CN105359318A - 包括多层互连接件的燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
在一些实施例中,一种燃料电池包括具有第一阳极和第一阴极的第一电化学电池；具有第二阳极和第二阴极的第二电化学电池；和构造成将电子流从第一阳极传导到第二阴极的互连接件,其中所述互连接件包括第一部分和第二部分,其中第一部分比第二部分更靠近阳极,和第二部分比第一部分更靠近阴极,其中第一部分包括掺杂的二氧化铈、掺杂的亚铬酸镧,和掺杂的亚铬酸钇中的一种或多种,和其中第二部分包括Co-Mn尖晶石和ABO3钙钛矿中的一种或多种。
Description
本发明在美国能源部授予的辅助协议DE-FE0000303的政府支持下完成。政府享有本发明的某些权利。
技术领域
本发明总体涉及燃料电池,例如固体氧化物燃料电池。
背景技术
燃料电池、燃料电池系统和用于燃料电池和燃料电池系统的互连接件(interconnect)仍然是感兴趣的领域。相对于某些应用而言，现有的一些系统具有各种短处、不足和劣势。因此，本领域仍需要对该领域的技术作出进一步的贡献。
概述
描述了用于燃料电池例如固体氧化物燃料电池(SOFC)的活性层的示例组合物和构造。在一实施例中,本发明涉及燃料电池，该燃料电池包括具有第一阳极和第一阴极的第一电化学电池；具有第二阳极和第二阴极的第二电化学电池；和构造成将电子流从第一阳极传导到第二阴极的互连接件,其中所述互连接件包括第一部分和第二部分,其中第一部分比第二部分更靠近阳极,和第二部分比第一部分更靠近阴极,其中第一部分包括掺杂的二氧化铈、掺杂的亚铬酸镧(lanthanumchromite)和掺杂的亚铬酸钇(yttriumchromite)中的一种或多种,和其中第二部分包括Co-Mn尖晶石和ABO3钙钛矿中的一种或多种。
在一实施例中,本发明涉及燃料电池，该燃料电池包括具有第一阳极和第一阴极的第一电化学电池；具有第二阳极和第二阴极的第二电化学电池；和构造成将电子流从第一阳极传导到第二阴极的互连接件,其中所述互连接件包括第一部分和第二部分,其中第一部分比第二部分更靠近阳极,和第二部分比第一部分更靠近阴极,其中第一部分包括掺杂的二氧化铈、掺杂的亚铬酸镧,和掺杂的亚铬酸钇中的一种或多种,和其中第二部分包括Co-Mn尖晶石和ABO3钙钛矿中的一种或多种。
在另一实施例中,本发明涉及一种用于制造燃料电池的方法,所述方法包括形成燃料电池结构,所述结构包括:具有第一阳极和第一阴极的第一电化学电池；具有第二阳极和第二阴极的第二电化学电池；和构造成将电子流从第一阳极传导到第二阴极的互连接件,其中所述互连接件包括第一部分和第二部分,其中第一部分比第二部分更靠近阳极,和第二部分比第一部分更靠近阴极,其中第一部分包括掺杂的二氧化铈、掺杂的亚铬酸镧,和掺杂的亚铬酸钇中的一种或多种,和其中第二部分包括Co-Mn尖晶石和ABO3钙钛矿中的一种或多种。
在另一实施例中,本发明涉及一种包括控制操作燃料电池来发电的方法,其中所述燃料电池包括具有第一阳极和第一阴极的第一电化学电池；具有第二阳极和第二阴极的第二电化学电池；和构造成将电子流从第一阳极传导到第二阴极的互连接件,其中所述互连接件包括第一部分和第二部分,其中第一部分比第二部分更靠近阳极,和第二部分比第一部分更靠近阴极，其中第一部分包括掺杂的二氧化铈、掺杂的亚铬酸镧,和掺杂的亚铬酸钇中的一种或多种,和其中第二部分包括Co-Mn尖晶石和ABO3钙钛矿中的一种或多种。
在附图和以下描述中详细说明了本发明的一种或多种实施方式。通过附图和详述以及权利要求书，不难了解本发明的其它特征、目的和优点。
附图简述
本文的描述参考附图，其中在所有的几个视图中相同的附图标记指示相同的部件。
图1是示意图，显示根据本发明的一实施方式的示例燃料电池系统。
图2是示意图，显示根据本发明的一实施方式的示例燃料电池系统的横截面。
图3是示意图，其显示示例双层互连接件的横截面。
图4和5是显示本发明的一种或多种方面的图表。
