具有新颖内部几何结构的固体氧化物型燃料电池的制作方法

专利名称：具有新颖内部几何结构的固体氧化物型燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及燃料电池，更具体地说，涉及具有改进阳极的管状固体氧化物型燃料电池(SOFC)，及制造方法，其中所述阳极通过独特的内部几何结构体系增强电池的物理及电化学性质，从而改善力学支撑、耐用性及电池性能特性。
背景技术：
已经开发了几种不同的固体氧化物型燃料电池结构装置，包括管状的、平面的及整体式的装置，所有的装置记录在技术文献中。(见，例如Q.M.Nguyen et al.，″Science and Technology of Ceramic Fuel Cells″，Elsevier Science，Jan.1995)。所述管状的SOFC装置起源于与平面的燃料电池组相关的密封问题(见G.Hoogers，“Fuel Cell TechnologyHandbook”，CRC Press，Aug.2002)。许多公开的专利属于SiemensWestinghouse Power Corp.，Orlando，FL，公开了所谓的空气电极负载(AES)工艺(见例如Ruka等人的US 5,916,700；Borglum的US 5,993,985及也属于Borglum的US 6,379,485)。
尽管在管状的SOFC领域中获得了显著的技术成就，但空气电极负载的管状燃料电池仍然碰到几个缺点。作为其中之一，空气电极材料，比如镧、锶、水锰矿等等是昂贵的，通常使工艺经济的变得不引人注意。另外，空气电极由陶瓷材料组成，它们的机械强度及耐用性常常小于由金属陶瓷(即陶瓷及金属复合物)制成的燃料电极的机械强度及耐用性。
燃料电极负载的(FES)管状SOFC由于一些经济上的改进(见Song等的US 6,436,565)引起了本领域新的注意。
尽管AES和FES管状装置已经结构上改造为具有开口端及在一端闭合，但几乎没有明显建议相对于常规圆柱构造对管状SOFC内部结构特征进行改变而导致作为增强这类电池的结构完整性及工作特性装置的基础管状构造的改进。
因此，需要改进管状SOFCs阳极以增强结构支撑、耐用性及增加表面积用于优化电池的电子传导率。

发明内容
因此本发明一个主要的目的是提供具有新颖支撑结构的SOFCs。支撑阳极的几何结构赋予电池增强的物理、热的及电性能，及经济上更加吸引人。
本发明另外的主要目的还提供一种制造所述改进管状支撑阳极及包括所述阳极的SOFCs的具有最少工艺步骤的方法。
所述新颖的阳极层几何结构包括至少一个更优选多个纵向的，从所述阳极层内表面或i.d.到中心开口或者管状体的内膛向内凸出，以内部隆起或凸起部(及它们之间的凹槽)形式的突起。一般的，所述隆起或者凸起部可以与管状体的纵轴平行或者共轴，做为选择，例如可以通过中心孔以常规的螺旋图样卷绕，而不接触管状阳极表面的其他隆起或者凸起部，或者结合管状表面的其他区段。所述的“凸起部”或者“支撑阳极”赋予改进的机械可靠性、耐用性及增加活性电池面积，同时通过使电阻最小化增强电化学的性能特性。本发明也可以增强电池的燃料流量特性，因为所述内部突起例如可以通过导致湍流或者涡流混合从而增加混合。因此，本发明的一个主要目的是提供具有包括形成中心孔管状体的负载电池阳极的SOFCs，其中所述管状体包括突出进入中心孔用于结构上增强整个燃料电池的负载装置。优选，所述突出进入所述中心孔的负载装置是与管状阳极主体一体化的。
对于本发明的目的，这样的如出现在说明书及权利要求书中的表达如“管状的”或者“管状体”或者其变化，意欲包括主要的圆的或者圆形壁的燃料电池，例如圆柱形状，然而，本发明意欲也包括具有至少三个侧面的多边几何构型的管状体，例如三角形管、长方形/正方形管、六边形管及其变化，比如三个侧面类似三角形的管，其中顶点例如是圆形的等等。因此，尽管本发明的SOFCs主要用圆柱管状体说明，但理解这仅仅是意欲方便的目的，而不是意欲限制或者排斥如同在上文提及的那些其他几何构型。
