包括多层互连接件的燃料电池系统的制作方法
【专利说明】包括多层互连接件的燃料电池系统
[0001]本发明在美国能源部授予的辅助协议DE-FE0000303的政府支持下完成。政府享有本发明的某些权利。
技术领域
[0002]本发明总体涉及燃料电池，例如固体氧化物燃料电池。
【背景技术】
[0003]燃料电池、燃料电池系统和用于燃料电池和燃料电池系统的互连接件(interconnect)仍然是感兴趣的领域。相对于某些应用而言，现有的一些系统具有各种短处、不足和劣势。因此，本领域仍需要对该领域的技术作出进一步的贡献。
[0004]概述
[0005]描述了用于燃料电池例如固体氧化物燃料电池(S0FC)的活性层的示例组合物和构造。在一实施例中，本发明涉及燃料电池，该燃料电池包括具有第一阳极和第一阴极的第一电化学电池；具有第二阳极和第二阴极的第二电化学电池；和构造成将电子流从第一阳极传导到第二阴极的互连接件，其中所述互连接件包括第一部分和第二部分，其中第一部分比第二部分更靠近阳极，和第二部分比第一部分更靠近阴极，其中第一部分包括掺杂的二氧化铺、掺杂的亚络酸镧(lanthanum chromite)和掺杂的亚络酸乾(yttriumchromite)中的一种或多种，和其中第二部分包括Co-Μη尖晶石和ΑΒ03|丐钛矿中的一种或多种。
[0006]在一实施例中，本发明涉及燃料电池，该燃料电池包括具有第一阳极和第一阴极的第一电化学电池；具有第二阳极和第二阴极的第二电化学电池；和构造成将电子流从第一阳极传导到第二阴极的互连接件，其中所述互连接件包括第一部分和第二部分，其中第一部分比第二部分更靠近阳极，和第二部分比第一部分更靠近阴极，其中第一部分包括掺杂的二氧化铈、掺杂的亚铬酸镧，和掺杂的亚铬酸钇中的一种或多种，和其中第二部分包括Co-Mn尖晶石和ΑΒ03钙钛矿中的一种或多种。
[0007]在另一实施例中，本发明涉及一种用于制造燃料电池的方法，所述方法包括形成燃料电池结构，所述结构包括:具有第一阳极和第一阴极的第一电化学电池；具有第二阳极和第二阴极的第二电化学电池；和构造成将电子流从第一阳极传导到第二阴极的互连接件，其中所述互连接件包括第一部分和第二部分，其中第一部分比第二部分更靠近阳极，和第二部分比第一部分更靠近阴极，其中第一部分包括掺杂的二氧化铈、掺杂的亚铬酸镧，和掺杂的亚铬酸钇中的一种或多种，和其中第二部分包括Co-Mn尖晶石和ΑΒ03@钛矿中的一种或多种。
[0008]在另一实施例中，本发明涉及一种包括控制操作燃料电池来发电的方法，其中所述燃料电池包括具有第一阳极和第一阴极的第一电化学电池；具有第二阳极和第二阴极的第二电化学电池；和构造成将电子流从第一阳极传导到第二阴极的互连接件，其中所述互连接件包括第一部分和第二部分，其中第一部分比第二部分更靠近阳极，和第二部分比第一部分更靠近阴极，其中第一部分包括掺杂的二氧化铈、掺杂的亚铬酸镧，和掺杂的亚铬酸钇中的一种或多种，和其中第二部分包括Co-Mn尖晶石和ΑΒ03钙钛矿中的一种或多种。
[0009]在附图和以下描述中详细说明了本发明的一种或多种实施方式。通过附图和详述以及权利要求书，不难了解本发明的其它特征、目的和优点。
[0010]附图简述
[0011]本文的描述参考附图，其中在所有的几个视图中相同的附图标记指示相同的部件。
[0012]图1是示意图，显示根据本发明的一实施方式的示例燃料电池系统。
[0013]图2是示意图，显示根据本发明的一实施方式的示例燃料电池系统的横截面。
[0014]图3是示意图，其显示示例双层互连接件的横截面。
[0015]图4和5是显示本发明的一种或多种方面的图表。
[0016]参考附图，示意性地显示根据本发明的实施方式的非限制性示例燃料电池系统的一些方面。在附图中，显示了本发明的实施方式方面的各种特征、组件以及它们之间的相互关系。但是，本发明不限于提供的特定实施方式，也不限于附图所示和本文所述的特征、组件以及它们之间的相互关系。
[0017]具体描述
