[发明专利]平面型高温燃料电池

说明书

本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的平面型高温燃料电池。此外，本发明涉及一种用这种燃料电池构成的燃料电池装置，以及涉及一种燃料电池的制造方法。

固体电解质高温燃料电池的主要特点在于陶瓷的固体电解质，它通常设计为在两个电极之间的氧化物陶瓷层。这种固体氧化物燃料电池(SOFC＝Solid Oxide Fuel Cell)通常有工作温度为600℃-1000℃。在这种温度下电化学置换反应最佳。低的工作温度有降低燃料电池装置成本的发展趋势。

在功率范围＞100kw时，世界上迄今主要采用管状设计的高温燃料电池装置(SOFC)工作。相关的电池全陶瓷构成，其中在一个陶瓷基座上施加(例如涂覆、沉积或电镀)不同的功能层。基座处于电池的空气侧以及由阴极材料组成。这种燃料电池的潜力在不同地方公开介绍，例如出版物“Fuel CellSystems：Towards Commerzialition”in Power Journal 2001，pp.10-13(出版者：Siemens AG)。

一种不同于管状燃料电池的方案是具有平面层状结构的平面型燃料电池。例如在出版物VIK-报告“燃料电池”(Nr.214(Nov.1999)，第49页起)中介绍了平面型SOFC。

对于全陶瓷电池必要的高工作温度被有意容忍，因为这种装置在另一方面表现出可以达到极低的降解值，它在评价燃料电池时标准的1000小时工作中低于0.1％。

在全陶瓷燃料电池中在制造阴极基座时可能产生疑难问题。管内的不均匀性增加基座断裂的可能性，并因而影响产量。此外，在全陶瓷燃料电池中由于加工步骤很多导致增大制造误差，这有可能同样限制可用性。

业界已经讨论，在低的或中等温度下工作的燃料电池包含一系列新的可能性。这尤其涉及电池及外围的材料选择。也就是说，低的约600℃的工作温度，允许在各燃料电池模块内和在其外围使用高合金的优质钢和/或其他合金。

由此出发，本发明的目的是建议一种含有陶瓷电解质的新型平面燃料电池，它尤其带来降低工作温度的可能性。

按本发明此目的通过按权利要求1的燃料电池达到。为构成相应的燃料电池装置使用这种燃料电池的串联线路是权利要求14的技术主题，以及一种制造这种燃料电池或制造用这种燃料电池构成的燃料电池装置的方法，是权利要求15的技术主题。在从属权利要求中说明燃料电池或燃料电池装置以及相关的制造方法的进一步发展。

这种新型固体陶瓷燃料电池重要的方面是，在阴极侧存在一个用于功能层(阴极、电解质、阳极)的多孔金属基座。采用这种金属基座，使这种燃料电池可以在400℃至800℃范围内工作，有利地在600℃工作。在这种温度下不仅对外围结构的要求很低，而且对燃料电池结构本身的要求也很低。基于降低温度所以可以减小制造成本，与此同时电池获得更好的机械性质，并带来改进工艺控制的可能性。这尤其也适用于制造作为在金属基座上的功能层的电极和/或电解质。

通过使用金属基座，几乎不影响这种燃料电池的使用寿命。与陶瓷的设计方案相比，金属基座的壁厚可以显著减小。由此降低阴极侧影响氧扩散的极化电阻。此外，高合金的优质钢粉末比陶瓷阴极粉末(LSM或LCM)便宜得多。

总之，由此导致在整个电池至少电化学性能等价的情况下显著节省费用。

用于功能层的新型多孔金属基座可以用普通的粉末冶金制造方法生产。与陶瓷加工过程相比，它的成本要低一些。

虽然由尤其N.P.Branden等人在“Journal of Materials Engineering andPerformance”(13(2004)，253至256页)中公开的现有技术，已知在阳极侧具有金属基座的燃料电池具体结构，然而在阴极侧使用金属基底，则是由本发明第一次作出这种可行性说明。

具有阴极侧金属基底的本发明，一个突出的优点在于，在阴极侧的体电阻由此可保持为可忽略不计的低值。这是在所有采用阳极侧支承的管状电池设计的SOFC中薄弱环节之一。在那里，电子必须例如通过采用银丝分布在阴极上。

在阴极侧使用多孔金属时必须注意，在含铬的金属结构表面形成的氧化铬面层导电性较差，以及从这一表面挥发的铬化合物蒸发，它们会给阴极的电化学特性带来负面影响。本发明通过选择特殊的合金顾及这些特性，这些合金表明氧化络面层生长特别缓慢(例如Plansee攀时公司材料IT11)。因为欧姆电阻取决于层厚，所以在这里可以预期通过氧化层的电压降很小。此外，铬蒸发作为热活性过程与温度有很密切的关系，以及在这里当工作温度降低时明显减少。对于蒸发率还必须进一步减少的情况，基座可以设置相应的阻挡层。