[发明专利]通过掺杂得到的高度可烧结的钛酸锶镧互连物

说明书

相关申请

本申请要求于2008年12月18日提交的美国临时申请号61/203,073的权益。以上申请的全部传授内容通过引用结合在此。

背景技术

燃料电池是一种通过化学反应产生电的装置。在不同的燃料电池之中，固体氧化物燃料电池使用了一种硬质的、陶瓷的化合物金属(例如，钙或锆)氧化物作为电解质。典型地在固体氧化物燃料电池中，在阴极处一种氧气如O₂被还原为氧离子(O^2-)，在阳极处一种燃料气体如H₂气被这些阳离子氧化而形成水。燃料电池一般被设计为堆叠，由此将各自包括一个阴极、一个阳极以及在阴极与阳极之间的一种固体电解质的多个子组件串联组装，是通过在一个子组件的阴极与另一个的阳极之间定位一种电连接。

在固体氧化物燃料电池(SOFC)的发展中的一个主要的材料挑战是该互连材料，这种互连材料提供了用于电流在电极之间穿过并且到达外部电路的传导路径。这种互连物还作为一个分离片起作用，该分离片将阳极空腔内的燃料与阴极空腔内的空气或氧气物理地分开。因此，该互连材料必须具有良好的导电性以将电阻损耗最小化并且必须在氧化性以及还原性条件下均是稳定的。SOFC在高温下运行，并且因此这种互连材料的热膨胀系数(CTE)必须与其他电池部件的这些值接近以便将热应力最小化。互连材料的其他要求包括：足够的机械强度、对氧气和氢气的较低通透性、以及适当的热传导率。Jeffrey W.Fergus，Lanthanum chromite-based materials for solid oxide fuel cell interconnects，Solid State Ionics，171 pp.1-15(2004)；Zhenguo Yang，Recent advances in metallic interconnects for solid oxide fuel cells，International Materials Reviews，53[1]pp.39-54(2008)。

总体上存在两种途径来发展用于SOFC的互连材料：金属的以及陶瓷的，它们各自提供了不同的优点和挑战。金属的互连物具有良好的导电性，但是当暴露于SOFC的阴极处的氧化条件下时是不稳定的，这样通常要求用一种传导性的氧化物(例如尖晶石)来涂覆其表面。陶瓷的互连材料是氧化物类，并且因此在氧化性气氛中是稳定的，但是典型地具有与金属相比更低的导电性。原材料的高成本以及获得高密度时的制造困难是与陶瓷互连物相关的一些其他问题，它们阻碍了其在SOFC中的应用。

镧掺杂的钛酸锶(LST)是有前途的互连材料，它们当用作薄层时具有在还原性环境中的良好的化学及尺寸稳定性、低的氧离子迁移率以及可接受的低电阻。它们还表现出了与阴极以及阳极材料的良好相容性而不形成有害的第二相。然而，当与氧化钇稳定的氧化锆(8mol％YSZ)电解质进行共烧制时，可烧结性典型地是一种限制。目前，LST一般需要在1,460℃-1,500℃进行烧结以便能完全致密化，而YSZ(例如像来自Tosoh(Tosoh USA，Grove City，OH)的TZ-8Y)可以在1,350℃烧结至全密度。因此，LST材料总体上需要进行物理或化学改性以改进其可烧结性从而使能与YSZ电解质进行共烧制。

发明内容

本发明总体上是针对一种形成互连材料的方法、所形成的互连材料、以及包含本发明的互连材料的一种固体氧化物燃料电池。本发明还针对包括本发明的互连材料的一种钛酸锶变阻器以及一种钛酸锶电容器。