[发明专利]固体氧化物燃料电池电解质及方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种用于燃料电池的固体氧化物电解质以及使用电子束物理气相沉积制造这种固体氧化物电解质的方法。

发明背景

固体氧化燃料电池(SOFC)包括燃料(例如氢气)供给的阳极、固体氧化物电解质、以及氧气(例如空气)供给的阴极。一种示意性的阳极包括Nio-氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)混合物。一种示意性的电解质包括固体氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。一种示意性的阴极包括镧—锶锰酸盐混合物(LSM)。一种致密的(无孔的)氧化物电解质是必需的，其用来提供氢燃料阳极与阴极处的气体中氧气之间的密封，因为穿过电解质的泄漏会降低燃料电池的效率。

固体氧化物电解质通过一系列加工方法被制成薄膜或者薄层，包括在美国专利US3645786和英国专利GB1252254中所述的电子束物理气相沉积(EBPVD)。美国专利US3645786介绍了沉积速度仅为1微米/分钟并且指出超过1.5微米/分钟的沉积速率会生成具有机械应力的电解质层，从而会导致电解质层的破裂。

英国专利GB1252254在固体电解质的沉积期间需要10^-1到10^-2毫米汞柱的气体压力。例如，4×10^-2毫米汞柱的氦气压力被用于在镍基底上以1.5微米/分钟的沉积速率来沉积光滑的YSZ氧化物层。

其它描述用EBPVD方法将固体氧化物电解质作为沉积层的专利包括美国专利4937152、5932368、6007683、6673130、6677070以及公开的美国专利申请US2004/0096572A1。

US5741406描述了一种沉积速率仅为4微米/分钟的致密YSZ电解质的射频喷涂。

US5716720描述了一种在基底上沉积柱状热障氧化物涂层的EBPVD方法，该方法利用了沉积期间所引进的生产气体(例如氧气)以及受控制的涂覆参数，从而形成柱状涂覆微观结构，该结构包括所需的有目的的内部多孔性以适应金属基底和热障涂层之间的张力失配。

发明内容

本发明提供一种通过电子束物理气相沉积、以高沉积速率制造氧化物层的方法，该氧化物层用于燃料电池，同时提供一种由此生成的固体氧化物电解质。底上。氧化物燃料电池电解质被沉积成具有柱状氧化物微观结构。

根据本发明一个示意性实施例，该方法包括加热基底到约1100℃及更高的基底温度，氧化物电解质层会沉积到该衬垫上，在压力为10^-3或更低毫米汞柱、没有例如氧气等生产气体的抽空腔室内用电子束撞击包括氧化物的源极的表面，以在腔室内蒸发氧化物，以及在该腔室中将氧化物沉积到加热基底上作为固体氧化物电解质层。

根据本发明另一个示意性实施例，氧化燃料电池电解质被设置成具有柱状氧化物微观结构。

根据本发明另一个示意性实施例，燃料电池被设置成包括阳极、阴极以及阳极和阴极之间的氧化物电解质，其中电解质具有包括多个氧化物柱体的微观结构。氧化物柱体在横穿阳极和阴极面对表面的方向上延伸。

本发明的优点、特征及实施例通过下面描述将变得清楚。

附图说明

图1为执行本发明示意性实施例的EB PVD设备的示意图。

图2为根据本发明示意性实施例的燃料电池的显微照片，其中显微照片来自于燃料电池的横截面。

图3为根据本发明示意性实施例的氧化物电解质顶面的显微照片。

图4为图3中氧化物电解质横截面的显微照片。

图5A和5B分别为根据本发明的燃料电池样品的终端电压与电流密度在600、650、700、750和800℃温度的函数曲线图。

图6A和6B所示为根据本发明的燃料电池样品(由“EB-PVD”所示)的终端电压相对功率密度与胶状沉积氧化燃料电池(由“胶状”所示)和US5741406(由“’406所示”)中记录的燃料电池的类似数据进行对比的曲线图。

图7为铜炉和液体瓷池的透视图，其中部件操作器在适当的位置以将基底设置在池子上面用于沉积氧化物电解质。

发明描述

本发明提供一种通过电子束物理气相沉积、以至少10微米/分钟的高沉积速率制造氧化物层的方法，该氧化物层用于燃料电池，以及一种由此生成的固体氧化物电解质。本发明的方法能够使用US5716720中描述的设备在一个示意性实施例中实施，该美国专利的教示被结合在此作为参考，尽管本发明并不局限于使用这个设备来实施，因为其它的EB PVD设备也能被使用。