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CN102265441B - sofc阴极以及用于共烧制的电池以及堆叠体的方法 - Google Patents

sofc阴极以及用于共烧制的电池以及堆叠体的方法 Download PDF

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CN102265441B CN200980153020.XA CN200980153020A CN102265441B CN 102265441 B CN102265441 B CN 102265441B CN 200980153020 A CN200980153020 A CN 200980153020A CN 102265441 B CN102265441 B CN 102265441B
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Abstract

一种固体氧化物燃料电池包括一个阳极层、在该阳极层的表面之上的一个电解质层，以及在该电解质层的表面之上的一个阴极层。该阴极层包括一个阴极本体层、在该电解质处的一个多孔阴极功能层、将该阴极本体层与该多孔阴极功能层隔开的一个中间阴极层，该多孔中间阴极层具有的孔隙率大于该阴极本体层的孔隙率。这些固体氧化物燃料电池可以结合以形成粘结到一起而形成固体氧化物燃料电池组件的子组件。

Description

sofc阴极以及用于共烧制的电池以及堆叠体的方法
相关申请
本申请要求于2008年12月31日提交的美国临时申请号61/204,034的权益。以上申请的全部传授内容都通过引用结合在此。
背景技术
燃料电池通过化学反应产生电，其中在阴极处含氧的气体被还原为氧离子(O2-)，并且在阳极处一种燃料气体(如气体H2)被氧化而与这些氧离子一起形成水。固体氧化物燃料电池使用了一种硬质的、陶瓷的化合物金属(例如，钙或锆)氧化物作为在一个功能阴极以及一个功能阳极之间的电解质。
在某些实施方案中，燃料电池被堆叠地安排，由此多个组件通过在一个子组件的阴极以及另一个的阳极之间放置一个电连接体而串联组装，每个子组件包括一个阴极、一个阳极以及在该阴极和阳极之间的一种固体电解质。然而，燃料电池以及堆叠体的制造易受温度波动引起的损害所影响。由于构成阴极、电解质、阳极以及连接体部件的材料的热膨胀系数之间的差异的结果，温度上的快速变化也可以影响燃料电池的寿命。此外，燃料电池子单元的一些部件，例如多孔层(包括燃料电池子单元的活性阴极功能层)优选地在制造过程中暴露于比总体上对于每个燃料电池子单元的剩余部分所要求的更低的温度中。所有这些问题通过将燃料电池子单元(它们必须在生产过程中进行共烧制)组装成堆叠体以及通过堆叠组件的延长使用(这些组件可能在常规的操作过程中被暴露到反复的并且剧烈的温度变化中)而复杂化。
因此，存在一种需要来将上述问题减至最少或将其消除。
发明内容
本发明总体上是针对一种固体氧化物燃料电池以及一种用于制造至少一个固体氧化物燃料电池的方法。
该固体氧化物燃料电池包括一个阳极层、在该阳极层的表面之上的一个电解质层，以及在该电解质层的表面之上的一个阴极层。该阴极层包括在该电解质层之上的一个多孔阴极功能层、一个阴极本体层、以及将该阴极本体层与该多孔阴极功能层隔开的一个多孔中间阴极层，该多孔中间阴极层具有的孔隙率大于该阴极本体层的孔隙率。
在另一个实施方案中，本发明是一种固体氧化物燃料电池组件，该组件包括至少两个子组件，每个子组件各自独立地包括至少一个子电池。每个子电池包括一个阳极层、在该阳极层的表面之上的一个电解质层，以及在该电解质层的表面之上的一个阴极层。该阴极层包括在该电解质之上一个的多孔阴极功能层、一个阴极本体层、以及将该阴极本体层与该多孔阴极功能层隔开的一个多孔中间阴极层，该多孔中间阴极层具有的孔隙率大于该阴极本体层的孔隙率。每个子电池被一个电连接体分隔开并且是通过一个指向该阳极的氧化反应可运行的以由此至少形成水。这些组部件通过相邻的子部件之间的一个粘结层粘结到一起。
本发明的一种方法包括形成一个固体氧化物燃料电池的阳极子部件，该阳极子部件包括一个阳极层以及在该阳极层之上的一个电解质层。与该阳极子部件分开而形成一个阴极子部件。该阴极子部件包括一个阴极层以及在该阴极层之上的连接体层。然后将该阳极子部件与该阴极子部件结合，这样该阴极层邻接该电解质层，由此形成一个固体氧化物燃料电池。
