具有互连体的燃料电池系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 政府权利 本发明是在根据合同号DE-FE0000303由美国能源部授予的美国政府支持下完成。美 国政府在本发明中可具有某些权利。
[0002] 相关申请的交叉引用 本申请要求于2013年3月15日提交的名称为"具有互连体的燃料电池系统（FUEL CE化SYSTEMWITHINTERC0N肥CT)"的美国专利申请第13/843, 178号的权益，而且与W下 专利申请有关：于2011年6月15日提交的名称为"具有互连体的燃料电池系统（FUELCE化 SYSTEMmHINTERC0N肥CT)"的美国专利申请第13/161,370号；于2011年6月15日提 交的名称为"具有互连体的燃料电池系统（F肥LCE化SYSTEMmHINTERC0N肥CT)"的美 国专利申请第13/161，386号；于2011年6月15日提交的美国专利申请第13/161，384号； 于2011年6月15日提交的名称为"具有互连体的燃料电池系统（F肥LCE化SYSTEMWITH INTERCONNECT)"的美国专利申请第13/161，389号；和于2011年6月15日提交的名称为 "具有互连体的燃料电池系统（F肥LCE化SYSTEMmHINTERC0N肥CT)"的美国专利申请 第13/161，402号，运些专利申请的各申请的内容W参考的方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明总体上设及燃料电池，具体地，设及一种用于燃料电池的互连体。
【背景技术】
[0004] 燃料电池、燃料电池系统W及用于燃料电池和燃料电池系统的互连体仍然是感兴 趣的领域。一些现有的系统具有与某些用途有关的各种短处、缺点和劣势。因此，在本技术 领域中对于进一步的发展仍然存在着需求。
【发明内容】
[0005] 本发明设及一种具有互连体（interconnect)的燃料电池系统，该互连体通过提供 增加的致密化、通过形成由陶瓷/金属复合材料所构成的互连体而减少或消除燃料和氧化 剂的扩散(泄漏)。
【附图说明】
[0006] 本文中的描述参考了附图，其中在若干附图中类似的附图标记指代类似的部件， 并且其中： 图1示意性地示出了根据本发明一个实施例的燃料电池系统的非限制性实例的一些 方面。
[0007] 图2示意性地示出了根据本发明一个实施例的燃料电池系统的截面的非限制性 实例的一些方面。
[0008] 图3是图2的互连体的一部分的放大剖视图。
[0009] 图4A和图4B示出了互连体构造的一些替代实施例。
[0010] 图5示出了在本文中与本发明实施例进行对比的假定互连体。
[0011] 图6A和图她分别示出了互连体的又一个实施例的非限制性实例的一些方面的俯 视图和侧视图。
[0012] 图7示意性地示出了根据本发明一个实施例的具有陶瓷密封件的燃料电池系统 的截面的非限制性实例的一些方面。
[0013] 图8示意性地示出了具有陶瓷密封件的燃料电池系统的另一个实施例的截面的 非限制性实例的一些方面。
[0014] 图9示意性地示出了具有陶瓷密封件的燃料电池系统的又一个实施例的截面的 非限制性实例的一些方面。
[0015] 图10示意性地示出了具有化学阻挡层的本发明一个实施例的截面的非限制性实 例的一些方面。
[0016] 图11示意性地示出了具有化学阻挡层的本发明一个实施例的截面的非限制性实 例的一些方面。
[0017] 图12示意性地示出了具有化学阻挡层和陶瓷密封件的本发明一个实施例的截面 的非限制性实例的一些方面。
