专利名称：综合性固体氧化物燃料电池的制作方法
背景技术：
本发明大体上涉及固体氧化物燃料电池(SOFC)，更具体地涉及一种固体氧化物燃料电池中的多层、多功能电解质，其具有较高机械强度、较高离子电导率，在空气和燃料中保持稳定，与燃料电池中的其它部分化学相容，并且具有较低的操作温度。
固体氧化物燃料电池是一种能量转换装置，其可通过使气态燃料(如氢)通过氧化物电解质与氧化剂(如氧)发生电化学反应来产生直流电。当前SOFC技术的主要特征包括全固态结构、可采用多种燃料的能力和较高的操作温度。由于这些特征，SOFC具有可成为高性能、清洁且高效的能源的潜力，并且已经被开发用于多种发电应用中。
在典型的操作条件下，一个SOFC单电池产生的电压小于1V。因此为了进行实际应用，应将多个单电池电串联地堆叠来形成电压。堆叠由被称为互连结构的部件来提供，其将一个电池的阳极与一组电池中的下一电池的阴极相连。传统的SOFC在约1000℃和环境压力下操作。
SOFC单电池为陶瓷的三层结构，其由夹在阳极和阴极之间的氧化物电解质形成。传统的SOFC材料为采用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)来制造电解质，采用掺杂锶的亚锰酸镧(LSM)来制造阴极，采用镍/YSZ来制造阳极，并且用掺杂的亚铬酸镧来制造互连结构。目前，对SOFC来说存在两种基本的电池结构电解质支撑式和电极支撑式。
在电解质支撑式电池中，电解质为电池的机械支撑结构，其厚度通常在150到250μm之间。电解质支撑式电池例如用于一些平面SOFC设计中。在电极支撑式电池中，电极中的一个(即阳极或阴极)为支撑结构。电解质为形成于支撑电极上的薄膜(不大于50μm)。管状的电串联分段式电池和一些平面SOFC设计采用这种类型的电池。
传统的基于YSZ的SOFC通常采用厚度大于50μm的电解质，并需要1000℃的操作温度以减小电解质的欧姆损耗。高温操作对燃料电池系统提出了严格的材料和处理要求。因此，在SOFC的开发中，近来的趋势是将操作温度降低到800℃之下。降低SOFC的操作温度所带来的优点包括材料的选择面更宽，电池寿命延长，热应力降低，可靠性提高，以及可能降低燃料电池的成本。降低操作温度所带来的另一重要优点是可采用低成本的金属来制造互连结构。
已经进行了多种尝试以降低基于YSZ的SOFC的操作温度，同时保持其工作效率。一种已尝试的方法是减小电解质的厚度以减小电阻损耗。已经对多种使电池具有薄膜(约5到25μm厚)的方法进行了评估。具有较薄电解质膜的电极支撑式电池(具体而言是阳极支撑式电池)在较低温度下具有较高的性能。例如在de Souza等人的“低温固体氧化物燃料电池的YSZ薄膜电解质”，2ndEuro.SOFCForum，2，677-685(1996)；de Souza等人的“在低温下具有较高性能的薄膜固体氧化物燃料电池”，Solid State Ionics，98，57-61(1997)；Kim等人的“中等温度下阳极支撑式固体氧化物燃料电池的极化效应”，J.Electrochem.Soc.，146(1)，69-78(1999)；Minh的“用于发电应用的薄膜固体氧化物燃料电池的进展”，Proc.4thInt’l Symp.On SOFCs，138-145(1995)；Minh等人的“高性能的较低温度的SOFC技术”，Int’lNewsletter Fuel Cell Bulletin，No.6，9-11(1999)中已经报道了在800℃下功率密度超过1W/cm2的情况。降低操作温度的另一种尝试包括使用离子电导率超过YSZ的另一些固体电解质材料，如Minh的“陶瓷燃料电池”，J.Am.Ceram.Soc.，76[3]，563-88(1993)中所述。然而，替代性电解质材料方面的工作仍处于十分初级的阶段。