由于它们的几何结构管状的SOFCs认为受到电势损失。值得注意的是新颖的凸起部结构特征的支撑阳极提供优先的“低阻力”电子传递路径，以使这些损失最小化。
本发明又一另外的目的是提供具有新颖几何特征的支撑阳极的管状SOFCs，所述的SOFCs不仅提供增强的结构完整性、热的及电性能，而且由于它们独特的几何结构，也便于SOFC叠层多功能系统的组装，由此所述阳极凸起部隆起在布置燃料喷射器中作为导向装置，保证气道在所述注射器两个边上都保持敞口。
因此，本发明涉及的具有新颖管状阳极支撑体的SOFCs包括燃料电极，更具体地说，包括具有内表面阳极结构的燃料电极，所述的阳极结构具有适当的从管状结构内表面或者半径延伸向内进入中心孔的隆起，在所述隆起之间有中间凹槽或者凹陷处用于增强SOFCs的结构加固。如本发明支撑阳极应用的管状SOFCs，本发明的支撑阳极可以是在两端敞口，或者在一端闭合。所述阳极支撑结构是相对厚的壁，由于突出的凸起部结构一般为非圆形的管状孔膛。因此，所述阳极的独特的几何结构赋予整个燃料电池刚性和强度。
组成上，本发明所述负载燃料电极由过渡金属(例如Ni)及陶瓷材料(例如稳定二氧化锆、掺杂二氧化铈或者其他适当的电解质材料)，即金属陶瓷组成。
如以前的讨论，本发明的主要突破涉及新颖的电极几何结构改变的阳极装置，因此它变得更加物理支撑整个燃料电池结构。所述燃料电极的孔膛包括构造为管状的但是非圆形内壁结构的环形阳极，所述的内壁结构具有至少一个，更优选多个连续纵向的隆起或者凸起部，优选与管状体纵轴对称间隔并共轴。所述凸起部优选沿管状体的长度方向布置，但是也可以仅沿管状电极主体长度方向的一部分布置。因此，通过沿着所述管状结构内壁引入纵向的隆起或者凸起部(在它们之间形成凹槽)，有如下几个优点-通过燃料电极增加厚度或者表面积，从而使阳极转化为燃料电池的高度支撑结构，得到更大的机械强度。优选，所述内部凸起部对称排列，因此它们围绕内环彼此等距离间隔，进一步结构上增强整个管状的SOFC；-在电池之内产生更大的导电的表面积；-通过增强阳极支撑体的电子传导率实现更大的电化学输出；-改进的燃料电池组装效率，即容易操作及装配为燃料电池组，其中所述隆起之间的凹槽用作布置及固定燃料喷射器的导向装置。这减少或者消除了常规的圆管遇到的破坏及渗漏问题。
本领域的普通技术人员公认的是，本发明支撑阳极所述内部突出的凸起部/隆起的几何构型实际上是不受限制的。代表性的隆起包括这样的形状如圆锥的、长方形的、正方形的、圆形的或者半圆的，略举数例。一般的，它们的数量及尺寸适合于在SOFC叠层组装期间随后引入的燃料喷射器装置。
本发明也涉及改进的制造所述支撑阳极的方法。
支撑阳极的制造方法与所述燃料电极混合物组成直接相关。有用的挤出技术是一般与塑料挤出相关的那些技术。在制造具有内部凸起部支撑阳极中，它们提供改进的经济优势，尤其是所述的内部凸起部沿整个管状体长度方向延伸。优选浇铸及压制技术用于制造更加复杂的内部形状，由此所述内部阳极凸起部是非连续的，或者相对于阳极支承管的整个长度，长度更短。
通过在燃料电极混合物中引入人造的成孔剂可以实现对燃料电池电化学性质进一步的改进，以使催化活性最佳化并限制传质问题。
从上述的公开及以下更加详细说明中，对于本领域的普通技术人员显而易见的是本发明提供一种明显改进的管状燃料电池工艺，更具体地说，管状SOFC工艺。在这方面特别明显的是电势，本发明提供以更低的成本生产更加经济、高电流密度的燃料电池，同时具有改进的机械可靠性。鉴于以下更加详细的说明可以更好理解另外的特征及优点。
附图简述结合附图在本发明以下的详细说明中更加完全地描述本发明的性质及操作方式，其中