本发明有许多优点。例如，阳极/电解质以及阴极/连接体子部件的单独制造为将这些部件进行组装以形成燃料电池时所处的条件提供了更大的灵活性。在一个实施方案中，阳极/电解质以及阴极/连接体子部件的单独制造可以在更高的温度下进行，接着通过在一个子部件的阴极层和另一个子部件的电解质层之间插入一个多孔阴极功能层而组装多个燃料电池部件，并且然后在显著地低于最佳地制备该阳极/电解质以及阴极/连接体子部件所要求的温度下烧制该组件。通过这种技术可以在每个子组件中包括其他的燃料电池部件，由此在这些部件的组装过程中使用了比生产对应的子部件所要求的温度更低的温度。此类其他部件的例子包括非功能的阳极层以及粘结部件，例如包括镍网的组合物，它可以被用来连接以上串联连接的燃料电池组件。而且，制造技术以及构成该阴极层的材料可以通过在一个燃料电池的组装过程中并入一个多孔活性功能阴极层之前制造与一个连接体层相结合的阴极本体层而进行优化。此外，一个子部件阴极层可以包括在阴极本体和阴极功能层之间的界面处的多个空气通道，由此消除了对通过该阴极本体的空气通透性的要求，并且简化了与一个燃料电池组件的每个燃料电池部件的连接体层相邻的阴极本体层的共烧制。此外，阴极本体层总体上提供了在连接体层处比多孔对应物更大的机械支持。此外，可以使用另外的制造技术，例如在与一种多孔生坯组合之前，将这些通道模制或机加工成处于一个连接体层的界面的远端的一个阴极本体层的一部分，该多孔生坯将与该本体阴极/连接体以及阳极/电解质子部件共烧制以形成一个燃料电池组件的燃料电池部件。
本发明可以用于固体氧化物燃料电池(SOFC)系统中。SOFC提供了高效率发电而同时低排放并且低噪音操作的可能性。它们还被视为提供了电效率、废热发电效率、以及燃料处理简单性的有利的组合。使用SOFC的一个例子是在家庭或其他建筑物中。SOFC可以使用用于加热家庭的相同燃料，例如天然气。SOFC系统可以运行延长的时间段以产生电力为家庭供电并且如果产生过多的量，可以将过多的量卖给电网。并且，可以使用SOFC系统中所产生的热来为家庭提供热水。在电力服务是不可靠的或不存在的地区，SOFC可以是特别有用的。
附图说明
图1是本发明的固体氧化物燃料电池组件的一个实施方案的示意性图示。
图2A-B是根据本发明的方法制造的一个固体氧化物燃料子电池的本体阴极以及连接体子部件的一个实施方案的示意性图示(部分地)。
图3A-C代表在结合以形成一个固体氧化物燃料子电池之前的本发明的一种固体氧化物燃料子电池的组件。
图4A-C是两个子组件以及一个粘结层在结合以形成本发明的一个固体氧化物燃料电池组件之前的一个实施方案的示意性图示。
图5是本发明的固体氧化物燃料电池的另一个实施方案的示意性图示。
图6是串联连接的燃料电池组件的图示。A＝阳极层、AFL＝阳极功能层、EI＝电解质层、CFL＝阴极功能层、CIL＝阴极中间层、A＝阳极层、C＝阴极层、IC＝连接体层、ABL＝阳极粘结层、BL＝粘结层、TA＝末端阳极层。
具体实施方式
从以下对本发明的示例性实施方案的更具体的说明中上述内容将是清楚的，这些实施方案是如附图中所展示的，其中贯穿这些不同的视图中类似的参考符号指代相同的部分。这些图并非必须是按比例的，而是将重点放在展示本发明的多个实施方案上。在此引用的所有专利、公开的申请以及参考文献的传授内容通过引用以其整体结合在此。
图1示出了本发明的固体氧化物燃料电池(SOFC)组件10。燃料电池组件10包括多个子组件12并且每个子组件12包括多个子电池14。每个子电池14包括阳极16，该阳极包括限定了通道20的本体阳极层18，以及活性阳极层22。与每个子电池14一起还包括固体氧化物电解质层24。每个子电池14进一步包括阴极26，该阴极包括限定了阴极通道30的阴极本体层28，以及活性阴极层32，该活性阴极层包括一个多孔阴极功能层32a以及一个多孔中间阴极层32b，该多孔中间阴极层将阴极本体层28和多孔阴极功能层32a隔开，多孔中间阴极层32具有的孔隙率大于阴极本体层28的孔隙率。阴极功能层32a可以由一种导电材料例如像亚锰酸镧锶(LSM)或LaNiFeO3，以及一种离子传导材料例如像氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、Sc掺杂的氧化锆、或掺杂的铈构成。