CN101013756A - 制造固体氧化物电化学装置的方法 - Google Patents

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Abstract

用于制造固体氧化物电化学装置(12)的方法，其包括；在第一电极(14)和第二电极(16)之间配置电解液(18)，在第一电极(14)和第一互连(20)之间施加粘合剂(32)，在第一电极(14)和第一互连(20)之间施加密封剂(34)，靠近第二电极(16)配置第二互连(26)，将第一互连(20)、第一电极(14)、电解液(18)、第二电极(16)、第二互连(26)、粘合剂(32)、和密封剂(34)加热到至少一个中间温度至少一个中间时间，然后加热到固化温度固化时间，有效地将第一电极(14)粘结和密封到第一互连(20)，其中至少一个中间温度低于固化温度。

Description

制造固体氧化物电化学装置的方法
相关申请的交叉引用
本申请是2005年4月7日提交的美国专利申请序列号11/101,697的部分延续。
技术领域
本发明涉及固体氧化物电化学装置，并且更具体地涉及用于制造固体氧化物电化学装置的密封方法。
背景技术
固体氧化物电化学装置已经证明具有用于具有高效率和弱放射的未来发电的巨大潜力。这种固体氧化物电化学装置包含固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解槽。
固体氧化物燃料电池通过在一个电极(阳极)上氧化燃料和在另外一个电极(阴极)上还原氧来产生电流。由通过离子的迁移来导电的电解液分离电极。在适当的条件之下，在电极上的还原/氧化反应产生电压，其然后可用于生成直流电流。在用氢燃料和空气作为氧化剂运行的固体氧化物燃料电池的情况下，通过电解液传导氧离子，在电解液中它们与氢气结合以形成作为废产物的水。另外电解液对燃料和氧化剂是不可渗透的并只传导氧离子。该系列的电化学反应是在固体氧化物燃料电池内产生电力的唯一方法。因此希望降低或者除去导致不同反应的任何反应混合物，所述不同反应例如为燃烧，其不产生电力并因此降低固体氧化物燃料电池的效率。
固体氧化物电化学装置一般以电串联方式装配在固体氧化物电化学装置堆(stack)中以产生有用数量的电力。为了产生固体氧化物电化学装置堆，称为互连(interconnect)的互连构件用于将电串联的相邻的固体氧化物电化学装置连接在一起。一般地，阳极层连接到阳极互连而阴极层连接到阴极互连。当固体氧化物电化学装置在高温下，例如在约600℃和1000℃之间运行时，固体氧化物电化学装置经受可能在固体氧化物电化学装置堆中产生应变和相应的应力的机械和热负载。
一般地，高温固体氧化物电化学装置由陶瓷制成，为了限定用于反应物即燃料和氧化剂的闭合通道，必须将其密封到金属互连结构中，以流向固体氧化物电化学装置和从中流出。在热循环期间，固体氧化物电化学装置堆的不同组件由于结构材料的热膨胀系数的差异而以不同的方式膨胀和/或收缩。另外，单个组件可以经受由于其它的现象，例如一个或多个组件的化学状态的改变而引起的膨胀或者收缩。尺寸上的膨胀和/或收缩的差异可能影响分隔氧化剂和燃料路径的密封并同时影响由异质材料制成的元件的密封。
通常，固体氧化物电化学装置的典型阳极层由镍基金属陶瓷制成，其本身通过含有陶瓷的混合物中的氧化镍的化学还原反应制造。固体氧化物电化学装置堆设计的主要问题是高温一般要求密封由脆性材料例如玻璃和玻璃陶瓷制成。在运行之前，固体氧化物电化学装置的阳极中的氧化镍在高温下被还原成镍，并且该化学还原引起阳极的体积的物理收缩。阳极层体积的这种收缩可以在固体氧化物电化学装置和其它组件例如密封剂之间的连接上提供附加应力，并且可以引起固体氧化物电化学装置组件的密封或者固体氧化物电化学装置本身失败。通过由陶瓷和金属的不同热膨胀系数引起的应力加剧了该应力，从而引起阳极层的体积和与阳极层接触的互连的不相等的物理收缩。固体氧化物电化学装置和互连的不同的热和化学膨胀的另一个结果是在阳极层或者阴极层和它的对应互连(阳极互连或者阴极互连)之间的机械接触电势损失。
