[发明专利]带有整体密封和支撑物的陶瓷膜，及包括其的电化学电池和电化学电池堆

说明书

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缩微胶片附录

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技术领域

本发明涉及带有整体密封和支撑的陶瓷材料薄膜、包括这些膜的 电化学电池和由这些电化学电池形成的电池堆。所公开的膜和得到的 电池和电池堆构架尤其很好地适用于其中需要机械强度、和体积和重 量反应密度的应用中。本发明可用于电化学分离和催化反应中，包括 但不限于固体氧化物燃料电池和氧分离膜。

背景技术

管式固体氧化物燃料电池(SOFC)是对于SOFC提出的许多设计 中讨论最广泛的。在这些结构中，用阴极、电解质和阳极层制备多层 管。由各自已经在文献中提到并论证过的阳极、阴极和电解质支撑管。 西屋和西门子-西屋能源集团(Westinghouse and Siemens-Westinghouse Power Corporation)已经论证说明了在圆形和平板管式构造中的电解质 和阴极支撑型的管。多个制造商也已经说明过阳极支撑型的管。

在管式SOFC中，取决于所述管是阳极或阴极支撑型方式，燃料 或空气向下流入管的中央，同时补充气体混合物在管外侧流动。这种 管可具有开放或封闭端，并且通常在SOFC的反应区域外侧密封。传 统的管式电池通常存在低体积或重量功率密度的问题，因为大的管不 能很好地压缩并且表面积与体积之比低。

其中用阴极和阳极组分以浆料法涂覆电解质的小直径(即，＜5mm) 管的微管式SOFC克服了传统管的一些缺点。小直径微管的密封比传 统管的密封更简单。微管式电池还克服了传统管式电池的表面积与体 积比较低的问题。然而，微管式电池要求复杂的歧管装置和电互连方 案，这使得升级至大功率电池堆变得困难。

对可由电极或电解质支撑的平板式SOFC也已经进行了广泛说明。 电极支撑的电池具有作为电池的机械负荷承受部件的致密电极元件和 薄的电解质层。这种设计降低了电池中电解质的欧姆电阻，并允许在 中温下(如，T＜800℃)工作。电极支撑的SOFC通常是通过共烧所述 载体电极材料和电解质材料的薄涂层而制得的。尽管已经说明了其它 制备方法，所述电极载体通常是流延成型的、压延、或注浆法制得的。 可以多种方式沉积薄电解质，包括但不限于电解质带的层压、丝网印 刷、压延和喷射沉积。优选电极支撑的电池包括在烧结后厚度小于20 微米的电解质，并很好地附着到所述电极载体上。

电极支撑的平板式SOFC包括阴极和阳极支撑型的电池。阴极支 撑型的电池可以是轻质的，并且成本低于阳极支撑型的电池。然而， 阴极支撑型的电池难以加工，因为共烧大多数与电解质接触的阴极材 料会产生绝缘的中间化合物。对于低温工作，可能阳极支撑的电解质 是最广泛评价的电池形态。阳极支撑型电池的加工相对容易，因为可 利用高于1300℃的烧结温度以得到致密的电解质，而无阳极材料和负 载的电解质之间相互作用的担心。

平板式阳极支撑的电池对于大量市场、成本驱动型应用是特别有 吸引力的，因为它们的高面积功率密度和它们有利的充填效率。已经 证明在低燃料利用的小型电池中，在700℃下阳极支撑型电池的性能为 大于1W/cm²。以适当的密封和互连技术，据报道阳极支撑型电池堆的 功率密度大于0.4W/cm²。然而，阳极支撑型电池并非没有缺点。当将 传统的氧化镍/钇稳定的氧化锆(NiO/YSZ)复合物用作支撑材料时，NiO 还原为镍金属，在电解质层内产生应力，在这种还原过程中这可能引 起相当大的变形。在高功率密度下和高燃料利用下平板式阳极支撑的 电池的工作也是困难的；厚的多孔层阻碍了蒸汽迅速扩散离开电解质， 并导致高电流密度下电池特定面积电阻(ASR)增大。

电解质支撑的平板式电池具有赋予电池机械强度的电解质层。所 述电解质层可通过流延成型或其它方法制得。通常，将电极通过丝网 印刷或喷涂沉积在电解质层上，并在第二步骤中烧结。为获得强的电 极附着力，必须调整并在生产中控制墨的颗粒尺寸、组成和表面积适 于目标烧结温度。取决于阴极和阳极要求的温度，可在两个独立步骤 中或同时烧结电极。在许多情况下，首先烧结阳极墨，因为它更难熔 并更难以烧结，并应用阴极墨并在第二步骤中在较低温度下烧结以最 小化电解质和阴极之间的化学相互作用。