参考附图，示意性地显示根据本发明的实施方式的非限制性示例燃料电池系统的一些方面。在附图中，显示了本发明的实施方式方面的各种特征、组件以及它们之间的相互关系。但是，本发明不限于提供的特定实施方式，也不限于附图所示和本文所述的特征、组件以及它们之间的相互关系。
具体描述
如上所述,本发明的实施例涉及采用一种或多种互连接件的燃料电池，该互连接件包括第一部分和第二部分,其中第一部分比第二部分更靠近阳极,和第二部分比第一部分更靠近阴极,其中第一部分包括掺杂的二氧化铈、掺杂的亚铬酸镧,和掺杂的亚铬酸钇中的一种或多种,和其中第二部分包括Co-Mn尖晶石和ABO3钙钛矿中的一种或多种。互连接件包括具有不同组合物的多于一种的部分或层,互连接件可称为“双层”互连接件。实施例不限于两个层，并可包括具有多于两层且各层具有不同的组合物的构造。
阳极、电解质和阴极是固体氧化物燃料电池的3个组件。当使用多个燃料电池构造成堆叠件时,通过互连接件使一个电池的阳极与相邻电池的阴极连接。在这种情况下，互连接件至少起着两种作用：1)分离燃料和空气,和2)将电子从阳极运输到阴极。因为互连接件可在一侧接触燃料并在另一侧接触空气(或其它氧化剂)，可需求互连接件在低和高pO2的情况下都是稳定的。在一些实施例中,可由掺杂的亚铬酸镧形成陶瓷互连接件。然而,在正常的燃料电池堆叠件操作条件例如高蒸汽条件下，铬铁矿(chromite)可产生稳定性问题。此外，因为铬铁矿的烧结能力以及在空气中形成Cr蒸汽相，在正常的燃料电池加工温度和受约束的烧制下可能难以致密化铬铁矿。
在正常的燃料电池操作条件下，例如与金属互连接件相比,陶瓷互连接件呈现较良好的长期稳定性,且成本可比贵金属或贵金属金属陶瓷更低。在有些SOFC中,将所有的活性层(阳极，电解质，连接两个相邻电池的互连接件、阴极和集电器)丝网印刷到惰性多孔陶瓷管上。在x-y平面约束这些层的烧制，收缩只发生在z(厚度)方向。在这种电池技术中，完全致密化有些层是个挑战。为了具有可靠的燃料电池系统,可期望有些层例如电解质和互连接件是致密和基本上不可渗透气体的，从而分离燃料气体和空气。掺杂的亚铬酸镧是用于平坦的固体氧化物燃料电池设计的一种陶瓷互连接件。然而,因为铬铁矿的低烧结能力以及在空气中形成Cr蒸汽相，当将这种材料用于一些设计时，在正常的燃料电池加工条件(空气中约1300-1400℃的烧结温度)下，不能实现基本上不可渗透气体的掺杂的亚铬酸镧。
根据本发明的一种或多种实施例,可采用包括具有不同组合物的两个层或两个部分的互连接件。在一些实施例中,双层陶瓷互连接件构造允许在燃料侧上的互连接件的组合物可不取决于和不同于在空气侧上的互连接件的组合物。使用这种设计，可选定在燃料侧和空气侧上的互连接件部分的组合物来满足所需的设计要求,例如热膨胀系数(CTE)匹配以及与阳极和阴极侧材料的化学兼容性、在燃料电池操作时的长期稳定性和/或进行致密化来分离燃料和空气。使用这种互连接件构造,可在正常的燃料电池加工条件，将双层陶瓷互连接件烧结成致密、不可渗透气体的。在一些实施例中,用于在空气侧上的双层陶瓷互连接件的材料包括Co-Mn尖晶石或LSM钙钛矿。在燃料侧上,互连接件层可包括掺杂的二氧化铈或具有其它高导电钙钛矿的复合材料。
图1是示意图，显示根据本发明的一实施方式的示例燃料电池系统10。如图1所示，燃料电池系统10包括在基材14上形成的多个电化学电池12(或“单独的燃料电池”)。通过互连件16将电化学电池12串联地连接在一起。如下所述，所述多个电化学电池12中的一个或多个可包括由本文所述的示例组合物形成的双层互连接件。燃料电池系统10是沉积在平坦的多孔陶瓷管上的串联型分段设置，但应理解本发明同样适用于其在其它基材上(例如在圆形多孔陶瓷管上)的串联型分段设置。在各种实施方式中，燃料电池系统10可为集成的平坦的燃料电池系统或管状燃料电池系统。
