[发明专利]导电层的制备方法

说明书

本发明涉及具有钙钛矿结构的导电层的制备方法。

具有钙钛矿结构的保护层被用于(例如)高温燃料电池(SOFC；固 体氧化物燃料电池)。这些高温燃料电池都是在大约650至900℃的 温度下操作的，因为只有在这样的温度下，才能达到实现高效发电的 热力学条件。在平板式SOFC电池系统中，将由阴极、固体电解质和 阳极形成的独立的电化学电池堆叠成叠堆，并将其通过金属部件(即， 所谓的连接体)连接在一起。

该连接体还将阳极气体空间和阴极气体空间分隔开。对于确保 高温燃料电池的高效性来说，致密的连接体与致密的电解质层一样重 要。适合作为连接体的材料也必须具有足够的导电性、并且能够抵抗 空气侧的氧化条件和燃料气体侧的还原条件。目前最符合这些要求的 是镧铬铁矿(Lanthan-Chromit)、其中掺杂有氧化钇的铬/铁合金、 和富铬铁素体。

为了减少铬在使用中的蒸发，所以将具有钙钛矿结构的导电层 沉积在连接体上。

钙钛矿目前被用于制备SOFC的阴极，根据其性质和掺杂程度 的不同，其具有混合导体的性质，即，钙钛矿既能传导电子也能传导 离子。即使在高氧分压下，钙钛矿也是热力学稳定的；并且为了改善 接触连接情况，钙钛矿也被施加于连接体的朝向阴极的一侧。

对于连接体的涂覆而言，除了简单地采用含有钙钛矿陶瓷的接 触浆料对表面进行涂覆之外，人们也对诸如APS(大气等离子喷涂， Atmospheric Plasma Spraying)、VPS(真空等离子喷涂，Vacuum Plasma Spraying)、浸涂或湿粉喷涂之类的工艺进行了评价，或将这 些工艺用于半工业化规模中。这些喷涂工艺也用于制备高温燃料电池 中的具有电化学活性的电池层。VPS和APS是在真空或大气条件下 进行的喷涂工艺。在这些工艺中，粉末在等离子流中熔化，当粉末颗 粒撞击到衬底表面上时，会立即固化成厚度为几个微米的平面形式。 在该技术中，一定程度的残余孔隙率是不可避免的。为了尽可能获得 气密结构，需要沉积厚度为大约30μm至50μm的厚层。因此，大量 的陶瓷材料被施加于衬底表面，这会相应地使成本增加。此外，在层 较厚的情况下，电子传输率会降低。永久性的孔隙率也会降低电子电 导率。

此外，还测试了CVD工艺，所述CVD工艺基于氯化物和其在 1100℃至1300℃的沉积温度下与水蒸汽的反应。使用该工艺制备了 厚度为20μm至50μm的层。该工艺的成本也较高，并且高的沉积温 度也是不利的。

为了更有效地解决以往连接体在接触连接时发生的问题，人们 已经开发出新的平板式SOFC设计，其中包括最近提出的所谓的MSC (金属支撑型电池，Metal Supported Cell)设计，其中，将电化学电 池直接施加于多孔支撑衬底。这些多孔金属支撑衬底既可用于阴极侧 也可用于阳极侧。

针对阳极侧的MSC设计能够获得高的功率密度，并形成一种廉 价的替代品。

由NiO-YSZ(用氧化镍-钇稳定化的氧化锆)构成并且直接与多 孔金属支撑衬底产生实质接触的阳极被用于MSC设计。由于传统上 这些支撑衬底由铬含量较高的铁基合金构成，所以在650℃至900℃ 下使用时，镍会从阳极扩散到支撑衬底中，或者铁和铬会从支撑衬底 扩散到NiO-YSZ阳极中。这种相互扩散现象的结果是，在接触区形 成Fe-Cr-Ni扩散区。与支撑衬底相比，该扩散区具有相当高的热膨 胀系数。这可能导致剥落，进而导致严重劣化或完全失效。可以通过 钙钛矿扩散阻隔层来防止这种相互扩散。到目前为止，可以通过沉积 多孔层来达到以上目的，因为使用其他方法会导致支撑衬底不再透 气。等离子喷涂的扩散阻隔层也被施加于连接体的阴极侧。但是由于 这种层具有固有的高孔隙率，所以在这种情况下使用的层很厚，因此 成本很高，这是不利的。

因此，本发明的目的是提供这样一种工艺，该工艺首先能够廉 价地制备薄的、致密的导电陶瓷层。

本发明的另一个目的是提供一种导电陶瓷扩散阻隔层，该导电 陶瓷扩散阻隔层被施加于多孔支撑衬底上，而不会显著影响支撑衬底 的透气性。