作为替代方案，阴极功能层32a可以由一种混合的、离子以及电子(MIEC)传导性材料例如铁酸镧锶辉砷钴矿(LSCF)、或掺杂的LaFeO3、或MIEC和离子传导性材料的混合物构成的。LSM/YSZ之比可以是在从约30/70至约70/30重量％的范围内，优选约50/50重量％。LSM和YSZ的中值粒径(d50)都在约0.1μm至约1μm的范围内，并且阴极功能层32a的总孔隙率是在约25体积％至约35体积％的范围内。阴极本体层28可以是由一种电子传导性材料例如LSM、LSCF、或铁酸镧锶辉砷钴矿(LSF)构成的，与阴极功能层32a相比具有在约0.5μm至约5μm之间范围内的更粗的粒径d50。阴极层28的孔隙率低于阴极功能层32a的孔隙率，其范围是在约5vol％至约25vol％之间，或阴极层28可以是全致密的。阴极中间层32b典型地是由与阴极本体层28相同的材料构成的，但是具有的孔隙率大于层32a的孔隙率，是在约30vol％至约45vol％之间的范围内。
活性阳极层22以及活性阴极层32典型地是多孔的。此外，阳极通道20以及阴极通道30分别是部分地由本体阳极层18以及阴极本体层28限定的，并且进一步分别是由活性阳极层22以及活性阴极层32限定的。作为替代方案，阳极层中的通道可以是在该层内完全封闭的或者是在阳极层的顶部形成并且由连接体34和阳极层18之间的阳极粘结层44所限定。
可以将本领域中已知的任何适合的阴极材料用于阴极26，例如，在“HighTemperature Solid Oxide Fuel Cells：Fundamentals，Design and Applications，”pp.119-143，Singhal等人Ed.，Elsevier Ltd.(2003)中，其全部传授内容通过引用结合在此。在一个实施方案中，阴极26包括一种基于La-亚锰酸盐(例如，La1-aMnO3，其中“a”等于或大于零，并且等于或小于0.4)或基于La-铁酸盐的材料。典型地，该基于La-亚锰酸盐或La-铁酸盐的材料掺杂有一种或多种适合的掺杂剂，例如Sr、Ca、Ba、Mg、Ni、Co或Fe。掺杂的基于La-亚锰酸盐的材料的例子包括LaSr-亚锰酸盐(LSM)(例如，La1-kSrkMnO3，其中k等于或大于0.1，并且等于或小于0.4，(La+Sr)/Mn是在约1.0至约0.90(摩尔比)之间的范围内)以及LaCa-亚锰酸盐(例如，La1-kCakMnO3，k是等于或大于0.1，并且等于或小于0.4，(La+Ca)/Mn是在约1.0至约0.90(摩尔比)之间的范围内)。掺杂的基于La-铁酸盐的材料的例子包括LaSrCo-铁酸盐(LSCF)(例如，La1-qSrqCo1-jFejO3，其中q和j各自独立地是等于或大于0.1，并且等于或小于0.4，(La+Sr)/(Fe+Co)是在约1.0至约0.90(摩尔比)之间的范围内)。在一个具体实施方案中，阴极26包括LaSr-亚锰酸盐(LSM)(例如，La1-kSrkMnO3)和LaSrCo-铁酸盐(LSCF)中至少一个。常见的例子包括(La0.8Sr0.2)0.98MnO3±δ(δ是等于或大于零，并且等于或小于0.3)以及La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3。用于多孔阴极功能层32a以及多孔中间阴极层32b的合适的材料各自独立地包括基于亚锰酸镧或基于铁酸镧的材料，并且优选掺杂的亚锰酸镧La1-kSrkMnO3，其中k是在约0.1和约0.4之间范围内，并且该多孔阴极功能层进一步包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成：氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、二氧化铈、以及氧化钪。
可以将本领域中已知的任何适合的阳极材料用于阳极16，例如，在“HighTemperature Solid Oxide Fuel Cells：Fundamentals，Sesign and Applications，”pp.149-169，Dinghal，等人Ed.，Elsevier Ltd.(2003)中，其全部传授内容通过引用结合在此。在一个实施方案中，阳极16包括一种镍(Ni)金属陶瓷。如在此所使用的，短语“Ni金属陶瓷”是指一种陶瓷金属复合材料，它包括Ni，例如约20wt％至70wt％的Ni。Ni金属陶瓷的例子是包括Ni和YSZ，例如含有约15wt％的Y2O3的ZrO2以及包括Ni以及Y-氧化锆或Sc-氧化锆的材料。阳极材料的一个另外的例子是Cu-二氧化铈或Co-YSZ。Ni金属陶瓷的具体实例包括在约67wt％Ni和约33wt％YSZ以及约33wt％Ni和67wt％YSZ之间的组合物。