图1是本发明的包含支撑阳极的管状SOFC的立体图，除去部分以说明电池的环/层，包括电池的电解质及阴极区。
图2是图1管状SOFC的放大立体图，更详细地显示本发明的结构特征，包括由在所述电池(全长)内部环形阳极上作为凸出物的圆锥形凸起部或者隆起之间间隔的四个连续纵向的圆形凹槽组成的加固物；图3是本发明另外的SOFC实施方式的立体图，包括如同图2示意的支撑阳极，但是改进的，其中所述内部圆锥形凸起部仅沿内部环形阳极(短的长度)上的管状电池的部分长度延伸。
图4是本发明另外SOFC实施方式的立体图，包括电极内环上多个对称间隔纵向连续长方形的支撑隆起，并在它们之间形成间隔凹槽的支撑环形阳极；
图5是本发明另外的SOFC实施方式的立体图，包括支撑环形阳极，特征在于多个支撑部件为均匀间隔的、圆形隆起突出进入管状体孔膛，并沿圆柱电池长度方向延伸，在内环上在隆起之间(全长)有连续圆形凹槽；图6也是本发明新颖的固体氧化物型燃料电池另外实施方式的立体图，包括支撑阳极，特征在于八个圆锥形支撑凸起部作为离开内部环向内的隆起沿管状电池长度方向延伸并在它们之间(全长)形成连续凹槽；图7是本发明SOFC另外实施方式的立体图，包括支撑阳极，特征在于内部隆起在螺旋形或者螺旋形的构造中；图8是本发明又一另外的负载管状SOFC可选择实施方式的立体图，其中不是圆柱形，所述外部阴极包括三个具有圆形顶点的表面，及内部支撑环形阳极具有对称配置的间隔隆起突出进入电池孔膛的内部；图9是多边形SOFC的立体图，更具体地说，是燃料电池的立体图，其中外部环形阴极是六边形并由内部环形阳极加固，所述的内部环形阳极特征在于多个离开阳极内表面的长方形间隔隆起突出进入电池孔膛。
图10是示意本发明管状SOFC的剖视图，所述制造的SOFC在燃料喷射器上安装支撑阳极；图11是根据图10安装在燃料喷射器上管状SOFC的顶部平面图，及图12是挤出模头的部分端视图，用于成形本发明的具有从内环突出的阳极凸起部的管状支撑阳极。
优选实施方式的描述首先转到图1，提供本发明SOFC10的全图，作为改变的筒形管状体以最好地说明内部环形阳极12，中间电解质14及外部环形阴极16。所述阳极12形成内孔18，具有多个从阳极内壁进入孔膛凸出的隆起20。
图2是图1燃料电池的放大图，最好地说明本发明的阳极支撑体12，其中四个形态对称布置的圆锥凸起部20沿管状SOFC10全长方向共轴延伸，在凸起部20中间设置有椭圆槽22。凸起部20给燃料电池提供增加的表面积及强度，显示为与环形阳极12是一体化的。图3说明如图2中的一些相同的结构特征，提供本发明一般的筒形SOFC24的一种可选择实施方式，包括支撑阳极26，中间电解质28及外部阴极30。阳极26形成具有在圆锥形隆起/凸起部36之间设置的椭圆槽34的内部孔膛32。燃料电池24特征也在于缩短的隆起38，隆起38不是沿电池全长方向延伸，而是比管状体全长要短。
图4示意圆柱的SOFC40，是本发明又一另外可选择的实施方式，包括支撑内部环形阳极42，中间环形固体电解质44及外部的阴极46。所述内部环形阳极42包括多个设置在弧或者凹槽50之间的均匀间隔的纵向的隆起48，作为环形阳极状结构的一体化的部件。隆起48是朝向燃料电池孔膛52内设置的长方形的或者一般的正方形构造。
图5说明本发明阳极加固的SOFCs的另外实施方式，管状燃料电池54也具有圆柱的构造。所述加固的SOFC54包括内部支撑环形阳极56，中间固体电解质58及外部环形阴极60，其中所述阳极内部隆起包括圆形、均匀间隔的凸起部62，作为沿电池部分长度或者完全长度纵向延伸通过电池孔膛64的增强突起。优选，隆起62在支撑阳极内壁的内部圆形区域66之间对称间隔。
图6说明本发明筒形SOFC68的另外的实施方式，具有支撑阳极70，中间环形固体电解质72及外部的阴极74。所述支撑阳极70特征为内部几何结构包括八个全部长度一般的突出进入中心孔膛80的圆锥形隆起76，在隆起76中间具有略微圆形的凹槽78。