各电化学电池12包括氧化物侧18和燃料侧20。氧化物通常是空气，但也可为纯氧(O2)或其它氧化物,例如包括用于具有空气循环回路的燃料电池系统的稀释空气，并从氧化物侧18供应到电化学电池12。基材14可具有特殊加工的孔隙率，例如在燃料电池操作条件下多孔陶瓷材料是稳定的，且与其它燃料电池材料化学兼容。在其它实施方式中，基材14可为表面改性的材料,例如,具有涂层或其它表面改性的多孔陶瓷材料，例如构造成防止或减少电化学电池12层和基材14之间的相互作用。通过在多孔基材14中的通道(未显示)，从燃料侧20将燃料例如重整的烃燃料(例如合成气)供应到电化学电池12。虽然在一些实施例中可使用从烃燃料重整的空气和合成气体,但应理解在不偏离本发明的范围的情况下，电化学电池可使用其它氧化剂和燃料例如纯氢和纯氧。此外，虽然将燃料通过基材14供应到电化学电池12,但应理解，在其它实施方式中，可通过多孔基材将氧化剂供应到电化学电池。
图2是示意图，显示根据本发明的一实施方式的示例燃料电池系统10的横截面。燃料电池系统10可由丝网印刷到基材(或多孔阳极阻挡层)14上的多个层形成。这可包括一种过程，其中纺织的网具有开口，通过该开口将燃料电池层沉积到基材14上。丝网的开口决定印刷的层的长度和宽度。丝网、丝线直径、油墨的固含量和油墨的流变学可决定印刷的层的厚度。燃料电池系统10层包括阳极导电层22,阳极层24,电解质层26,阴极层28和阴极导电层30。在一种形式中，电解质层26可为单一层，或可由任意数目的子层形成。应理解，图2无需按比例绘制。例如，为了清楚的说明，放大了垂直的维度。
在各电化学电池12中,阳极导电层22传导自由电子远离阳极24，并通过互连接件16将电子传导到阴极导电层30。阴极导电层30将电子传导到阴极28。互连接件16嵌入在电解质层26中,并通过第二部分52(也称作第二CIC)电气连接到阳极导电层22和通过第一部分50(也称作第一CIC)电气连接到阴极导电层30。
用于固体氧化物燃料电池(SOFC)的互连件16优选地是电学导电的，从而在电化学电池之间传输电子；在燃料电池操作时，在氧化和还原环境中都是机械和化学稳定的；以及非多孔的，从而防止燃料和/或氧化物透过该互连接件扩散。如果互连接件是多孔的，燃料可扩散到氧化物侧并燃烧，导致局部较热的区域，例如因为材料降解和机械失效，这可导致降低燃料电池寿命，以及降低燃料电池系统的效率。类似地，氧化物可扩散到燃料侧,导致燃烧燃料。严重的互连接件泄漏可显著地降低燃料利用率和燃料电池的性能,或者给燃料电池或堆叠件带来毁灭性的失效。
根据本发明的一种或多种实施例，互连接件16可包括具有不同组合物的两个或多个层,例如,第一CIC部分50和第二CIC部分52。可定制最靠近阴极28和阴极导电层30(即,图2中的第一CIC部分52)的互连接件层的组合物，使其具有适用于氧化剂侧的性质,例如,在空气流、高pO2下稳定并与阴极侧材料相兼容的材料。反之，可定制最靠近阳极24和阳极导电层22(即,图2中的第二CIC部分52)的互连接件层的组合物，使其具有适用于燃料侧的性质,例如,在燃料环境、低pO2下稳定并与阳极侧材料相兼容的材料。具有图2所示的互连接件16构造,互连接件16可允许电流流经互连接件膜的厚度。例如与贵金属或金属陶瓷相比，因为相对较低的导电率，这在互连接件由陶瓷材料形成的情况下可能是所需的。这种构造可设计来减少来自双层互连接件16的欧姆电阻。
阳极导电层22可为由下述材料形成的电极导电层：镍金属陶瓷,例如Ni-YSZ(例如,其中氧化锆掺杂3-8摩尔％的氧化钇,),Ni-ScSZ(例如,其中掺杂4-10摩尔％氧化钪,优选地包括第二掺杂，例如对于10摩尔％氧化钪-ZrO2为了相稳定性使用1摩尔％的二氧化铈)和/或Ni-掺杂的二氧化铈(例如Gd或Sm掺杂),掺杂的亚铬酸镧(例如在A位点上掺杂Ca和在B位点上掺杂Zn),掺杂的钛酸锶(例如在A位点上掺杂La和在B位点上掺杂Mn),La1-xSrxMnyCr1-yO3和/或具有通式(La1-xSrx)n+1MnnO3n+1的基于Mn的R-P相。或者，设想了可将其它材料用于阳极导电层22，例如部分或全部基于贵金属的金属陶瓷。金属陶瓷中的贵金属可包括,例如,Pt,Pd,Au,Ag,和/或它们的合金。陶瓷相可包括,例如钝性的非导电相,包括,例如,YSZ,ScSZ和/或一种或多种其它钝性相,例如具有所需的热膨胀系数(CTE)来控制层的CTE匹配基材和电解质的CTE。在一些实施方式中,陶瓷相可包括Al2O3和/或尖晶石，例如NiAl2O4,MgAl2O4,MgCr2O4,和NiCr2O4。在其它实施方式中,陶瓷相可为导电的,例如,掺杂的亚铬酸镧、掺杂的钛酸锶和/或一种或多种形式的LaSrMnCrO和/或具有通式(La1-xSrx)n+1MnnO3n+1的R-P相。
