專利名稱：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及中溫固體氧化物燃料電池(IT-SOFCs)，此燃料電池典型地用在電池堆中以產(chǎn)生從1至100kW的輸出功率并發(fā)現(xiàn)用作如在偏遠(yuǎn)地區(qū)的區(qū)域性發(fā)電器，例如用于居民的聯(lián)合熱電(CHP)裝置，在車輛中，既可以作為主要功率裝置(PPU)，輔助功率裝置(APU)，也可以用于驅(qū)動其它設(shè)備，例如空氣調(diào)節(jié)設(shè)備。
對于那些不同于和與氣體渦輪機一體的固體氧化物燃料電池，在不影響電極動力學(xué)和電解質(zhì)電阻的條件下，燃料電池應(yīng)當(dāng)在盡可能低的溫度下工作。
利用已知的陶瓷電解質(zhì)制造中的制造流程，下述條件是通常被接受的能夠可靠制造的最小膜厚度為約10μm。這種最小電解質(zhì)厚度確定最小操作溫度，對于對氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯(SSZ)電解質(zhì)來說典型約為650攝氏度，對于對氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)電解質(zhì)來說約為700攝氏度，對于摻雜的二氧化鈰電解質(zhì)例如氧化釓摻雜的二氧化鈰(CGO)來說約為500攝氏度。此外，采用這種薄電解質(zhì)膜需要基板以便提供具有所需強度的燃料電池。
對于以氧化鋯為基礎(chǔ)的電解質(zhì)來說，例如YSZ，通常采用典型具有在從250至500μm的范圍內(nèi)的厚度的多孔NiO-YSZ陽極基板。已經(jīng)采用許多技術(shù)以便將電解質(zhì)膜淀積在基板上。這些技術(shù)包括絲網(wǎng)印刷、流延成型、真空粉漿澆鑄、電泳淀積、軋光、噴霧熱解、濺射和等離子噴涂。在這種燃料電池中，電解質(zhì)膜和基板通常在高溫下典型約1400攝氏度共燒結(jié)，以確保電解質(zhì)膜致密并且不能滲透氣態(tài)分子。
同時，已經(jīng)成功地制造出NiO-YSZ/YSZ結(jié)構(gòu)，NiO-YSZ基板的采用出現(xiàn)了許多問題。這些問題包括較差的熱膨脹相容性。和對于YSZ為10.6×10-6K-1的熱膨脹系數(shù)相比，NiO-YSZ的熱膨脹系數(shù)在12-13×10-6K-1的范圍內(nèi)?，F(xiàn)在正在研制具有改善的熱膨脹匹配的NiO-Al2O3和NiO-TiO2基板，但是這些基板仍需要在基板和電解膜之間的NiO-YSZ的薄活性界面層，以促進(jìn)燃料的電化學(xué)氧化。與NiO-YSZ基板的采用有關(guān)的另一問題在于，當(dāng)與氣體燃料接觸時，與NiO組分向Ni的還原有關(guān)的體積改變。這種體積改變削弱了基板，需要使最初引入的燃料非常緩慢地進(jìn)入電池堆中以適應(yīng)體積改變。此外，隨著NiO-YSZ基板的采用，必須確保陽極腔室保持充分地還原性，從而確保Ni特別是在任何冷卻循環(huán)期間不會氧化回NiO。
部分由于上述陶瓷NiO-YSZ基板的上述缺點，有人提出采用多孔金屬基板，例如在GB-A-1049428中公開的那樣。金屬基板的主要優(yōu)點在于優(yōu)異的機械性能和改善的導(dǎo)電導(dǎo)熱性。但是，金屬基板的采用所限制的最高制造溫度約為1000攝氏度，此溫度低于將支撐的氧化鋯基電解質(zhì)燒結(jié)成致密的不可透過膜所需的溫度。并且還需要密封多孔基板的外圍以防止氣態(tài)氧化劑和燃料混合。目前，為此采用脆性玻璃、玻璃陶瓷或復(fù)合金屬/陶瓷密封件，在工作過程中所經(jīng)受的熱循環(huán)期間這種密封件經(jīng)常破裂。