图7说明本发明管状SOFC另外圆柱的具有新颖内部几何结构支撑阳极84的实施方式82，包括电解质层86及环形阴极88，其中支撑阳极84的隆起90是连续的，在圆形区域92之间沿支承管长度以螺旋路径延伸。
图8及9说明本发明可选择管状的实施方式，其中所述管状结构不是圆形的，例如筒形管，但是例如可以是多边形的。图8说明本发明这样的SOFC92的一个实施方式，包括三个主要的一起为三角形状的外部阴极表面94，不同之处在于圆形顶点96联接表面94。本发明当然预期具有三个或更多表面的多边形结构，例如三角形、正方形、五边形、六边形等等。如本发明描述，像图8那些的管状燃料电池实施方式包括支撑阳极。图8燃料电池也包括内部支撑阳极98，中间电解质99及外部的三个侧面的阴极结构94。所述支撑阳极98也包括比如以前描述的在圆形区域102之间的作为进入所述电池内孔突起的隆起100。
图9是又一包括本发明多边的SOFC104，其中所述电池包括内部支撑环形阳极106、中间管状的电解质环107及具有六个表面108的多边形外部的阴极。该实施方式特征在于支撑环形阳极106具有多个作为设置在圆形凹陷处或者弧112之间的间隔隆起的凸起部110。
图1-9的特定实施方式意欲仅仅用于说明性目的，而不是意欲限制到各种各样的对于本领域普通技术人员显而易见的可选择实施方式，但意欲包括全部这样的替代方案及变化。
正如前面提到的那样，本发明主要的方面是具有增强支撑特性、新颖内部几何结构的阳极，特别用于管状的SOFCs中，相对于常规的管状阳极给整个燃料电池提供结构加强。
使用改进阳极作为支承结构从性能特性观点看是最有益的(见Song等的US 6,436,565)。另外，如以前讨论，对于装备本发明阳极的燃料电池而言，其中内环厚度为0.2-2.0毫米左右，通过增加电子传导率及减少活化过电位可以实现高电流密度(参看由于电化学的电荷转移反应而引起电压损失)。
组成上，用于所述阳极、金属陶瓷支撑体的电化学活性物质，即金属的含量，基于所述固体的体积，优选为约30.0-约80.0体积％。对于金属含量低于30体积％，所述金属陶瓷阳极复合物具有减少的电导率。当支撑阳极金属陶瓷的金属含量大约为30体积％或者以上，在所述金属微粒之中引起良好界面结合，导致增加的电子传导率。高达80体积％的金属含量足够保证非常高的电子传导率，同时保持足够的孔隙度以使浓差极化最小化。阳极金属陶瓷中的金属的较高的含量导致与随后涂层电解质不匹配的大的热膨胀系数，导致在处理加工或者电池操作期间形成裂缝。
为增强电池性能特性，也希望增加阳极的孔隙度，因此将浓差极化(参看与气流通过多孔电极阻力相关的电压损失)保持在最低限度水平。实现该结果的一个方法是通过基本上原位处理，在还原气氛条件下使金属氧化物粉末还原成为元素的金属，从而提供阳极基材更大的孔隙度。因此，在所述阳极组成中较高的金属氧化物含量通常是优选的。
还可以通过引入成孔剂使阳极产生另外的孔隙度。有用的成孔剂代表性的例子包括碳末、淀粉、聚合物小球等等。当将支撑阳极制造成为完整的管状SOFC结构时，在烧结期间随后除去成孔剂。基于所述金属陶瓷粉末，成孔剂的优选用量高达50体积％。明显较高含量的成孔剂导致机械强度的损失。
用于本发明金属陶瓷燃料阳极支撑体有用的陶瓷材料的代表性例子包括用于高温SOFC(700℃-1000℃)的稳定二氧化锆。这优选包括8mol％氧化钇-稳定二氧化锆(YSZ)，(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08。另外有用的材料是掺杂二氧化铈，用于中等温度SOFC(500℃-700℃)。这优选包括钆掺杂的二氧化铈(CGO)，(Ce0.09Gd0.10)O1.95。其他适于SOFC电解质应用场合的材料也适用于本发明。
