[發(fā)明專利]用于在低pO2氣氛中可獲得的陶瓷裝置的燒結(jié)添加劑

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201280014872.2
• 申請日: 2012-03-09
• 公開（公告）號: CN103460479A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: S.拉莫斯塞;T.克勒門索;H.P.拉森
• 申請（專利權(quán)）人: 丹麥技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: H01M8/12
• 分類號: H01M8/12;H01M4/88;C04B35/462;C04B35/486;C04B35/50;C04B35/44;C04B35/64;B01D53/22;B01D69/12;B01D71/02;B01D67/00;C23C28/00;C01B13/02
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 趙勝寶;李進(jìn)

本發(fā)明涉及在低pO₂氣氛中，使用特殊的燒結(jié)助劑，生產(chǎn)陶瓷裝置的方法。所獲得的陶瓷裝置適合作為例如電化學(xué)裝置，例如，固體氧化物電池(SOC)應(yīng)用，包括固體氧化物燃料電池(SOFCs)和固體氧化物電解電池(SOECs)；陶瓷膜應(yīng)用和廢氣凈化裝置。

現(xiàn)有技術(shù)

陶瓷裝置包括電化學(xué)裝置，其將化學(xué)結(jié)合能直接轉(zhuǎn)換為電能(電流)。陶瓷電化學(xué)裝置的更具體的實(shí)例為固體氧化物電池，所述電池根據(jù)所需的應(yīng)用，可以是固體氧化物燃料電池或固體氧化物電解電池。由于電池的共同的基本結(jié)構(gòu)，相同的電池可以用于SOFC應(yīng)用以及SOEC應(yīng)用。由于在SOFCs中燃料被裝進(jìn)電池并轉(zhuǎn)化為電力，而在SOECs中電力被應(yīng)用于產(chǎn)生燃料，這些電池往往被稱為?‘可逆性’?SOCs。

固體氧化物電池可具有各種各樣的設(shè)計，包括平板的和管狀的電池。典型的配置包括夾在兩個電極層之間的電解質(zhì)層。在電池工作期間，通常在約500℃-約1100℃的溫度下，一個電極與氧氣或空氣接觸，而另一個電極與燃料氣體接觸。

單一電池的電壓為大約1伏，這取決于使用的燃料和氧化劑。為從SOCs獲得較高的電壓和電力，因此有必要將許多電池疊加在一起。最常見的制造SOC平板堆疊物(stacks)的方法包括單一電池的制造。所述電池與連接器(interconects)、集電器、接觸層和密封層(seals)依序疊加在一起。組裝后，堆疊物在垂直載荷下經(jīng)熱處理被粘結(jié)/密封，以確保各組件之間的密封以及電接觸。

其它的陶瓷電化學(xué)裝置包括分離膜(separation?membranes)和廢氣凈化裝置，其也為具有夾在兩個電極層之間的中央層的多層結(jié)構(gòu)。至于SOC結(jié)構(gòu)，這些層通常也由各種無機(jī)或有機(jī)材料，包括陶瓷、金屬和聚合物制得。例如，陶瓷分離膜結(jié)構(gòu)可以是置于兩個電極之間的氧離子導(dǎo)電層，或混合的離子和電子導(dǎo)電層，其在高溫下，例如約500℃或更高的溫度下引起氧離子的選擇性滲透。所述過程可或者通過施加電流至電極，或通過膜層內(nèi)部的混合的離子和電子導(dǎo)電而促進(jìn)。因此，包含至少一層夾在兩層(包含催化劑材料，即電極層)之間的所述陶瓷材料的膜，適合于從含有氧氣的氣體混合物分離氧。

現(xiàn)有技術(shù)提出的對上述結(jié)構(gòu)的最普通的制造工藝包括支持物的供應(yīng)，在支持物上形成包含催化劑材料的層，即電極層，或其前體層(precursor?layer)，接著是電解質(zhì)層或膜層的應(yīng)用。干燥這樣形成的多層結(jié)構(gòu)，然后用最高1600℃的燒結(jié)溫度燒結(jié)。最后，在其上形成包含催化劑材料的第二層，或其前體層，即第二電極層，以便獲得完整的電池或膜結(jié)構(gòu)。第二電極層也可形成并與前三層燒結(jié)在一起。或者，所述層之一可用作具有約300?μm或更厚的厚度的支持層，從而使得制備單獨(dú)的支持層顯得過時了。

裝置的燒結(jié)溫度對于微調(diào)各層的特性是關(guān)鍵的，并需要較低的燒結(jié)溫度，以致可以使用廉價的材料和低廉的制造成本，以便允許陶瓷電化學(xué)裝置的大規(guī)模生產(chǎn)。由于仍需要高的燒結(jié)溫度，材料的選擇無論如何受限于這些材料，它們能承受住這樣的高溫而不分解或不必要的副反應(yīng)，例如氧化或鈍化過程。此外，因?yàn)榻饘僮鳛榱畠r材料已被提出，陶瓷電化學(xué)裝置的燒結(jié)步驟必須在低pO₂氣氛中進(jìn)行，以避免金屬的氧化。然而，迄今為止，現(xiàn)有技術(shù)提出的工藝過程仍需要太高的燒結(jié)溫度，以致使得能夠采用的材料的足夠廣泛的選擇不太可能，尤其是在降低的或低pO₂氣氛下。所述溫度也增加裝置的總制造成本，因此迄今為止仍不允許裝置的大規(guī)模生產(chǎn)。

US-A-6,902,790公開獲得適合于平板固體氧化物燃料電池的陶瓷薄片的方法，該方法包括形成優(yōu)選氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)的印刷電路基板的步驟，其還包括增加分散于其中的氧化物，接著進(jìn)行干燥步驟和在空氣中于最高1550℃的溫度下燒結(jié)。作為加強(qiáng)的氧化物(reinforcing?oxides)，優(yōu)選使用Ti、Nb、Al、Ga、In、Ge和Sn的氧化物。

US-A-5,807,642涉及用作SOFC堆疊物中的集合(manifolds)的陶瓷體。陶瓷體由酞酸鋇和酞酸鍶組成，其含有用作熱膨脹系數(shù)(TEC)的調(diào)節(jié)劑或作為燒結(jié)/加工助劑的添加劑。所述添加劑可以是氧化物、硼化物、碳化物、氮化物和氟化物。陶瓷體被形成為印刷電路基板，其在空氣中于約1500℃的溫度下燒結(jié)。

WO?2006/074932公開生產(chǎn)多層結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括以下步驟：

-?提供包含F(xiàn)e-Cr合金粉末和至少一種Fe、?Cr、Ni、Co、Zn、Cu的氧化物的組合物；

-?形成所述組合物的第一層；