[发明专利]固体氧化物燃料电池

说明书

本申请是2009年5月8日提交的，申请号为200780041560.X，名称为“固体氧化物燃料电池”的发明申请的分案申请。

技术领域

本申请涉及固体氧化物燃料电池以及，更特定地，涉及具有显著增加的电极比面积(electrode area per volume)的高效固体氧化物燃料电池。

背景技术

燃料电池涉及电化学地引起燃料的氧化反应并将氧化反应中产生的自由能转化成电能。这种燃料电池已经发展出多种类型和结构，包括磷酸盐燃料电池、聚合物电解质燃料电池、熔化碳酸盐燃料电池以及固体氧化物燃料电池。

这种固体氧化物燃料电池在大约600到1000℃的高温下运行，从而产生电能和热能。因此在进一步发展的燃料电池中，这种固体氧化物燃料电池展现出最高的能量转化效率。由于能量转化效率的增加，如果固体氧化物燃料电池投入实际应用，其将能够替换现有的能量转化器件。而且，如果在固体燃料电池中使用氢作为燃料，减少二氧化碳(CO2)的排放成为可能。因此，可以期待固体氧化物燃料电池作为能源用在未来能量体系中。

同时，固体氧化物燃料电池具有优势，因为其能够使用天然气、煤气等以及氢气。这是因为固体氧化物燃料电池是在高温下运行并且因此可以在燃料电极(即阳极)上发生反应。与熔化碳酸盐燃料电池不同，固体氧化物燃料电池并不使用液体电解质并且由于不存在材料腐蚀、电解质损耗以及电解质补充的问题而具有优势。从固体氧化物燃料电池散出的高质量废热能够在混合发电中得到恢复和使用，从而增加整个发电系统的效率。

原则上，固体氧化物燃料电池由单体电池组成，每一个电池包括氧离子导电电解质层、空气电极(即阴极)和燃料电极，后两者设置在前者的相对面上。如果空气和氢气燃料施加到单体电池的电极上，氧的还原反应发生在空气电极上从而产生氧离子。氧离子通过电解质层移动到燃料电极并且与施加到燃料电池的氢发生反应，从而产生水。同时，电子在燃料电极上产生并且在空气电极上消耗。因此，在燃料电极和空气电极的互联中产生电流。

在这种固体氧化物燃料电池中，电解质层需要拥有足够大的离子传导率以允许氧离子通过。为了减少氧离子通过的阻力，还可以要求电解质层形成为薄膜，其在保证机械耐用性的范围内具有最小的可能厚度。

按照燃料电池组的类型，固体氧化物燃料电池大致分为两种，即管状固体氧化物燃料电池和平面固体氧化物燃料电池。管状固体氧化物燃料电池可以在大量专利文献中找到，包括KR10-0286779B和KR10-0344936B。平面固体氧化物燃料电池在例如KR2000-0059837A。

平面固体氧化物燃料电池可以分成自支撑型燃料电池和支撑体型燃料电池。通过在至少有约200μm厚的电解质衬底的相对侧上涂敷几十微米厚的阳极和阴极来制造自支撑型燃料电池的单体电池。通过在有1到2mm厚的多孔电极支撑体上形成约20μm厚的薄的电解质膜来制造支撑体型燃料电池的单体电池。

然而，包括上述专利文献公开的平面固体氧化物燃料电池在内的传统固体氧化物燃料电池面临着许多棘手的问题，因为其难以减少电解质层的厚度和扩大电极区域从而保证高效发电。例如，当电极表面涂敷电解质并且对其热处理以减少电解质层的厚度时，由于电极材料和离子导电材料在热性能上的差异导致了更多的内部缺陷。特别地，电解质涂层和热处理引起缺陷，即在电极材料上形成的电解质层中产生的小针孔，以及另一个缺陷，即燃料通过针孔与空气直接接触，从而减少了能量转化效率。在电极和电解质层共熔时会有一个问题，电解质层的属性因电极和电解质层之间的反应而改变，这导致电解质层的离子传导率下降。

为了增加固体氧化物燃料电池的输出功率，需要以能够具有大的面积的组合燃料电池组的方式来对多个单体电池进行互连。尽管在连接单体电池中使用金属，但是仍然存在问题，因为电极构造材料即陶瓷和电池连接金属之间的热膨胀系数的差别会导致固体氧化物燃料电池耐用性的损害。特别是，存在这样的问题，固体氧化物燃料电池可能会被燃料电池快速激活和去激活时不断增加的热应力破坏。

发明内容

技术问题

考虑到现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种固体氧化物燃料电池，其能够通过使用一种结构，使得电极比面积获得大大增加并且因此展示出高效率，该结构中，在电解质块中形成沟道，在该电解质块的每一个沟道中设置空气电极和燃料电极。

本发明的另一个目的是提供一种固体氧化物燃料电池，其能够通过减少电解质块的厚度来大大增强离子传导率、减少离子流动电阻和明显降低工作温度。