通常，用于本发明燃料电极支撑体的金属相及金属陶瓷电解质属于元素周期表的过渡金属，及包括它们的合金或者物理状态混合物。元素镍(Ni)是一个优选的金属，因为其在还原气氛条件下有高的电化学活性、高的电子传导率，以及其有成本效率。金属可以通过不同的前体引入到阳极支撑体及金属陶瓷电解质中，包括金属粉末、金属氧化物粉末、金属盐(含水的或者非含水的)等等。金属氧化物粉末比如NiO通常是优选的，因为它们的成本效益及它们对陶瓷制造工艺的适应性。有限量的非常纯金属粒子可以通过金属盐引入，比如溶解在含水及非水溶剂包括水或者醇溶液中的Ni(NO3)2。这与阳极支撑体特别有关，其中希望金属微粒之间紧密接触用于增强电子传导率。
阳极支撑体突出的纵向凸起部可以使阳极总厚度减少，因为它们增加了阳极的强度及在接触气体物流的阳极之内的表面积。因此，改进的支撑阳极与常规的没有这样结构特征的管相比较，具有增强的结构特性。优选，对称设置内部隆起因此它们及它们的中间凹槽彼此等距离间隔。这也赋予管状支撑体均一的重量分布。也希望该结构特性用于在电池制造的干燥及烧结期间使差异收缩量减至最少。横过空的管状支撑体的不均匀分布的凹槽导致有害的缺陷，比如翘曲和/或破裂。所述支承管的强度随突出的凸起部数量而增加。
突出的凸起部的存在也增强支撑阳极的电化学性能特性。通过增加电子传导率及减少越过金属陶瓷阳极厚的区域的活化过电位从而实现较高的电流密度。
正如前面提到的那样，纵向突出的凸起部也提供优异的将电池装配成为燃料电池组装配体的能力。图10说明管状的SOFC114的部分剖视图，包括本发明的安装在燃料喷射器118上的阳极支撑体116，由此所述阳极脊或者隆起120用于将注射器118定位并固定在所述电池管状的孔膛之内预先确定的取向上。圆形空隙122之间的隆起120物理保持燃料喷射器118的中心位置，优化阳极支撑体内部的流动特性，因此导致进入阳极反应位燃料的更好的分布。
制造隆起的阳极支撑体的加工途径取决于上述讨论的制备包括金属及陶瓷化合物的燃料电极混合物。含水的或者非水介质可以用于悬浮所述颗粒状物。然而，含水的介质通常是优选的，因为它们的成本效益及很少的与有机溶剂可燃性及毒性相关的环境问题。也可使用通常的加工添加剂(分散剂、粘结剂、增塑剂)以保证充分分散均一稳定的混合物(见R.J.Pugh et al.，″Surface and Colloid Chemistry in AdvancedCeramics Processing″，Marcel Dekker，Oct.1993)。这些混合物的特性比如粘度可以通过改变不同原料的特性或者量而变化。因而它们改造为适合特定的成型过程。
特别是，在制造横截面均匀的型材时优选挤出含水的可塑类物质。当希望沿着支承管全部长度有连续的凸起部时，这是特别恰当的。图12说明一种挤出模头124的局部图，其中凹槽126已经加工成为离开模头槽130的内部模具128。因此，所述挤出物显示出沿着管状支撑阳极内壁突出的隆起部，与图1中的那些一致，等等。
另一方面，更加复杂的型材例如其中凸起部按照螺旋形(螺旋的)路径设置的型材可以通过铸造技术(液相加工)或者压制技术(干制法)制备。铸造技术包括粉浆浇注、离心浇铸、凝胶灌制等等。压制技术包括干压法和等静压制。所有的这样加工途径是已知的，并充分地记录在文献中(见例如J.S.Reed，″Principles of Ceramic Processing，2ndEdition″，J.Wiley & Sons，Nov.1994)。
如上所述，其他添加剂可以被引入到所述构造中，比如成孔剂，以调整燃料电极支撑体的孔隙度。这些任选的添加剂在成型操作以前引入在金属陶瓷混合物中。
