用于固体氧化物燃料电池的粘结层的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开通常涉及固体氧化物燃料电池或其他多层多孔陶瓷装置，并特别地涉及用以将燃料电池堆接合在一起的粘结层。
【背景技术】
[0002]固体氧化物燃料电池(SOFC)为通过化学反应而发电的装置。图1显示了常规SOFC电池，其包括正极层102、负极层106和电解质层104。燃料电池通常特征在于它们的电解质材料，且SOFC具有固体氧化物或陶瓷电解质。
[0003]在SOFC的操作过程中，氧化剂(通常为空气)被供给通过由正极102限定的多个空气通道120，而燃料(如氢气(H2))被供给通过由负极106限定的多个燃料通道121。氧化剂通道和燃料通道可相对彼此以直角取向。负极层和正极层由电解质层104分隔。在操作过程中，氧化剂在正极被还原成氧离子。这些氧离子可随后扩散通过固体氧化物电解质至负极，在负极处，这些氧离子可电化学氧化燃料。在该反应中，放出水副产物以及两个电子。这些电子被传输通过负极至外部电路(未显示)，然后回到正极，从而在外部电路中提供电能源。在外部电路中的电子流动通常提供大约1.1伏特的电势。
[0004]为了产生更大的电压，串联组合大量的单个电池(每个电池由负极和正极组成，所述负极和正极由电解质层分隔)，从而可组合每个电池所产生的电力。在制造过程中，通常希望将多个电池组合成更大的单元(为了便利，在本文称为“电池单元”)。图2示出了固体氧化物燃料电池单元的一个示例性实施例。图2的电池单元包括六个单独的如图1所示的电池(231、323、233、234、236和236)。如在图1中所示的电池中那样，被组合以形成图2的电池单元的单独的电池中的每一个包括由电解质层204分隔的正极层202(具有空气通道220)和负极层206(具有燃料通道221)。使用互连层208组合单独的电池。可随后将这些具有特定功率输出的单独制造的单元组合在一起，以产生具有几乎任何所需的总功率输出的燃料电池堆。所需数量的单独的电池单元堆叠在彼此的顶部并粘结在一起，以产生最终的固体氧化物燃料电池堆。
[0005]用于连接单独的电池单元的粘结材料应该在燃料电池堆所承受的整个温度范围内是电连接的、透气的、机械性强的且热稳定的。由于固体氧化物燃料电池堆的高要求操作条件，已证实满足这些要求的理想粘结材料是难以捉摸的。
[0006]因此，需要用于将单独形成的电池单元接合在一起以产生固体氧化物燃料电池堆的改进的粘结层。
【附图说明】
[0007]通过参照附图，本公开可更好地得以理解，且本公开的许多特征和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。
[0008]图1显示了固体氧化物燃料电池中的单个电池。
[0009]图2示出了固体氧化物燃料电池单元的一个示例性实施例。
[0010]图3显示了由三个固体氧化物燃料电池单元的组合所获得的固体氧化物燃料电池堆。
[0011]所附附图不旨在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或接近相同的部件由相同的数字表示。为了清楚的目的，在每个附图中并未标记每个组件。
【具体实施方式】
[0012]本公开可用于固体氧化物燃料电池(SOFC)体系中。SOFC提供了以低排放和低噪音操作而高效率发电的可能性。它们也提供了电效率、联产效率和燃料加工简单性的有利组合。SOFC的用途的一个例子是在家中或其他建筑物中。SOFC可使用与用于加热住宅相同的燃料，如天然气。SOFC体系可运行长时间以发电，从而为住宅供电，如果产生过量，则可将过量的电销售给电网。而且，SOFC体系中产生的热量是高品质的，因此可用于提供用于住宅的热水。SOFC可特别地用于供电不可靠或不存在的区域中。
[0013]为使固体氧化物燃料电池运行，致密电解质层必须分隔两个多孔电极。电极为电导体，且必需从电池收集直流电。在图1的特定实施例中，电极102为正极，电极106为负极。一个负极106和一个正极102由电解质104分隔的设置在本文称为电池。
[0014]在下述制造过程中，通常希望将多个电池组合成更大的单元(为了便利，在本文称为“电池单元”)。电池在彼此顶部堆叠，并经由电互连层连接，以形成具有某个功率输出的单独制造的电池单元。电导互连层在每一对相邻电池的负极层与正极层之间形成以串联连接电池，从而可组合每个电池所产生的电力。图2示出了具有六个单独的正极-负极电池(231-236)的固体氧化物燃料电池单元的一个示例性实施例，每个正极-负极电池具有由电解质层204分隔的正极层202(具有空气通道220)和负极层206(具有燃料通道221)。在特定实施例中，互连层208将一个电池的负极206连接至相邻电池224的正极202。
