專利名稱：電極被支撐的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種被支撐在電極側(cè)上的燃料電池，包括陽(yáng)極、電解質(zhì)和陰極，電極支撐體包括由鐵鉻合金制成的多孔部件。Schiller等人在Fuel Cells Bulletin第21期、第7頁(yè)公開了這種燃料電池，題目為“Development of vacuum plasma sprayed thin-film SOFC forreduced operating temperature”。在此出版物中，介紹了一種陽(yáng)極被支撐的燃料電池，其中陽(yáng)極支撐體由鐵和鉻材料制成，例如可從奧地利的Plansee公司獲得的不銹鋼或鉻基合金。
這種類型的電化學(xué)電池尤其是固體氧化物燃料電池(SOFC)。借助于等離子濺射技術(shù)，將陽(yáng)極層施加到金屬支撐體上，接著將電解質(zhì)和陰極施加到金屬支撐體上。
人們已發(fā)現(xiàn)這種燃料電池不能完全令人滿意。在陽(yáng)極側(cè)上的鋼陽(yáng)極支撐層必須能夠經(jīng)受住的情況是非常不同的。由于在陽(yáng)極進(jìn)口和出口具有不同的氧分壓，在輸送中或作為反應(yīng)產(chǎn)物的水的存在，在還原條件下它必須是耐熱鋼。此外，例如在陽(yáng)極燃料供應(yīng)失敗的情況下，氧分壓幾乎在短時(shí)間內(nèi)變化。所有的這些都在高(工作)溫度下發(fā)生。因此，針對(duì)所用支撐體氧化所提出的要求與在空氣的“正?！杯h(huán)境中的鋼類型所提出的要求是不同的。
并且，在陽(yáng)極側(cè)設(shè)置的多孔支撐體的采用引起了氣體分布受到限制的危險(xiǎn)。這降低了電池的性能。畢竟，如果沒有充分地去除反應(yīng)物，反應(yīng)產(chǎn)物就沒有充分地由活性陽(yáng)極表面提供/提供到活性陽(yáng)極表面上，在陽(yáng)極處的燃料利用明顯高于其實(shí)際情況。這導(dǎo)致兩個(gè)不利后果。首先，由于在陽(yáng)極表面處的燃料壓力下降，因此將對(duì)燃料反應(yīng)速率有不利影響。第二，在陽(yáng)極上的高氧電位可能引起陽(yáng)極材料的氧化和退化。如果由于氧化使得鋼支撐體的孔慢慢被金屬氧化物封閉，那么在電池工作過程中可能會(huì)出現(xiàn)氣體分布問題。
當(dāng)采用不同金屬合金時(shí)，存在的風(fēng)險(xiǎn)在于，在其中存在(少量)鎳的情況下，當(dāng)甲烷用作陽(yáng)極氣體時(shí)形成了碳。
本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池，該電池能夠以低成本生產(chǎn)，并且沒有以上缺陷。該目的利用上述燃料電池實(shí)現(xiàn)，其特點(diǎn)在于，所述電極支撐體是陰極支撐體。
與通常采取的方式相比，采用由金屬材料如不銹鋼或鉻合金制成的陰極支撐體是容易實(shí)現(xiàn)的。畢竟，在許多應(yīng)用中，在陰極側(cè)上存在的介質(zhì)是空氣，已經(jīng)將這種金屬合金精確地設(shè)計(jì)成用在這種空氣氣氛中。原則上，空氣將以過剩量存在于燃料電池，因此與在陽(yáng)極側(cè)上的氣體分布相比，必須流過多孔陰極支撐體的氣體的分布并不重要。由于采用了陰極支撐體，因此陽(yáng)極僅連接到電解質(zhì)。這樣的優(yōu)點(diǎn)在于，陽(yáng)極可進(jìn)一步得以改進(jìn)，而不會(huì)在對(duì)于金屬基板的粘接性/反應(yīng)性方面有限制。陽(yáng)極可由在現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何材料制成，優(yōu)選為氧化鎳，在工作過程中氧化鎳轉(zhuǎn)化為與氧傳導(dǎo)氧化物混合的多孔鎳。對(duì)于向陰極支撐體提供的陰極而言，同樣可以采用在現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何材料，例如LSM(La1-xSrxMnO3)。
