[发明专利]具有阴极集流体的管状固体氧化物燃料电池及其形成方法

说明书

本发明涉及具有阳极支撑电极的管状结构的高温固体氧化物燃料电池，并且旨在创造具有有效阴极集流体的单管状电池。阴极集流体由基于金属粉末和/或金属氧化物粉末和/或金属间化合物粉末的材料制成，所述阴极集流体以带条的形式施用到阴极电极外侧的表面上，或者施用到面向电解质的阴极电极的内侧上，其中，集流体不可分离地连接到其所施用的表面上，并且具有体积孔隙率为10‑70％的多孔结构。所要求保护的用于形成管状电池的阴极集流体的方法包括基于粒径为0.5‑50μm的金属粉末和/或金属氧化物粉末和/或金属间化合物的粉末制备组合物，该组合物以带条的形式施用到阴极电极的表面或施用到与面向阴极电极的层相邻的表面，之后在阴极电极的烧结温度下进行退火。

本发明涉及电化学电流源，具体地涉及具有阳极支撑电极的管状设计的高温固体氧化物燃料电池(SOFC),更具体地涉及微管状SOFC，并且旨在创造具有有效阴极集流体的单管状SOFC，用于进一步交换组中的燃料电池。

管状和微管状SOFC备受关注，因为与平面SOFC相比，这种设计简化了组中的电池密封动作，由于不使用金属双极板而减少了材料消耗，并且将组加热到工作温度的时间从几个小时显著地减少到几分钟。然而，由于电流传播路径显著增加，管状SOFC具有与在电池电极上排列有效集流体和组中电池的交换相关的问题。对于所考虑的具有阳极支撑电极的管状SOFC，这个问题需要寻找一种排列有效阴极集流体的方法，这是本发明的目的。

存在为管状固体氧化物燃料电池排列阴极集流体的方法，包括在阴极表面上缠绕金属线。专利US 7887975提出使用具有耐腐蚀涂层的铜线，专利US 9190672提出使用银线或镍线。这些方法的主要缺点在于在易碎的薄壁管状SOFC上缠绕金属线的技术复杂性。金属线和SOFC圆柱表面的接触区域是一条细线，这决定了高接触电阻和低电流收集效率。

专利US 8343689提出了一种类似于上述集流体的排列方法，但是使用了由熔点高于1000℃的贵金属金、铂和钯制成的金属线。除了在小直径管状SOFC上缠绕金属线的技术复杂性之外，使用由贵金属制成的金属线是昂贵的，并且对于大规模工业应用是不可接受的。

有一种管状SOFC的设计，其阳极互连器运行到阴极区域(US 2003148160)。电流收集和电池交换由金属连接板实现。已知的解决方案使管状SOFC的设计和制造技术显著复杂化，因为需要在阳极支撑电极上形成分段的电解质层，并在未被电解质覆盖的阳极区域中施用气体致密的互连器层。还需要确保互连器与阴极电极的电绝缘。

存在通过由具有电子和混合电子-离子导电性的材料制成的多孔基质来排列阴极集流体的方法，其中放置单管状SOFC(US 7736772、US2009214919)。作者建议用阴极材料(锰酸锶镧)、不锈钢海绵、Ni或Cu金属陶瓷、银合金和其他高温材料制造多孔基质。这些方法的缺点是材料消耗高，这使得它们在工业应用和商业化方面效率低。

本发明的技术效果是通过减少材料消耗和减少电损耗来提高设计效率，提高单管状SOFC的比功率，并简化制造单个元件的方法。

该技术效果通过管状固体氧化物燃料电池来实现，该管状固体氧化物燃料电池包括阳极电极、电解质、具有阴极集流体的阴极电极，而阴极集流体由基于金属粉末和/或金属氧化物粉末和/或金属间化合物粉末的材料制成，该阴极集流体以至少一条带的形式施用在阴极电极外侧的表面上或朝向电解质的阴极电极内侧的表面上。阴极集流体带具有体积孔隙率为10-70％的多孔结构，并整体连接到其所施用的表面上。

该带(电流导电母线)以电和机械的方式连接到阴极电极。

作为SOFC阴极集流体材料的基础，通常选择熔点高于SOFC工作温度的基于金属粉末的材料(例如银或其他贵金属与铂和/或钯的合金)，这降低了集流体的退化速率。粘合剂和/或分散剂可用作烧结助剂的添加剂，改善金属粉末颗粒与阴极电极结构层的粘附和烧结行为。在该应用中，阴极电极结构包括位于电解质和包括阴极电极层的阴极电极之间的功能层(缓冲层、阻挡层等)(如果有的话)。主要使用金属间化合物的高电子导电性。