因此，為了克服利用金屬基板對制造溫度的限制，GB-A-1049428公開了采用等離子噴涂制備以氧化鋯為基礎(chǔ)的電解質(zhì)的致密膜。同時等離子噴涂可用于淀積電解質(zhì)膜，這種淀積技術(shù)相對昂貴，特別是浪費昂貴的陶瓷粉末。另一種物理氣相淀積(PVD)技術(shù)也用于淀積薄電解質(zhì)膜，但是這些技術(shù)也很昂貴，并且不利于常規(guī)的陶瓷加工工序?；瘜W(xué)汽相淀積(CVD)技術(shù)也已經(jīng)用于淀積薄電解質(zhì)膜，但這些技術(shù)更昂貴并且同樣不利于常規(guī)的陶瓷加工工序。
有人提出替代性的燃料電池設(shè)計，例如在US-A-5368667、US-A-5549983和US-A-5589017中公開的環(huán)形燃料電池設(shè)計。在此環(huán)形設(shè)計中，通過在燃料電池堆中心的管道引入氣態(tài)氧化劑和燃料，將氣態(tài)氧化劑和燃料的分布和流量設(shè)置成例如確保在達(dá)到燃料電池堆的外圍之前燃料基本上完全轉(zhuǎn)化。利用這種設(shè)計，當(dāng)過剩的氧化劑和燃料在電池堆的外圍燃燒時，在中心管道僅需要脆性玻璃或玻璃陶瓷密封件。雖然這種燃料電池設(shè)計象征著改進(jìn)，但是在中心管道所需要的脆性玻璃、玻璃-陶瓷或復(fù)合金屬/陶瓷密封件在工作過程中經(jīng)受快速熱循環(huán)期間仍易于破裂。此外，由于制造的限制，這種循環(huán)設(shè)計SOFC的最大直徑典型限于約15厘米。因此，限制了在單個電池堆中可產(chǎn)生的電功率。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種固體氧化物燃料電池及其制造方法，該方法采用金屬基板，能夠通過燒結(jié)制造陶瓷電解質(zhì)膜，并避免采用易碎密封件。
據(jù)此，本發(fā)明提供一種固體氧化物燃料電池，包括包括多孔區(qū)域和包圍多孔區(qū)域的非多孔區(qū)域的鐵素體不銹鋼基板；位于基板的多孔區(qū)域的一個表面以下、密封地連接到圍繞基板多孔區(qū)域的其非多孔區(qū)域的鐵素體不銹鋼雙極板；位于基板的多孔區(qū)域的另一表面上的第一電極層；位于第一電極層上的電解質(zhì)層；以及位于電解質(zhì)層上的第二電極層。
優(yōu)選地，鐵素體不銹鋼是不含鋁的鐵素體不銹鋼。
優(yōu)選地，鐵素體不銹鋼是鈦/鈮穩(wěn)定的鐵素體不銹鋼。
更優(yōu)選地，鐵素體不銹鋼含有約17.5-18.5wt％Cr(歐洲標(biāo)號1.4509)。
優(yōu)選地，基板厚度約為50-250μm。
更優(yōu)選地，基板厚度約為50-150μm。
最優(yōu)選地，基板厚度約為100μm。
優(yōu)選地，基板的多孔區(qū)域包括流動地連通基板的所述一個和另一表面的多個通孔。
更優(yōu)選地，這些孔均勻地間隔。
優(yōu)選地，這些孔具有從約5-250μm的橫向尺寸。
更優(yōu)選地，這些孔具有從約20-50μm的橫向尺寸。
仍更優(yōu)選地，這些孔具有從約30μm的橫向尺寸。
優(yōu)選地，這些孔占有基板的多孔區(qū)域的約30-65面積％。
更優(yōu)選地，這些孔占有基板的多孔區(qū)域的約50-55面積％。
優(yōu)選地，基板包括導(dǎo)電氧化物活性涂層。
在一個實施例中，活性涂層是鈣鈦礦氧化物混合導(dǎo)體。
優(yōu)選地，鈣鈦礦氧化物混合導(dǎo)體包括La1-xSrxCoyFe1-yO3-δ，此處0.5≥x≥0.2，0.3≥y≥0。
更優(yōu)選地，鈣鈦礦氧化物混合導(dǎo)體包括La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ、La0.5Sr0.5CoO3-δ、Gd0.5C0O3-δ和Sm0.5Sr0.5CoO3-δ中的一種。
在另一實施例中，活性涂層包括摻雜LaMnO3。
在一個實施例中，基板包括第一電極層至少部分地位于其中的凹槽。
優(yōu)選地，基板包括箔。
優(yōu)選地，基板是光-化學(xué)加工的和/或激光加工的基板。