由于使用了上述金屬支撐體，因此明顯提高了電池的機(jī)械性能。因此，這一點(diǎn)在電池被內(nèi)置時(shí)尤其可行。因此，移動(dòng)式應(yīng)用設(shè)備是可行的。
這種陰極支撐體能夠以現(xiàn)有技術(shù)中任何已知的方式獲得。然而，該陰極支撐體優(yōu)選以下述方式制成最終的陰極支撐體是精細(xì)多孔的。一方面，它不阻礙氣體傳輸，另一方面，它提供了足夠的傳導(dǎo)表面積。這種精細(xì)的多孔結(jié)構(gòu)可由通過燒結(jié)粉末所制成的陰極支撐體獲得。陰極支撐體的厚度可根據(jù)需要而改變。一方面，需要一定的撓性，但另一方面，撓性不能過大，這是因?yàn)殡S后將貼附在其上的陶瓷材料易碎。因此，優(yōu)選陰極支撐體的厚度在100μm和3mm之間。
電解質(zhì)的厚度優(yōu)選較薄，例如5μm或更薄，其結(jié)果是燃料電池能夠在低溫下工作。
上述燃料電池能夠以現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何方式生產(chǎn)。低成本的生產(chǎn)方法包括利用印刷技術(shù)(如絲網(wǎng)印刷)向陰極支撐體上提供陰極。然后，以現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何方式電解質(zhì)。優(yōu)選的是，采用旋涂法進(jìn)行。
優(yōu)選采用氧化釔穩(wěn)定氧化鋯作為電解質(zhì)，但也可以采用現(xiàn)有技術(shù)中已知的其它可替換材料。作為優(yōu)選，將燒結(jié)活性顆粒加入到電解質(zhì)中，以便盡可能地限制燒結(jié)溫度，特別是在1000-1200℃。通過采用小尺寸(＜30nm)并這樣燒結(jié)的活性顆粒，可以確保在燒結(jié)后電解質(zhì)是氣密的。也可借助于燒結(jié)獲得密封性。
然后施加陽(yáng)極層，并且進(jìn)行上述燒結(jié)?？蛇x擇性的是，集流器和氣體分布裝置提供給陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)上由此獲得的組合體。
由于陰極支撐體的存在，因此可省卻陽(yáng)極支撐體。結(jié)果，陽(yáng)極可具備最佳的陽(yáng)極氣體供應(yīng)。
陰極支撐體的厚度可以是幾個(gè)毫米，例如2.5mm，并由不銹鋼材料或鉻基合金如(Cr5Fe1(Y2O3))構(gòu)成。后一種合金可從奧地利的Plansee公司獲得。為了便于氣體供應(yīng)陰極支撐體必須是多孔的，并優(yōu)選是導(dǎo)電的。這種多孔的支撐體例如可通過壓制或燒結(jié)合適的粉末而獲得?？捎米麝帢O支撐體的其它材料包括鐵鉻合金，鋁可選擇性地加入到該合金中。含有15-30％鉻并選擇性地向其添加了高達(dá)15％鋁的鐵鉻合金可作為例子來描述。
另外的例子是AISI 430和441鋼。在添加鋁的情況下，例如可以采用“Ducralloy”合金。如果采用上述燒結(jié)技術(shù)，原始粉末優(yōu)選具有小于150μm的粒徑。利用這種燒結(jié)技術(shù)，該粉末可形成為懸浮液并澆注在板或類似物上，并可選擇性地撇去浮渣，之后，以某種方式或其它方式去除多余的水分。然后可以對(duì)未燒結(jié)的產(chǎn)品進(jìn)行燒結(jié)。現(xiàn)有的用于生產(chǎn)未燒結(jié)產(chǎn)品的方法是帶式澆注(tape casting)。
基本上，可利用簡(jiǎn)單的裝置生產(chǎn)上述電池，由于陽(yáng)極沒有連接到任何支撐體，因此給陽(yáng)極材料和結(jié)構(gòu)的選擇留下了特別大的自由度。
下面，參照?qǐng)D中所示的示意性實(shí)施例更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。圖中，由1整體上表示的燃料電池示于單個(gè)附圖
中。
2表示陽(yáng)極，3表示電解質(zhì)。陰極由4表示。整體由陰極支撐體5支撐。氣體和/或電能的輸入/輸出沒有示出。
