烧成期间与YSZ反应而在互连体/通孔内部和与电解质（例如电解质26)相邻的位 置形成烧绿石。在一个实施形态中，所需的最小稀±氧化物为大约13摩尔％陶瓷组成，W 便将YSZ相减少至低于30v%渗流。在其它实施例中，可采用其它稀±氧化物的量。氧化错 相仍然能够W大于渗流阔值的量而存在，因为可W沿晶粒边界形成绝缘烧绿石相。然而，在 一些实施例中，优选的是W大块组合物的形式添加充分的稀±氧化物，从而使YSZ相含量 低于渗流阔值。类似于烧绿石，通过W小于1摩尔SrO与1摩尔Zr〇2的化学计量比将作为 反应物相的SrO粉末添加到例如互连体油墨中，可W在原位形成SrZr〇3非离子相。
[0134]在其它实施例中，全部或部分的互连体16或其它互连体或者通孔可在总体金属 陶瓷组成(例如，本文中陈述的用于全部或部分的互连体16的金属陶瓷组成)包括一定含量 的稀±氧化物，例如在丝网印制油墨中，W大于1摩尔的例如La、Pr、化I、如、Sm、化、化和 /或Yb的氧化物与2摩尔的氧化错含量的烧绿石化学计量比，该稀±氧化物在燃料电池烧 成期间与YSZ发生反应而在互连体/通孔内部形成烧绿石，并且在电解质烧成期间未反应 的稀±氧化物将进一步与在互连体附近的延伸电解质发生反应从而在电解质表面(例如在 电解质26的表面）上形成烧绿石膜，该烧绿石膜将充分地破坏用于氧离子传导的路径。在 一个实施状态中，基于总陶瓷相稀±，氧化物的量为33摩尔％至50摩尔％。在其它实施例 中，可采用其它的稀±氧化物量。过量的稀±氧化物确保不存在离子导电性。然而，留在互 连体/通孔内部的太过量的稀±会导致通孔容易受到在相变成稀±金属氨氧化物中由水 分所引起损坏的影响。因此，在一些实施例中理想的是将稀±氧化物的量限制成小于化学 计量比中的10%。类似于烧绿石，通过W超过1摩尔SrO与1摩尔ZrA的化学计量比将SrO 粉末添加到互连体油墨中，可W在通孔和相邻的延伸电解质的内部在原位形成SrZr〇3非离 子相。在一个实施形态中，基于陶瓷相SrO的下限为大约15-20摩尔％，从而形成SrZrOjW 便将YSZ减少到低于渗流阔值。在其它实施例中，可采用其它下限。在一个实施形态中，基 于陶瓷相（SrO+Zr〇2)SrO的上限为大约50-60摩尔％。在其它实施例中，可采用其它上 限。
[0135] 在其它实施例中，全部或部分的互连体16或者其它互连体或通孔可W获得全部 的针对(MRE) 的反应性的与YSZ的化学计量比而包含一定含量的稀±氧化物。
[0136] 在燃料电池的烧成期间使用反应物相而形成离子传导陶瓷相的烧成溫度可随着 具体用途的需要而变化。考虑因素包括例如但不限于：不同材料的烧结能力、粉末粒径、比 表面积。其它材料和/或加工参数也会影响所选择的烧成溫度。例如，如果溫度过低，电解 质可具有较高的孔隙率并且导致泄漏。如果溫度过高，会导致其它问题，诸如过高的阳极密 度，运会降低电化学活性、或者会导致基底尺寸变化等。因此，为了使用一个或多个反应物 相而形成一个或多个非离子传导陶瓷相的实际烧成溫度，可在各用途之间变化。在一个实 施形态中，烧成溫度可W是1385°C。在一些实施例中，烧成溫度可在1370°C至1395°C的范 围内。在其它实施例中，烧成溫度可在1350°C至1450°C的范围内。在其它实施例中，烧成 溫度可在1350°C至1450°C的范围外。形成一个或多个非离子传导陶瓷相的加工步骤可包 括：制备包含稀±氧化物、YSZ和贵金属的组合物；形成互连体/通孔；在期望的溫度下对 组合物进行烧成，例如，在上述溫度下或者在上述溫度范围内，将烧成溫度下保持组成达期 望的时间段，例如在1-5小时的范围内。在其中全部或部分的燃料电池是利用丝网印制而 形成的实施例中，所述方法可包括：制备包含稀±氧化物、YSZ和贵金属的可丝网印制的油 墨；印制互连体/通孔；将油墨干燥；在期望的溫度下(例如在上述溫度下或者在上述溫度 范围内）对印制互连体/通孔实施烧成；及，在烧成溫度下保持组成达期望的时间段，例如 在1-5小时的范围内。