本发明所述的新颖的支撑阳极可用于通常应用中间固体电解质和外部空气电极(阴极)的阳极负载的固体氧化物型燃料电池。燃料电极负载类型(即阳极负载的)，其中位于空气电极之下的电解质层涂敷在金属陶瓷阳极支撑体上作为薄膜，是本领域众所周知的。电解质材料和空气电极(阴极)材料的选择取决于燃料电池预定操作的温度，可以包括很广的范围。
例如，如果阳极负载的SOFC在700℃-1000℃高温下操作，那么电解质选自稳定二氧化锆，比如(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08(YSZ)，而如果在500℃-700℃中等温度操作，那么电解质可以是掺杂二氧化铈，比如(Ce0.90Gd0.10)O1.95。
一种使用常规的粉末生产阳极负载的SOFC的制造方法包括以下步骤共混电解质物质(YSZ)和电化学活性物质比如镍以形成燃料电极。电化学活性物质的体积％为约30-约80％，优选约40-约60％。
为了描述和举例说明提供以下实施例。这不应被认为是以任何方式的限制。
实施例通过以下步骤制造具有内部凹槽支撑阳极的管状SOFC绿色氧化物NiO粉末与YSZ粉末混合，因此混合物中引入的Ni(还原NiO之后)含量为30-80vol％。所述浆糊组合物另外包括蒸馏水(溶剂)、甲基纤维素或者羟丙基甲基纤维素(粘结剂)和甘油或者聚乙二醇(增塑剂)。适当的浆糊组合物包括70-约90wt％的固体负载量(NiO+YSZ)；5-25wt％的水；1-15wt％的粘结剂；和0.1-5wt％的增塑剂。所述组合物然后在高剪切条件下使用高剪切搅拌机混合，比如∑形叶片式搅拌器，因此形成均一的可塑坯料。
如以前的描述，任选的添加剂包括成孔剂(例如碳末、淀粉、聚合物小球)。
然后在高压(例如1-30千牛顿)强制使浆糊通过模具124(图12)挤出所述阳极支承管。所述模头的形状决定挤出管的横截面几何形状。图12说明为产生希望的支撑内部几何结构，例如隆起等等，加工具有模具槽130和隆起部126的适当的模头设计。
挤出管可以在环境空气下干燥几个小时。通过使用温度/其中湿度可以控制的湿度试验室实现短的干燥时间。湿度从高的初始设定值(90-100％RH)逐渐地减少直到管完全地干燥。
然后使用具有适当固体负载量(约20-60wt％)和粒子大小(D50＜1微米)的电解质油墨或者淤浆以在干燥支撑体结构上形成电解质层。通过浸渍涂敷将电解质(YSZ)施加到干燥管上，其中浸渍时间和油墨粘度确定最后的电解质厚度，或者通过喷雾法，其中转速、X/Y位置、喷雾距离及其他参数也用来控制电解质层的厚度。理想的，5-50微米的电解质涂层厚度可以在烧结过程以后实现致密的电解质层而不破裂。然后在1300℃-1450℃高温下烧结支撑体和电解质，所述温度取决于初始电解质淤浆的粒子大小和固体负载量。
然后共烧结阳极支撑体和电解质结构备好应用于阴极。所述阴极由2-4层构成，与所述外层相比，第一层与包含较高体积％的YSZ的电解质直接接触，因此形成梯度阴极结构。用适当的固体负载量(20-约60％)和粒子大小(D50＝＜2微米)，及恰当容积百分比的YSZ或者钙钛矿材料(通常各种各样掺杂含量的LSM)制备阴极油墨，以实现不同层希望的组成。通过各种各样的涂敷技术包括浸渍涂敷、喷雾和丝网印刷施加阴极，喷雾是优选的。然后整个结构在1000℃-1250℃烧结，以形成阴极恰当的界面特性和电极结构。
尽管为了说明已经详细地描述了本发明，但应理解这样的细节仅仅是用于说明目的，在不背离权利要求中限定的本发明精神和范围的前提下本领域的普通技术人员在其中可以进行变化。
权利要求
1.一种固体氧化物型燃料电池，特征在于包括具有作为支撑阳极内壁的管状体，所述的支撑阳极形成所述燃料电池的中心孔膛，包括至少一个从所述的内壁突出进入所述的管状体中心孔膛，用于结构上增强所述燃料电池的支撑装置。
2.根据权利要求1的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述的支撑装置是与所述的阳极一体化的，并包括多个隆起或者凸起部。