另外，固体氧化物电化学堆中的多个固体氧化物电化学组件的常规处理依靠在单一的工艺过程中密封全部或者几个固体氧化物电化学组件和互连以形成整体的不可分离的堆。如果在上述的装配和工艺过程之后，在任何密封中识别出缺陷，则在不破坏密封的情况下不能拆装固体氧化物电化学装置堆。因而，在一个固体氧化物电化学装置组件中的任何缺陷可以导致整个固体氧化物电化学装置堆无法使用。
解决热应力问题的通用方法是在热膨胀系数密切地匹配足以使应力最小化之处找到陶瓷和金属的组合。然而，很难在整个温度范围内匹配这些系数。而且，甚至上述匹配没法避免由于在从陶瓷和氧化镍混合物转换成镍基金属陶瓷的预运行中阳极层的体积收缩引起的应力。同时，基于紧密热匹配选择的材料对固体氧化物电化学装置的性能来说未必是最佳的。
因此，需要固体氧化物电化学装置堆的简单和经济的理想设计和用于制造避免上述应力和缺陷的固体氧化物电化学装置的方法。
发明内容
本发明通过提供用于制造固体氧化物电化学装置的方法解决本领域中的上述需要，该方法包括在第一电极和第二电极之间配置电解液，在第一电极和第一互连之间施加粘合剂以便使粘合剂与第一电极和第一互连接触，其中配置第一电极和第一互连以在彼此之间形成至少一个流场，在第一电极和第一互连之间施加密封剂，靠近第二电极配置第二互连，加热第一互连、第一电极、电解液、第二电极、第二互连、粘合剂、和密封剂到至少一个中间温度至少一个中间时间，然后加热到固化温度固化时间，有效地将第一电极粘结和密封到第一互连，其中至少一个中间温度低于固化温度。
另外，本发明包括通过上述方法制造的固体氧化物电化学装置。
通过下面详细说明、附图和权利要求使本发明的其它目的、特征和优点明显。
附图说明
图1是根据本发明的实施方案制造的固体氧化物电化学装置组件的示意图。
图2是包括根据本发明的实施方案制造的多个固体氧化物电化学装置组件的固体氧化物电化学装置伪堆(pseudostack)的示意图。
图3是根据本发明的实施方案制造的固体氧化物电化学装置堆的示意图。
图4是说明根据本发明的实施方案制造固体氧化物电化学装置的方法的流程图。
具体实施方式
如上文的总结，本发明包括用于制造固体氧化物电化学装置的方法和通过这种方法制造的固体氧化物电化学装置。在下面详细描写本发明的实施方案并在图1-4中举例说明。图1说明根据本发明的实施方案制造的固体氧化物电化学装置组件10。更具体地，图1中的固体氧化物电化学装置组件10是SOFC，但是应该理解本发明还包括固体氧化物电解槽。固体氧化物电化学装置组件10包括固体氧化物电化学装置12，该固体氧化物电化学装置12包括第一电极14、第二电极16、和插入在第一电极和第二电极之间的电解液18。例如，电解液18可以包含钇(ytrrium)稳定化的二氧化锆(YSZ)。第一电极14是阳极层并且第二电极16是阴极层。
固体氧化物电化学装置组件10还包括具有多个流道(flow channel)22(也称为“流场”)的第一互连20。固体氧化物电化学装置组件10还包括具有多个流道30的第二互连26。第一互连20是阳极互连并配置以与阳极层14粘结。阳极互连20可以包含任何适当的材料，例如包含不锈钢、镍、镍合金、铁合金(fecralloy)、镍铬耐热合金、金、银、铂、钯、钌或铑的导电材料或者耐热金属和合金，例如Inconel(来自Special Metals Welding Products，Newton，North Carolina的含有铬和铁的镍基合金)、E-Brite(来自Allegheny LudlumIndustries，Inc.Pittsburgh，Pennsylvania的含铁不锈钢)和Crofer22 APU(来自ThyssenKrupp，Düsseldorf，Germany的铁-铬合金)。同样地，第二互连26是阴极互连并配置以与阴极层16粘结。阴极互连26可以包含导电材料，例如不锈钢、铁合金、镍铬耐热合金、金、银、铂、钯、钌、铑、Inconel、E-Brite、Crofer22 APU、或者它们的组合。更一般地，阳极互连20和阴极互连26可以由能够在高温下和在运行期间固体氧化物电化学装置组件10经历的空气中运行的任何导电材料制造。