电解质层26可由陶瓷材料制成。在一种形式中,可使用质子和/或氧离子传导陶瓷。在一种形式中,电解质层26由YSZ例如3YSZ和/或8YSZ形成。在其它实施方式中,作为YSZ的附加或替代，电解质层26可由ScSZ例如4ScSZ,6ScSz和/或10Sc1CeSZ形成。在其它实施方式中，可使用其它材料。例如,还设想了电解质层26可由掺杂的二氧化铈和/或掺杂的镓酸镧(lanthanumgallate)制成。无论如何，燃料电池10所用的流体例如作为燃料的合成气体或纯氢气以及例如作为氧化剂的空气或O2基本上不能透过该电解质层26扩散,但允许氧离子或质子扩散。
阴极层28可由LSM(La1-xSrxMnO3,其中x＝0.1-0.3),La1-xSrxFeO3(例如其中x＝0.3),La1-xSrxCoyFe1-yO3(例如La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3)和/或Pr1-xSrxMnO3(例如Pr0.8Sr0.2MnO3)中的至少一种形成，但在不偏离本发明的范围的情况下也可使用其它材料。例如,还设想了可使用Ruddlesden-Popper镍酸盐和La1-xCaxMnO3(例如La0.8Ca0.2MnO3)材料。
阴极导电层30可为由导电陶瓷形成的电极导电层,例如为由LaNixFe1-xO3(例如,LaNi0.6Fe0.4O3),La1-xSrxMnO3(例如La0.75Sr0.25MnO3),和/或Pr1-xSrxCoO3(例如Pr0.8Sr0.2CoO3)中的至少一种形成的电极导电层。在其它实施方式中,可由其它材料例如贵金属金属陶瓷来形成阴极导电层30，但在不偏离本发明的范围的情况下也可使用其它材料。贵金属金属陶瓷中的贵金属可包括,例如,Pt,Pd,Au,Ag,和/或它们的合金。如有需要，陶瓷相可包括例如YSZ,ScSZ和Al2O3,或其它非导电陶瓷材料来控制热膨胀。
可使用任意合适的技术来形成图1和2所示的电化学电池12。在图2所示的实施例中,可将阳极导电层22直接印刷到基材14上，部分电解质26亦是如此。可将阳极层24印刷到阳极导电层22上。可将部分电解质层26印刷到阳极层24上,将部分电解质层26印刷到阳极导电层22上和印刷到基材14上。阴极层28印刷到电解质层26顶部。将部分阴极导电层30印刷到阴极层28上和印刷到电解质层26上。阴极层28与阳极层24隔开电解质层26的局部厚度。
阳极层24包括阳极间隙，将阳极层24分离成多个单独的阳极，每个电化学电池12存在一个阳极间隙。类似地,阴极层28包括间隙，其将阴极层28分离成相应的多个单独的阴极，各电化学电池12存在一个间隙。被设置在每个单独的阳极和相应的阴极之间的部分电解质层26隔开的每个单独的阳极和相应的阴极，形成电化学电池12。
类似地,阳极导电层22和阴极导电层30分别具有间隙来将阳极导电层22和阴极导电层30分别分离成多个阳极导体膜和阴极导体膜。当阳极导体膜由一或更多层的阳极导电层形成时，术语“阳极导电层”和“阳极导体膜”可互换使用；以及，当阴极导体膜由一或更多层的阴极导电层形成时，术语“阴极导电层”和“阴极导体膜”可互换使用。
在一些实施例中,阳极导电层22的厚度是约5-15微米，但在不偏离本发明的范围的情况下，可使用其它数值。例如,在其它实施方式中,设想了阳极导电层的厚度可为约5-50微米。又在其它实施方式中,例如取决于特定的材料和应用，可使用不同厚度。
类似地，阳极层24的厚度可为约5-20微米，但在不偏离本发明的范围的情况下，可使用其它数值。例如,在其它实施方式中,设想了阳极层的厚度可为约5-40微米。又在其它实施方式中,例如取决于特定的阳极材料和应用，可使用不同厚度。