[0018] 图13示意性地示出了具有化学阻挡层和陶瓷密封件的本发明一个实施例的截面 的非限制性实例的一些方面。
[0019] 图14示意性地示出了具有化学阻挡层的本发明一个实施例的截面的非限制性实 例的一些方面。
[0020] 图15示意性地示出了具有化学阻挡层的本发明一个实施例的截面的非限制性实 例的一些方面。
[0021] 图16示意性地示出了具有化学阻挡层、陶瓷密封件、和在阴极导电膜与电解质层 之间的间隙的本发明一个实施例的截面的非限制性实例的一些方面。
[0022] 图17示意性地示出了具有化学阻挡层、陶瓷密封件、和在互连体辅助导体与电解 质层之间的间隙的本发明一个实施例的截面的非限制性实例的一些方面。
[0023] 图18示意性地示出了具有化学阻挡层、陶瓷密封件、和在阴极导电膜与电解层之 间的绝缘体的本发明一个实施例的截面的非限制性实例的一些方面。
[0024] 图19示意性地示出了具有化学阻挡层、陶瓷密封件、和在互连体辅助导体与电解 质层之间的绝缘体的本发明一个实施例的截面的非限制性实例的一些方面。
[00巧]图20示意性地示出了根据本发明一个实施例的燃料电池系统的非限制性实例的 一些方面的截面，该燃料电池具有高密度复合材料导电陶瓷/金属互连体。
【具体实施方式】
[0026] 为了促进对本发明原理的理解，现在将参考附图中所示出的实施例，并且专用语 言将用于描述运些实施例。但是，应当理解的是，对本发明某些实施例的说明和描述并非意 图限制本发明的范围。另外，对所说明和/或所描述实施例的任何变更和/或修改被认为 是在本发明的范围内。此外，本文中所说明和/或所描述的本发明原理的任何其它应用，正 如本发明所属领域的技术人员通常所理解的，被认为是在本发明的范围内。
[0027] 参照附图，尤其是在图I中，示意性地示出了根据本发明一个实施例的燃料电池 系统10的非限制性实例的一些方面。在图1的实施例中，示出了本发明一个实施例的各方 面的各种特征、部件和它们之间的相互关系。然而，本发明并不局限于图1的具体实施例， W及图1中所示出了且在本文中所描述的部件、特征和它们之间的相互关系。
[0028] 本实施例的燃料电池系统10包括形成于基底14上的多个电化学电池12,即，单独 的燃料电池。利用互连体16将电化学电池12串联地联接在一起。燃料电池系统10是沉 积在平直多孔陶瓷管上的串联分段装置，尽管应当理解的是本发明同样适合于在其它基底 上(例如在圆形多孔陶瓷管上)的串联分段装置。在各种实施例中，燃料电池系统10可W是 整体的平面状燃料电池系统或管状燃料电池系统。
[0029] 本实施例的各电化学电池12具有氧化剂侧18和燃料侧20。氧化剂通常是空气， 但也可W是纯氧（〇2)或其它氧化剂，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，并且从氧化剂侧18将氧化剂提供给电化学电池12。本实施例的基底14是多孔的， 例如在燃料电池运行条件下是稳定的并且与其它燃料电池材料是化学兼容的多孔陶瓷材 料。在其它实施例中，基底14可W是经表面改性的材料，例如具有涂层或其它表面改性的 多孔陶瓷材料，例如该表面改性构造成防止或减少电化学电池12层与基底14之间的相互 作用。将燃料诚如重整控燃料，例如合成气)从燃料侧20经由多孔基底14中的通道巧图 示）提供给电化学电池12。尽管将空气和由控燃料重整所获得的合成气使用于本实施例， 但应当理解的是在不背离本发明范围的前提下可应用使用其它氧化剂和燃料(例如纯氨和 纯氧）的电化学电池。另外，尽管在本实施例中将燃料经由基底14提供给电化学电池12， 但应当理解的是在本发明的其它实施例中，可将氧化剂经由多孔基底提供给电化学电池。