[0018]如上所述，本发明的实施例涉及采用一种或多种互连接件的燃料电池，该互连接件包括第一部分和第二部分，其中第一部分比第二部分更靠近阳极，和第二部分比第一部分更靠近阴极，其中第一部分包括掺杂的二氧化铈、掺杂的亚铬酸镧，和掺杂的亚铬酸钇中的一种或多种，和其中第二部分包括Co-Mn尖晶石和ΑΒ03钙钛矿中的一种或多种。互连接件包括具有不同组合物的多于一种的部分或层，互连接件可称为“双层”互连接件。实施例不限于两个层，并可包括具有多于两层且各层具有不同的组合物的构造。
[0019]阳极、电解质和阴极是固体氧化物燃料电池的3个组件。当使用多个燃料电池构造成堆叠件时，通过互连接件使一个电池的阳极与相邻电池的阴极连接。在这种情况下，互连接件至少起着两种作用:1)分离燃料和空气，和2)将电子从阳极运输到阴极。因为互连接件可在一侧接触燃料并在另一侧接触空气(或其它氧化剂)，可需求互连接件在低和高口02的情况下都是稳定的。在一些实施例中，可由掺杂的亚铬酸镧形成陶瓷互连接件。然而，在正常的燃料电池堆叠件操作条件例如高蒸汽条件下，铬铁矿(chromite)可产生稳定性问题。此外，因为铬铁矿的烧结能力以及在空气中形成Cr蒸汽相，在正常的燃料电池加工温度和受约束的烧制下可能难以致密化铬铁矿。
[0020]在正常的燃料电池操作条件下，例如与金属互连接件相比，陶瓷互连接件呈现较良好的长期稳定性，且成本可比贵金属或贵金属金属陶瓷更低。在有些S0FC中，将所有的活性层(阳极，电解质，连接两个相邻电池的互连接件、阴极和集电器)丝网印刷到惰性多孔陶瓷管上。在χ-y平面约束这些层的烧制，收缩只发生在ζ (厚度)方向。在这种电池技术中，完全致密化有些层是个挑战。为了具有可靠的燃料电池系统，可期望有些层例如电解质和互连接件是致密和基本上不可渗透气体的，从而分离燃料气体和空气。掺杂的亚铬酸镧是用于平坦的固体氧化物燃料电池设计的一种陶瓷互连接件。然而，因为铬铁矿的低烧结能力以及在空气中形成Cr蒸汽相，当将这种材料用于一些设计时，在正常的燃料电池加工条件(空气中约1300-1400°C的烧结温度)下，不能实现基本上不可渗透气体的掺杂的亚铬酸镧。
[0021]根据本发明的一种或多种实施例，可采用包括具有不同组合物的两个层或两个部分的互连接件。在一些实施例中，双层陶瓷互连接件构造允许在燃料侧上的互连接件的组合物可不取决于和不同于在空气侧上的互连接件的组合物。使用这种设计，可选定在燃料侧和空气侧上的互连接件部分的组合物来满足所需的设计要求，例如热膨胀系数(CTE)匹配以及与阳极和阴极侧材料的化学兼容性、在燃料电池操作时的长期稳定性和/或进行致密化来分离燃料和空气。使用这种互连接件构造，可在正常的燃料电池加工条件，将双层陶瓷互连接件烧结成致密、不可渗透气体的。在一些实施例中，用于在空气侧上的双层陶瓷互连接件的材料包括Co-Mn尖晶石或LSM钙钛矿。在燃料侧上，互连接件层可包括掺杂的二氧化铈或具有其它高导电钙钛矿的复合材料。
[0022]图1是示意图，显示根据本发明的一实施方式的示例燃料电池系统10。如图1所示，燃料电池系统10包括在基材14上形成的多个电化学电池12(或“单独的燃料电池”)。通过互连件16将电化学电池12串联地连接在一起。如下所述，所述多个电化学电池12中的一个或多个可包括由本文所述的示例组合物形成的双层互连接件。燃料电池系统10是沉积在平坦的多孔陶瓷管上的串联型分段设置，但应理解本发明同样适用于其在其它基材上(例如在圆形多孔陶瓷管上)的串联型分段设置。在各种实施方式中，燃料电池系统10可为集成的平坦的燃料电池系统或管状燃料电池系统。
[0023]各电化学电池12包括氧化物侧18和燃料侧20。氧化物通常是空气，但也可为纯氧(02)或其它氧化物，例如包括用于具有空气循环回路的燃料电池系统的稀释空气，并从氧化物侧18供应到电化学电池12。基材14可具有特殊加工的孔隙率，例如在燃料电池操作条件下多孔陶瓷材料是稳定的，且与其它燃料电池材料化学兼容。在其它实施方式中，基材14可为表面改性的材料，例如，具有涂层或其它表面改性的多孔陶瓷材料，例如构造成防止或减少电化学电池12层和基材14之间的相互作用。通过在多孔基材14中的通道(未显示)，从燃料侧20将燃料例如重整的烃燃料(例如合成气)供应到电化学电池12。虽然在一些实施例中可使用从烃燃料