具有互連體的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001] 政府權(quán)利 本發(fā)明是在根據(jù)合同號DE-FE0000303由美國能源部授予的美國政府支持下完成。美 國政府在本發(fā)明中可具有某些權(quán)利。
[0002] 相關(guān)申請的交叉引用 本申請要求于2013年3月15日提交的名稱為"具有互連體的燃料電池系統(tǒng)（FUEL CE化SYSTEMWITHINTERC0N肥CT)"的美國專利申請第13/843, 178號的權(quán)益，而且與W下 專利申請有關(guān)：于2011年6月15日提交的名稱為"具有互連體的燃料電池系統(tǒng)（FUELCE化 SYSTEMmHINTERC0N肥CT)"的美國專利申請第13/161,370號；于2011年6月15日提 交的名稱為"具有互連體的燃料電池系統(tǒng)（F肥LCE化SYSTEMmHINTERC0N肥CT)"的美 國專利申請第13/161，386號；于2011年6月15日提交的美國專利申請第13/161，384號； 于2011年6月15日提交的名稱為"具有互連體的燃料電池系統(tǒng)（F肥LCE化SYSTEMWITH INTERCONNECT)"的美國專利申請第13/161，389號；和于2011年6月15日提交的名稱為 "具有互連體的燃料電池系統(tǒng)（F肥LCE化SYSTEMmHINTERC0N肥CT)"的美國專利申請 第13/161，402號，運些專利申請的各申請的內(nèi)容W參考的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明總體上設(shè)及燃料電池，具體地，設(shè)及一種用于燃料電池的互連體。
【背景技術(shù)】
[0004] 燃料電池、燃料電池系統(tǒng)W及用于燃料電池和燃料電池系統(tǒng)的互連體仍然是感興 趣的領(lǐng)域。一些現(xiàn)有的系統(tǒng)具有與某些用途有關(guān)的各種短處、缺點和劣勢。因此，在本技術(shù) 領(lǐng)域中對于進一步的發(fā)展仍然存在著需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明設(shè)及一種具有互連體（interconnect)的燃料電池系統(tǒng)，該互連體通過提供 增加的致密化、通過形成由陶瓷/金屬復(fù)合材料所構(gòu)成的互連體而減少或消除燃料和氧化 劑的擴散(泄漏)。
【附圖說明】
[0006] 本文中的描述參考了附圖，其中在若干附圖中類似的附圖標記指代類似的部件， 并且其中： 圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的燃料電池系統(tǒng)的非限制性實例的一些 方面。
[0007] 圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的燃料電池系統(tǒng)的截面的非限制性 實例的一些方面。
[0008] 圖3是圖2的互連體的一部分的放大剖視圖。
[0009] 圖4A和圖4B示出了互連體構(gòu)造的一些替代實施例。
[0010] 圖5示出了在本文中與本發(fā)明實施例進行對比的假定互連體。
[0011] 圖6A和圖她分別示出了互連體的又一個實施例的非限制性實例的一些方面的俯 視圖和側(cè)視圖。
[0012] 圖7示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有陶瓷密封件的燃料電池系統(tǒng) 的截面的非限制性實例的一些方面。
[0013] 圖8示意性地示出了具有陶瓷密封件的燃料電池系統(tǒng)的另一個實施例的截面的 非限制性實例的一些方面。
[0014] 圖9示意性地示出了具有陶瓷密封件的燃料電池系統(tǒng)的又一個實施例的截面的 非限制性實例的一些方面。
[0015] 圖10示意性地示出了具有化學阻擋層的本發(fā)明一個實施例的截面的非限制性實 例的一些方面。
[0016] 圖11示意性地示出了具有化學阻擋層的本發(fā)明一個實施例的截面的非限制性實 例的一些方面。