电解质层26的厚度可为约5-15微米，且单独的子层的最小厚度为约5微米，但在不偏离本发明的范围的情况下可使用其它厚度数值。例如,在其它实施方式中,设想了电解质层的厚度可为约5-40微米。又在其它实施方式中,例如取决于特定的材料和应用，可使用不同厚度。
阴极层28的厚度可为约10-20微米，但在不偏离本发明的范围的情况下，可使用其它数值。例如,在其它实施方式中,设想了阴极层的厚度可为约10-50微米。又在其它实施方式中,例如取决于特定的阴极材料和应用，可使用不同厚度。
阴极导电层30的厚度可为约5-100微米，但在不偏离本发明的范围的情况下，可使用其它数值。例如,在其它实施方式中,设想了阴极导电层的厚度可小于或大于约5-100微米。又在其它实施方式中,例如取决于特定的阴极导电层材料和应用，可使用不同厚度。
虽然没有在图2中示出,但在一些实施例中,燃料电池系统10可包括在互连接件16和相邻的组件之间的一种或多种化学阻挡层，以减少或阻止互连接件和相邻的组件(例如,阳极和/或阳极导体膜和/或阴极和/或阴极导体膜)之间的扩散,这可不利地影响某些燃料电池系统的性能。在各种实施方式中,这种化学阻挡层可构造成阻止或减少在互连接件和阳极之间的界面,和/或在互连接件和阳极导体膜之间的界面,和/或在互连接件和阴极之间的界面,和/或在互连接件和阴极导体膜之间的界面的材料迁移或扩散，这可改善互连接件的长期耐久性。例如,没有化学阻挡时,可在由贵金属金属陶瓷形成的互连接件,以及由基于Ni的金属陶瓷形成的阳极导体膜和/或阳极之间的界面发生材料迁移(扩散)。材料迁移可双向地进行，例如,Ni从阳极导电层/导体膜和/或阳极迁移进入互连接件,和贵金属从互连接件迁移导电层/导体膜和/或阳极。材料迁移可导致增加在互连接件和阳极导体膜和/或阳极之间的界面处或靠近该界面处的孔隙率,和可导致在界面处富集非电子或低电子传导相的一种或多种,形成更高的面积比电阻(ASR),并因此导致降低燃料电池性能。互连接件和阴极之间的材料迁移和/或互连接件和阴极导体膜之间的材料迁移，还可附加地或者替代地导致对燃料电池性能的有害影响。这种化学阻挡层可由两类材料中的一种或两种形成；金属陶瓷和/或导电陶瓷。
图3是示意图，其显示示例双层互连接件16的横截面。互连接件16包括最靠近氧化剂侧18(以及阴极和阴极导电层)的第一部分50与最靠近燃料侧20(以及阳极和阳极导电层)的第二部分52。如上所述，第一和第二部分50,52可由不同组合物形成。第二部分52可由在燃料环境、低pO2下稳定并与阳极侧材料相兼容的材料形成。第一部分50可由在空气流、高pO2下稳定并与阴极侧材料相兼容的材料形成。在一些实施例中,低pO2指燃料侧为约10-16标准大气压(atm)(出口燃料)-约10-21atm(进口燃料,取决于所用燃料类型),和高pO2指阴极侧为约0.1atm(稀释空气)-0.21atm(空气)。
术语“稳定”可指保持相稳定，且没有分解。例如,当pO2低于约10-14atm时，大多数的钙钛矿例如LSM和LNF将分解成其它相。在一些情况下，因为这种分解，只可将LSM等用于空气侧上。反之，例如SrTiO3的组合物在这种低pO2条件下是稳定的。术语“兼容”可指选定的互连接件组合物不与其它燃料电池材料发生化学反应并形成不需要的新的相。例如,LSM组合物具有范围，(La1-xSrx)yMnO3,其中x是0.1-0.5,y是0.9-1.2。如果LSM具有化学计量组成(y＝1)或富(y>1)A位点(La/Sr位置),在更高的烧结温度下，LSM趋于与电解质相互作用来形成绝缘相La2Zr2O7。
如本文所述，第二部分52可由掺杂的二氧化铈、掺杂的亚铬酸镧,和掺杂的亚铬酸钇中的一种或多种形成。适于形成第二部分52的示例阳极侧材料包括:
1.掺杂的二氧化铈，例如(RxCe1-x)O2,0<x<0.5,R是稀土金属，例如Gd,Sm,Y,Pr,Nd,和Yb。
2.Co-掺杂的二氧化铈，例如(RxMyCe1-x-y)O2,R是稀土金属,0<x<0.5,M是过渡金属,0<y<0.1,例如Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Al等。
