[发明专利]用于固体氧化物电化学电池的改进的阳极/电解质结构以及制造所述结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及改进固体氧化物电化学电池中的燃料电极的性能的方法。更具体地，本发明涉及固体氧化物电化学电池的改进的阳极/电解质结构，并且进一步地，本发明涉及制造所述结构的方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）是具有阳极（燃料电极）和被致密氧化物离子导电电解质隔开的阴极的电化学电池，所述电池在高温（800-1000℃）下工作。固体氧化物燃料电池中的阳极的功能是与燃料（其可以是氢气和烃）发生电化学反应，而阴极与空气或氧气反应而产生电流。SOFC的阳极包含催化活性的、导电（对于电子和氧化离子）的多孔结构，其被沉积在电解质上。传统的SOFC阳极包括金属催化剂和陶瓷材料的复合混合物，更具体地所述金属催化剂和陶瓷材料分别为镍和氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）。

阳极（燃料电极）必须能够在高电化学活性和良好的氧化还原稳定性方面产生高性能以用于燃料电池，如SOFC。目前最先进的Ni-YSZ阳极在高操作温度(往往高于800℃)下提供适当的电化学活性，但它们不是氧化还原稳定的。由于Ni的还原和氧化而产生的Ni-YSZ阳极的任何体积变化将导致阳极材料的不适当的机械应力，其转而将损害燃料电池的总体性能。

近几年来，已经做了许多努力来改进SOFC阳极的功能。例如，出版的美国专利申请2009/0218311记述了制备燃料电池的电极/电解质界面中的具有分层结构的催化剂。与电解质（如YSZ）、催化剂层（如Ni或Pd）和多孔层一起使用了塑料或玻璃基材。然而，在该方法中催化剂保持其层状结构，并由此它不会被分布。

US 2010/0075194公开了具有低极化电阻的高性能、低成本阴极，其很好地结合到电解质。该出版物涉及离子导电层（掺杂氧化铈）后接混合的离子导电和电子导电层。同样，催化剂保留在层状结构中，并因此不会被分布。

US 2009/0148742涉及高性能多层电极以及(i.a.)提到将氧化铈基离子导电和电子导电层插在阳极和电解质之间的界面中以改进SOFC阳极的电化学性能。

在美国专利6.420.064中，描述了包含混合的电子导电（Pd）和离子导电（YSZ）功能层的复合阴极如何通过，例如，丝网印刷沉积在电解质上。然后将钴酸镧印刷在功能层上，其随后在SOFC的工作过程中被原位烧结。

US 2009/0011314涉及具有减小的电阻的SOFC，其包括插在电极层和电解质层之间的包含离子导电材料的界面层。所述离子导电材料可以(i.a.)为YSZ或GDC，优选通过原子层沉积（ALD）插入，并且可以存在催化金属，如Pt。

最后，属于本申请人的US 2009/0061284记述了(i.a.)铌掺杂钛酸锶可以被用作SOFC阳极并用Ni和掺杂氧化铈浸渍。在该例子中，没有改进电极/电解质的界面，但存在与本发明中相同的铌掺杂钛酸锶。

高性能SOFC阳极的最近发展已经集中在利用氧化还原稳定的电子导电钙钛矿型氧化物，如铌掺杂钛酸锶（STN）。尽管STN在阳极测试条件下是稳定的并且也与电解质相容，但其缺乏对于氢氧化的电化学催化活性，而且，离子导电性对于高效阳极性能是不够的。

沉积在电解质上的STN具有骨架多孔结构（以下称为“骨架”），其能够保持电催化剂。阳极的发展中的一个最近趋势为通过催化剂渗透某一相应的盐（如硝酸镍或氯化镍)将纳米结构的电催化剂引入到骨架中。所述电催化剂可以是金属、陶瓷材料，如钆掺杂氧化铈（CGO）或两者的混合物。此外，CGO在骨架中提供了离子导电性。

发明内容

本发明基于以下出人意料的发现，即，如果将薄金属层（如Ni、Pd及其组合）、陶瓷层（如CGO、YSZ及其组合）或金属和陶瓷层两者引入骨架/电极组件（BEA）的界面中，然后加热完成的组件至高温，可能使金属/陶瓷功能夹层分布在骨架中并进入BEA中，则显著改进了作为SOFC 阳极的STN骨架的性能。这种分布的功能夹层充当电化学活性电极，并且此外，电催化剂渗透到STN骨架中显著改进了阳极性能，如上所述。