在另一實施例中，基板由連接到非多孔區(qū)域的多孔燒結(jié)金屬粉末區(qū)域構(gòu)成。這種燒結(jié)金屬粉末基板的厚度典型在250至1000μm的范圍內(nèi)。
優(yōu)選地，第一和第二電極層之一或兩者都具有從約10至25μm的厚度。
更優(yōu)選地，第一和第二電極層之一或兩者都具有從約10至15μm的厚度。
優(yōu)選地，第一和第二電極層之一或兩者都是燒結(jié)材料。
在優(yōu)選實施例中，第一和第二電極層之一包括鈣鈦礦氧化物混合導(dǎo)體和摻雜有稀土的二氧化鈰的燒結(jié)粉末狀混合物。
優(yōu)選地，粉末狀混合物包括約60vol％的鈣鈦礦氧化物混合導(dǎo)體和約40vol％的摻雜有稀土的二氧化鈰。
優(yōu)選地，鈣鈦礦氧化物混合導(dǎo)體包括La1-xSrxCoyFe1-yO3-δ，此處0.5≥x≥0.2，1≥y≥0.2。
更優(yōu)選地，鈣鈦礦氧化物混合導(dǎo)體包括La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ、La0.5Sr0.5CoO3-δ、Gd0.5CoO3-δ和Sm0.5Sr0.5CoO3-δ中的一種。
優(yōu)選地，摻雜有稀土的二氧化鈰包括Ce1-xRExO2-x/2，此處RE是稀土，0.3≥x≥0.05。
更優(yōu)選地，摻雜有稀土的二氧化鈰包括Ce0.9Gd0.1O1.95。
在一個實施例中，第一和第二電極層之一是設(shè)置為陰極層的第一電極層。
在優(yōu)選實施例中，第一和第二電極層的另一個包括NiO和摻雜有稀土的二氧化鈰的燒結(jié)粉末狀混合物。
優(yōu)選地，粉末狀混合物包括約50vol％的NiO和約50vol％的摻雜有稀土的二氧化鈰或未摻雜的二氧化鈰。
優(yōu)選地，摻雜有稀土的二氧化鈰包括Ce1-xRExO2-x/2，此處RE是稀土，0.3≥x≥0.05。
更優(yōu)選地，摻雜有稀土的二氧化鈰包括Ce0.9Gd0.1O1.95。
在一個特別優(yōu)選的實施例中，第一和第二電極層的所述另一個是設(shè)置為陽極層的第二電極層。
優(yōu)選地，電解質(zhì)層具有約5-30μm的厚度。
在一個實施例中，電解質(zhì)層包括稀土摻雜的二氧化鈰和氧化鈷的燒結(jié)粉末狀混合物。
優(yōu)選地，燒結(jié)粉末狀混合物包括約98摩爾％的摻雜有稀土的二氧化鈰和約2摩爾％的氧化鈷。
優(yōu)選地，摻雜有稀土的二氧化鈰包括Ce1-xRExO2-x/2，此處RE是稀土，0.3≥x≥0.05。
更優(yōu)選地，摻雜有稀土的二氧化鈰包括Ce0.9Gd0.1O1.95。
在另一個實施例中，電解質(zhì)層包括摻雜二氧化鈰的燒結(jié)層。
本發(fā)明還提供一種包括多個上述燃料電池的燃料電池堆。
在優(yōu)選實施例中提高了燃料電池的功率輸出和可比例調(diào)節(jié)性，其中各包括第一電極層、電解質(zhì)層和第二電極層的元件的陣列設(shè)置在所述基板之上。
在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明采用包括由光-化學(xué)加工制成的多孔區(qū)的金屬箔基板和允許在500攝氏度或以下工作的電池組分，從而避免了采用脆性的密封件。這種相對低的工作溫度允許采用可商用的合適襯墊來密封結(jié)合在雙極板中的內(nèi)部管路結(jié)構(gòu)。
以下參考附圖僅以舉例地方式描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中


圖1描述根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的燃料電池的橫截面圖；圖2以放大比例描述圖1的部分燃料電池的橫截面；圖3描述具有位于其上的外圍密封件的圖1的燃料電池的平面圖；圖4描述了對于在500攝氏度工作的單個電池的設(shè)計I-V性能曲線；以及圖5描述了具有均支撐電池陣列的各基板的電池堆(stack)。