3.使用改性剂例如w(RxMyCe1-x-y)O2-(1-w)N掺杂的二氧化铈,R是稀土金属,0<x<0.5,M是过渡金属,0<y<0.1,N是碱金属或碱土金属,0<w<0.1,例如Li,Na,K,Mg,Ca,Sr等。
4.掺杂的二氧化铈-钙钛矿复合材料。在一些实施例中,钙钛矿可为掺杂的SrTiO3,或(Sr1-xAx)(Ti1-yMy)O3,A是碱金属或稀土金属,例如Ca,Sr,Y,La。M是过渡金属,例如Mn,Cr,Co,Ni,Cu,Zn,和V。
5.掺杂的亚铬酸镧或亚铬酸钇,例如(La1-xAx)(Cr1-yMy)O3,A是碱土金属(0<x<0.3),例如Ca,Sr。M是过渡金属,例如Mn,Ti,Co,Fe,Ni,Cu,Zn,V等。
上述各示例材料在燃料环境、低pO2下可稳定并与阳极侧材料相兼容。在一实施例中,第二部分52可主要由掺杂的二氧化铈、掺杂的亚铬酸镧,和掺杂的亚铬酸钇中的一种或多种组成,任何其它材料只以一定的量存在，该一定的量不以使第二部分52不能如本文所述起作用的方式改变材料的一种或多种性质。
反之,第一部分50可由Co-Mn尖晶石和ABO3钙钛矿中的一种或多种形成。用于第一层50的示例阴极侧材料可包括:
1.(Mn,Co)3O4尖晶石
2.(Mn,Co,A)3O4尖晶石,A是过渡金属,例如Cu,Co,Cr,AI等。
3.ABO3钙钛矿,例如LSM,LNF,PSM,LSC,LSCF,R-P镍酸盐等。
4.(Mn,Co,Ax)3O4-ABO3复合材料,A是过渡金属,0<x<0.1例如(Mn,Co,Ax)3O4-LNF,(Mn,Co,Ax)3O4–LSM。
5.(Mn,Co,Ax)3O4-掺杂的二氧化铈复合材料,A是过渡金属,0<x<0.1。
上述用于第一部分50各示例材料在空气流、高pO2下可稳定并与阴极侧材料相兼容。在一实施例中,第二部分50可主要由Co-Mn尖晶石和ABO3钙钛矿中的一种或多种组成,任何其它材料只以一定的量存在，该一定的量不以使第一部分50不能如本文所述起作用的方式改变材料的一种或多种性质。
第一部分50和第二部分52可具有任意合适的厚度。在一些实施例中,第一部分限定第一厚度，和第二部分限定第二厚度,其中取决于所用的材料，第一部分的第一厚度可比第二部分的第二厚度更薄、更厚或相等,从而将第一部分和第二部分的界面处的pO2控制在所需范围。例如,为了保持互连接件16的高电子导电率和相稳定性,在互连接件两个部分的界面处的pO2优选地为10-11-10-14atm。为了实现这个目标，可将双层互连接件中的一层设计成比另一层更厚，从而控制氧通量，因为氧通量同时与材料性质(氧渗透能力)和材料厚度相关。
在一些实施例中,第二部分52限定的厚度为约5-100微米,优选地为约10-20微米。在一些实施例中,第一部分50限定的厚度为5-约50微米,优选地为约10-20微米。
实施例
实施了各种实验来评估根据本发明的示例阳极组合物的一个或多个方面。然而，本发明的实施例不限于实验的阳极组合物。
在IP-SOFC设计的缩小尺寸(subscale)电池(用双层陶瓷互连接件串联的5个电池)中评估使用LSM(空气侧)/GDC(燃料侧)或LSM(空气侧)/Zn-掺杂的La0.7Ca0.3CrO3(燃料侧)材料组的双层陶瓷互连接件。在重整油燃料和900℃且具有合理的良好稳定性的情况下，来自双层陶瓷互连接件的ASR贡献是-0.1欧姆-厘米2。图4是图表，显示具有双层陶瓷互连接件和重整油燃料的5-电池测试制品在约900℃下的耐久性。
本发明的实施例可包括掺杂的二氧化铈或掺杂的二氧化铈复合材料,或掺杂的二氧化铈金属陶瓷作为用于双层陶瓷互连接件的燃料侧层。掺杂的二氧化铈可为备选的电解质材料，且已证实其与阳极侧材料的长期稳定性。它的电子导电率随着pO2的降低而快速增加。测量显示低pO2下GDC的导电率是约2S/cm。如果掺杂的GDC层是10微米，且电流流经互连接件膜,那么来自GDC层的ASR贡献测定为只有约0.0005欧姆-厘米2。可将(Mn,Co)3O4或(Mn,Co)3O4复合材料用作双层陶瓷互连接件的空气侧层。该材料可用作金属互连接件的涂层，来阻止在空气中于高温下操作时金属互连接件的氧化。证实材料在空气中具有长期耐久性。
