[发明专利]用于固态电化学装置的复合电极

说明书

相关申请的对照

本申请要求U.S.临时申请号为60/158,124、申请日为1999年10月8日(固体氧化物燃料电池复合电极)、以及申请号为60/----、申请日为2000年9月9日(用于固态装置的改进复合电极)的优先权，它们的內容全部引入本文作为参考。

发明领域

本发明涉及固态离子装置尤其是固体氧化物燃料电池采用的用于电极反应的复合电极和功能层。

发明背景

在此由其数字代码参考引用以下参考文献，其中每一篇的內容作为参考引入本文。

1. Erning，J.W.，Hauber，T.，Stimming，U.，Wippermann，K.，在固体氧化物燃料电池阴极上电化学工艺的催化作用，能源杂志61(1996)205-211。

2. M.Watanabe，H.Uchida，M.Shibata，N.Mochizuki和K.Amikura，用于中温操作固体氧化物燃料电池的高性能催化-反应层，

J.Electrochem.Soc.(电化学协会杂志)，141卷，(1994)342-346。

3. Sahibzada，M.，Benson，S.J.，Rudkin，R.A.，Kilner，J.A.，Pd-催化La_0.6Sr_0.2Fe_0.8O₃阴极。固体离子113-115(1998)285-290。

4.M.M.Murphy，J.Van herle，A.J.McEvoy，K.Ravindranathan Thampi，在固体氧化物燃料电池中电极的无电镀沉积，

J.Electrochem.Soc.，141卷(1994)30 L94-96。

5.Uchida et al。Shin-ichi Arisaka和Masahiro Watanabe，关于固态离子的第121届国际会议，论文B-IN-05。背景

典型的固态离子装置由在薄电极层之间夹着完全致密的电解质组成。众所周知，在大部分固态离子装置中的主要损失发生在电极或电极/电解质界面。因此，这些损失的最小化是这些装置有效操作所必须的。

理论上，固体氧化物燃料电池(SOCF)是非常有效的能量转换装置，其具有成为用于许多用途的经济产品的潜力。SOFC是固体电化学电池，它是由夹在多孔阴极和多孔阳极之间不让气体进入的固体电解质组成。氧气通过阴极传输到其与电解质接触的界面并在界面上还原为氧离子，氧离子通过电解质迁移到阳极。在阳极，离子的氧与如氢气或甲烷等燃料反应井释放电子。通过外部电路电子传送回阴极以产生电能。

常规的SOFC电极的结构是众所周知的。电极经常采用如电子传导材料和离子传导材料的复合物。例如，阳极可以由电子传导性镍(Ni)和离子传导性氧化钇稳定氧化锆(YSZ)组成，同时阴极可以由例如La_1-xSr_xMnO_3-δ(LSM)等钙钛矿型结构作为电子传导材料和YSZ作为离子导体组成。

常规的SOFCs在1000℃的温度下显示高性能。然而，这样的高温操作存在例如结构材料的物理的或化学的降解的缺点。因此，降低SOFC组的操作温度到约700℃的中间温度是所希望的。然而，在这样的中间温度，电极反应速度明显降低。现有技术致力于在低温下增加电极反应率，集中于优选电极微观结构和在电极结构中引入催化材料。

通过催化剂的方式在燃料电池电极上提供激活表面以辅助电化学过程是众所周知的。通常镍在阳极一边用作燃料电池氧化反应的催化剂。在阴极一边，典型地在SOFCs中采用陶瓷阴极材料，例如用于氧还原反应具有高激活能量的钙钛矿结构。因此，通过添加例如Au，Ag，Pt，Pd，Ir，Ru和其它金属或Pt族的合金，对于氧气还原反应可以减少激活能量。Erning等人(1)报道了高分散贵金属的添加(＜＝0.1mg/cm²)降低了在SOFC阴极氧气还原反应的激活能量。M.Watanabe(2)也发现了通过在氧化钐掺杂的二氧化铈(SDC)阳极中加入仅仅少量的催化剂，阳极极化电阻和其激活能量明显降低。用Pt-催化LSM阴极也观察到明显的去极化效果，尤其是在高电流密度下。近来，Sahibzada等人(3)报道填入少量Pd的LSCF电极在400至750℃的温度范围內使阴极阻抗有3-4倍的降低。整个电池电阻在6500C降低15％、在550℃降低40％。