燃料電池1包括鐵素體不銹鋼基板3，在此實施例中箔具有100μm的厚度。在另一實施例中基板由連接到非多孔區(qū)域的多孔燒結(jié)金屬粉末區(qū)域構(gòu)成。這種燒結(jié)金屬粉末基板的厚度典型在250-1000μm的范圍內(nèi)。在此實施例中，箔基板3包括活性涂層，此活性涂層提供防止工作環(huán)境損害的保護，并且例如提供了足夠的導(dǎo)電性從而提供良好的電流路徑并允許良好的界面接觸。優(yōu)選涂層包括摻雜的LaMnO3(LMO)、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)、La0.5Sr0.5CoO3-δ、Gd0.5CoO3-δ和Sm0.5Sr0.5CoO3-δ。一種合適的鐵素體不銹鋼是含有17.5-18.5wt％的Cr的鈦/鈮穩(wěn)定不銹鋼(歐洲標(biāo)號1.4509)。箔基板3包括在它的一個表面3a中的凹部5，在此實施例中呈方形；多孔區(qū)域7，此區(qū)域7鄰接凹部5并包括流動地互連凹部5和箔基板3的另一表面3b的多個孔9；以及包圍多孔區(qū)域7的非多孔區(qū)域8。在此實施例中，在箔基板3中的凹部5和孔9通過光-化學(xué)加工(PCM)和/或激光加工形成，該加工技術(shù)允許對多孔區(qū)域7的形狀和面積、孔的形狀尺寸和孔隙率所占比例的有效控制，這是由于這些參數(shù)可以在最初的光刻圖形中詳細(xì)規(guī)定。光-化學(xué)加工和/或激光加工還為隨后的淀積工藝提供了非常平的表面。此外，光-化學(xué)加工和/或激光加工還非常適合于批量生產(chǎn)。
燃料電池1還包括多孔電極層11，在此實施例中是具有10-15μm的厚度的陰極層，此多孔電極層11通過任何常規(guī)的陶瓷加工技術(shù)淀積在箔基板3的凹部5中，尤其通過絲網(wǎng)印刷或流延成型(tape casting)。在此實施例中，陰極層11由包含60vol％的LSCF粉末和40vol％的Ce0.9Gd0.1O1.95(CGO)粉末的混合物的陰極組分制成，當(dāng)燒結(jié)時，上述組分提供具有三維貫通的滲流網(wǎng)絡(luò)的多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)(參見V.Dusastre和J.A.Kilner，Solid State Ionics，126，1999，163)。此陰極組分的粉末平均粒徑在0.1-10μm的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.1-1μm的范圍內(nèi)。其它電極材料包括La0.5Sr0.5CoO3-δ、Gd0.5CoO3-δ和Sm0.5Sr0.5CoO3-δ。
燃料電池1還包括電解質(zhì)膜13，在此實施例中具有10-20μm的厚度，此電解質(zhì)膜同樣利用常規(guī)的陶瓷加工技術(shù)淀積在陰極層11上以便在其外圍延伸。在一個實施例中，電解質(zhì)膜13由含有98摩爾％的CGO和2摩爾％的氧化鈷的組分制得。然后，在中性氣氛中以大約950攝氏度的燒結(jié)溫度對已淀積的陰極層11和電解質(zhì)膜13的材料進(jìn)行燒結(jié)，從而防止箔基板3的過度氧化。正如在EP-A-1000913中公開的那樣，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種燒結(jié)溫度對于將CGO/氧化鈷組分燒結(jié)成致密的可滲透電解質(zhì)膜13是足夠的。通過采用CGO作為用于電解質(zhì)膜13的材料，利用具有12.5×10-6K-1的熱膨脹系數(shù)的CGO和鐵素體不銹鋼，電解質(zhì)膜13和箔基板3的熱膨脹系數(shù)得以很好地匹配，使燃料電池能經(jīng)受迅速溫度循環(huán)，這對可能會遇到這種工作條件的小燃料電池堆非常有利，例如結(jié)合在車輛的APU中的。如果淀積的電解質(zhì)密度足夠高(＞約60％理論密度)，那么還可以在沒有氧化鈷添加的條件下采用合適的CGO電解質(zhì)粉末。并且顯然，燃料電池1可以在500攝氏度或更低的溫度工作。