雖然上面參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，落在附加權(quán)利要求書范圍內(nèi)的各種變型都是可行的。
例如，對(duì)于各層和組分可選擇與上述不同的厚度，同樣，可在附加權(quán)利要求的范圍內(nèi)改變施加方法。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池(1)，被支撐在電極側(cè)上，包括陽(yáng)極(2)、電解質(zhì)(3)和陰極(4)，電極支撐體包括由鐵和鉻的合金制成的多孔部件，其特征在于所述電極支撐體是陰極支撐體(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中所述陰極支撐體包含燒結(jié)粉末。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池，其中電解質(zhì)的厚度小于10μm。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的燃料電池，其中陽(yáng)極包含鎳/氧化鎳。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的燃料電池，其中陰極包含LSM材料。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的燃料電池，其中所述陰極支撐體包含F(xiàn)e-Cr或Fe-Cr-Al材料。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的燃料電池，配備成在陰極側(cè)上提供有空氣。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的燃料電池，其中陽(yáng)極的厚度小于50μm。
9.一種用于制造電極被支撐的燃料電池的方法，包括提供至少含有鐵或鉻的金屬支撐體，在該金屬支撐體上相繼地施加電極、電解質(zhì)和其它電極，其特征在于陰極施加于所述金屬支撐體，并在1000-1200℃之間的溫度下燒結(jié)所獲得的組合體。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述陰極支撐體通過燒結(jié)粉末而獲得。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述粉末以懸浮液的形式澆注，然后燒結(jié)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9-11之一的方法，其中所述陰極的所述施加包括印刷技術(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9-12之一的方法，其中電解質(zhì)向所述陰極的施加包括旋涂。
14.根據(jù)權(quán)利要求9-13之一的方法，其中所述陽(yáng)極包含鎳/氧化鎳。
15.根據(jù)權(quán)利要求9-14之一的方法，其中所述陰極支撐體包含不銹鋼。
16.根據(jù)權(quán)利要求9-15之一與權(quán)利要求10相結(jié)合的方法，其中所述粉末的粒徑小于150μm。
全文摘要
一種陰極被支撐的燃料電池，其中陰極支撐體包括由含鐵和鉻的合金、尤其是不銹鋼制成的多孔部件。陽(yáng)極的厚度為1－50μm，優(yōu)選由鎳/氧化鎳構(gòu)成。陰極優(yōu)選由LSM材料構(gòu)成。這種電極被支撐的燃料電池可通過以下方式制成借助燒結(jié)方式提供至少含有鐵和鉻的金屬支撐體，優(yōu)選開始形成粉末；向該支撐體相繼施加電極、電解質(zhì)和其它電極。利用這種方法，陰極施加到金屬支撐體上，在1000－1200℃之間的溫度燒結(jié)所獲得的組合體。
文檔編號(hào)H01M8/24GK1701455SQ03825400
公開日2005年11月23日 申請(qǐng)日期2003年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月27日
發(fā)明者格斯貝爾特斯·里特韋爾, 格里·馬丁納·雷吉納·范德魯滕 申請(qǐng)人:荷蘭能源建設(shè)基金中心