配置阳极互连20以通过流道22将还原剂24(也称为燃料气体)引入到阳极层14。相应地，配置阴极互连26以将氧化剂通过流道30引入到阴极层16。另外，互连20和26在串联或者并联连接的固体氧化物电化学装置之间提供电接触，并提供支撑结构。
在固体氧化物电化学装置组件10的运行期间，横跨插入在阳极层14和阴极层16之间的电解液18传送在阴极层16生成的氧离子(O2-)。还原性气体24例如氢气供应给阳极层14。阳极层14处的还原性气体24与横跨电解液18传送到阳极层14的氧离子反应。氧离子(O2-)与氢结合形成水并将电子释放到外部电路(未显示)。因此氢与氧离子的反应速率与电流成正比。在开路(没有电流)的情况下，没有反应并且横跨电极的电压保持在最高水平。
阳极层14为被引入到固体氧化物电化学装置12的还原性气体24的电化学氧化提供反应位置。另外，阳极层14材料在还原性气体24的还原环境中应该稳定，对固体氧化物电化学装置工作条件处的还原性气体反应具有足够的电导率、表面积和催化活性，并且具有足够的孔隙率以允许燃料气体传送到反应位置。通常通过气体歧管引入还原性气体。阳极层14可以包含具有这些性能的大量材料，包含贵金属、过渡金属、金属陶瓷、陶瓷和它们的组合。更具体地，阳极层14可以由任何适当的材料制成，例如镍(Ni)、Ni合金、Ag、Cu、钴、钌、Ni-YSZ金属陶瓷、Cu-YSZ金属陶瓷、Ni-二氧化铈金属陶瓷或者它们的组合。
阴极层16为氧的电化学还原提供反应位置以生成通过电解液18传送电流的氧离子。因此，阴极层16在氧化环境中稳定，对固体氧化物电化学装置12工作条件下的氧化剂反应具有足够的电子和离子传导率、表面积和催化活性并具有足够的孔隙率以允许气体运输到该反应位置。阴极层16可以由具有这些性能的大量材料制成，例如包含导电氧化物、钙钛矿、La1-xSrxMnO3(LSM)、掺杂LaMnO3、掺锡的氧化铟(In2O3)、掺锶的PrMnO3、La铁氧体、La辉钴矿、RuO2-YSZ和它们的组合。
在一些实施方案中，可以组合阳极互连20和阴极互连26以充当双极性元件，其中具有靠近固体氧化物电化学装置组件10之一的阴极层16的阴极层侧面的双极性元件的阴极层一侧作为阴极互连26。双极性元件的阳极层一侧用作阳极互连20，其中阳极层侧面与下一个固体氧化物电化学装置组件10的阳极层14邻接。而且，双极性元件还充当阴极层16的氧化剂的通道和固体氧化物电化学装置组件10中的阳极层14的还原性气体24的通道。
在另一个实施方案中，可以使用倒置结构，其中第一电极14是阴极层，而第二电极16是阳极层。因此，第一互连20是阴极互连而第二互连26是阳极互连。
阳极粘合剂32在阳极层14和阳极互连20之间提供导电介质。用作阳极粘合剂32的适当材料包含例如氧化镍糊剂、镍糊剂、铂糊剂、和金属或者金属氧化物粉末例如分散在有机粘结剂中的银、镍、金、或者铂。使用阳极密封剂34围绕阳极层的周长将阳极互连20密封到阳极层14。因为阳极粘合剂32一般是多孔和导电的，所以使用阳极密封剂34将阳极层14密封到阳极互连20并围绕阳极粘合剂密封边缘。用作阳极密封剂34的适当材料例如包括玻璃，例如钠钙玻璃、硼硅玻璃、或者掺锆玻璃，玻璃-陶瓷，氧化镍糊剂，镍糊剂，或者通过流延(tapecasting)或者辊压有机纤维和加入到玻璃或者玻璃陶瓷粉末中的粘结剂形成的密封带子。在具体的实施方案中，阳极密封剂34的热膨胀系数与阳极层14和阳极互连20的热膨胀系数匹配。提供相似功能的其它材料当然可以用于阳极粘合剂32和阳极密封剂34。