典型地，阳极16和阴极26各自的厚度是独立地在约0.3mm至约2mm之间的范围内。确切地说，阳极16和阴极26各自的厚度是独立地在约0.5mm至约1.5mm之间的范围内。
固体氧化物电解质24在阳极16和阴极26之间。可以将本领域中已知的任何适合的固体氧化物电解质用于本发明中，例如，在“High TemperatureSolid Oxide Fuel Cells：Fundamentals，Design and Applications，”pp.83-112，Dinghal，等人Ed.，Elsevier Ltd.(2003)中所描述的那些，其全部传授内容通过引用结合在此。例子包括基于ZrO2的材料，例如Sc2O3掺杂的ZrO2、Y2O3掺杂的ZrO2、以及Yb2O3掺杂的ZrO2；基于CeO2的材料，例如Sm2O3掺杂的CeO2、Gd2O3掺杂的CeO2、Y2O3掺杂的CeO2以及CaO掺杂的CeO2；基于Ln-棓酸盐的材料(Ln＝一种镧系金属，例如La、Pr、Nd或Sm)，例如掺杂有Ca、Sr、Ba、Mg、Co、Ni、Fe或它们的一种混合物(例如，La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3、LaSrGaO4、LaSrGa3O7或La0.9A0.1GaO3其中A＝Sr、Ca或Ba)的LaGaO3；以及它们的混合物。其他例子包括掺杂的钇-锆酸盐(例如，Y2Zr2O7)、掺杂的钆-钛酸盐(例如，Gd2Ti2O7)以及钙铁铝石(例如，Ba2In2O6或Ba2In2O5)。在一个具体实施方案中，电解质24包括掺杂有8mol％Y2O3的ZrO2(即，8mol％Y2O3掺杂的ZrO2)。
典型地，固体电解质24的厚度是在约5μm和约50μm之间的范围内，诸如在约5μm和约20μm之间，更优选地在约5μm和约10μm之间。作为替代方案，固体电解质24的厚度可以是在约20μm和约500之间，更优选地在约100μm和约500μm之间。在一个使用具有大于约100μm的厚度的固体电解质24的实施方案中，固体电解质24可以提供对子电池14以及随后的子组件12的结构支持。
子电池14进一步包括连接体34。可以使用已知的适合用作连接体层的任何材料。适合的连接体层的一个例子是由铬形成的一个层，并且可以进一步包括稀土元素，例如掺杂的稀土铬铁矿。在一个实施方案中，连接体层34包括镧、锶、钙、钴、镓、钇、钛酸盐和镁中至少一个。在其他具体实施方案中，该连接体层可以包括陶瓷，例如LaSrCrO3、LaMgCrO3、LaCaCrO3、YCrO3、LaCrO3、LaCoO3、CaCrO3、CaCoO3、LaNiO3、LaCrO3、CaNiO3以及CaCrO3。在另一个实施方案中，连接体34可以包括两个层，如于2008年12月16日提交的美国专利申请号12/316,806，以及于2009年7月2日公开的名称为“用于燃料电池堆的陶瓷连接体”的US2009/0169958 A1中所述，其全部传授内容通过引用结合在此。子电池14串联连接到一起构成了子组件12。任选地，一个非功能的末端阳极36可以被置于在子电池14的一端处的每个连接体34之后。末端阳极36不是一个操作阳极，并且可以具有与该阳极不同的组成。确切地说，该末端阳极可以包含该连接体材料的某一部分以帮助改进在该阳极粘结层44和连接体层之间的粘结强度。典型地，该末端阳极可以包含在约33wt％至约67wt％之间的金属相，优选镍，以及在约67wt％至约33wt％之间的陶瓷相，优选YSZ与在约30wt％和约70wt％之间的连接体材料的一种混合物。