[0137] 在其它实施例中，其它的非离子传导相或反应物相可用于使互连体的离子电导率 最小化。
[013引下面的表1-表8提供根据本发明一些实施例的一些方面所制造的非限制性实验 燃料电池和燃料电池部件实例的一些方面的组成信息。应当理解的是，本发明绝不局限于 下面所提供的实例。在名称为"一般组成"的列中示出了用于本文中所描述一些材料的一 些可能的组成范围，包括一些优选范围，而在名称为"特定组成"的列中示出了测试品/材 料中所使用的材料。
[0139]参照图20,图中示意性地示出了燃料电池系统1510的一个实施例的非限制性实 例的一些方面。燃料电池系统1510包括多个电化学电池1512。在一个实施形态中，电化学 电池1512是固体氧化物燃料电池（SCFC)。在其它实施例中，电化学电池1512可W是一个 或多个其它类型的燃料电池。在一个实施形态中，燃料电池系统1510构造成串联分段的燃 料电池，亦即，其中电化学电池1512是W串联分段的构造而布置。应当理解的是，不仅示出 了有限数量的电化学电池1512,而且为了清楚地说明的目的将图20中所示附图的右侧和 左侧截断，而在一个特定燃料电池系统1510中的电化学电池1512的实际数量可W是大于 或小于图20中所示数量的任意数量。
[0140] 电化学电池1512是由多孔陶瓷基底1514所支撑。燃料电池系统1510包括构造 成在相邻电化学电池1512之间传导自由电子的多个互连体1516。在一个实施形态中，多孔 阳极阻挡层（PAB)1515被设置在电化学电池1512与多孔基底1514之间。多孔阳极阻挡层 1515构造成防止电化学电池1512的阳极与多孔基底1514之间的反应。然而，多孔阳极阻 挡层1515不被看作是电化学电池1512或燃料电池系统1510的活性部分，在运个范围内多 孔阳极阻挡层1515不在电化学电池1512内部或者在电化学电池1512之间提供导电性，并 且不参与从燃料中产生电功率的电化学反应。在其它实施例中，除了或者代替多孔阳极阻 挡层1515,可采用一个或更多的其它层。在其它实施例中，可W不存在运种多孔阳极阻挡 层或者将电化学电池1512与多孔基底1514分离的其它层；或者除了或者代替多孔阳极阻 挡层1515,存在一个或更多的其它层。将氧化剂从氧化剂侧1518提供给电化学电池1512。 在一个实施形态中，氧化剂是空气。在其它实施例中，除了或者代替空气，可使用其它氧化 剂。经由多孔基底1514将燃料提供给在燃料侧1520的电化学电池1512。在一些实施例 中，可蚀刻或形成进入多孔基底1514的通道和/或其它通路，从而便于燃料流入电化学电 池1512。在一个实施形态中，燃料是氨气、一氧化碳、二氧化碳、甲烧、水蒸气、氮气和分子 量高于甲烧的控的组合。在其它实施例中，可使用其它燃料例如氨气。另外，在其它实施例 中，燃料电池系统1510和电化学电池1512可构造并布置成使得从相反方向或与本文中所 描述的不同方向提供燃料和氧化剂。