燃料電池1還包括另一多孔電極層17，在此實施例中是具有10-25μm的厚度的陽極層，此多孔電極層17再一次利用常規(guī)的陶瓷加工技術(shù)淀積在電解質(zhì)膜13之上。在此實施例中，陽極層17由包含50vol％的NiO和50vol％的CGO的組分制得。然后，在大約900攝氏度的溫度下對淀積好的陽極層17的材料進(jìn)行燒結(jié)，從而提供具有三維貫穿的滲流網(wǎng)絡(luò)的多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)。用于電極的其它材料，例如上述鈣鈦礦也是可以的。
燃料電池1還包括鐵素體不銹鋼雙極板19，它具有與箔基板3相同的組分，此雙極板19連接到基板3的另一表面3b的非多孔外圍區(qū)域8。在將箔基板3的外圍連接到雙極板19時，提供密封件，此密封件用于防止氧化劑直接與燃料相接觸。在此實施例中，雙極板19是用于具有內(nèi)部管路的簡單橫流結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選實施例中，雙極板19由厚板加工而成或由金屬板壓制而成。由薄一些的金屬板壓制的優(yōu)點在于減少重量和熱質(zhì)(thermal mass)。在優(yōu)選實施例中，箔基板3的外圍區(qū)域8焊接(例如激光)或釬焊到雙極板19的一個表面，在此實施例中是上表面19a，從而提供優(yōu)異的電接觸。在電池堆中，鄰近的雙極板19的另一下表面19b壓向多孔陽極層17以建立電接觸。在一個優(yōu)選實施例中，在各陽極層17和鄰近的雙極板19的下表面19b之間設(shè)置優(yōu)選為Ni的薄界面金屬層，例如箔、網(wǎng)板或氈，從而確保良好的電接觸和有效的電流分布。在此實施例中，燃料電池堆的雙極板19由在其外圍延伸的彈簧加壓棒(spring-loaded rods)接合在一起。通過設(shè)置彈簧加壓棒，可將燃料電池堆的雙極板19保持在預(yù)定壓力下。在此實施例中，燃料電池堆包括設(shè)置在各雙極板19之間和其外圍的高溫襯墊21，用以防止在內(nèi)部氣體管路中提供的空氣和燃料的直接混合。
可以理解，在500攝氏度下工作可以采用商用的合適襯墊材料，因而和需要脆性玻璃和玻璃陶瓷密封件的在高溫下工作的燃料電池堆相比，這樣可以大幅度地簡化燃料電池堆的設(shè)計、組裝和操作。一種這樣的襯墊材料是UnilonTM，可得自James Walker，Woking，Surrey。在500攝氏度工作的另一個優(yōu)點在于，觀察發(fā)現(xiàn)尤其是不銹鋼的腐蝕等損壞明顯減少了，使得燃料電池堆可以工作非常長的時間，典型超過40000小時。因為金屬箔基板可以通過釬焊或焊接很容易地連接到金屬雙極板，所以利用常規(guī)的低成本金屬連接技術(shù)將單個電池的陣列(例如4×4)制成在更大的單個雙極板上就變得相對直接容易。這為增加在單個堆中產(chǎn)生的功率按比例放大提供了捷徑，另一個主要優(yōu)點與SOFC電池用金屬基板的采用有關(guān)。在電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化之后，計劃將金屬支撐的單電池的性能與近來報道的陽極支撐單電池(C.Xia等人，Electrochemical and Solid-State Letters，4，A52，2001)的性能相匹配。
圖4還描述了在500攝氏度下對于單電池工作的設(shè)計I-V性能曲線。很明顯，在此溫度下可獲得高達(dá)0.4Wcm-2的比功率密度。然而SOFC能夠在一定溫度范圍(例如400-600攝氏度)內(nèi)工作，產(chǎn)生0.1-0.5Wcm-2的功率密度。此性能取決于所用的燃料、燃料利用以及對于特殊應(yīng)用的工作設(shè)計特點。