电解质和阴极被认为是在较低操作温度下实现高效率的障碍，这是因为它们在当前电池材料和结构中具有较大的性能损耗。在YSZ电解质支撑式电池中，YSZ的电导率需要约1000℃的操作温度以实现高效的操作。例如，对于厚度约为150μm、面积约为1cm2的YSZ电解质来说，在约1000℃下基于约0.1S/cm的电导率，电解质的电阻约为0.15Ω。因此，电解质的面积比电阻(ASR)约为0.15Ω-cm2。为了实现高效的操作，希望得到ASR约为0.05Ω-cm2的高性能电池。为了在较低操作温度(如800℃)下实现约0.05Ω-cm2的ASR，可计算出YSZ的所需厚度(即15μm)。如果所需操作温度小于800℃而ASR保持相同值，必须进一步减小YSZ的厚度，或者必须使用高导电性的其它电解质材料。
对于SOFC中的其它电解质材料来说，所需操作温度决定材料的选择以实现高性能。电解质的电导率和稳定性是选择电解质材料中的两个关键参数。在氟石、钙钛矿和钙铁石结构中发现了最高的离子电导率，如Boivin等人在Chem Mater.，10，P2870(1998)中的文章所述。这些包括Bi2O3、CeO2、LaGaO3和Sr-Fe-Co氧化物的掺杂材料。在这些材料中，掺杂的Bi2O3在燃料空气中是不稳定的，掺杂的Sr2Fe2O5是混合的离子和电子导体。因此，这两种材料不适合用作SOFC电解质。在美国专利No.5731097中已经尝试采用一层为掺杂的CeO2和另一层为YBa2Cu3O7的双层电解质来提高开路电压(OCV)。在美国专利No.5725965中提出了另一种双层电解质，其中掺杂的Bi2O3层被掺杂的CeO2保护层保护而与燃料环境隔开。
在约550到700℃的较低操作温度下，已经考虑过掺杂有Gd的二氧化铈(CeO2)(即CGO)和掺杂有Sr，Mg的镓酸镧(LaGaO3)(即LSGM)或者除Sr和Mg外还掺杂了Fe的镓酸镧(即LSGMFe)，这是因为它们的电导率较高(见Feng等人，Eur.J.Solid St.Inorg.Chem.，31，P663(1994)；Huang等人的“优良的钙钛矿氧化离子导体、掺杂锶和镁的LaGaO3I，相关系和电性能”，J.Am.Ceram.Soc.，81，[10]，2565-75(1998)；Steele的“氧化陶瓷中的氧迁移和交换”，J.PowerSources，49，1-14(1994)；Ishihara等人的“采用掺杂有过渡金属阳离子的LaGaO3电解质的中等温度固体氧化物燃料电池”，Proc.Electrochem.Soc.Mtg.，Seattle，May 2-5(1999))。例如，15μm的LSGMFe电解质可以在约525℃下操作，其ASR为0.05Ω-cm2。在上述这些材料中，在燃料环境中，CGO在500℃以上具有非常好的电子导电率，这就降低了开路电压并降低了燃料电池的效率。
因此，为了成为有效的电解质，根据Doshi等人的“可在500℃下操作的固体氧化物燃料电池的进展”，J.Electrochem.Soc.，146(4)，1273-1278(1999)，CGO必须在500℃或更低温度下使用，或者被改性或保护以防止燃料环境所造成的降低。LSGM(La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3)和LSGMFe(La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.17Fe0.3O3)具有较高的离子电导率，然而它们会与在阳极中常用的Ni发生反应。另外，随时间的过去在燃料空气中会因蒸发而产生一些镓元素的损耗。因此，电池性能随时间而变差。因此，需要保护基于镓的电解质，以防止其与阳极的镍发生相互作用和元素损耗。理想的电解质应具有LSGMFe的高离子电导率、YSZ或CeO2的与Ni的化学相容性，以及YSZ的机械强度。