多个子组件12串联地连接。如图1所示，子组件12通过粘结层38连接在一个子组件12的末端阳极36以及另一个子组件12的阳极16上。在一个实施方案中，阳极粘结层44具有与组件粘结层38相同的组成但是组件粘结层38可以具有大于或等于阳极粘结层44的厚度。适合用作粘结层38的材料的具体实施方案是本领域已知的，并且包括例如一个金属相(优选Ni)与YSZ以及任选地还有该连接体相的混合物。对于这些单独的组分的组合物范围可以是在约33wt％Ni与约67wt％之间的Ni与约67wt％及约33wt％之间的陶瓷相。该陶瓷相是由YSZ与约0wt％和约50wt％之间的连接体相构成的。粘结层38以及阳极粘结层44的一个具体例子是33wt％Ni以及67wt％YSZ。与阳极粘结层44，任选的子组件粘结层38以及任选的末端阳极36串联连接的子组件12的其他具体例子在图6中示出，其中阳极本体层18可以包含气体通道20并且阴极本体层28可以包含气体通道30。在另一个实施方案中，粘结层38以及阳极粘结层44可以是可配合的粘结层。如在此使用的术语“可配合的粘结层”是指这样一种粘结层，它在一个SOFC组件(该粘结层是该组件的一部分)制造和使用的过程中对于相邻层的维度改变是可适配的或可相协调的，同时仍粘结一个子组件的一个电极(功能的或非功能的)或连接体以及一个相邻的子组件的子电池的一端处的活性电极。合适的相适合的粘结层的例子包括金属网、金属毡或其组合，优选为了良好的电导性而用镍金属浆料涂覆的那些。与一种相适合的粘结层组装的堆叠体可能需要被置于轻微的压缩中以确保在子电池或子组件以及该相适合的粘结层之间良好的电接触。
本发明的SOFC燃料电池组件10可以包括任何适当数目的子组件12，以及在每个子组件12内任何数目的子电池14。在一个实施方案中，子电池的一个子组件将包括在约六和约十个之间的子电池，并且燃料电池10的每个子组件将包括在约四和约六个之间的子组件，每个子组件12通过一个粘结层38与相邻的子组件12分开。SOFC燃料电池组件10的堆叠体可以串联或并联地连接。
本发明还包括一种形成染料电池组件的方法，例如以上所描述的。该方法包括形成一个在图2A中示出的阳极子部件40。该阳极子部件40包括阳极层16以及电解质24。阳极层16以及电解质层24可以通过本领域已知的任何适当的技术形成。例如，在一个实施方案中，阳极子部件40可以通过带流延(tape casting)以及层压、模压、温压凝胶灌制、喷涂、丝网印刷、辊压实(roll compaction)、挤出以及注塑模制而形成。
单独地并且除形成阳极子部件40之外形成了图2B中示出的阴极子部件42。阴极子部件42包括本体阴极28以及连接体34。可以使用本领域已知的用于形成阴极子部件42的任何适当的技术。在一个实施方案中，例如，阴极子部件42的制造可以包括以下步骤，例如带流延以及层压、模压、温压凝胶灌制、喷涂、丝网印刷、辊压实、挤出以及注塑模制而形成。
在图3所表示的一个特别优选的实施方案中，在图3A中示出的阳极子部件40包括阳极层16，该阳极层部分地限定了通道20。阳极子部件40包括阳极层16以及电解质层24。通道20可以通过本领域已知的任何适当的技术形成，例如像结合有形的逃逸物、压花、在条带中切割通道并且然后将这些条带层压来限定多个通道、使用通过预成型件的挤出或在辊压实中使用有图案的辊。
存在多种可以用来在阴极和阳极层内形成通道或通路的可能的逃逸物材料(例如像，石墨或纤维)。总体上，在材料的选择上仅有的限制将是在烧制方法的过程中该材料应该燃烧或从该燃料电池中作为气体除去，并且该材料不与陶瓷颗粒反应。基于有机物的材料充分满足这两个条件。因此，纤维可以是天然纤维；棉花、韧皮纤维、绳索纤维、或动物纤维(例如羊毛)，或它们可以是制造的纤维；再生纤维素、纤维素双乙酸酯、纤维素三乙酸酯、聚酰胺、聚酯、聚丙烯酸树脂、聚乙烯树脂、聚烯烃树脂、碳或石墨纤维、或液晶聚合物。作为替代方案，这些纤维可以是挤出长度的粘结剂材料，例如合成橡胶、热塑性塑料、或聚乙烯的和挤出长度的增塑剂材料，例如乙二醇和邻苯二甲酸酯基团。在另一个实施方案中，该材料可以是意大利面条制品，例如细面条。
在另一个实施方案中，阴极子部件42部分地限定了通道30，如图3C中所示。通道30的剩余部分在组装阴极子部件42、阳极子部件40(图3A中所示)以及生坯功能阴极32(图3B中所示)时被限定。本体阴极28内的通道30可以通过本领域已知的任何适当的技术形成，例如以下方法：结合有形的逃逸物、压花、在条带中切割通道并且然后将这些条带层压以限定多个通道、使用通过预成型件的挤出、或在辊压实中使用有图案的辊。