[0017] 圖12示意性地示出了具有化學阻擋層和陶瓷密封件的本發(fā)明一個實施例的截面 的非限制性實例的一些方面。
[0018] 圖13示意性地示出了具有化學阻擋層和陶瓷密封件的本發(fā)明一個實施例的截面 的非限制性實例的一些方面。
[0019] 圖14示意性地示出了具有化學阻擋層的本發(fā)明一個實施例的截面的非限制性實 例的一些方面。
[0020] 圖15示意性地示出了具有化學阻擋層的本發(fā)明一個實施例的截面的非限制性實 例的一些方面。
[0021] 圖16示意性地示出了具有化學阻擋層、陶瓷密封件、和在陰極導(dǎo)電膜與電解質(zhì)層 之間的間隙的本發(fā)明一個實施例的截面的非限制性實例的一些方面。
[0022] 圖17示意性地示出了具有化學阻擋層、陶瓷密封件、和在互連體輔助導(dǎo)體與電解 質(zhì)層之間的間隙的本發(fā)明一個實施例的截面的非限制性實例的一些方面。
[0023] 圖18示意性地示出了具有化學阻擋層、陶瓷密封件、和在陰極導(dǎo)電膜與電解層之 間的絕緣體的本發(fā)明一個實施例的截面的非限制性實例的一些方面。
[0024] 圖19示意性地示出了具有化學阻擋層、陶瓷密封件、和在互連體輔助導(dǎo)體與電解 質(zhì)層之間的絕緣體的本發(fā)明一個實施例的截面的非限制性實例的一些方面。
[00巧]圖20示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的燃料電池系統(tǒng)的非限制性實例的 一些方面的截面，該燃料電池具有高密度復(fù)合材料導(dǎo)電陶瓷/金屬互連體。
【具體實施方式】
[0026] 為了促進對本發(fā)明原理的理解，現(xiàn)在將參考附圖中所示出的實施例，并且專用語 言將用于描述運些實施例。但是，應(yīng)當理解的是，對本發(fā)明某些實施例的說明和描述并非意 圖限制本發(fā)明的范圍。另外，對所說明和/或所描述實施例的任何變更和/或修改被認為 是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，本文中所說明和/或所描述的本發(fā)明原理的任何其它應(yīng)用，正 如本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員通常所理解的，被認為是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0027] 參照附圖，尤其是在圖I中，示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的燃料電池 系統(tǒng)10的非限制性實例的一些方面。在圖1的實施例中，示出了本發(fā)明一個實施例的各方 面的各種特征、部件和它們之間的相互關(guān)系。然而，本發(fā)明并不局限于圖1的具體實施例， W及圖1中所示出了且在本文中所描述的部件、特征和它們之間的相互關(guān)系。
[0028] 本實施例的燃料電池系統(tǒng)10包括形成于基底14上的多個電化學電池12,即，單獨 的燃料電池。利用互連體16將電化學電池12串聯(lián)地聯(lián)接在一起。燃料電池系統(tǒng)10是沉 積在平直多孔陶瓷管上的串聯(lián)分段裝置，盡管應(yīng)當理解的是本發(fā)明同樣適合于在其它基底 上(例如在圓形多孔陶瓷管上)的串聯(lián)分段裝置。在各種實施例中，燃料電池系統(tǒng)10可W是 整體的平面狀燃料電池系統(tǒng)或管狀燃料電池系統(tǒng)。
[0029] 本實施例的各電化學電池12具有氧化劑側(cè)18和燃料側(cè)20。氧化劑通常是空氣， 但也可W是純氧（〇2)或其它氧化劑，例如包括用于具有空氣循環(huán)回路的燃料電池系統(tǒng)的稀 釋空氣，并且從氧化劑側(cè)18將氧化劑提供給電化學電池12。本實施例的基底14是多孔的， 例如在燃料電池運行條件下是穩(wěn)定的并且與其它燃料電池材料是化學兼容的多孔陶瓷材 料。在其它實施例中，基底14可W是經(jīng)表面改性的材料，例如具有涂層或其它表面改性的 多孔陶瓷材料，例如該表面改性構(gòu)造成防止或減少電化學電池12層與基底14之間的相互 作用。將燃料誠如重整控燃料，例如合成氣)從燃料側(cè)20經(jīng)由多孔基底14中的通道巧圖 示）提供給電化學電池12。盡管將空氣和由控燃料重整所獲得的合成氣使用于本實施例， 但應(yīng)當理解的是在不背離本發(fā)明范圍的前提下可應(yīng)用使用其它氧化劑和燃料(例如純氨和 純氧）的電化學電池。另外，盡管在本實施例中將燃料經(jīng)由基底14提供給電化學電池12， 但應(yīng)當理解的是在本發(fā)明的其它實施例中，可將氧化劑經(jīng)由多孔基底提供給電化學電池。