[0141] 各电化学电池1512包括阳极1524、电解质1526和阴极1528。阴极1528在方向 1532上与阳极1524隔开；并且电解质1526被设置在阳极1524和阴极1528之间。电化学 电池1512被串联布置在方向1536上。在本实施例中，各电化学电池1512还包括阳极集电 器1548和阴极电流导体1550。阳极集电器1548电性连接到阳极1524,并且阴极集电器 1550电性连接到阴极1528。阳极和阴极集电器层提供高于阳极层和阴极层自身的导电率 的用于电子传输的路径，为了电化学反应而不是电流传导而将该路径优化。根据本实施例， 阳极集电器1548和阴极集电器1550可W可替代地并且分别被称为：阳极和阴极导电膜、阳 极和阴极导电层、阳极和阴极导电膜、和/或阳极和阴极导电层。
[0142] 在一个实施形态中，燃料电池系统1510是通过使膜/层沉积在多孔基底1514上 (例如通过丝网印制和/或喷墨印制)而形成，从而提供多孔阳极阻挡层1515,互连体1516、 阳极1524、电解质1526、阴极1528、阳极集电器1548和阴极集电器1550。在其它实施例中， 除了或者代替丝网印制和/或喷墨印制，可利用一种或多种其它技术使膜/层沉积。在其 它实施例中，前述的部件可W比所谓的膜更厚，并且可通过相同的或其它方法而沉积。在各 种实施例，在使一个或更多的膜/层沉积之后，可执行一次或多层的烧成/烧结循环。其它 实施例可不需任何烧成/烧结而实现一次或多次的膜/层沉积。下面描述了可用于形成多 孔基底1514的材料的例子、W及可用于形成膜/获得阳极阻挡层1515的层的材料、互连体 1516、阳极1524、电解质1526、阴极1528,阳极集电器1548和阴极集电器1550。
[014引在一个实施形态中，多孔基底1514是由Mg0-MgAl204 (MMA)制成。在其它实施例 中，除了或者代替例如渗杂氧化错和儀橄揽石，可采用其它的材料。
[0144] 在一个实施形态中，多孔阳极阻挡层1515是由惰性多孔陶瓷材料制成，例如渗 杂氧化错，如3YSZ。在其它实施例中，除了或者代替渗杂氧化错，可采用其它材料，诸如SrZr〇3、或者SrTi〇3渗杂氧化错复合材料。
[0145] 在一个实施形态中，阳极集电器1548是由儀金属陶瓷所构成的电极导电层。合适 的儀金属陶瓷的例子包括Ni-YSZ(氧化错中的氧化锭渗杂量为3-8mol%)、Ni-ScSZ(氧化 筑的渗杂量为4-10mol%，优选地为了相稳定性筑氧化筑-Zr〇2的第二渗杂量为20mol%)、 和/或Ni渗杂氧化姉(诸如Gd或Sm渗杂)、Ni和渗杂亚铭酸铜(诸如在A部位上的化渗 杂和在B部位上的化渗杂）的金属陶瓷、Ni和渗杂铁酸锁(诸如在A部位上的La渗杂和在 B部位上的Mn渗杂)的金属陶瓷、和/或LaixSrxMnyCriy〇3。可替代地，有人认为用于阳极集 电器1548的其它材料可包括除了保持Ni含量外部分地或全部地基于一种或多种贵金属和 /或一种或多种贵金属合金的金属陶瓷。金属陶瓷中的贵金属可包括例如Pt、PtAu、Ag、 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/或一个或更 多的其它非活性相，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，诸如NiAl2〇4、MgAl2〇4、 1邑〇2〇4、化〇2〇4。在其它实施例中，陶瓷相可^是导电的，例如渗杂亚铭酸铜、渗杂铁酸锁 和/或一个或更多形式的LASRMn化0。阳极集电器1548材料的一个具体例子是76. 5%Pt 8. 5%NiU5% 3YSZ〇
[0146] 在一个实施形态中，阳极1524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。在其它实施例中，可使用其它材料。例如，有 人认为可替代地阳极1524可由渗杂的铁酸锁、LaixSrxMriy化1y〇3 (例如，La〇.75Sr〇.25M%5&。. 5〇3)和/或其它陶瓷基阳极材料所制成。