图3B中示出的生坯功能阴极32是多孔的，至少是在与阳极子部件40以及阴极子部件42结合烧制之后是多孔的。在一个实施方案中，生坯功能阴极32是由电子传导性材料例如像LSM以及离子传导性材料例如像YSZ构成的。LSM/YSZ之比可以是在从约30/70至约70/30重量％的范围内，优选约50/50重量％。层32b典型地是由与本体阴极28相同的材料构成的，例如LSM、LSCF、或铁酸镧锶辉砷钴矿(LSF)，与阴极功能层32a相比具有在约0.5μm至约5μm之间范围内的更粗的粒径d50，但是具有的孔隙率大于层32a的孔隙率，在约30vol％和约45vol％之间的范围内。在烧制之前该生坯功能阴极32的厚度可以是在约20μm和约200μm之间的范围内，并且优选地在约20μm和约100μm之间的范围内。
阳极子部件40、阴极子部件42、生坯功能阴极层32、以及阳极粘结层44是通过将生坯功能阴极层30置于阳极子部件40的电解质层24和阴极子部件42的阴极本体层28之间并且将阳极粘结层44置于阳极子部件40和阳极子部件42的连接体层34之间而结合的。然后将结合后的子部件40、42以及生坯功能阴极层32以及阳极粘结层44在适当的温度下烧制以由此将生坯功能阴极32以及阳极粘结层44进行烧结并且将子部件40以及42粘结成一个燃料电池堆的子组件。典型地，这些子部件以及生坯功能阴极层32在一个温度下进行共烧制，该温度低于在阳极子部件40以及阴极子部件40以及阴极子部件42的单独制造过程中对它们进行烧制时所使用的温度。尽管不希望受限制于任何具体的理论，据信在结合并且通过与生坯功能阴极层32共烧制之前单独地制造阳极子部件40以及阴极子部件42提供了对于在最佳的温度以及时间段内烧制每种子部件的更大的灵活性而不会减小在不同的最佳温度以及时期内烧制生坯功能阴极层32的机会。在一个实施方案中，阳极子部件40、阴极子部件42、生坯功能阴极层32以及阳极粘结层44是通过在约1000℃和约1250℃之间范围内的温度下共烧制在约0.5小时至约4小时的时间段而粘结的，优选地在约1100℃和约1200℃之间范围内的温度下共烧制在约1小时和约2小时之间范围内的时间段。
阳极子部件40、阴极子部件42、生坯功能阴极层32以及生坯阳极粘结层44的共烧制可以形成由多个串联连接的子电池14组成的燃料电池堆8，如图6所示。作为替代方案，阳极子部件40、阴极子部件42、生坯功能阴极层32以及生坯阳极粘结层44可以通过共烧制而粘结成一个子组件12。子组件12然后可以用粘结层38串联地结合成一个燃料电池堆8。还应理解的是这种安排可以颠倒，由此每个子组件在每个子电池之上的活性阳极处以及每个子组件的末端处可以具有连接体，并且一个非功能的阴极可以被置于每个子组件的末端处的连接体上。多个子组件可以结合以形成一个燃料电池堆，例如在约4和约6个之间的子组件可以结合以形成一个燃料电池堆。
在一个具体的实施方案中，多个阳极子部件40、阴极子部件42、生坯功能阴极层32以及生坯阳极粘结层44可以在适当的温度下进行安排并且共烧制，以由此形成一个燃料电池堆8，该温度优选低于形成每个阳极子部件40以及阴极子部件42所使用的温度。一种适当的阳极粘结层的例子是由Ni金属与YSZ陶瓷或Ni与YSZ陶瓷以及连接体陶瓷材料所组成的层。
在一个第二实施方案中，多个阳极子部件40、阴极子部件42、以及生坯功能阴极层32在适当的温度下共烧制，以由此形成烧制的子电池，该温度优选地低于形成每个阳极子部件40以及阴极子部件42所使用的温度。然后将烧制的子电池14与相适合的阳极粘结层44安排到一起并且压缩成一个燃料电池堆8。适当的相适合的粘结层的例子是包括镍网或镍毡(优选用镍浆涂覆的)的粘结层。
在一个第三实施方案中，多个阳极子部件40、包含一个末端阳极的阴极子部件42、生坯功能阴极层32以及生坯阳极粘结层44可以在适当的温度下进行安排并且共烧制，以由此形成一个燃料电池堆8，该温度优选地低于形成每个阳极子部件40以及阴极子部件42所使用的温度。一种适当的阳极粘结层的例子是由Ni金属与YSZ陶瓷或Ni与YSZ以及连接体的陶瓷材料所组成的层。
在一个第四实施方案中，多个阳极子部件40、包含一个末端阳极的阴极子部件42、以及生坯功能阴极层32在适当的温度下共烧制，以由此形成烧制的子电池，该温度优选地低于形成每个阳极子部件40以及阴极子部件42所使用的温度。然后将烧制的子电池14与相适合的阳极粘结层44安排到一起并且压缩成一个燃料电池堆8。适当的相适合的粘结层的例子是包括镍网或镍毡(优选地用Ni浆料涂覆)的粘结层。