上述材料所进行的制造工艺是影响燃料电池性能的一项重要因素。可采用几种技术来制造包括厚膜电解质和薄膜电解质在内的两类电池结构(即电解质支撑式和电极支撑式)的电池。
用语“厚膜电解质”用于描述自支撑的电解质，其用作其上添加有电极的衬底。自支撑的电解质需要有足够的厚度(即150到250μm)以进行实际搬运。通常采用带式铸造(tape casting)来制造这些致密膜。在带式铸造的过程中，采用刮刀将分散在流体媒介中的细陶瓷颗粒浆铸造成载体衬底上的薄带。然后烘干此带，将其从载体衬底上取下，并对其进行焙烧以生产出致密衬底。在烧结后，采用沉积技术如手涂、丝网印刷或喷涂来将电极粘附在带的两侧。厚电解质的高电阻使得必须具有1000℃左右的较高操作温度，以便减小因电解质带来的欧姆极化损耗。
由于在较低温度(即550到800℃)下电解质中的欧姆损耗降低，受此利益的驱使，SOFC的开发集中在由厚电极支撑的“薄膜电解质”(即5到25μm)上，如美国专利No.5741406所述。在表1中列出了用于制造尤其是具有薄YSZ电解质的SOFC的多种可选的制造工艺。
表1工艺 介绍喷涂热解 一种将最终组分的粉末母材和/或颗粒喷涂在热衬底(400-600℃)上、然后进行烧结工序以使层致密化的方法。
等离子喷涂将含有细陶瓷颗粒的等离子以高速度朝向衬底喷射，从而沉积出一层薄层。
CCD/EVD 采用化学气相沉积(CVD)/电化学气相沉积(EVD)工艺将电子或离子导电氧化物的致密层沉积在多孔衬底上。
溅射 采用氩/氧混合物中的放电来将材料沉积在衬底上。
旋涂 将溶胶凝胶母材涂覆在旋转衬底表面上。在相对较低温度(～600℃)下对涂覆物进行热处理，得到致密均匀的薄层(0.2-2μm)。
浸涂 将多孔衬底浸没在胶体大小颗粒的YSZ浆中。然后对沉积层进行干燥和焙烧。
电泳沉积 在施加直流电场时将YSZ粉末颗粒从悬浮液中沉积到相反电荷的衬底电极上。需要进行多次涂覆/焙烧循环以得到完全致密的5μm厚的层。
带式压光(tape calendering)一种塑料成形工艺，涉及在两根辊之间挤压软化的热塑性聚合物/陶瓷粉末混合物，以生产出连续带材。
用于SOFC应用的其它薄膜技术包括气相电解质沉积、真空蒸发、液态注射等离子喷涂、激光喷涂、喷射气相沉积、转印、混合涂覆工艺、沉积方法、静电喷涂热解和等离子金属有机化学气相沉积。
其它相关参考见于美国专利No.5922486、No.5712055和No.5306411。
可以看出，需要一种SOFC制造工艺，其可保证在任何工艺步骤中不会有任何状况或环境会破坏任何材料的所需特性。在此制造工艺中还需要低成本和可量测性。需要一种用于SOFC的电解质，其可提供高离子电导率、与Ni或其它过渡金属的化学相容性以及机械强度。特别是，需要一种SOFC电解质，其可在不超过约800℃的较低操作温度下使用，同时具有包括约为0.05Ω-cm2的ASR在内的高性能。还需要一种厚度约为5到25μm的薄膜电解质以在较低操作温度下使用。另一种需求是可耐受燃料环境的高强度电解质。
发明概要本发明的总体方法是提供一种高性能的较低温度的SOFC。此方法是基于这样的材料和结构，当组合在一起时此材料和结构在约550到800℃的操作范围内具有提高的性能，同时能在高达约1000℃下保持功能的完整性。这种材料和制造工艺是经济的和可量测的，并可适用于燃料电池的大批量制造。
本发明基于一种支撑在阳极衬底上以减小欧姆损耗的薄膜、多层和多功能的电解质。虽然已经报道了具有高电导率的新型电解质材料，然而这些材料中的每一种都具有需要克服的固有问题，例如化学相容性、电子电导率和机械强度。本发明是一种高导电性电解质的多层组合物，其提供了优良的性能并同时避免了上述问题。