圖5示意性地說明了燃料電池堆20，其中各基板層22載有由在多孔金屬箔區(qū)域上的第一電極、電解質(zhì)和第二電極形成的電池24的陣列。具有多個多孔區(qū)域的一個金屬箔可以固定到基板22例如，通過在邊緣處焊接在中心區(qū)域進(jìn)行點焊。
這種陣列設(shè)置使得陶瓷電池在面積上更小，這樣減少了由于收縮和破裂引起的問題，同時增加了可由在堆中的各層產(chǎn)生的總功率。這種設(shè)置方式有助于設(shè)計的比例縮放，從而獲得更高的功率輸出。
最后應(yīng)理解，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中對本發(fā)明進(jìn)行了描述，在不脫離由附加權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍的條件下本發(fā)明可以以許多不同方式進(jìn)行修改。
在一種修改中，電極層11和17由雙組分或梯度組分形成以提高電極性能。
在另一種修改中，陰極和陽極層11和17可顛倒，這樣陽極層17位于箔基板3上，陰極層11位于電解質(zhì)層13上。這在某些情況下更方便制造并作為優(yōu)選。當(dāng)陽極組分暴露于由氣態(tài)燃料施加的還原環(huán)境下時，該陽極組分配制成化學(xué)穩(wěn)定的。在金屬箔基板上的致密電解質(zhì)膜的制造過程中，在燒結(jié)爐中通常采用中性氣氛，因此陽極組分通常比陰極組分更適合于這種環(huán)境。選擇的陰極組分在升高的溫度下暴露于中性燒結(jié)氣氛時可不可逆地退化。
在另一種修改中，燃料電池1可以是除了方形之外的其它形狀，例如圓形。
并且，在再一種修改中，本發(fā)明應(yīng)用于包括中心管路的圓形燃料電池設(shè)計。
仍舊在另一種修改中，燃料電池1通過共燒結(jié)電極層11，17的材料和電解質(zhì)層13而制得。
權(quán)利要求
1.一種固體氧化物燃料電池，包括包括多孔區(qū)域和包圍多孔區(qū)域的非多孔區(qū)域的鐵素體不銹鋼基板；位于基板的多孔區(qū)域的一個表面以下、且密封地連接到圍繞基板的多孔區(qū)域的其非多孔區(qū)域的鐵素體不銹鋼雙極板；位于基板的多孔區(qū)域的另一表面上的第一電極層；位于第一電極層上的電解質(zhì)層；以及位于電解質(zhì)層上的第二電極層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中鐵素體不銹鋼是不含鋁的鐵素體不銹鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中鐵素體不銹鋼是鈦/鈮穩(wěn)定的鐵素體不銹鋼。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的燃料電池，其中鐵素體不銹鋼含有約17.5-18.5wt％Cr(歐洲標(biāo)號1.4509)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項的燃料電池，其中基板厚度約為50-250μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的燃料電池，其中基板厚度約為50-150μm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池，其中基板厚度約為100μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任意一項的燃料電池，其中基板的多孔區(qū)域包括流動地連通基板的上述一個和另一表面的多個通孔。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池，其中所述孔均勻地間隔。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的燃料電池，其中所述孔具有從約5-250μm的橫向尺寸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的燃料電池，其中所述孔具有從約20-50μm的橫向尺寸。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的燃料電池，其中所述孔具有從約30μm的橫向尺寸。