[0030] 參照圖2,更詳細地描述燃料電池系統(tǒng)10的非限制性實例的一些方面。燃料電池 系統(tǒng)10可W由被絲網(wǎng)印制到基底14上的多層所組成。絲網(wǎng)印制是其中編織網(wǎng)具有開口并 且經(jīng)過該開口將燃料電池層沉積在基底14上的工藝。絲網(wǎng)的開口決定了印制層的長度和 寬度。絲網(wǎng)目數(shù)、絲徑、油墨固含量和油墨流變性決定了印制層的厚度。燃料電池系統(tǒng)10 的層包括陽極導(dǎo)電層22、陽極層24、電解質(zhì)層26、陰極層28和陰極導(dǎo)電層30。在一個實施 形態(tài)中，電解質(zhì)層26是由電解質(zhì)亞層26A和電解質(zhì)亞層26B組成。在其它實施例中，電解 質(zhì)層26可由任意數(shù)量的亞層組成。應(yīng)當理解的是，圖2并非是按比例繪制；例如，為了清楚 地說明而將垂直尺寸放大。
[0031] 用于固體氧化物燃料電池（SOFC)的互連體優(yōu)選地是導(dǎo)電的，W便將電子從一個電 化學電池傳遞至另一個電化學電池；在燃料電池運行期間在氧化環(huán)境和還原環(huán)境下是機械 和化學穩(wěn)定的；并且是非多孔的，從而防止燃料和/或氧化劑經(jīng)過互連體的擴散。如果互連 體是多孔的，那么燃料可擴散至氧化劑側(cè)并燃燒，從而導(dǎo)致局部的熱點，該熱點會導(dǎo)致燃料 電池使用壽命的縮短(例如由于材料的退化和機械故障XW及燃料電池系統(tǒng)效率的降低。 類似地，氧化劑可擴散至燃料側(cè)，從而導(dǎo)致燃料的燃燒。嚴重的互連體泄漏會顯著降低燃料 電池的燃料利用率和性能，或者導(dǎo)致燃料電池或電池堆的災(zāi)難性失效。
[0032] 對于串聯(lián)分段的電池而言，通過使薄膜沉積在多孔陶瓷基底(例如基底14)上，可 形成燃料電池部件。在一個實施形態(tài)中，利用絲網(wǎng)印制工藝使薄膜沉積，包括互連體。在其 它實施例中，可利用其它工藝使薄膜沉積在基底上或者在基底上形成薄膜。互連體層的厚 度可W是5至30微米，但也可W厚得多，例如100微米。如果互連體不是完全非多孔的，例 如由于在加工期間所導(dǎo)入的燒結(jié)孔隙、微裂紋、孔隙和其它缺陷，那么氣體或空氣經(jīng)過互連 體層的流出會非常高，從而導(dǎo)致如上所述的不良效果。因此，在本發(fā)明的一個方面中，互連 體(互連體16)構(gòu)造成最小化或消除氧化劑和燃料經(jīng)過該互連體的擴散。
[0033] 本實施例的互連體16的材料是貴金屬，諸如Ag、PtAu和/或Pt和/或其合金， 盡管在不背離本發(fā)明范圍的前提下可使用其它材料。例如，在其它實施例中，可替代地可 W想到互連體可使用其它材料，包括貴金屬合金，諸如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，包含具有較少非貴金屬添加的合金、由貴金屬構(gòu)成的金屬陶瓷、貴金屬合金、Ni金 屬和/或Ni合金、W及惰性陶瓷相(諸如氧化侶)、或者將不導(dǎo)致顯著寄生的具有最小離 子電導(dǎo)率的陶瓷相，諸如YSZ(氧化錠穩(wěn)定氧化錯，也稱為氧化錠滲雜氧化錯，氧化錠的滲 雜量為3-8mol%，優(yōu)選地3-5mol%)、ScSZ(氧化筑穩(wěn)定氧化錯，氧化筑的滲雜量為4-10 mol%，優(yōu)選地4-6mol%)、和/或?qū)щ娞沾?諸如具有A或B部位置換或滲雜W實現(xiàn)足夠的 相穩(wěn)定性和/或充分導(dǎo)電性的導(dǎo)電巧鐵礦，例如包括LNF(LaNiJeix〇3,優(yōu)選地X=O. 6)、 LSM(LaixSrxMrA，X=O. 1 至 0. 