[0030] 参照图2,更详细地描述燃料电池系统10的非限制性实例的一些方面。燃料电池 系统10可W由被丝网印制到基底14上的多层所组成。丝网印制是其中编织网具有开口并 且经过该开口将燃料电池层沉积在基底14上的工艺。丝网的开口决定了印制层的长度和 宽度。丝网目数、丝径、油墨固含量和油墨流变性决定了印制层的厚度。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。在一个实施 形态中，电解质层26是由电解质亚层26A和电解质亚层26B组成。在其它实施例中，电解 质层26可由任意数量的亚层组成。应当理解的是，图2并非是按比例绘制；例如，为了清楚 地说明而将垂直尺寸放大。
[0031] 用于固体氧化物燃料电池（SOFC)的互连体优选地是导电的，W便将电子从一个电 化学电池传递至另一个电化学电池；在燃料电池运行期间在氧化环境和还原环境下是机械 和化学稳定的；并且是非多孔的，从而防止燃料和/或氧化剂经过互连体的扩散。如果互连 体是多孔的，那么燃料可扩散至氧化剂侧并燃烧，从而导致局部的热点，该热点会导致燃料 电池使用寿命的缩短(例如由于材料的退化和机械故障XW及燃料电池系统效率的降低。 类似地，氧化剂可扩散至燃料侧，从而导致燃料的燃烧。严重的互连体泄漏会显著降低燃料 电池的燃料利用率和性能，或者导致燃料电池或电池堆的灾难性失效。
[0032] 对于串联分段的电池而言，通过使薄膜沉积在多孔陶瓷基底(例如基底14)上，可 形成燃料电池部件。在一个实施形态中，利用丝网印制工艺使薄膜沉积，包括互连体。在其 它实施例中，可利用其它工艺使薄膜沉积在基底上或者在基底上形成薄膜。互连体层的厚 度可W是5至30微米，但也可W厚得多，例如100微米。如果互连体不是完全非多孔的，例 如由于在加工期间所导入的烧结孔隙、微裂纹、孔隙和其它缺陷，那么气体或空气经过互连 体层的流出会非常高，从而导致如上所述的不良效果。因此，在本发明的一个方面中，互连 体(互连体16)构造成最小化或消除氧化剂和燃料经过该互连体的扩散。
[0033] 本实施例的互连体16的材料是贵金属，诸如Ag、PtAu和/或Pt和/或其合金， 尽管在不背离本发明范围的前提下可使用其它材料。例如，在其它实施例中，可替代地可 W想到互连体可使用其它材料，包括贵金属合金，诸如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家族中的二元、S元、四元 合金，包含具有较少非贵金属添加的合金、由贵金属构成的金属陶瓷、贵金属合金、Ni金 属和/或Ni合金、W及惰性陶瓷相(诸如氧化侣)、或者将不导致显著寄生的具有最小离 子电导率的陶瓷相，诸如YSZ(氧化锭稳定氧化错，也称为氧化锭渗杂氧化错，氧化锭的渗 杂量为3-8mol%，优选地3-5mol%)、ScSZ(氧化筑稳定氧化错，氧化筑的渗杂量为4-10 mol%，优选地4-6mol%)、和/或导电陶瓷(诸如具有A或B部位置换或渗杂W实现足够的 相稳定性和/或充分导电性的导电巧铁矿，例如包括LNF(LaNiJeix〇3,优选地X=O. 6)、 LSM(LaixSrxMrA，X=O. 1 至 0. 3)、渗杂氧化姉、渗杂铁酸锁（诸如LaxSrixTi〇3 6,X=O. 1 至 0. 3)、LSCM(LaixSrxCriyMny〇3,X=O. 1 至 0. 3 并且y=0. 25 至 0. 75)、渗杂亚铭酸锭（诸如 YixCaxCr〇3S，x=0. 1-0. 3)和 / 或其它的渗杂亚铭酸铜(诸如LaixCaxCr〇3 5，x=0. 