[发明专利]接合同心管

说明书

政府支持申明 

本发明得到政府支持，在美国能源部授予加州大学董事会对美国劳伦斯伯克力国家实验室进行管理和运作的合同DE-AC02-05CH11231下进行。政府拥有本发明的某些权利。 

技术领域

本发明涉及同心放置的管状体的接合并在高温电化学设备如固体氧化物燃料电池中有重要应用。本发明涉及具有以下特点的所有情况：通过制备过程的烧结时一个管在另一个管上径向收缩的方法制备管状体，所得物件具有在径向变化的性能。 

背景技术

固态电化学设备通常为包括两个多孔电极(阳极和阴极)和置于电极之间的致密固体电解质膜的电池。例如，在典型的固体氧化物燃料电池中，在独立的密闭系统中阳极暴露于燃料而阴极暴露于氧化物以免燃料和氧化物混合。 

固体氧化物燃料电池应用中，电解质膜通常由陶瓷氧离子导体组成。其它应用如气体分离设备中，固体膜可由混合离子导电材料(“MIEC”)组成。多孔阳极可为陶瓷、金属或陶瓷-金属复合材料(“陶瓷金属”)层，该层与电池燃料侧上的电解质膜接触。多孔阴极通常为混合离子和电子导电(MIEC)金属氧化物或电子导电金属氧化物(或MIEC金属氧化物)和电子导电金属氧化物混合物的层。 

固体氧化物燃料电池通常在约650℃-约1000℃工作，使电解质膜的离子导电率最大化。在合适温度下，氧离子容易迁移通过电解质的晶格。 

由于各燃料电池产生较小的电压，可将几个燃料电池联合来提高系统的功率输出。这种阵列或堆积通常为管状或平面设计。平面设计通常具有沉积在导电互连元件上且串联堆积的平面阳极-电解质-阴极。然而，通常认为平面设计由于单元密封和平面堆积的复杂性而具有明显的安全性和可靠性问题。采用长的多孔支撑管且电极和电解质层位于支撑管上的管状设计减少了系统中需要的密封数目。燃料或氧化剂被引导通过管内或管外周的通道。 

这种管状燃料电池设计常规上通过制备具有不定性能的多层同心管状结构来实现，特别在高温电化学设备领域。各层之间的结合通常通过化学或烧结结合实现。这限定了可相互结合的材料种类。例如，陶瓷层和金属层通常不容易通过化学或烧结方法相互结合。此外，在所有层作为单一胚体制备并随后一起烧结的常规生产方案中，在施加外部同心层之前没有检查内部同心层外侧的合适机会。 

因此，需要用于将适用于高温运行设备的同心管状结构接合的改进技术。 

发明内容

本发明通过提供将同心管状结构接合以形成复合管状结构的方法满足了这种需要。所述方法包括将内部管状结构与外部管状结构同心放置，烧结该同心放置的管状结构，使得外部管状结构径向收缩并机械接合到内部结构上，形成复合管状结构。 

本发明方便地制备了具有两层或多层性能不同的同心层的管状体。所述层在制备过程中主要通过压力和摩擦力，以及可能的机械联锁相互接合；所述同心管不必通过相互粘附、化合或烧结结合以获得强结合。这促进了不同材料如陶瓷和金属的接合。本发明另一 益处在于施加外部同心层之前存在检查内部同心层外侧的机会。这给予了保证内部同心层质量的机会。这在所有层作为单一胚体制备并随后一起烧结的生产方案中是不可能的。 

同样，所述制备方法能在内部和外部结构之间引入其它结构，然后接合在一起形成更复杂的结构。 

下面详述中参考附图更详细地对本发明的这些和其它特征和优点进行描述。 

附图说明

图1显示了经自由烧结的管的剖视图。 

图2显示了本发明烧结到预烧结内管上的外管的剖视图。 

图3A-D显示了根据本发明制备的SOFC管状结构的剖面示意图。 

图4是参考图3A-D描述的根据本发明方法制备的固体氧化物燃料电池的管状组件内表面的放大照片。 

图5A-B显示了本发明一方面的一个实施方案，其中径向压缩烧结力可用于捕获(capture)内部和外部管状结构之间的物件(items)。 

图6A-B显示了本发明一方面的一个实施方案，其中与外管绕着内管收缩相关的径向压力通过另一管或环补充。 

图7A-B显示了本发明一方面的一个实施方案，其中当内管表面有突出时外部和内管之间的机械联锁提高。 

具体实施方式