图5是图表，显示在1200℃和1300℃烧结的MnCo2O4样品的电气导电率随温度的变化(来自参考文献:恩真义(EunJeongYi),米勇炎(MiYoungYoon),基宏木(Ji-WoongMoon),和黄海金(HaeJinHwang),用于氧分离的MnCo2O4/氧化钆掺杂氧化铈(GDC)双相复合膜的制造(FabricationofaMnCo2O4/gadolinia-dopedCeria(GDC)Dual-phaseCompositeMembraneforOxygenSeparation),《韩国陶瓷协会会刊(JoftheKoreanCeramicSociety)》,47[2]199-204,2010)。图5显示MnCo2O4尖晶石在空气中的电气导电率可为在600℃时的约10S/cm-在900℃时的约30S/cm,这比GDC材料高很多，预期更低的ASR贡献。可在用于燃料电池加工的温度范围中的约1200-1300℃下致密化(Mn,Co)3O4尖晶石。通过形成复合材料，如有需要，可调节烧结温度。为了确保各层的更高的导电率,可通过单独的层厚度控制穿过的双层陶瓷互连接件厚度(尤其是两个层的界面处)的pO2分布，或者通过掺杂或形成复合材料控制通过各层的氧渗透通量。该技术已由恩真(EunJeong)等实施。(恩真义(EunJeongYi),米勇炎(MiYoungYoon),基宏木(Ji-WoongMoon),和黄海金(HaeJinHwang),用于氧分离的MnCo2O4/氧化钆掺杂氧化铈(GDC)双相复合膜的制造(FabricationofaMnCo2O4/gadolinia-dopedCeria(GDC)Dual-phaseCompositeMembraneforOxygenSeparation),《韩国陶瓷协会会刊(JoftheKoreanCeramicSociety)》,47[2]199-204,2010)。
描述了本发明的各种实施方式。这些和其它实施方式包括在所附权利要求书的范围内。
Claims (19)
1.一种燃料电池，其包括：
具有第一阳极和第一阴极的第一电化学电池；
具有第二阳极和第二阴极的第二电化学电池；和
构造成将电子流从第一阳极传导到第二阴极的互连接件,其中，所述互连接件包括第一部分和第二部分,其中第一部分比第二部分更靠近所述阳极,和第二部分比第一部分更靠近所述阴极,
其中第一部分包括掺杂的二氧化铈、掺杂的亚铬酸镧和掺杂的亚铬酸钇中的一种或多种，和
其中第二部分包括Co-Mn尖晶石和ABO3钙钛矿中的一种或多种。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，第一部分包括具有化学通式(RxCe1-x)O2的掺杂的二氧化铈,其中R是稀土金属,0<x≤0.5。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，第一部分包括具有化学通式(RxMyCe1-x-y)O2的掺杂的二氧化铈,其中R是稀土金属,M是过渡金属,0<x≤0.5和0≤y<0.1。
4.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，第一部分包括具有化学通式w(RxMyCe1-x-y)O2–(1-w)N的掺杂的二氧化铈,其中R是稀土金属,M是过渡金属,N是碱金属或碱土金属,0<x≤0.5,0≤y<0.1,和0<w≤0.1。
5.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，第一部分包括掺杂的二氧化铈-钙钛矿复合材料。
6.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述钙钛矿包括SrTiO3或(Sr1-xAx)(Ti1-yMy)O3,其中A是碱金属或稀土金属,和M是过渡金属。
7.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述钙钛矿包括具有化学通式(La1-xAx)(Cr1-yMy)O3的掺杂的亚铬酸镧,其中A是碱金属,M是过渡金属,和0<x≤0.3。