3.根据权利要求1的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述的管状体进一步包括与所述的支撑阳极结合的电解质层和阴极层。
4.根据权利要求3的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述的管状体是圆柱或者多边形。
5.根据权利要求4的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述的管状体是多边形并包括至少三个侧面。
6.根据权利要求5的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述的管状体是六边形。
7.根据权利要求5的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述的管状体包括三个在圆形顶点处结合的侧面。
8.根据权利要求2的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述的隆起或者凸起部基本上沿所述管状体中心孔膛整个长度方向延伸。
9.根据权利要求2的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述的隆起或者凸起部的长度比所述管状体中心孔膛的长度要短。
10.根据权利要求2的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述的隆起或者凸起部包括沿着所述中心孔膛长度方向通常螺旋延伸的图样。
11.根据权利要求2的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述突出的隆起或者凸起部在所述中心孔膛之内相对于彼此对称设置。
12.根据权利要求2的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述的隆起或者凸起部通常是圆锥形。
13.根据权利要求2的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述的隆起或者凸起部通常是正方形或者长方形。
14.根据权利要求2的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述的隆起或者凸起部通常是圆形。
15.根据权利要求1的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述的管状体两端是敞口的，或者在一端是闭合的。
16.根据权利要求1的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述的突出进入所述管状体中心孔膛的支撑装置包括与内壁相同的结构材料。
17.根据权利要求16的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述的阳极和支撑装置的结构材料包括金属陶瓷。
18.根据权利要求17的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述的金属陶瓷包括稳定的二氧化锆或者掺杂的二氧化铈。
19.根据权利要求18的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述稳定二氧化锆是包括(ZrO2)0.92(Y2O3)0.08的材料。
20.根据权利要求18的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述掺杂的二氧化铈是包括(Ce0.90Gd0.10)O1.95的材料。