在一个第五实施方案中，多个阳极子部件40、阴极子部件42、生坯功能阴极层32和阳极粘结层44在适当的温度下共烧制，以由此形成一个子组件12，该温度优选地低于形成每个阳极子部件40以及阴极子部件42所使用的温度。多个子组件12可以使用粘结层38串联安排，如图4B所示。子组件12和粘结层38可以如在的图4A、4B和4C中的对应取向中所示的进行安排。然后这些子组件通过粘结层38彼此粘结并且然后被烧制以形成组件10，如图5中所示的。一种适当的阳极粘结层的例子是由Ni金属与YSZ陶瓷或Ni与YSZ陶瓷以及连接体陶瓷材料所组成的层。
在一个第六实施方案中，多个阳极子部件40、阴极子部件42、生坯功能阴极层32和阳极粘结层44在适当的温度下共烧制，以由此形成一个子组件12，该温度优选地低于形成每个阳极子部件40以及阴极子部件42所使用的温度。多个子组件12可以使用相适合的粘结层38串联安排，如图4B所示并且然后压缩成一个燃料电池堆。适当的相适合的粘结层的例子是包括镍网或镍毡(优选用镍浆料涂覆的)的粘结层。
在一个第七实施方案中，多个阳极子部件40、包含一个末端阳极的阴极子部件42、生坯功能阴极层32和阳极粘结层44在适当的温度下共烧制，以由此形成一个子组件12，该温度优选地低于形成每个阳极子部件40以及阴极子部件42所使用的温度。多个子组件12可以使用粘结层38串联安排，如图4B所示。子组件12和粘结层38可以如在图4A、4B和4C中的对应的取向中所示的进行安排。然后这些子组件通过粘结层38彼此粘结并且然后被烧制以形成组件10，如图5中所示的。一种适当的阳极粘结层的例子是由Ni金属与YSZ陶瓷或Ni与YSZ陶瓷以及连接体陶瓷材料所组成的层。
在一个第八实施方案中，多个阳极子部件40、包含一个末端阳极的阴极子部件42、生坯功能阴极层32和阳极粘结层44在适当的温度下共烧制，以由此形成一个子组件12，该温度优选地低于形成每个阳极子部件40以及阴极子部件42所使用的温度。多个子组件12可以使用相适合的粘结层38串联安排，如图4B所示并且然后压缩成一个燃料电池堆。适当的相适合的粘结层的例子是包括镍网或镍毡(优选用镍浆料涂覆的)的粘结层。
本发明的燃料电池组件10可以如本领域已知的其他堆叠的燃料电池组件运行。具体而言，含氧的气体(例如O2)通过引导氧气穿过阴极层28的通道30而在阴极处被还原成氧离子(O2-)。引导一种合适的燃料气体通过本体阳极18的通道20并且氧化，其中氧离子迁移通过固体氧化物电解质，以由此在阳极至少形成水。
等效物
虽然通过参考本发明的示例性实施方案对本发明进行了具体的展示和说明，但本领域中的普通技术人员应当理解，在不背离所附的权利要求书所涵盖的本发明的范围的前提下，可以在形式和细节上对这些实施方案作出不同的变更。

Claims (21)

1.一种固体氧化物燃料电池，包括：
a)一个阳极层；
b)在该阳极层的表面之上的一个电解质层；以及
c)在该电解质层的表面之上的一个阴极层，该阴极层包括，
i)在该电解质层的表面之上的一个多孔阴极功能层，
ii)一个阴极本体层，以及
iii)一个将该阴极本体层与该多孔阴极功能层隔开的多孔中间阴极层，该多孔中间阴极层具有的孔隙率大于该阴极本体层的孔隙率且大于该多孔阴极功能层的孔隙率，其中该阴极功能层的孔隙率在25体积％至35体积％的范围内，其中该阴极本体层的孔隙率在5体积％至25体积％的范围内或该阴极本体层是全致密的，且其中该中间阴极层的孔隙率在30体积％至45体积％的范围内。
2.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其中，该固体氧化物燃料电池包括多个子电池，每个子电池包括一个阳极、一个阴极以及将该阳极和阴极隔开的一种电解质，并且进一步包括在一个子电池的阳极与另一个子电池的阴极之间的一种连接体。
3.如权利要求2所述的固体氧化物燃料电池，其中至少一个连接体是与一个子电池的阴极直接接触的。
4.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其中该阴极本体层是多孔的并且限定了除该阴极本体层的孔隙率之外的多个管道。
5.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其中该阴极本体层是致密的并且与该多孔中间阴极层一起限定了至少一个基本上与该电解质层平行的管道。
6.如权利要求5所述的固体氧化物燃料电池，其中该管道部分地是由该阴极本体层内的一个通道限定的。
