠体内低氧分压区域的存在。这将防止因阴极材料的还原所致的阴极损坏。当 与阳极层一起使用时，DBL将增大燃料向电极中的所需流动并还有助于防止燃料气体在层 叠体外可能不安全的积聚。
[0008] 前面已相当广义地罗列了本发明的特征和技术优势以便随后的本发明详细描述 可得到更好的理解。本发明的其它特征和优势将在后文描述。本领域技术人员应理解，所 公开的概念和具体实施例可容易地用作改变结构或设计其它结构以实施本发明的相同目 的的基础。本领域技术人员还应认识，这样的等价构造不偏离如附随的权利要求书中所陈 述的本发明精神和范围。
【附图说明】
[0009] 参考附图，本发明可得到更好的理解，并且其众多特征和优势对于本领域技术人 员将显而易见。
[0010] 图1示出了固体氧化物燃料电池中的单个子电池。
[0011] 图2示意了典型的固体氧化物燃料电池层叠体的一个示例性实施例。
[0012] 图3为图示，示出了现有技术燃料电池中通过顶部和底部电极的气流。
[0013] 图4为图示，示出了根据本发明的实施例的燃料电池中通过顶部和底部电极的气 流。
[0014] 图5为根据本发明的实施例具有致密阻挡层的两电池层叠体的照片，所述致密阻 挡层形成在顶部和底部阴极层内。
[0015] 图6a、6b和6c为致密阻挡层（DBL)和沿DBL的长度上不同位置处所取阴极本体 层的抛光横截面的图像。
[0016] 图7为比图8相对较薄的DBL的抛光横截面的图像。
[0017] 图8为比图7相对较厚的DBL的抛光横截面的图像。
[0018] 图9为夹层构型中DBL和过渡层的抛光横截面的图像。
[0019] 附图非意在按比例绘制。在附图中，不同的图中示意的每一个相同或接近相同的 部件由相似的数字表示。出于清楚的目的，不是每一个部件都可在每一个附图中有标识。
【具体实施方式】
[0020] 本发明可在固体氧化物燃料电池（S0FC)系统中使用。S0FC提供高效率发电、同 时低排放低噪音地运行的可能。它们还被视为提供电效率、热电联产效率和燃料处理简单 性的有利组合。S0FC的用途的一个例子为在家庭或其它建筑物中。S0FC可使用与用来为 家庭供暖的燃料相同的燃料，例如天然气。S0FC系统可长时间运行以发电而为家庭供电并 且如果生成过量的量，则过量的可卖到电网。另外，在S0FC系统中生成的热是高品质的并 因此可用来为家庭提供热水。在其中电能服务不可靠或不存在的地区中，S0FC可能特别有 用。
[0021] 如上面所讨论，可能非常难以防止固体氧化物燃料电池中的漏气。当漏气发生时， 所产生的问题可能从性能下降到灾难性层叠体失效不等。申请人已发现，在一些固体氧化 物燃料电池层叠体中，漏气的一个重要来源是燃料电池层叠体的顶部和底部上的多孔电极 层。
[0022] 图2示意了典型的固体氧化物燃料电池层叠体的一个示例性实施例。该层叠体包 括由中间层204、208、212和216分开的电极层202、206、210、214和218。中间层可包括电 解质层和互连层。为使固体氧化物燃料电池起作用，致密电解质层必须将两个多孔电极分 开。一个一个电池由导电的互连层串联地连接于一起，使得每一个电池生成的电可被合并。 为清楚起见，图2中的层叠体示意为仅具有两个子电池。事实上，燃料电池层叠体可具有适 于该层叠体的特定任务的电池数量，这常常需要在每一个层叠体中有许多子电池。另外，图 2示出了形成在每一个电极层中的多个通道。然而，在一些实施例中，一些或甚至全部电极 可具有更少的通道或不具有通道，而在一些实施例中，一些或甚至全部电极也可具有更多 的通道。
[0023] 每一多孔电极层也可包括通道220。取决于电极的类型，氧化剂气体或燃料气体将 流动通过通道220并且离子将被输运过电解质层。虽然可能并且在许多情况下向电池供给 更复杂的气体，如分别为天然气/丙烷和天然气/空气，但基本要求仅是氢和氧。电极为电 子导体并且需要自电池收集直流电。