[0147] 在一个实施形态中，电解质1526是陶瓷材料。例如，在一些实施例中，可采用质子 和/或氧离子传导陶瓷。在一个实施形态中，电解质1526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1526可由ScSZ(诸如4ScSZ、6ScSZ和/ 或IOScSZ)构成。在其它实施例中，除了或者代替前述材料，可使用其它材料。例如，有人 认为可替代地，电解质1526可由渗杂氧化姉和/或渗杂嫁酸铜制成，或者可包含渗杂氧化 姉和/或渗杂嫁酸铜。在任何情况下，电解质1526对于燃料电池10所使用流体(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〇2)经过其中的扩散基本上是不透过的， 但根据具体实施例及其用途允许氧离子和/或质子的扩散。
[014引阴极1528可由电化学催化陶瓷与离子相的混合物所构成。电化学催化相是由LSM化日1xS：TxMn03, X=O. 1至0.3)、1日1xSrJe化（诸如X=O.3)、1日1xSrxCOyFei y03(诸如La0.6S;r0.4C o0.2Fe0.s03)和/或PrixSrJVIrA诚如Pr0.8S：r0.2Mn03)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。例如，有人认为可替代地，可使用Ruddlesden-Popper 儀酸盐和Lai xCaxMn03(诸如Lan.sCan.2Mn03)材料。离子相可W是含有3-8摩尔％氧化锭的 YSZ、或者含有4-10摩尔％氧化筑和任选地W较小含量(约1摩尔％)含有Al、Y或氧化姉 的第二渗杂物的ScSZ, W便获得高氧化筑稳定氧化错（8-lOScSZ)，从而防止斜方六面体相 的形成。电化学催化陶瓷相可W占到阴极的40-60体积％。
[0149] 阴极集电器1550是由电子导电陶瓷所构成的电极导电层，并且在许多情况 下其化学特性类似于阴极的电化学催化陶瓷相，例如LSM+YSZ阴极通常将使用LSM (Lal-xSrxMn〇3, X=O. 1至0. 3)阴极集电器。阴极集电器的其它实施例可包括LaNixFei x〇3 巧日LaNi〇.eFe〇.4〇3)、LaixS：TxMn〇3 巧日La〇.75S;r〇.25Mn〇3)、渗杂亚铭酸铜巧日 1曰1xCaxCr化5， X=O. 15-0. 3)、和/或Pri班脚〇3咖Pr〇.sSr〇.2Co〇3)中的至少一种。在其它实施例中，阴极 集电器1550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。也 可包括非导电的陶瓷相，例如YSZ、ScSZ和Al2〇3、或者其它陶瓷材料。阴极集电器1550材 料的一个具体例子是80wt%Pd-20wt%LSM。
[0150]由巧铁矿陶瓷构成的互连体，尤其是基于亚铭酸的巧铁矿，在氧化和还原两种条 件下可提供长期稳定性，并且在适当的渗杂量下，在燃料电池的工作溫度下可显示令人满 意的电子导电性，例如包含A部位渗杂物。另外，巧铁矿陶瓷的导电性随着溫度升高而增 加，该特征对于在一些燃料电池系统(诸如固体氧化物燃料电池系统）中的使用是理想的。 基于亚铭酸的巧铁矿陶瓷要求高烧结溫度W便致密化，例如大约1750°C(未渗杂的亚铭酸 铜）和大约1450°C(渗杂的亚铭酸铜)。然而，理想的是在1350°C或更低范围内的溫度下， 对一些燃料电池系统膜/层实施烧结，因为较高的烧结溫度会形成不良的电极或者其它微 结构，并且/或者会导致较差的燃料电池系统性能。