21.根据权利要求17的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述金属陶瓷的金属相选自元素周期表的过渡金属族，元素状态选自元素金属、合金和其混合物。
22.根据权利要求21的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述的过渡金属是镍。
23.根据权利要求21的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述金属陶瓷的金属相的含量为约30vol％～约80vol％。
24.根据权利要求3的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中烧结状态的阴极厚度为约0.2毫米～约2.0毫米。
25.根据权利要求1的固体氧化物型燃料电池，特征在于其中所述突出进入所述中心孔膛烧结状态的支撑装置的厚度为约0.1～约2.0毫米。
26.一种用于制造至少包括支撑阳极的固体氧化物型燃料电池的方法，特征在于包括如下步骤(i)共混陶瓷电解质材料和电化学活性过渡金属或者过渡金属氧化物以形成燃料电极混合物；(ii)将所述的燃料电极混合物成型为具有中心孔膛的管状燃料电极，所述的电极具有至少一个向内突出进入所述中心孔膛纵向的隆起或者凸起部，和(iii)干燥所述的管状燃料电极。
27.根据权利要求26的方法，特征在于其中所述陶瓷电解质材料是选自稳定的二氧化锆和掺杂二氧化铈的陶瓷粉末。
28.根据权利要求26的方法，特征在于其中引入所述燃料电极混合物中的所述电化学活性过渡金属是金属氧化物粉末。
29.根据权利要求26的方法，特征在于其中所述的过渡金属通过使金属化合物预溶解在含水的或者非水溶剂中，至少部分引入所述的燃料电极混合物中。
30.根据权利要求26的方法，包括特征在于将成孔剂引入到所述的燃料电极混合物中的步骤。
31.根据权利要求26的方法，特征在于其中所述的燃料电极混合物是适于挤出成形的可塑坯料。
32.根据权利要求26的方法，特征在于其中所述的燃料电极混合物是适于通过浇注成型的含水或者非含水的浆料。
33.根据权利要求26的方法，特征在于其中所述的燃料电极混合物是通过压制方法模塑的干燥掺合物。
34.根据权利要求26的方法，包括另外的步骤，特征在于(iv)将电解质层施加到干燥的管状燃料电极；(v)烧结步骤(iv)的燃料电极-电解质结构；(vi)将至少一个阴极层施加到步骤(v)烧结的燃料电极-电解质结构，和(vii)烧结所述燃料电极-电解质-阴极结构以形成管状的固体氧化物型燃料电池。
35.一种固体氧化物型燃料电池的支撑阳极，特征在于包括具有形成中心孔膛的内壁的管状体，所述的壁包括至少一个突出进入所述的中心孔膛用于结构上增强阳极的支撑装置。
36.根据权利要求35的固体氧化物型燃料电池的支撑阳极，特征在于其中所述的支撑装置是与所述的阳极一体化的，并包括多个隆起或者凸起部。
全文摘要
一种包括新颖的燃料电极装置，具有改进力学和电化学性质的燃料电极－阳极支撑类型的固体氧化物型燃料电池(SOFC)。所述新颖的支撑阳极包括多个向内凸出进入管状体中心孔膛，用于结构上加强整个电池的内部纵向的隆起或者凸起部，增加电极表面积，优化阳极电子传导率，并便于将电池装配成为SOFC装配体系统(例如电池堆)。所述本发明的SOFCs预期有大量的管状构造，包括圆柱和具有至少三个表面的多边形。也公开了低成本的制造方法，由此阳极支撑体中突出的凸起部与常规成形技术相比不需要另外的加工步骤。
文档编号H01M4/96GK1864291SQ200480022634
公开日2006年11月15日 申请日期2004年8月5日 优先权日2003年8月7日
发明者凯纳·芬纳蒂, 戴维·科英布拉 申请人:纳米动力公司