[发明专利]对氧化锆为主的电解质提供抗腐蚀性的多层涂层

说明书

技术领域

本发明通常涉及固体氧化物燃料电池(SOFC)，且更特定来说涉及对用于固体氧化物燃料电池的氧化锆为主的电解质提供抗腐蚀性的涂层。

背景技术

燃料电池是可以高效率将燃料中所储存的能量转化成电能的电化学装置。电解槽电池是可使用电能还原给定材料(例如水)以产生燃料(例如氢)的电化学装置。燃料电池和电解槽电池可包括以燃料电池和电解模式两者操作的可逆电池。

在诸如固体氧化物燃料电池(SOFC)系统等高温燃料电池系统中，氧化流通过燃料电池的阴极侧，而燃料流通过燃料电池的阳极侧。氧化流通常为空气，而燃料流可为烃燃料，例如甲烷、天然气、丙烷、乙醇或甲醇。在介于750℃与950℃之间的典型温度下操作的燃料电池使得能够组合氧与游离氢，从而留下多余电子。过量电子经选路经过在阳极与阴极之间完成的电路回到燃料电池的阴极侧，从而产生流经电路的电流。

燃料电池堆叠可在内部或外部装有用于燃料和空气的歧管。在内部装有歧管的堆叠中，使用堆叠内含有的上升管将燃料和空气分布到每一电池。换句话说，气体流经每一燃料电池的支撑层(例如电解质层)中的开口或孔和每一电池的气体分离器。在外部装有歧管的堆叠中，堆叠是在燃料和空气入口和出口侧上开口，且燃料和空气是独立于堆叠硬件来引入和收集。例如，入口和出口燃料以及空气在介于堆叠与堆叠定位于其中的歧管外壳之间的单独通道中流动。

燃料电池堆叠通常是从多个呈平面元件、管或其它几何结构形式的电池构建。燃料电池堆叠(尤其是那些具有平面几何结构者)通常在电解质与互连件表面之间使用密封件以在堆叠内的多个位置处含有燃料和空气。如图1中所显示，在内部装有用于燃料的歧管(即，其中通过堆叠中SOFC和互连件中的燃料上升管开口提供燃料)的燃料电池堆叠中，已在环密封件处观察到由电池电解质腐蚀引起的电解质裂纹形成。环密封件是在给定SOFC的阴极(即空气)侧与邻近互连件(也称为气体分离板)的空气侧之间围绕燃料入口和燃料出口上升管开口的密封件。此腐蚀结合操作期间出现的应力在高温下(例如在900℃下在2小时后)产生裂纹、电池裂纹和灾难性故障，如图2中所显示。

发明内容

实施例涉及包含多个固体氧化物燃料电池(SOFC)和多个互连件的SOFC堆叠。每一互连件位于两个邻近SOFC之间，且每一互连件在所述互连件的空气侧上含有含Mn或Co的导电金属氧化物层。SOFC堆叠还包含位于导电金属氧化物层与邻近SOFC之间的障壁层。障壁层经配置以防止Mn或Co从导电金属氧化物层扩散到邻近SOFC。

另一实施例涉及用于固体氧化物燃料电池(SOFC)的平面互连件，所述互连件包含燃料入口上升管开口、燃料出口上升管开口、互连件的空气侧上的多个第一流动通道和互连件的燃料侧上的多个第二流动通道。平面互连件还包含覆盖互连件的空气侧的导电金属氧化物层和邻近燃料入口上升管开口和燃料出口上升管开口的区域中的导电金属氧化物层上方的障壁层。

另一实施例涉及制造固体氧化物燃料电池(SOFC)堆叠的方法。所述方法包含提供多个SOFC和提供多个导电互连件，每一导电互连件在互连件的空气侧上包括导电金属氧化物层。所述方法还包含在堆叠中的多个导电互连件中的每一者与邻近SOFC之间提供密封件。障壁层位于导电金属氧化物层与邻近SOFC之间，障壁层经配置以防止Mn或Co从金属氧化物层扩散到邻近SOFC。

另一实施例涉及用于固体氧化物燃料电池(SOFC)的互连件，其包括互连件的空气侧上的多个第一流动通道、互连件的燃料侧上的多个第二流动通道和位于互连件的空气或燃料侧的至少一部分上方的钝化或保护性障壁层。障壁层包括粘土、除钙钛矿或尖晶石外的陶瓷、碱土硅酸盐或玻璃陶瓷中的至少一者。

附图说明

图1和2是显示现有技术的SOFC堆叠中的电池电解质腐蚀和裂纹的照片。图1是腐蚀的特写且图2是含有裂纹(圆圈状)的SOFC的俯视图。

图3图解说明本发明实施例的SOFC堆叠沿图4A和5A中的线A-A的侧面剖视图。

图4A和4B是本发明实施例的互连件的空气侧的俯视图。图4C是互连件的燃料侧的俯视图。

图5A和5B是本发明实施例的燃料电池的空气侧的俯视图。

图6A、6B和6C图解说明本发明实施例的SOFC堆叠沿图4B和5A中的线B-B的侧面剖视图的一部分。

图7图解说明现有技术的SOFC堆叠的侧面剖视图的一部分。

图8是电解质的粒间腐蚀理论的示意性图解说明。