13.根據(jù)權(quán)利要求8至12任意一項的燃料電池，其中所述孔占有基板的多孔區(qū)域的約30-65面積％。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的燃料電池，其中所述孔占有基板的多孔區(qū)域的約50-55面積％。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14任意一項的燃料電池，其中基板包括導(dǎo)電氧化物活性涂層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的燃料電池，其中活性涂層是鈣鈦礦氧化物混合導(dǎo)體。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的燃料電池，其中鈣鈦礦氧化物混合導(dǎo)體包括La1-xSrxCoyFe1-yO3-δ，此處0.5≥x≥0.2，0.3≥y≥0。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的燃料電池，其中鈣鈦礦氧化物混合導(dǎo)體包括La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ、La0.5Sr0.5CoO3-δ、Gd0.5CoO3-δ和Sm0.5Sr0.5CoO3-δ中的一種。
19.根據(jù)權(quán)利要求15的燃料電池，其中活性涂層包括摻雜的LaMnO3。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至19中任意一項的燃料電池，其中基板包括凹槽，第一電極層至少部分地位于此凹槽中。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20中任意一項的燃料電池，其中基板包括箔。
22.根據(jù)權(quán)利要求1至21中任意一項的燃料電池，其中基板是光-化學(xué)加工的和/或激光加工的基板。
23.根據(jù)權(quán)利要求1至22中任意一項的燃料電池，其中第一和第二電極層之一或兩者都具有從約10至25μm的厚度。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的燃料電池，其中第一和第二電極層之一或兩者都具有從約10至15μm的厚度。
25.根據(jù)權(quán)利要求1至24中任意一項的燃料電池，其中第一和第二電極層之一或兩者都是燒結(jié)材料。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的燃料電池，其中第一和第二電極層之一包括鈣鈦礦氧化物混合導(dǎo)體和摻雜有稀土的二氧化鈰的燒結(jié)粉末狀混合物。
27.根據(jù)權(quán)利要求25或26的燃料電池，其中粉末狀混合物包括約60vol％的鈣鈦礦氧化物混合導(dǎo)體和約40vol％的摻雜有稀土的二氧化鈰。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的燃料電池，其中鈣鈦礦氧化物混合導(dǎo)體包括La1-xSrxCoyFe1-yO3-δ，此處0.5≥x≥0.2，1≥y≥0.2。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的燃料電池，其中鈣鈦礦氧化物混合導(dǎo)體包括La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ、La0.5Sr0.5CoO3-δ、Gd0.5Sr0.5CoO3-δ和Sm0.5Sr0.5CoO3-δ。
