[发明专利]具有金属衬底的电化学电池和用于制造其的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属支撑的电化学电池(或称“具有金属衬底的电化学电池”)或“MSC”。

本发明还涉及用于制造金属支撑的电化学电池(或称“金属支撑型电化学电池”)的方法。

本发明的技术领域可概括地定义为新能源技术领域，尤其旨在减少温室气体排放或促进清洁、可更新的能源。

本发明的技术领域可更具体定义为电化学电池的领域，且更特定地为用于一般从600℃至900℃的高温应用的金属支撑电化学电池。这些电化学电池可以是用于大规模生产氢的高温蒸汽电解槽(“HTE”)的电池，或装备有氢或者各种天然燃料(如天然气或来自生物质的气体)的高温燃料电池类型的电池(“SOFC”-固态氧化物燃料电池)。

在生产氢的领域，有关的第一个部门是初级碳燃料(如煤和重烃类)的变换和气化(氢化)部门，以及传统石油化学工业。这些是有大规模生产的部门。

有关的第二个部门是包含在发展氢作为能源的角度内，尤其在经发展尤其是在集体住所安装的热电联产运作的系统的所谓的定置型发电系统(stationary power generation)的领域有应用的那些。

另外，在SOFCs的领域中，所谓的定置技术(stationary technology)还可以允许具有可能超过70％的高总体产率的热电联产系统使用天然气/民用燃气或使用源于其他资源的气体(来自填埋物的沼气或来自(废水)处理厂的污泥、来自生物质的气体等)来运行。

背景技术

第一代高温电解槽电池或第一代高温燃料电池包括由电解质形成的支撑，这些被称为“ESCs”-电解质支撑电池。这样的电解质支撑电池在图1图解说明：O₂氧电极(1)和氢或水电极(2)，设置在形成机械支撑体(3)的厚电解质的两侧。

第二代高温电解槽电池或第二代高温燃料电池包括由电极形成的支撑体，而因此称为以SOFC术语的“阳极支撑的电池-ASC”或以HTE术语的“阴极支撑的电池-CSC”。“ASC”或“CSC”电极支撑电池在图2图例说明：电解质(3)和氧电极(1)设置在用作机械支撑的厚氢或水电极(2)上。

第三代高温电解槽电池或第三代高温燃料电池，其是本申请中更特别感兴趣的，包括多孔金属支撑体，而因此称为金属支撑电池或MSC。这样的金属支撑电池可能具有分别在图3A和3B图例说明的两种结构，其取决于与多孔金属支撑体相接触的电极是氢或水电极(2)(图3A)还是也称为空气电极的氧电极(1)(图3B)。需要指出的是，在图3B中提到的尺寸(厚度)仅作为实例提供。在图3A和3B中显示的金属支撑电池包括四个层(包括一个金属层和三个陶瓷层)，即：

-通常具有几毫米，甚至小于1mm的厚度的多孔金属支撑体(4)，其保证：

○经由其机械性能和厚度机械地支撑电池，

○经由其多孔性向电极分配气体用于电化学反应

○经由其电子传导金属性质收集或分发电流。

-在SOFC模式中为阳极和在HTE模式中为阴极的H₂/H₂O电极(2)。因为金属支撑体(4)，该电极能够制成具有40至100μm的更薄的厚度，例如，其对氧化还原循环的抗性因此提高而成本是更低的；

-电解质(3)，用于O₂-离子的离子导体。电解质3可以制作得更薄，具有少于50μm的厚度，例如10至30μm，因此能降低其操作温度；

-在SOFC模式中为阴极和在HTE模式中为阳极的O₂电极，也称为空气电极(1)。该电极(1)通常具有40至80μm的厚度。

在金属支撑电化学电池的标准结构中，金属支撑可能具有几个毫米的厚度，氢电极40至100μm的厚度，电解质10至30μm的厚度，而空气电极40至80μm的厚度。

因此，利用小、窄厚度的电化学电池沉积于其上的金属机械支撑的金属支撑电池“MSC”的设计，与现有“电解质支撑”或“电极支撑”电池相比，能够提供众多优势。

陶瓷材料(最贵的)的数量有效地减少至最大值而性能水平更高，因为电解质(大部分的电阻组分)的厚度更小且通常小于50μm。

因为氢电极比在电极支撑的电池中薄，其通过“氧化还原”循环不易于降解。

金属支撑体，很好热和电导体，防止沿着电池的X-Y轴的温度方面的任何差异进而确保良好的电流集取。

由于低热惯性的良好机械抗性和良好温度分布，还提高了对热循环的抗性。机械支撑体很容易焊接或连接为形成层叠体(stack)的内部连接。