[0151]另外，未渗杂的亚铭酸铜具有非常低的导电性。为了获得高导电性，需要A部位渗 杂物，诸如Sr、化和Mg阳离子。然而，增加的A部位渗杂量导致亚铭酸铜中的热膨胀系数 的增加和化学膨胀系数的增加(一般认为后者是由于在低氧分压环境中氧空位引起的晶格 膨胀所造成)。由运种渗杂亚铭酸铜所构成互连体中的尺寸变化会在互连体和其它燃料电 池层中产生显著的局部热应力，并且会导致微裂纹，运会导致不受欢迎的气体泄漏。
[0152] 在本文中所描述的实施例中，全部的燃料电池系统1510层被印制在多孔陶瓷基 底1514上。互连体1516在方向1532上被设置在延伸的阳极集电器1548 (阳极集电器 1548在方向1536上超过阳极1524的延伸部的限制）与延伸的阴极集电器1550 (阴极集 电器1550的延伸部在方向1536上超过阴极1528的限制)之间。互连体1516在方向1536 上被设置在相邻的电化学电池1512的电解质1526之间。在图示说明的实施例中，互连体 1516的烧结溫度主要受到阳极1524、阳极集电器1548、和电解质1526的烧结溫度的限制。 对于互连体1516而言过高烧结溫度的使用可能地会导致：（1)阳极1524的不合需要的微 结构，因此同时导致较差的燃料电池性能；（2)在互连体烧成期间多孔基底1514的持续收 缩，运会导致被印制的W后层的不队准。多孔阳极阻挡层的致密化也会导致较高的将燃料 和反应产物传递到燃料电池中和从燃料电池中传递出的扩散阻力。严重的不对准可能地会 导致电池之间的短路；和（3)阳极集电器1548与互连体1516之间的相互作用，在高溫下该 相互作用会形成不合需要的相。因此，鉴于上述情况，理想的是避免使用要求高烧成/烧 结溫度的用于互连体1516的材料。
[0153] 互连体(诸如互连体1516)的主要功能是将相邻的电化学电池电性连接到一起，W 及利用气密性将燃料与氧化剂(例如燃料和空气）分离。基于亚铭酸的巧铁矿材料作为互 连体是理想的，运是由于它们的低成本和在互连体所经历双重(氧化性和还原性）环境中的 已知的可接受的导电性W及和此类型材料的令人满意的热膨胀和化学膨胀。在图示说明的 实施例中，假设在互连体1516的图示和描述的位置，应当理解的是可W在阳极1524的之前 或之后或者在电解质1526的印制之后面，印制互连体1516。优选地，但不一定，互连体1516 将会与阳极集电器1548、阳极1524、和电解质1526共同地进行烧成。理想的是互连体1516 连同电解质1526形成气密层，因此防止燃料与氧化剂的任何渗合。因此，理想的是仅电解 质1526是气密的而且互连体1516也是气密的。因此，在燃料电池的加工期间，亦即在燃料 电池系统1510的制造期间，理想的是将互连体1516致密化，W便在燃料电池系统1510运 行期间实现气密性操作。
[0154] 然而，与此同时，理想的是互连体1516与阳极集电器1548、阴极集电器1550和电 解质1526是化学兼容的。另外，理想的是在互连体1516的烧成/烧结期间在互连体1516、 阳极集电器1548、阴极集电器1550和电解质1526之间的界面处不形成新的相，诸如烧绿 石，该相是可通过在某些条件下亚铭酸铜与全部的YSZ之间的相互作用而形成的绝缘相。 在本实施例中，因为与阴极集电器1550相比在较高的溫度下对阳极集电器1548和电解质 1526进行烧成，所W在互连体1516和阳极集电器1548和电解质1526之间发生相互作用的 可能性增加。因此，为了获得气密的互连体1516;和由互连体1516和电解质1526所构成 的气密层；和将相邻