[0015]可随后将这些具有特定功率输出的单独制造的单元组合在一起，以产生具有几乎任何所需的总功率输出的燃料电池堆。所需数量的单独的电池单元堆叠在彼此的顶部并粘结在一起，以产生最终的固体氧化物燃料电池堆。
[0016]图2中的电池单元显示为具有六个电池。实际上，燃料电池堆可具有适用于堆的特定工作的电池单元数量，每个电池单元可具有适用于工作的电池数量。如本文所述形成的典型的燃料电池具有大量的电池单元，每个电池单元具有多个电池。
[0017]每个多孔电极层也可包括通道220、221。取决于电极类型，氧化剂气体或燃料气体流动通过通道，离子被传输经过电解质层。尽管更复杂的气体(如分别的天然气/丙烷和空气)可供给至电池并在许多情况中供给至电池，但基本要求是仅有氢气和氧气。
[0018]参照图2，在固体氧化物燃料电池的操作中，由电解质204分隔负极206中的氧化剂气体和正极202中的燃料气体产生氧气分压梯度。该梯度使得氧离子被传输经过电解质204并与燃料反应。所述方式可被重复多次，以形成具有大量单独的电池单元和电池的堆。
[0019]相邻的堆叠电池必须被结合在一起并串联电连接，从而可组合每个电池所产生的电力。增加电池数量会增加堆的Z轴尺寸。堆的X轴和Y轴可独立于Z轴而增加。
[0020]在一些情况中，可能希望一种类型的电极比另一类型的电极多一个。例如，有时希望使堆的两个暴露的末端层为正极层，因为正极层在空气中稳定，而负极层如果暴露于空气则会氧化。这种设置在图2的电池单元中显示。有时也有利的是在堆的顶部和底部具有相同类型的电极层，从而在制造工程中存在对称性。如本文使用的术语“顶部”和“底部”仅为了便利，因为堆可以以任何方向取向。术语“外部电极层”或“最外电极层”等在本文用于指堆中的第一电极层和最后电极层(在图1和2的取向中的顶部和底部电极层)。
[0021]因此，在其他实施例(如图2中所示的堆)中，正极层可比负极层多一层。因此，顶部电极层(在图2的取向上)和底部电极层均为正极层。在其他实施例中，反之亦然，负极层比正极层多一层，使得顶部电极和底部电极均为负极层。图2显示了具有总共十三个电极层的实施例。电解质204或互连208分隔每个相邻的电极层对。
[0022]为了产生具有所需功率输出的最终固体氧化物燃料电池堆，将适当数量的具有特定功率输出的单独制造的电池单元组合在一起。在极简单的实例中，如果制造的电池单元各自产生20瓦的功率输出，且如果最终固体氧化物燃料电池堆的所需功率输出为60瓦，则需要组合三个单独制造的电池单元以产生所需功率输出。图3显示了得自三个如图2所示的电池单元(320a、320b、320c)的这种组合的结合的固体氧化物燃料电池堆310。
[0023]如下文详细讨论，用于将电池单元结合在一起的粘结层优选在燃料电池堆所承受的整个温度范围内是电连接的、透气的、机械性强的且热稳定的。如本文所用的术语“粘结层”指用于将两个相同类型的电极层连接在一起的材料层。换言之，根据本文描述的特定实施例的粘结层将来自一个电池单元的外部正极层连接至另一电池单元的外部正极层(正极至正极)。或者，粘结层可连接来自相邻电池单元的负极层(负极至负极)。因此，粘结层可区分于“互连层”，如本文所用的互连层指连接来自相邻电池的不同类型的电极层的层(正极至负极)。
[0024]用于正极的材料可包括亚锰酸镧材料。正极可由掺杂的亚锰酸镧材料制得，从而将钙钛矿类型的晶体结构提供给正极组成。因此，掺杂的亚锰酸镧材料具有由式(LanAx)yMn03-s表示的一般组成，其中掺杂剂材料由“A”表示，并在钙钛矿晶体结构的A位点上在材料内替代镧(La)。掺杂剂材料可选自碱土金属、铅，或原子比为约0.4至0.9埃之间的通常二价的阳离子。这样，根据一个实施例，掺杂剂材料选自由如下组成的元素的组:Mg、Ba、Sr、Ca、Co、Ga、Pb和Zr。根据一个特定实施例，掺杂剂为Sr，正极层可包含通常称为LSM的锰酸镧锶材料。
[0025]根据一个实施例，掺杂的亚猛酸镧正极材料包含(Lai—xAx)yMn03-s，其中X不大于约
0.5，y不大于约1.0，La/Mn比不大于约1.0。掺杂的亚猛酸镧组成内的x值表不在结构内替代La的掺杂剂的量。根据一个实施例，X不大于约0.5，如不大于约0.4或0.3。而且，正极材料内提供的掺杂剂的量可更少，使得X不大于约0.2或0.1，特别是在约0.4至0.05之间的范围内。