30.根據(jù)權(quán)利要求26至29中任意一項的燃料電池，其中摻雜有稀土的二氧化鈰包括Ce1-xRExO2-x/2，此處RE是稀土，0.3≥x≥0.05。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的燃料電池，其中摻雜有稀土的二氧化鈰包括Ce0.9Gd0.1O1.95。
32.根據(jù)權(quán)利要求26至31中任意一項的燃料電池，其中第一和第二電極層之一是設(shè)置為陰極層的第一電板層。
33.根據(jù)權(quán)利要求26至32中任意一項的燃料電池，其中第一和第二電極層的另一個包括NiO和摻雜有稀土的二氧化鈰的燒結(jié)粉末狀混合物。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的燃料電池，其中粉末狀混合物包括約50vol％的NiO和約50vol％的摻雜有稀土的二氧化鈰或未摻雜的二氧化鈰。
35.根據(jù)權(quán)利要求33或34的燃料電池，其中摻雜有稀土的二氧化鈰包括Ce1-xRExO2-x/2，此處RE是稀土，0.3≥x≥0.05。
36.根據(jù)權(quán)利要求33至35中任意一項的燃料電池，其中第一和第二電極層的另一個是設(shè)置為陽極層的第二電極層。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的燃料電池，其中摻雜有稀土的二氧化鈰包括Ce0.9Gd0.1O1.95。
38.根據(jù)權(quán)利要求1至37中任意一項的燃料電池，其中電解質(zhì)層具有約5-30μm的厚度。
39.根據(jù)權(quán)利要求1至38中任意一項的燃料電池，其中電解質(zhì)層包括摻雜有稀土的二氧化鈰和氧化鈷的燒結(jié)粉末狀混合物。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的燃料電池，其中燒結(jié)粉末狀混合物包括約98摩爾％的摻雜有稀土的二氧化鈰和約2摩爾％的氧化鈷。
41.根據(jù)權(quán)利要求39或40的燃料電池，其中摻雜有稀土的二氧化鈰包括Ce1-xRExO2-x/2，此處RE是稀土，0.3≥x≥0.05。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的燃料電池，其中摻雜有稀土的二氧化鈰包括Ce0.9Gd0.1O1.95。
43.根據(jù)權(quán)利要求1至38中任意一項的燃料電池，其中電解質(zhì)層包括摻雜二氧化鈰的燒結(jié)層。
44.根據(jù)權(quán)利要求1至43中任意一項的燃料電池，其中在所述基板之上設(shè)置各包括第一電極層、電解質(zhì)層和第二電極層的元件的陣列。
45.一種燃料電池堆，包括多個權(quán)利要求1至43任意一項中的燃料電池。
全文摘要
一種固體氧化物燃料電池，包括包括多孔區(qū)域和包圍多孔區(qū)域的非多孔區(qū)域的鐵素體不銹鋼基板(3)；位于基板的多孔區(qū)域的一個表面以下、密封地連接到圍繞基板的多孔區(qū)域的其非多孔區(qū)域的鐵素體不銹鋼雙極板(19)；位于基板的多孔區(qū)域的另一表面上的第一電極層；位于第一電極層上的電解質(zhì)層；以及位于電解質(zhì)層上的第二電極層?；蹇砂娀瘜W(xué)導(dǎo)電氧化物的活性涂層，尤其是鈣鈦礦氧化物混合導(dǎo)體。
文檔編號H01M8/02GK1476647SQ01819400
公開日2004年2月18日 申請日期2001年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月25日
發(fā)明者B·C·H·斯蒂勒, A·阿特金森, J·A·奇爾納, N·P·布蘭頓, R·A·盧德金, B C H 斯蒂勒, 亟鶘, 盧德金, 奇爾納, 布蘭頓 申請人:塞瑞斯動力有限公司