在本发明的一个方面，固体氧化物燃料电池包括阳极；与阳极相对的阴极；以及设置在阳极和阴极之间的电解质，电解质包括紧接于阳极的阻挡层，此阻挡层可防止电解质和阳极之间的化学相互作用，并防止电解质中的元素损耗。
在本发明的另一方面，固体氧化物燃料电池包括阳极；与阳极相对的阴极；以及设置在阳极和阴极之间的电解质，电解质包括紧接于阴极的加强层，此加强层具有交错的层组成部分，可为电解质提供抗断裂性。
在本发明的另一方面，制造固体氧化物燃料电池的方法包括在阳极和阴极之间形成电解质；采用紧接于阳极的阻挡层来防止电解质中的元素损耗；并且采用阻挡层来防止电解质和阳极之间的化学相互作用。
通过参考下面的附图、介绍和权利要求，可以更佳地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。
附图简介
图1是现有技术的SOFC的电压和电流密度图；图2是根据本发明一个实施例的综合性SOFC的示意性截面视图；图3是显示了在根据本发明一个实施例的综合性SOFC中支撑于阳极上的薄膜电解质的制造方法的流程图；图4a是在根据本发明一个实施例的综合性SOFC中具有二氧化铈部分稳定的氧化锆(CZ)和带有氧化铝的CZ(CZA)的交错电解质层的加强层的显微照片(放大850倍)；图4b是图4a所示加强层的显微照片(放大180倍)；图5a是夹在LSM/YSZ阴极和Ni/YSZ阳极之间的YSZ电解质单层的扫描电镜(SEM)照片(放大2200倍)；图5b是由电极支撑的具有二氧化铈层和YSZ层的双层电解质的SEM照片(放大2000倍)。
发明的详细介绍图2示意性地显示了根据本发明一个优选实施例的综合性固体氧化物燃料电池10的截面视图。用语“综合性”是指SOFC具有高离子电导率、自身的化学相容性和高机械强度，这在过去是无法令人满意地实现的。在过去，一种所需的性能会与其它所需性能相互抵消，使得在某些方面不能实现最优的性能特性。
在图2所示的实施例中，燃料电池10大体上包括阳极11、阴极13和夹在它们之间的电解质12。阳极11可为任何众所周知的设计，例如如美国专利No.5286322中介绍的那样，此专利通过引用结合于本文中。特别是，阳极11包括可提供离子导电性的阳极电解质化合物和可提供电子导电性和催化活性的阳极电子导电材料。作为示例，阳极电解质化合物可包括掺杂的氧化锆、掺杂的二氧化铈和基于镓的氧化物。用于氧化锆的掺杂剂包括钪、钇、其它稀土元素，第二族元素如Ca、Sr、Mg和Ba，以及所有上述元素的氧化物。有效的阳极电子导电材料的例子包括过渡金属和电子导电氧化物。一些优选的过渡金属包括Ni、Co、Cr、Cu和Fe。有效的电子导电氧化物包括化学式为ABO3-d的钙钛矿氧化物，其中A为稀土元素或稀土元素与少量掺杂剂的组合物，B为过渡金属或过渡金属与少量掺杂剂的组合物，d大于或等于0。其它有效的结构为在燃料空气中稳定的基于A2B2O5-d的钙铁石和基于A2B2O7-d的烧绿石。
如同阳极11一样，阴极13可为任何众所周知的设计，例如如美国专利No.5286322中介绍的那样，此专利通过引用结合于本文中。阴极13包括可提供离子导电性的阴极电解质化合物和可提供电子导电性和催化活性的阴极电子导电材料。阴极电子导电材料可包括掺杂的亚锰酸镧、掺杂的铁酸镧、掺杂的高钴酸镧(lanthanum cobaltite)、掺杂的亚铬酸镧、含有除镧以外的稀土元素的类似材料，以及亚锰酸盐、铁酸盐、高钴酸盐和亚铬酸盐的组合物，基于A2B2O5-d的钙铁石和基于A2B2O7-d的烧绿石。用于亚锰酸镧的掺杂剂包括锶、钙、镁和钡。有效的阴极电解质化合物的例子包括掺杂的氧化铋如Bi0.75Sr0.25O1.375，掺杂的镓酸镧如La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.17Fe0.3O3和La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.115Co0.0085O3-d，掺杂的二氧化铈如Ce0.8Gd0.2O1.9，以及掺杂的氧化锆如Zr0.92Y0.08O1.96。