15-0. 3)中 的至少一个，和导电陶瓷(诸如LNF(LaNiJeiA，优选地X=O. 6)、LSM(LaixSrxMrA，X=O. 1 至0. 3)、渗杂铁酸锁、渗杂亚铭酸锭、LSCM(LaixSrx化1yMriyA)、和其它的渗杂亚铭酸铜中的 至少一种。在一些实施例中，可W想到除了上述材料或者代替上述材料，全部或部分的互连 体16可由Ni金属金属陶瓷和/或Ni合金金属陶瓷构成。Ni金属金属陶瓷和/或Ni合金 金属陶瓷可具有一个或多个陶瓷相，例如但不限于是YSZ(氧化锭的渗杂量为3-8mol%，优 选地3-5mol%)、氧化侣、ScSZ(氧化筑的渗杂量为4-10mol%，优选地4-6mol%)、渗杂氧化 姉和/或Ti〇2的陶瓷相。
[0034] 用于互连体16的材料的一个例子是y(PdxPtiX)-(l-y)YSZ。其中X为0至1 (重量比)，优选地X是在0至0. 5的范围内，W实现较低的氨气流出。y为0. 35至0. 80(体 积比)，优选地y是在0. 4至0. 6的范围内。
[0035] 本实施例的阳极导电层22是由儀金属陶瓷所构成的电极导电层，诸如Ni-YSZ(氧 化锭在氧化错中的渗杂量为3-8mol%)、Ni-ScSZ(氧化筑的渗杂量为4-10mol%，优选地第 二渗杂访了相稳定性)为10mol%的氧化筑-Zr〇2)和/或Ni渗杂氧化姉诚如Gd或Sm渗 杂)、渗杂亚铭酸铜(诸如在A部位的化渗杂和在B部位的化渗杂)、渗杂铁酸锁(诸如在A 部位上的La渗杂和在B部位上的Mn渗杂）和/或LaixSrxMriyCriy〇3。可替代地，有人认为 可将其它材料用于阳极导电层22,诸如部分或全部地基于贵金属的金属陶瓷。金属陶瓷中 的贵金属可包括例如？*、？山411、4肖、和/或其合金。陶瓷相可包括例如非活性的非导电相， 包括例如YSZ、ScSZ和/或一个或多个的其它非活性相，例如具有期望的热膨胀系数（CTE) W便控制层的CTE从而匹配基底和电解质的CTE。在一些实施例中，陶瓷相可包括Al2〇3和 /或尖晶石诚如NiAl2〇4、MgAl2〇4、MgCr2〇4、化化2〇4)。在其它实施例中，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。
[0036] 阳极导电层材料的一个例子是76. 5% Pd、8. 5% Ni、15%3YSZ。
[0037] 在本实施例中，阳极24可由xNiO- (IOO-X) YSZ(X为55至75,重量比)、 yNi〇-( 100-y)ScSZ(y为 55 至 75,重量比)、Ni〇-氧化礼稳定氧化姉(诸如 55wt%Ni〇-45wt〇/〇GDC)和/或NiO氧化衫稳定氧化姉所构成，尽管在不背离本发明范围的前提下可使用其它 材料。例如，可替代地，有人认为阳极层24可由渗杂铁酸锁、和LaixSrxMriyCriy〇3诚如La。 .7sSr。.25M1I。. 5化。.5〇3 )制成。
[003引本实施例的电解质层26，例如电解质亚层26A和/或电解质亚层26B，可由陶瓷材 料制成。在一个实施形态中，可使用质子和/或氧离子传导陶瓷。在一个实施形态中，电解 质层26是由YSZ(诸如3YSZ和/或8YSZ)构成。在其它实施例中，除了或者代替YSZ，电 解质层26可由ScSZ构成，诸如4ScSZ、6ScSZ和/或lOScSZ。在其它实施例中，可使用其 它材料。例如，可替代地有人认为电解质层26可由渗杂氧化姉和/或渗杂嫁酸铜制成。在 任何情况下，电解质层26对于燃料电池10所使用的流体(例如，作为燃料的合成气或纯氨 气、W及作为氧化剂的空气或02)经过其中的扩散基本上是不透过的，但允许氧离子或质子 的扩散。
