[發明專利]帶有整體密封和支撐物的陶瓷膜，及包括其的電化學電池和電化學電池堆

無效

• 申請號: 200680041331.3
• 申請日: 2006-09-06
• 公開（公告）號: CN101300709A
• 公開（公告）日: 2008-11-05
• 發明（設計）人: 邁克爾·J·戴;J·邁克爾·方克;托德·G·勒蘇斯基;馬修·M·西伯奧
• 申請（專利權）人: 內克斯特克材料公司
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 鄭立;林月俊

相關申請的交叉引用

無

聯邦贊助科研項目聲明

無

縮微膠片附錄

無

技術領域

本發明涉及帶有整體密封和支撐的陶瓷材料薄膜、包括這些膜的 電化學電池和由這些電化學電池形成的電池堆。所公開的膜和得到的 電池和電池堆構架尤其很好地適用于其中需要機械強度、和體積和重 量反應密度的應用中。本發明可用于電化學分離和催化反應中，包括 但不限于固體氧化物燃料電池和氧分離膜。

背景技術

管式固體氧化物燃料電池(SOFC)是對于SOFC提出的許多設計 中討論最廣泛的。在這些結構中，用陰極、電解質和陽極層制備多層 管。由各自已經在文獻中提到并論證過的陽極、陰極和電解質支撐管。 西屋和西門子-西屋能源集團(Westinghouse?and?Siemens-Westinghouse Power?Corporation)已經論證說明了在圓形和平板管式構造中的電解質 和陰極支撐型的管。多個制造商也已經說明過陽極支撐型的管。

在管式SOFC中，取決于所述管是陽極或陰極支撐型方式，燃料 或空氣向下流入管的中央，同時補充氣體混合物在管外側流動。這種 管可具有開放或封閉端，并且通常在SOFC的反應區域外側密封。傳 統的管式電池通常存在低體積或重量功率密度的問題，因為大的管不 能很好地壓縮并且表面積與體積之比低。

其中用陰極和陽極組分以漿料法涂覆電解質的小直徑(即，＜5mm) 管的微管式SOFC克服了傳統管的一些缺點。小直徑微管的密封比傳 統管的密封更簡單。微管式電池還克服了傳統管式電池的表面積與體 積比較低的問題。然而，微管式電池要求復雜的歧管裝置和電互連方 案，這使得升級至大功率電池堆變得困難。

對可由電極或電解質支撐的平板式SOFC也已經進行了廣泛說明。 電極支撐的電池具有作為電池的機械負荷承受部件的致密電極元件和 薄的電解質層。這種設計降低了電池中電解質的歐姆電阻，并允許在 中溫下(如，T＜800℃)工作。電極支撐的SOFC通常是通過共燒所述 載體電極材料和電解質材料的薄涂層而制得的。盡管已經說明了其它 制備方法，所述電極載體通常是流延成型的、壓延、或注漿法制得的。 可以多種方式沉積薄電解質，包括但不限于電解質帶的層壓、絲網印 刷、壓延和噴射沉積。優選電極支撐的電池包括在燒結后厚度小于20 微米的電解質，并很好地附著到所述電極載體上。

電極支撐的平板式SOFC包括陰極和陽極支撐型的電池。陰極支 撐型的電池可以是輕質的，并且成本低于陽極支撐型的電池。然而， 陰極支撐型的電池難以加工，因為共燒大多數與電解質接觸的陰極材 料會產生絕緣的中間化合物。對于低溫工作，可能陽極支撐的電解質 是最廣泛評價的電池形態。陽極支撐型電池的加工相對容易，因為可 利用高于1300℃的燒結溫度以得到致密的電解質，而無陽極材料和負 載的電解質之間相互作用的擔心。

平板式陽極支撐的電池對于大量市場、成本驅動型應用是特別有 吸引力的，因為它們的高面積功率密度和它們有利的充填效率。已經 證明在低燃料利用的小型電池中，在700℃下陽極支撐型電池的性能為 大于1W/cm²。以適當的密封和互連技術，據報道陽極支撐型電池堆的 功率密度大于0.4W/cm²。然而，陽極支撐型電池并非沒有缺點。當將 傳統的氧化鎳/釔穩定的氧化鋯(NiO/YSZ)復合物用作支撐材料時，NiO 還原為鎳金屬，在電解質層內產生應力，在這種還原過程中這可能引 起相當大的變形。在高功率密度下和高燃料利用下平板式陽極支撐的 電池的工作也是困難的；厚的多孔層阻礙了蒸汽迅速擴散離開電解質， 并導致高電流密度下電池特定面積電阻(ASR)增大。

電解質支撐的平板式電池具有賦予電池機械強度的電解質層。所 述電解質層可通過流延成型或其它方法制得。通常，將電極通過絲網 印刷或噴涂沉積在電解質層上，并在第二步驟中燒結。為獲得強的電 極附著力，必須調整并在生產中控制墨的顆粒尺寸、組成和表面積適 于目標燒結溫度。取決于陰極和陽極要求的溫度，可在兩個獨立步驟 中或同時燒結電極。在許多情況下，首先燒結陽極墨，因為它更難熔 并更難以燒結，并應用陰極墨并在第二步驟中在較低溫度下燒結以最 小化電解質和陰極之間的化學相互作用。