电解质12为包括有多个不同功能层的薄膜(约5到25μm厚)多层结构。这些层为复合电解质12提供了特定的性能。更具体地说，电解质12包括与阳极11相邻的过渡层14、与过渡层14的与阳极11相反的一侧相邻的阻挡层15，以及与阻挡层15的与过渡层14相反的一侧相邻的加强层16。一般来说，电解质12由至少一种过渡金属活性化合物组成。换句话说，电解质12由化合物组成，其通常可与存在于如阳极11中的过渡金属发生化学反应。
作为示例，过渡金属活性化合物可以是含有镓和稀土金属的镓化合物。稀土金属的最大特征是其原子序数在约57到71之间。如果原子序数低于约57和高于约71，那么离子电导率趋于减小而电解质的电阻趋于增大。可以用于实施本发明的镓化合物的特定示例包括LaGaO3-d，ErGaO3-d和DyGaO3-d，其中d大于或等于0。
镓化合物可选择性地包括第一替代元素，其可部分地代替稀土金属。用语“部分地”是指小于50％。第一替代金属用于形成氧空穴，因此可包括Sr、Ba、Mg、Ca及其组合物。在这种情况下，镓化合物可包括La0.9Sr0.1GaO3-d和La0.8Sr0.2GaO3-d。在镓化合物中还可以包括第二替代元素，其可部分地代替镓。第二替代元素用于形成额外的氧空穴，并且能增强氧空穴的可动性，其例子包括Sr、Ba、Mg、Ca、Mn、Fe、Co、Cr、Cu及其组合物。这种替代化合物的例子包括La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-d、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.17Fe0.03O3-d以及La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.115Co0.0085O3-d。
电解质12的过渡层14提供了阳极11和电解质12之间的物理或材料过渡。具体地说，过渡层14减小了在最好是约550到800℃之间的燃料电池10的操作过程中阳极11和电解质12之间的热膨胀不匹配。过渡层14最好还与阳极11和阻挡层15化学相容。在燃料环境中，过渡层14应具有混合的离子和电子导电性能，因此便于进行电荷迁移反应以产生电流。给定上述性能，过渡层14的组合取决于阳极11和电解质12的剩余部分(在此实施例中具体而言为阻挡层15)的组合。
在一个优选实施例中，过渡层14包括可提供离子导电性的过渡电解质化合物和可提供电子或混合导电性的过渡电子导电材料。过渡电解质化合物可包括化合物如掺杂的二氧化铈、掺杂的氧化锆、掺杂的二氧化铪、掺杂的氧化铀和掺杂的氧化钍。过渡电子导电材料可包括材料如过渡金属和电子导电氧化物。有效的过渡金属包括Ni、Fe、Cr、Co和Cu。电子导电氧化物包括二氧化铈-氧化锆的固溶体例如Ce0.9Zr0.1O2，钙钛矿例如La0.8Sr0.2CrO3，以及烧绿石结构例如La2-xSrxZr2-yTiyO7-d，其中0＜x，y＜2，这些化合物在燃料空气中保持稳定。
过渡层14的厚度可变化但最好为约1到30微米。如果小于约1微米，那么过渡层的效率趋于变低，而如果大于约30微米，那么多数反应趋于在过渡层中发生，使得阳极对电化学反应不太有效。这样，过渡层14的厚度通常在约2到10μm之间。
