[发明专利]具有特殊电极层的固体氧化物燃料电池

说明书

本发明涉及燃料电池，特别是固体氧化物燃料电池。

燃料电池是电化学装置，该装置能把从反应物获得的化学能转化为电能。现有技术中已研制出多种此类装置，常根据电池中使用的电解质种类以及通常情况下的工作温度来区分它们的不同。所有燃料电池均在阳极或负极消耗燃料，在阴极或正极消耗氧化剂。固体氧化物燃料电池是人们普遍熟悉的，通常包括一个工业标准电解质块，该电解质块含有与之形成紧密导电接触的阳极和阴极。

在大多数已知的固体氧化物燃料电池中，电解质被夹在阳极和阴极之间，电池组中相邻电池间的阳极和阴极用一种内连或双向板连接在一起，可允许电池间进行电子传导，同时还可以将反应物气体隔离，使其被分别输送到阳极和阴极附近的区域。通常，反应物气体包括氧气和氢气(或含氢化合物，如甲烷等碳氢化合物)。氧气常由空气提供，作氧化剂；而氢气(或含氢化合物)则作燃料。内连或双向板或其一部分必须是不透气的，以隔离反应物气体。除此之外，内连或双向板还必须具有导电性，允许电子在电极表面往返输运，从而促进电化学过程。

然而，这些普通的固体氧化物燃料电池，都在各自不同的形式中，面临着许多问题，如不实用，成本高或效率低等。

为了解决这些问题，改善固体氧化物电池的性能，人们曾做过一些尝试。可以提高效率，但这却涉及提高工作温率高达1000℃左右的问题。如此高的温度，将会限制电池结构和辅助支撑结构中所能使用的材料种类。为了承受这种工作条件，需要用昂贵的国外材料。另外，高温下，电池的工作寿命也会缩短。

其它的办法是减小电解质厚度。采取这种方法的原因是，一般认为，减小电解质厚度可以降低电池的阻抗。但薄的电解质要求进一步加固整个支撑媒介，否则电池便易碎以至无法使用。这也提高了成本，并且为了使电池在工作条件下耐用，可能也要用到国外的材料。

本发明提供了一种固体氧化物燃料电池，它包括一层电解质材料，位于电解质材料一侧的第一层电极材料和位于电解质材料另一侧的第二层电极材料，其中至少有一层电极材料易与电解质材料发生反应，且该电极材料与电解质材料之间用一层含有混合导体的隔离层隔开。

本发明中提到的混合导体应是这样一种材料，它至少能部分地传导电子和氧离子。在每个电极层与电解质层之间都可以很方便地提供一个混合导体层。在这种情况下，两层混合导体材料可以不同，但最好相同。

已经认识到，传统电池中与电解质隔离的电极材料主要起电流收集的作用(电流收集极)，而混合导体材料则起电极的作用(电极)。

理想情况下，上述隔离层/电极材料应是这样一种陶瓷氧化物，它或者能在氧化气氛中保持稳定，或者能在还原气氛中保持稳定。这要由输运到相邻电极/电流收集材料表面的气体来决定。更理想的情况是，隔离层/电极材料在氧化气氛和还原气氛中均能保持稳定，这样，在两个电极/电流收集材料附近就可以使用相同的混合导体进行隔离。

根据本发明，固体氧化物燃料电池中用到的隔离层/电极材料最好是氧化铀，UO2，而且为了达到前面提到的稳定性，氧化铀中最好再掺杂一种或多种其它的氧化物。例如，可以在氧化铀中掺杂一些作为稳定剂的氧化钇。在与氧化铀形成的混合氧化物中，氧化钇的摩尔比在40％～60％之间较为可取。

电极材料通常是一种混合氧化物传导夹层，它最好包含氧化铀和氧化锆。若再将氧化铀以含有氧化钇的固溶体形式提供，那就更好了。

传导夹层可以从悬浮物中制取，此悬浮物还包含一种或多种如下物质：氧化钇致稳的氧化锆；鱼肝油；聚乙烯醇缩丁醛；聚乙烯乙二醇；二丁酯邻苯二酸盐；乙醇；萜品醇等。

所用氧化铀可包括天然的或贫化的氧化铀。所谓贫化的氧化铀，是指U235的含量小于天然氧化铀中U235的含量。

隔离层/电极材料层(若此材料层不止一个，则指其中每一层)的厚度最好小于100微米(μm)，以便在被隔离层/电极材料隔开的电解质材料和电极/电流收集材料(一层或两层)之间维持离子传导。

电解质材料可能包括一种以氧化锆为基础的离子传导基块，氧化锆中已掺入某种稳定剂，稳定剂可以任选，如可能是氧化钇。

电解质可以做成块状。它可以从氧化钇致稳的氧化锆中制取。氧化钇的含量一般在3％～12％之间，最好在8％左右。