8.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述第一部分包括具有化学通式(La1-xAx)(Cr1-yMy)O3的掺杂的亚铬酸镧,其中A是碱金属,M是过渡金属,和0<x≤0.3，0<y≤0.5。
9.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，第二部分包括(Mn,Co,A)3O4尖晶石,其中A是过渡金属。
10.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，第二部分包括ABO3钙钛矿,其中所述ABO3钙钛矿包括LSM((La1-xSrx)MnO3),LNF(La(Ni1-yFey)O3,PSM((Pr1-xSrx)MnO3),LSC((La1-xSrx)CoO3),LSCF((La1-xSrx)(Co1-yFey)O3),和R-P镍酸盐例如Pr2NiO4中的一种或多种。
11.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，第二部分包括(Mn,Co,Ax)3O4尖晶石-ABO3钙钛矿复合材料,其中A是过渡金属,和0≤x≤0.1。
12.如权利要求11所述的燃料电池，其特征在于，所述复合材料包括(Mn,Co,Ax)3O4–LNF和(Mn,Co,Ax)3O4–LSM中的一种或多种。
13.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，第二部分包括(Mn,Co,Ax)3O4尖晶石–离子相复合材料,其中A是过渡金属,和0≤x≤0.1。
14.如权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，所述离子相包括掺杂的二氧化铈、Y或Sc稳定化的氧化锆中的一种或多种。
15.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，第一部分限定第一厚度和第二部分限定第二厚度,其中取决于所用的材料，第一部分的第一厚度可比第二部分的第二厚度更薄、更厚或相等,从而将第一部分和第二部分的界面处的pO2控制在所需范围。
16.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，第一部分限定第一厚度且第二部分限定第二厚度,其中第一厚度是约5-约100微米,第二厚度是约5-约50微米。
17.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，第二部分包括(Mn,Co)3O4尖晶石。
18.一种用于制造燃料电池的方法,所述方法包括形成燃料电池结构,所述结构包括:
具有第一阳极和第一阴极的第一电化学电池；
具有第二阳极和第二阴极的第二电化学电池；和
构造成将电子流从第一阳极传导到第二阴极的互连接件,其中所述互连接件包括第一部分和第二部分,其中第一部分比第二部分更靠近所述阳极,和第二部分比第一部分更靠近所述阴极,
其中第一部分包括掺杂的二氧化铈、掺杂的亚铬酸镧和掺杂的亚铬酸钇中的一种或多种，和
其中第二部分包括Co-Mn尖晶石和ABO3钙钛矿中的一种或多种。
19.一种包括控制燃料电池的操作来发电的方法,其中所述燃料电池包括：
具有第一阳极和第一阴极的第一电化学电池；
具有第二阳极和第二阴极的第二电化学电池；和
构造成将电子流从第一阳极传导到第二阴极的互连接件,其中所述互连接件包括第一部分和第二部分,其中第一部分比第二部分更靠近所述阳极,和第二部分比第一部分更靠近所述阴极,
其中第一部分包括掺杂的二氧化铈、掺杂的亚铬酸镧和掺杂的亚铬酸钇中的一种或多种，和
其中第二部分包括Co-Mn尖晶石和ABO3钙钛矿中的一种或多种。
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