电解质12上紧接于阳极11的阻挡层15可防止电解质12和阳极11之间发生化学反应。它还能防止电解质12(尤其是加强层16)中的元素损耗(例如镓的损耗)。为了防止元素损耗，阻挡层15最好具有足够的密度，以将电解质12的材料与燃料环境化学隔离。阻挡层15最好包括可提供离子导电性的阻挡电解质化合物。阻挡电解质化合物可包括化合物如掺杂的二氧化铈、掺杂的二氧化铪、掺杂的氧化铀、掺杂的氧化钍和掺杂的氧化锆。在第二实施例中，过渡层包括具有离子和电子导电性的混合导电氧化物。有效的混合导电氧化物包括掺杂的二氧化铈、掺杂的TiO2、掺杂Ti的氧化锆，化学式为ABO3-d的钙钛矿氧化物，其中A为稀土元素或稀土元素与少量掺杂剂的组合物，B为过渡金属或过渡金属与少量掺杂剂的组合物，d大于或等于0，以及例如基于A2B2O5-d的钙铁石、基于A2B2O7-d的烧绿石和二氧化铈-氧化锆的固溶体的结构。
阻挡层15的厚度可变化，但最好应足够厚以防止阳极11和电解质12之间发生反应，然而又不应太厚以免太大地影响电解质12的离子导电性。阻挡层15的厚度最好在约1到30微米之间。如果小于1微米，那么阻挡层因厚度不均匀而使一些电解质区域暴露，因而其效率趋于变低，而如果大于约30微米，那么阻挡层的电阻影响趋于变得显著。因此，阻挡层15的厚度通常在约2到10μm之间。
电解质12上紧接于阴极13的加强层16用于将电解质12的抗断裂性提高到比下述层16的各单个原材料的抗断裂性更大。同时，通过选择如下所述的离子导电层的适当组合，可使电解质12保持其离子导电性能。
加强层16包括具有两种不同电解质材料系统的多个交错的层组成部分或离子导电层。换句话说，层16具有多个一层堆叠在另一层上方的多层结构。虽然本发明的一个优选实施例采用了双层结构，然而可以设想，例如可将超过两层结合在此多层结构中，以提高电解质强度和减小任何裂纹缺陷。
双层结构中的两个材料系统包括第一氧离子导电化合物和第二氧离子导电化合物。第一和第二氧离子导电化合物的特征为离子导电率在0.001到1S/cm之间。优选的导电化合物包括掺杂的二氧化锆、掺杂有氧化铝的氧化锆、掺杂有氧化锆和氧化铝的二氧化铈、稀土元素的镓化合物、含有二氧化铈的稀土元素的镓化合物，以及含有二氧化铈和氧化铝的稀土元素的镓化合物。
选择用于交错层的特定电解质材料通常取决于所需的操作温度和性能。此外，虽然本发明优选地设想在交错层中只结合了两种不同的材料，然而也可以设想采用超过两种的不同材料。采用超过两种不同的材料例如对进一步提高强度和增强抗断裂性是有效的。此外，虽然本发明设想在这种结构的堆叠中各双层结构最好相互间相同，然而这些双层结构也可以相互不同。
在一个双层结构中交错层的相对厚度可以变化，但最好为约1∶1的比例。而且，虽然双层结构的总数可以变化，但层的最大数量受到薄膜电解质12的整体厚度在约5到25μm之间的需求的限制。在此厚度范围内，如上所述地给定过渡层14和阻挡层15的成比例的厚度，加强层16的厚度通常在约5到15μm之间。
图3是显示了在根据本发明一个实施例的综合性SOFC10中支撑于阳极11上的薄膜电解质12的制造方法的流程图。电解质12根据任何众所周知的带式压光工艺、例如美国专利No.5286322中所介绍的那样制成，此专利通过引用结合于本文中。
简短地说，制备带即电解质(如YSZ)或阳极支撑电极(如Ni/YSZ)的原材料为传统的粉末、有机粘结剂和增塑剂，它们在高剪切混合器中相结合以形成均匀的塑料体。然后对各塑料体进行滚压，生产出厚度约为0.25到2.5mm的柔性薄片材。然后这些片材、即电解质和阳极的片材滚压在一起，形成双层结构，之后再进行滚压以减小各层的厚度。在此双层结构中加入另一阳极带，并再次进行滚压。增加的阳极带具有减小电解质厚度同时使双层结构保持所需的整体厚度的效果。重复地加入阳极带，直到达到所需的电解质厚度为止。在此时，将双层结构切割成所需的形状和大小。