3)、滲雜氧化姉、滲雜鐵酸鎖（諸如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)、滲雜亞銘酸錠（諸如 YixCaxCr〇3S，x=0. 1-0. 3)和 / 或其它的滲雜亞銘酸銅(諸如LaixCaxCr〇3 5，x=0. 15-0. 3)中 的至少一個，和導(dǎo)電陶瓷(諸如LNF(LaNiJeiA，優(yōu)選地X=O. 6)、LSM(LaixSrxMrA，X=O. 1 至0. 3)、滲雜鐵酸鎖、滲雜亞銘酸錠、LSCM(LaixSrx化1yMriyA)、和其它的滲雜亞銘酸銅中的 至少一種。在一些實施例中，可W想到除了上述材料或者代替上述材料，全部或部分的互連 體16可由Ni金屬金屬陶瓷和/或Ni合金金屬陶瓷構(gòu)成。Ni金屬金屬陶瓷和/或Ni合金 金屬陶瓷可具有一個或多個陶瓷相，例如但不限于是YSZ(氧化錠的滲雜量為3-8mol%，優(yōu) 選地3-5mol%)、氧化侶、ScSZ(氧化筑的滲雜量為4-10mol%，優(yōu)選地4-6mol%)、滲雜氧化 姉和/或Ti〇2的陶瓷相。
[0034] 用于互連體16的材料的一個例子是y(PdxPtiX)-(l-y)YSZ。其中X為0至1 (重量比)，優(yōu)選地X是在0至0. 5的范圍內(nèi)，W實現(xiàn)較低的氨氣流出。y為0. 35至0. 80(體 積比)，優(yōu)選地y是在0. 4至0. 6的范圍內(nèi)。
[0035] 本實施例的陽極導(dǎo)電層22是由儀金屬陶瓷所構(gòu)成的電極導(dǎo)電層，諸如Ni-YSZ(氧 化錠在氧化錯中的滲雜量為3-8mol%)、Ni-ScSZ(氧化筑的滲雜量為4-10mol%，優(yōu)選地第 二滲雜訪了相穩(wěn)定性)為10mol%的氧化筑-Zr〇2)和/或Ni滲雜氧化姉誠如Gd或Sm滲 雜)、滲雜亞銘酸銅(諸如在A部位的化滲雜和在B部位的化滲雜)、滲雜鐵酸鎖(諸如在A 部位上的La滲雜和在B部位上的Mn滲雜）和/或LaixSrxMriyCriy〇3?？商娲兀腥苏J為 可將其它材料用于陽極導(dǎo)電層22,諸如部分或全部地基于貴金屬的金屬陶瓷。金屬陶瓷中 的貴金屬可包括例如？*、？山411、4肖、和/或其合金。陶瓷相可包括例如非活性的非導(dǎo)電相， 包括例如YSZ、ScSZ和/或一個或多個的其它非活性相，例如具有期望的熱膨脹系數(shù)（CTE) W便控制層的CTE從而匹配基底和電解質(zhì)的CTE。在一些實施例中，陶瓷相可包括Al2〇3和 /或尖晶石誠如NiAl2〇4、MgAl2〇4、MgCr2〇4、化化2〇4)。在其它實施例中，陶瓷相可W是導(dǎo)電 的，例如滲雜亞銘酸銅、滲雜鐵酸鎖和/或一種或多種形式的LASrMn化0。
[0036] 陽極導(dǎo)電層材料的一個例子是76. 5% Pd、8. 5% Ni、15%3YSZ。
[0037] 在本實施例中，陽極24可由xNiO- (IOO-X) YSZ(X為55至75,重量比)、 yNi〇-( 100-y)ScSZ(y為 55 至 75,重量比)、Ni〇-氧化禮穩(wěn)定氧化姉(諸如 55wt%Ni〇-45wt〇/〇GDC)和/或NiO氧化衫穩(wěn)定氧化姉所構(gòu)成，盡管在不背離本發(fā)明范圍的前提下可使用其它 材料。例如，可替代地，有人認為陽極層24可由滲雜鐵酸鎖、和LaixSrxMriyCriy〇3誠如La。 .7sSr。.25M1I。. 5化。.5〇3 )制成。
[003引本實施例的電解質(zhì)層26，例如電解質(zhì)亞層26A和/或電解質(zhì)亞層26B，可由陶瓷材 料制成。在一個實施形態(tài)中，可使用質(zhì)子和/或氧離子傳導(dǎo)陶瓷。在一個實施形態(tài)中，電解 質(zhì)層26是由YSZ(諸如3YSZ和/或8YSZ)構(gòu)成。在其它實施例中，除了或者代替YSZ，電 解質(zhì)層26可由ScSZ構(gòu)成，諸如4ScSZ、6ScSZ和/或lOScSZ。在其它實施例中，可使用其 它材料。例如，可替代地有人認為電解質(zhì)層26可由滲雜氧化姉和/或滲雜嫁酸銅制成。在 任何情況下，電解質(zhì)層26對于燃料電池10所使用的流體(例如，作為燃料的合成氣或純氨 氣、W及作為氧化劑的空氣或02)經(jīng)過其中的擴散基本上是不透過的，但允許氧離子或質(zhì)子 的擴散。