[0039]阴极层28可由LSM化日1xS：TxMn〇3，X=O. 1至0. 3)、Lai xS：TxFe〇3(诸如X=O. 3)、 1曰1押脚,尸61/)3诚如1曰。.651'。.4(：0。.2尸6。.8〇3)和/或？1'1班^^[1103诚如？1'。.押。.2]?11〇3)中的 至少一种所构成，尽管在不背离本发明范围的前提下可使用其它材料在。例如，可替代地有 人认为可使用Ruddlesden-Po卵er儀酸盐和Lai xCaxMn〇3(诸如La〇.sCa〇.2Mn〇3)材料。
[0040] 阴极导电层30是由电极导电陶瓷所构成的导电层，例如LaNixFeiA(诸如 LaNi〇.eFe〇.4〇3)、LaixSrxMrA(诸如La〇.75Sr〇.2sMn〇3)、渗杂亚铭酸铜（诸如LaixCax化〇3S， X=O. 15-0. 3)、和/或Pri班脚〇3诚如Pr〇.sSr〇.2Co〇3)中的至少一种。在其它实施例中，阴 极导电层30可由其它材料构成，例如贵金属金属陶瓷，尽管在不背离本发明范围的前提下 可使用其它材料。贵金属金属陶瓷中的贵金属可包括例如？*、？山411、4肖和/或其合金。陶 瓷相可包括例如YSZ、ScSZ和Al2〇3、或者其它陶瓷材料。
[0041] 阴极导电层材料的一个例子是80wt%Pd-20wt%LSM。
[0042] 在图2的实施例中，示出了本发明一个实施例的各方面的各种特征、部件和它们 之间的相互关系。然而，本发明并不局限于图2的具体实施例，W及图2中所示且本文中所 描述的部件、特征和它们之间的相互关系。
[0043] 在本实施例中，将阳极导电层22直接地印制到基底14上，作为电解质亚层26A的 一部分。将阳极层24印制到阳极导电层22上。将电解质层26的各部分印制到阳极层24 上，并且将电解质层26的各部分印制到阳极导电层22上和基底14上。将阴极层28印制到 电解质层26的顶部上。将阴极导电层30的各部分印制到阴极层28上和电解质层26上。 在方向32上，电解质层26的局部厚度将阴极层28与阳极层24隔开。
[0044] 阳极层24包括在方向36上延伸的阳极间隙34。阴极层28包括也在方向36上 延伸的阴极间隙38。在本实施例中，方向36大致垂直于方向32,尽管本发明不受如此的限 审IJ。间隙34将阳极层24分隔成多个单独的阳极40, 一个阳极是用于各电化学电池12。间 隙38将阴极层28分隔成相应的多个阴极42。各阳极40和在方向32上与阳极40相互间 隔的相应阴极42连同电解质层26设置在阳极和阴极之间的部分构成了电化学电池12。
[0045] 类似地，阳极导电层22和阴极导电层30具有各自的间隙44和46,运些间隙将阳 极导电层22和阴极导电层30分隔成多个各自的阳极导电膜48和阴极导电膜50。术语"阳 极导电层"和"阳极导电膜"可互换地使用，运是因为后者是由一层或多层的前者所组成；术 语"阴极导电层"和"阴极导电膜"可互换地使用，运是因为后者是由一层或多层的前者所 组成。
[0046] 在本实施例中，阳极导电层22具有大约5-15微米的厚度（即，在方向32上测量 的)，尽管在不背离本发明范围的前提下可采用其它值。例如，有人认为在其它实施例中，阳 极导电层可具有在5-50微米范围内的厚度。在其它实施例中，根据具体的材料和用途，可 采用不同的厚度。
[0047] 类似地，阳极层24具有大约5-20微米的厚度（即，在方向32上测量的)，尽管在不 背离本发明范围的前提下可采用其它值。例如，有人认为在其它实施例中，阳极层可具有在 5-40微米范围内的厚度。在其它实施例中，根据具体的阳极材料和用途