通过在滚压工序中加入适当的原料带可对上述基本工艺进行改进，从而形成多种不同且独特的层。还可以制造多个重复性的层。在这种情况下，如上所述地制造双层结构，然后将其切成两半，将其中的一半置于另一半之上并进行滚压。重复进行此步骤，直到完成所需的结构。
示例图4a是由上述带式压光工艺制成的具有二氧化铈部分稳定的氧化锆(CZ)和含有氧化铝的CZ(CZA)的交错层结构的加强层16的显微照片(放大180倍)。图4b是图4a所示加强层16的显微照片(放大850倍)。这两张显微照片均表明，可以通过带式压光工艺来制造多层结构。
图5a是夹在LSM/YSZ阴极和Ni/YSZ阳极之间的YSZ电解质单层的SEM照片(放大2200倍)。致密的YSZ电解质由上述带式压光工艺制造。图5a表明，可以通过带式压光工艺来制造具有由众所周知材料制成的致密电解质和多孔电极的电池。
图5b是由电极支撑的具有二氧化铈层和YSZ层的双层电解质12的SEM照片(放大2000倍)。电解质12根据上述带式压光工艺来制造。SEM照片表明，可以通过带式压光工艺来制造多层材料。
本领域的技术人员可以理解，本发明提供了一种用于SOFC的电解质，其具有高离子电导率、与Ni或其它过渡金属的化学相容性和机械强度。特别是，SOFC电解质可在约450到800℃的较低操作温度下使用，同时仍能提供较高的性能，包括在约0.01到2Ω-cm2之间的ASR。还提供了约5到25μm的薄膜电解质，其可在较低操作温度下使用并可耐受燃料环境。
当然可以理解，上述介绍涉及本发明的优选实施例，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下，可以对其进行修改。
权利要求
1.一种固体氧化物燃料电池包括阳极；与所述阳极相对的阴极；和设置在所述阳极和阴极之间的电解质，所述电解质包括紧接于所述阳极的阻挡层，所述阻挡层可防止所述电解质和阳极之间的化学相互作用，并防止所述电解质中的元素损耗。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述电池还包括位于所述阳极和电解质中间的过渡层，所述过渡层减小了所述阳极和电解质之间的热膨胀不匹配。
3.根据权利要求1到2中一项或多项所述的燃料电池，其特征在于，所述电解质还包括紧接于所述阴极的加强层，所述加强层为所述电解质提供了机械强度。
4.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，所述加强层包括多个层组成部分。
5.根据权利要求1到4中一项或多项所述的燃料电池，其特征在于，所述电解质包括过渡金属活性化合物。
6.根据权利要求2到5中一项或多项所述的燃料电池，其特征在于，所述过渡层包括过渡电解质化合物和过渡电子导电材料。
7.根据权利要求1到6中一项或多项所述的燃料电池，其特征在于，所述阻挡层包括基本上致密的化合物，其从由掺杂的二氧化铈、掺杂的二氧化铪、掺杂的氧化锆、掺杂的氧化铀、掺杂的氧化钍、二氧化铈-氧化锆的固溶体、钙钛矿和烧绿石组成的组中选择。
8.根据权利要求1到7中一项或多项所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极包括阳极电解质化合物和阳极电子导电材料。
全文摘要
一种固体氧化物燃料电池，包括阳极、与阳极相对的阴极，以及设置在阳极和阴极之间的电解质。电解质包括紧接于阳极的阻挡层，此阻挡层可防止电解质和阳极之间的化学相互作用，并防止电解质中的元素损耗。电解质还包括紧接于阴极的加强层，此加强层具有可为电解质提供抗断裂性的交错的层组成部分。
文档编号H01M8/12GK1636292SQ01814282
公开日2005年7月6日 申请日期2001年8月10日 优先权日2000年8月18日
发明者R·多施, G·莱尔, B·钟, E·翁, K·蒙特戈梅里, N·敏, J·关 申请人:霍尼韦尔国际公司