[发明专利]互连和固体氧化物燃料电池装置

说明书

一种固体氧化物燃料电池(SOFC)的歧管和互连结构包括歧管，其具有致密且气密性的平坦表面，其对于供对应的SOFC使用的燃料气体是不可渗透的。多孔材料包括可渗透的平坦表面，其与歧管的平坦表面侧向接触，以形成电极互连部。在致密且气密性的平坦表面和可渗透的平坦表面之间的连结部的暴露的表面基本上是平的，并且没有不连续性、转角和接缝。致密且气密性的平坦表面、可渗透的平坦表面和连结部的暴露表面位于单个公共平面中，其适合于电极和电解质层的热沉积。

与联邦赞助研究&发展相关的申明

本发明是利用政府支持在由美国能源部授予的子合同号DE-NT0004109下做出的。政府在本发明中具有某些权利。

技术领域

本公开的主题大体涉及电化学装置，如固体氧化物燃料电池，并且更具体地说，涉及一种固体氧化物燃料电池(SOFC)的金属歧管和互连结构，其提供了与可渗透表面相邻的致密表面，以及垂直于表面的界面连结部的平坦过渡，以使两个表面在相同平面中。随后的电极和电解质层沉积到表面上，以使它们平行于平坦的互连表面。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)以高效率和低排放将化学能转换成电能。阴极一方面使氧气还原，并且将氧离子供应至气密性电解质。气密性电解质将氧离子在高温下传导至阳极，其中氧离子使氢气氧化，以形成水。连接阳极和阴极的电阻性负载传导电子，以执行工作。

基于传统陶瓷烧结技术的阳极-支承的SOFC在高产量下受到可制造的最大电池尺寸的限制；并且基于烧结的制造设施需要大的投资。然而，利用热喷雾沉积的金属互连-支承的SOFC提供了各种制造益处以及更为凹凸不平的设计。结果，电池尺寸可比利用烧结制造时所观察的更成功地增大。热喷雾沉积电解质的成功不仅取决于内在的涂覆气密性，而且还取决于互连衬底的设计。

互连表面需要是相对平滑的，以防止在沉积电极，典型地但不排他地沉积阳极和随后的电解质时形成大的缺陷，其可导致在高的燃料利用率(U_f)下的低的开路电压(OCV)和不良性能。另外，互连需要具有燃料流场，其设计成允许足够的燃料气体到达阳极和电解质界面，以最小化质量传输极化。典型地，这通过利用大的穿孔或互连的孔隙来实现。供给到热喷雾工艺中的粉末原料可在100nm至大约50um的范围内，用于热喷雾沉积，从而将互连的燃料流场限制于小于大约100um的多孔特征尺寸。比粉末尺寸小大约两倍的多孔特征尺寸典型地足以沉积完全且均匀的涂层，其中阳极和电解质粉末可在不形成可渗透的缺陷的情况下将特征充分地桥接。多孔金属泡沫的使用已经显示了用于提供足够的燃料以到达阳极和电解质界面的希望，同时仍然保持气密性的电解质涂层没有裂纹引起的缺陷。然而，需要将多孔金属密封于致密的金属歧管的已知设计导致了锐利的过渡转角和接缝，它们阻止了完全的电解质覆盖，并且在电解质沉积之后引起高应力集中的局部区域。应力显著地增大了在操作期间破裂的可能性，导致OCV和U_f的损失，并且可最终引起SOFC故障。

因为OFC流场将燃料气体或空气携带至电极，用于电化学反应，所以气体和空气流场结合它们相应的歧管必须分开和密封成防止燃料和空气混合。此外，气体和空气流场在提供电气互连的同时还必须是电绝缘的，从而传导来自它们相应的阳极或阴极电极的电子。

歧管和流场必须为反应剂气体提供到达电极的路径。这典型地使用穿孔的、通道化的或波纹状的设计来实现。这些设计不提供基本上平滑且平坦的衬底，用于平坦的涂覆沉积。例如，热喷雾沉积技术需要光滑表面用于均匀涂覆，而没有锐利的特征，其可引起大的局部应力，从而导致裂纹。这些品质对于确保电解质涂覆的气密性是期望的。电解质不仅需要在内在上为气密性的，而且还必须形成对歧管的致密部分的密封。