[發明專利]從電化學裝置移除雜質相

無效

• 申請號: 200880104905.6
• 申請日: 2008-08-29
• 公開（公告）號: CN101796676A
• 公開（公告）日: 2010-08-04
• 發明（設計）人: 彼得·霍爾沃·拉爾森;莫根斯·莫根森;彼得·旺·亨德里克森;索倫·林德羅特;陳明
• 申請（專利權）人: 丹麥科技大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M8/12
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 郭國清;樊衛民

技術領域

本發明涉及從固相電化學裝置中晶粒邊界和反應性電極位點(三 相邊界)移動和移除雜質的新方法，還涉及了這樣的裝置。本發明特 別適合用于固體氧化物電池(SOC)、電化學煙氣純化電池和用于氧或 氫分離的膜。

具體來說，本發明涉及先進的吸收劑系統，它在成分燒結過程中， 吸收并結合原材料中存在的不想要的雜質。此外，本發明涉及了活化 和移動上面提到的雜質相，以便增加雜質相從晶粒邊界和反應性電極 位點向吸收劑區域擴散的方法。

背景技術

固體氧化物電池(SOC)作為電化學裝置的例子，通常包括設計 用于不同應用的電池，例如固體氧化物燃料電池(SOFC)，固體氧化 物電解電池(SOEC)或膜。由于它們共同的基本結構，可以設計同樣 的電池以用于SOFC應用和SOEC應用。因為在SOFCs中燃料被填入 電池并轉化成電能，而在SOECs中，施加電能來產生燃料，因此這些 電池被稱為是“可逆的”。

固體氧化物燃料電池(SOFCs)在本技術領域是眾所周知的，已 進入各種不同的設計中。典型的構造包括夾心在兩個電極之間的電解 質層。在操作過程中，通常在大約500℃到大約1100℃的溫度下，一 個電極與氧或空氣接觸，同時另一個電極與燃料氣體相接觸。此外， 在電池的生產過程中，通常使用支撐層來容納其電極層，由此所述支 撐體為電池提供了附加的機械穩定性，并且也可以起到例如集電器的 作用。

陽極支撐電池以及SOFC模式下的通用操作原理顯示在圖1中。 在通常由錳酸鑭/鍶(LSM)和氧化釔穩定化的氧化鋯(YSZ)構成的 陰極處，從提供的氧氣形成了氧離子，它通過電解質層遷移，在由YSZ 和Ni構成的陽極處與所提供的氫氣組合，以形成水和電子。電子收集 在陽極集電器中，它在圖1中示例為用于機械穩定性的支撐體與集電 器的組合，形成了較厚的層。

在高級電催化系統中，正如在SOC中發現的，表面化學在運行過 程中發揮了顯著作用，相應表面上存在的雜質/添加物對于裝置的性能 和耐久性具有重要影響。

到目前為止，這樣的電催化系統的制造工藝，通常包括使用“純 的”起始材料，以避免摻入任何不想要的損害裝置后期性能的雜質。 “純的”起始材料通常是可商購的材料，純度高達大約99.9％。但是， 盡管所述起始材料被認為具有高的純度，但出于用于SOC的起始材料 的目的，即使在所述的起始材料純度水平下，它們仍然含有相當量的 損害裝置后期性能的雜質，特別是當雜質存在于晶粒邊界和反應性電 極位點時。

從積極的一面來說，在氧化物起始材料中所述雜質、例如SiO₂、 Al₂O₃、堿金屬和堿土金屬氧化物等的存在，通過提供液體相有利地幫 助了燒結過程。在最終獲得的裝置中，所述雜質通常以超薄玻璃薄膜 的形式在系統的表面上、晶粒邊界中或成分的界面處發現。在制造過 程中故意添加的各種不同燒結助劑也將影響玻璃相的性質。玻璃相可 以是無定形的、晶體的或其組合。

但是，存在這樣的雜質相，由于位于晶粒邊界(GB)中而可能導 致導電性降低，由于阻斷了三相邊界(TPB)而導致催化活性降低，并 且由于在運行過程中界面削弱、熱應力和可能的相變而導致裝置分層。

此外，在固體氧化物電池的制造過程中，可能有目的地添加各種 不同的添加劑而成為這種雜質的附加來源，例如以燒結添加劑的形式。 盡管這些燒結添加劑在制造過程中增進了層的形成，但已發現這些添 加劑的存在可能仍將不利地導致電池性能的劣化。

因此，盡管各種不同的添加劑可以有利地改進電池的制造工藝， 但同時它們可能不利地代表了雜質的另一種來源，在運行過程中這些 雜質可以擴散到晶粒邊界和反應性電極位點，損害電池的總體性能。

US2003/0052392A1涉及含有基底的裝置，基底包含了離散的沉 積物形式的污染物移除材料，它們被構造成至少部分暴露于裝置的大 氣環境下。污染物移除材料優選選自Zr、Ti、Nb、Ta、V和這些金屬 的合金，還可以進一步含有Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Al、Y、La和稀土 金屬。

US?6,544,665公開了熱障涂層，其含有少量氧化鋁沉淀物，分散 在整個晶粒邊界、和氧化物吸收劑雜質涂層的孔中，可以允許或促進 晶粒燒結和粗化以及孔的粗化。