[发明专利]前体渗透和涂布方法

说明书

          关于联邦政府资助的研究或开发声明

本发明在美国能源部授予的重大(合同)No.DE-AC02-05CH11231的政府资助下完成。政府具有本发明的某些权利。

                    发明背景

发明领域

本发明总体属于固态电化学装置领域。本发明涉及在适用于这样的装置的多孔结构表面上形成组合物的涂层。这样的组合物具有以下方面的应用：电化学系统例如燃料电池和氧发生器，用于烃转化和许多其它反应的催化剂，用于金属、陶瓷或聚合物的保护涂层，和其中需要电子传导和/或离子传导或绝缘层的应用。

相关技术的描述

固态电化学装置经常作为包含两个多孔电极、阳极和阴极以及致密固体电解质和/或分隔电极的膜的电池应用。对于本申请的目的，除非在所使用的上下文中明白或清楚的说明，术语″电解质″应理解为包含用于电化学装置的固体氧化物膜，而不管在该装置操作期间是否有施加或发生穿过它们的电势。在许多应用中，例如在燃料电池和氧发生器、合成气发生器中，固体膜是电解质，由能够传导离子类物质例如氧离子或氢离子的材料组成，但具有低的电导率。在其它应用如气体分离装置中，固体膜由混合的离子电子传导材料(″MIEC″)组成。在每种情况下，电解质/膜必须是致密的和无针孔的(″不漏气的″)，以防止电化学反应物的混合。在所有的这些装置中，电池的较低的总内阻改善了性能。

用于常规的固态电化学装置应用的陶瓷材料可能制备昂贵、难于维持(由于它们的脆性)和具有内在的高电阻。通过在高温一般超过900℃时操作装置可以减少电阻。然而，这样的高温操作对于装置维护和可用于掺入装置的材料，例如特别在氧电极的氧化环境中，具有明显的缺陷。

已熟知固态电化学电池的制备和操作。例如，典型的固体氧化物燃料电池(SOFC)由以下物质组成：陶瓷氧离子导体的致密电解质膜、陶瓷、金属或最通常是与电池的燃料侧电解质膜接触的陶磁金属复合材料(″金属陶瓷″)的多孔阳极层，和在电池的氧化剂侧的混合离子/电子传导(MIEC)金属氧化物多孔阴极层。通过燃料(一般为由重整甲烷产生的氢)和氧化剂(一般为空气)之间的电化学反应产生电流。该净电化学反应涉及电荷转移步骤，该步骤发生在离子传导电解质膜、电子传导电极和蒸气相(燃料或氧气)之间的界面。电荷转移步骤、质量转移(多孔电极中的气体扩散)和归因于电子流和离子流流动的欧姆损失，对固体氧化物燃料电池装置的总内阻可具有显著的贡献。

该领域的以前工作中已可见这样的固态电化学装置的形成技术的发展，其涉及例如复合电极或混合电极(在SOFC中一般为阴极)的形成。混合阴极包含离子和电子传导组分。已发现在混合电极的形成中，用电子传导组分的前体的悬浮液，渗透由离子传导组分形成的多孔结构是有利的。

然而，在一次渗透之后，常规渗透不产生电子传导组分的连接网络，因此一般要求几次渗透和加热循环以形成连接的网络。先有渗透技术也可能产生低纯度的电子传导组分。一些常规烧结电极也需要高温、良好匹配的热膨胀系数和化学相容性。常规电极的高烧成温度(大于1000℃)导致较大的粒度、较低的表面积和因此较低的电化学反应发生面积。高烧成温度也限制材料的选择。

目前，大多数固体氧化物燃料电池(SOFC)使用8％摩尔的氧化钇稳定化的氧化锆(YSZ)作为电解质、Ni-YSZ作为支持阳极，以及La_1-xSr_xMnO_3-δ(LSM)-YSZ作为阴极。电池一般在800℃或800℃以上运行，以获得高比功率密度。降低电池的工作温度会扩展材料的选择，潜在地抑制SOFC组分的降解，和延长电池的使用寿命。然而，要求采用较低的温度，以使欧姆损失最小化和增强氧还原反应催化。已经广泛地探索了薄膜电解质和具有比YSZ高的氧化物-离子电导率的备选电解质，有效地减小了电解质的欧姆损失。