[0039]陰極層28可由LSM化日1xS：TxMn〇3，X=O. 1至0. 3)、Lai xS：TxFe〇3(諸如X=O. 3)、 1曰1押腳,尸61/)3誠如1曰。.651'。.4(：0。.2尸6。.8〇3)和/或？1'1班^^[1103誠如？1'。.押。.2]?11〇3)中的 至少一種所構(gòu)成，盡管在不背離本發(fā)明范圍的前提下可使用其它材料在。例如，可替代地有 人認為可使用Ruddlesden-Po卵er儀酸鹽和Lai xCaxMn〇3(諸如La〇.sCa〇.2Mn〇3)材料。
[0040] 陰極導(dǎo)電層30是由電極導(dǎo)電陶瓷所構(gòu)成的導(dǎo)電層，例如LaNixFeiA(諸如 LaNi〇.eFe〇.4〇3)、LaixSrxMrA(諸如La〇.75Sr〇.2sMn〇3)、滲雜亞銘酸銅（諸如LaixCax化〇3S， X=O. 15-0. 3)、和/或Pri班腳〇3誠如Pr〇.sSr〇.2Co〇3)中的至少一種。在其它實施例中，陰 極導(dǎo)電層30可由其它材料構(gòu)成，例如貴金屬金屬陶瓷，盡管在不背離本發(fā)明范圍的前提下 可使用其它材料。貴金屬金屬陶瓷中的貴金屬可包括例如？*、？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] 陰極導(dǎo)電層材料的一個例子是80wt%Pd-20wt%LSM。
[0042] 在圖2的實施例中，示出了本發(fā)明一個實施例的各方面的各種特征、部件和它們 之間的相互關(guān)系。然而，本發(fā)明并不局限于圖2的具體實施例，W及圖2中所示且本文中所 描述的部件、特征和它們之間的相互關(guān)系。
[0043] 在本實施例中，將陽極導(dǎo)電層22直接地印制到基底14上，作為電解質(zhì)亞層26A的 一部分。將陽極層24印制到陽極導(dǎo)電層22上。將電解質(zhì)層26的各部分印制到陽極層24 上，并且將電解質(zhì)層26的各部分印制到陽極導(dǎo)電層22上和基底14上。將陰極層28印制到 電解質(zhì)層26的頂部上。將陰極導(dǎo)電層30的各部分印制到陰極層28上和電解質(zhì)層26上。 在方向32上，電解質(zhì)層26的局部厚度將陰極層28與陽極層24隔開。
[0044] 陽極層24包括在方向36上延伸的陽極間隙34。陰極層28包括也在方向36上 延伸的陰極間隙38。在本實施例中，方向36大致垂直于方向32,盡管本發(fā)明不受如此的限 審IJ。間隙34將陽極層24分隔成多個單獨的陽極40, 一個陽極是用于各電化學電池12。間 隙38將陰極層28分隔成相應(yīng)的多個陰極42。各陽極40和在方向32上與陽極40相互間 隔的相應(yīng)陰極42連同電解質(zhì)層26設(shè)置在陽極和陰極之間的部分構(gòu)成了電化學電池12。
[0045] 類似地，陽極導(dǎo)電層22和陰極導(dǎo)電層30具有各自的間隙44和46,運些間隙將陽 極導(dǎo)電層22和陰極導(dǎo)電層30分隔成多個各自的陽極導(dǎo)電膜48和陰極導(dǎo)電膜50。術(shù)語"陽 極導(dǎo)電層"和"陽極導(dǎo)電膜"可互換地使用，運是因為后者是由一層或多層的前者所組成；術(shù) 語"陰極導(dǎo)電層"和"陰極導(dǎo)電膜"可互換地使用，運是因為后者是由一層或多層的前者所 組成。
[0046] 在本實施例中，陽極導(dǎo)電層22具有大約5-15微米的厚度（即，在方向32上測量 的)，盡管在不背離本發(fā)明范圍的前提下可采用其它值。例如，有人認為在其它實施例中，陽 極導(dǎo)電層可具有在5-50微米范圍內(nèi)的厚度。在其它實施例中，根據(jù)具體的材料和用途，可 采用不同的厚度。
[0047] 類似地，陽極層24具有大約5-20微米的厚度（即，在方向32上測量的)，盡管在不 背離本發(fā)明范圍的前提下可采用其它值。例如，有人認為在其它實施例中，陽極層可具有在 5-40微米范圍內(nèi)的厚度。在其它實施例中，根據(jù)具體的陽極材料和用途