7.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其中该多孔阴极功能层的组成是与该多孔中间阴极层的组成不同的。
8.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其中该多孔阴极功能层以及该多孔中间阴极层各自独立地包括至少一个下组的成员，该组由基于亚锰酸镧或基于铁酸镧的材料组成，并且其中该多孔阴极功能层进一步包括至少一个选自下组的成员，该组由以下各项组成：氧化钇稳定的氧化锆、二氧化铈、以及氧化钪。
9.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其中该阳极层包括一个本体阳极层以及将该本体阳极层与该电解质隔开的一个多孔阳极层。
10.如权利要求9所述的固体氧化物燃料电池，其中该本体阳极层是致密的并且与该多孔阳极层一起限定了至少一个基本上与该电解质层平行的管道。
11.如权利要求10所述的固体氧化物燃料电池，其中该管道是部分地由该阳极本体层内的一个通道限定的。
12.一种固体氧化物燃料电池组件，包括：
a)至少两个子组件，每个子组件独立地包括至少一个子电池，其中每个子电池包括，
i)一个阳极层，
ii)在该阳极层的表面之上的一个电解质层，以及
iii)在该电解质层的表面之上的一个阴极层，该阴极层包括，
在该电解质层之上的一个多孔阴极功能层，
一个阴极本体层，以及
将该阴极本体层与该多孔阴极功能层隔开的一个多孔中间阴极层，该多孔中间阴极层具有的孔隙率大于该阴极本体层的孔隙率且大于该多孔阴极功能层的孔隙率，其中该阴极功能层的孔隙率在25体积％至35体积％的范围内，其中该阴极本体层的孔隙率在5体积％至25体积％的范围内或该阴极本体层是全致密的，且其中该中间阴极层的孔隙率在30体积％至45体积％的范围内；以及
b)在相邻的子组件之间的一个粘结层。
13.如权利要求12所述的固体氧化物燃料电池组件，进一步包括，
a)在至少一个子组件的末尾处的一个末端阳极，以及
b)将该子组件的子电池的末端阳极与阴极隔开的一个电连接体。
14.一种制造至少一个固体氧化物燃料电池的方法，包括以下步骤：
a)形成一个阳极子部件，该阳极子部件包括，
i)一个阳极层；以及
ii)在该阳极层之上的一个电解质层；
b)形成一个阴极子部件，该阴极子部件包括：
i)一个阴极层，该阴极层包括，
多孔阴极功能层，
阴极本体层，以及
将该阴极本体层与该多孔阴极功能层隔开的一个多孔中间阴极层，该多孔中间阴极层具有的孔隙率大于该阴极本体层的孔隙率且大于该多孔阴极功能层的孔隙率，其中该阴极功能层的孔隙率在25体积％至35体积％的范围内，其中该阴极本体层的孔隙率在5体积％至25体积％的范围内或该阴极本体层是全致密的，且其中该中间阴极层的孔隙率在30体积％至45体积％的范围内；以及
ii)在该阴极层之上的一个连接体层；并且
c)将该阳极子部件与该阴极子部件结合，由此该阴极层邻接该电解质层，从而形成该固体氧化物燃料电池。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括在将该阳极子部件与该阴极子部件结合之前在该电解质层处形成一个多孔阴极功能层的步骤，并且其中该阴极层是一个阴极本体层。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤：在该阳极子部件与该阴极子部件之间插入一个多孔中间阴极层，并且然后将该结合的子部件进行烧制以由此形成该固体氧化物燃料电池。
17.如权利要求16所述的方法，其中该多孔中间阴极层具有的孔隙率大于该阴极本体层的孔隙率。
18.如权利要求17所述的方法，其中该多孔中间阴极层的烧结温度低于该阴极本体层的孔隙率。
19.如权利要求16所述的方法，其中该阴极子部件的阴极层限定了至少一个邻接该多孔中间阴极层的通道。
20.如权利要求19所述的方法，其中该阳极子部件以及该阴极子部件中的至少一个是通过一种包括烧结的方法形成的。
21.如权利要求20所述的方法，其中该阳极子部件以及该阴极子部件是通过一种方法结合的，该方法包括将一个位于该阳极子部件与该阴极子部件之间的多孔阴极功能层的生坯前体在一个温度下烧结，该温度低于对该阳极子部件以及该阴极子部件进行烧结时的温度。
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