[0024] 在一个特别的实施例中，电极202为阴极并且电极206为阳极。阳极206和阴极 202由电解质204分开以形成单个固体氧化物燃料电池222,其有时被称为子电池。层叠电 池于彼此之上并经由电互连层连接它们将产生层叠体。导电互连层形成在每一对相邻电池 的阳极层与阴极层之间来串联地连接电池以便可合并每一个电池生成的电。在此特别的实 施例中，互连层208连接电池222的阳极206到相邻电池224的阴极210。
[0025] 电解质204对阳极206中的氧化物气体和阴极202中的燃料气体的分离将产生氧 分压梯度。此梯度使得氧离子被输运过电解质204并与燃料反应。类似地，阳极214由另 一电解质212与阴极210分离。同样，氧离子可被输运过电解质212而在阴极210和阳极 214之间引起电势。此样式可重复多次以形成具有大量一个一个电池的层叠体。导电互连 层形成在每一对相邻的层叠电池的阳极层和阴极层之间来串联地连接电池以便可合并每 一个电池生成的电。增大电池的数量将增大层叠体的Z-轴尺寸。层叠体的X和Y轴可独 立于Z-轴增大。
[0026] 在一些实施例中，层叠体中可有偶数数量的交替阳极层和阴极层以便最终的层叠 体将在一个方向上（图2中示出的层叠体顶部上）具有阴极层作为最外电极层而在另一个 方向上（图2中示出的层叠体底部上）具有阳极层作为最外电极层。如本文所用，术语"顶 部"和"底部"仅是为了方便，因为层叠体可沿任何方向取向。本文将使用术语"外电极层" 或"最外电极层"或类似术语来指层叠体中的第一和最后一个电极层（图1和2的取向上 的顶部和底部电极层）。
[0027] 在一些情况下，可能期望一种类型的电极比另一种类型的电极多一个。例如，有时 可能期望层叠体的两个暴露的端层为阴极层，因为阴极层在空气中稳定，而阳极层如果暴 露于空气将氧化。有时还有利的是在层叠体的顶部和底部上具有相同类型的电极层以便在 制造工艺过程中具有对称性。相应地，在其它实施例中，如图2中示出的层叠体，阴极层可 比阳极层多一个。因此，顶部电极层（在图2的取向上）和底部电极层二者均将为阴极层。 在其它实施例中，情况也可相反：阳极层比阴极层多一个使得顶部和底部电极均为阳极层。
[0028] 图2不出了总共具有五个电极层的实施例。分开五个电极层中的每一对相邻电极 层的是电解质或互连。对于总共具有五个电极层的2-电池层叠体，将有两个电解质层和两 个互连层。阳极和阴极层有意做成足够多孔以允许气体在层的结构内流动，但两个层还优 选具有通道以便气体流入电极中。电解质层和互连层优选比电极层致密并且在很大程度上 是气体不透性的。顶部和底部表面（图2中顶部和底部阴极层202和218的最外表面）被 称为集电体表面226,因为它们为电流从层叠体取出（"收集"）的位置。
[0029] 对于燃料电池层叠体，如图2中示出的那个（具有阴极层作为层叠体中的顶部和 底部电极层），申请人所进行的测量显示"通流"（定义为通过通道离开层叠体的气体的体 积除以向层叠体计量加入的气体的体积）对于阴极层的总和来说惊人地小。虽然对于阳极 层的总和来说测得通流上升至90-95%，但阴极仅取得30-50%。当消除了其它来源的泄漏 时，发现泄漏出层叠体的大多数空气完全独立于歧管系统和密封地通过层叠体的集电体表 面逃逸。
[0030] 申请人发现的泄漏现象示于图3中。图3中的S0FC为具有三个阴极层和两个阳 极层的五电极层层叠体。电极层如图2中所示由电解质层或互连层分开。申请人发现大百 分数的流入顶部和底部阴极层中的通道中的空气流动通过多孔阴极材料并实际上通过上 部和下部集电体表面从层叠体泄漏出，从而导致层叠体失效。
[0031] 此泄漏据信是由于缺乏致密表面层来抑制气体流出多孔电极层。由于背压的增 大，所述泄漏将因较高