固体氧化物电化学装置组件10还包含配置在阴极层16和阴极互连26之间的垫料36。垫料36可以包含适应材料，该适应材料在预密封过程中允许机械力轴向地传送到阳极粘合剂32以及阳极密封剂34的周边通过固体氧化物电化学装置组件10，其在下面更详细地描述。垫料36可以或者未必在阴极层16和阴极互连26之间传导电流。垫料36可以包含耐热的适应毡或纸，例如锆毡、矾土毡、或者FiberFrax毡(来自Unifrax Corporation，Niagara Falls，New York的玻璃似铝硅酸盐纤维)。
配置在阴极层16和阴极互连26之间的垫料36产生功能上为伪堆的固体氧化物电化学装置组件10，因为仅形成一些待被包括在最后的可操作的固体氧化物电化学装置组件中的互连和密封。在固体氧化物电化学装置组件10中，在预密封过程中仅仅阳极层14和阳极互连20彼此粘结和密封。
图2举例说明包括根据本发明的实施方案制造的多个固体氧化物电化学装置组件10的固体氧化物电化学装置伪堆38。以阴极层16直接地暴露于氧化剂流向阴极层16的流道30，和阳极层14直接地暴露于在流道22中流动的还原性气体24的方式配置每一个固体氧化物电化学装置组件10。
在预密封过程中固体氧化物电化学装置伪堆38还包括底板40。同时，重物42可以放置在固体氧化物电化学装置伪堆38的顶端以将压缩力提供给固体氧化物电化学装置伪堆用于密封。在形成固体氧化物电化学装置伪堆38之后，从固体氧化物电化学装置伪堆拆除底板40和重物42。用于密封和粘结的压缩力当然可以通过其它设备，例如螺栓、液压传动装置或者气压传动装置等等施加。
在可替换实施方案中，用于伪堆的互连最初可以仅仅形成在每一个固体氧化物电化学装置的阴极一侧上，之后在最后组装过程中密封和/或粘结阳极层。
在另一个实施方案中，阴极层16未覆盖固体氧化物电化学装置12的整个表面，暴露电解液18，并且阴极层侧面密封可以形成在阴极互连30和电解液18之间。
在图2所示的实施方案中，将阳极层14粘结并密封到阳极互连20。然而，在制造伪堆的预密封过程中在阴极侧面上没有永久连接。在最后组装、互连和密封之前为了测试和替换或者修改任何有缺陷的装置，该预密封过程允许固体氧化物电化学装置彼此分解。
例如，可以在最后组装固体氧化物电化学装置堆之前对固体氧化物电化学装置进行大量非破坏性测试和检查。在一些实施方案中，测试和检查包含进行渗漏试验、电阻测量测试、阻抗测量测试、机械完整性测试、超声测试、X射线测试、开放电路电压测量、阻抗光谱或者电化学性能试验。另外，可以测试或者检查固体氧化物电化学装置的裂缝、低性能、有缺陷的互连接触、脱位、异常颜色、或者流道堵塞。在一些实施方案的工业生产中，可以进行这些测试的一些或者全部，并且在需要的情况下可以通过其它测试和检查增补。然后可以仅仅用已知的良好固体氧化物电化学装置组件制造最后组件。作为预密封过程的结果，在固体氧化物电化学装置堆的形成中实现生产力、工艺过程和可靠性的显著改进。
在一些实施方案中，当形成单个的固体氧化物电化学装置组件时，在装配以形成固体氧化物电化学装置堆之前可以分别地对它们进行缺陷测试和检查。然而，本领域的技术人员可以理解，在测试和检查之前形成伪堆的一个优点是如果希望则允许使用单一的歧管以将燃料气体或者氧化剂提供到伪堆中的多个流道。
图3举例说明根据本发明的实施方案制造的固体氧化物电化学装置堆。在对单个固体氧化物电化学装置组件10进行非破坏性测试和检查之后，多个固体氧化物电化学装置组件10堆在一起以形成组装的固体氧化物电化学装置堆44。在一些实施方案中，在伪堆拆装之后和在固体氧化物电化学装置堆44形成之前除去垫料36。在形成组装的固体氧化物电化学装置堆44期间，可以使用粘合剂连接在伪堆组装期间没有牢固地连接到其对应的伪堆互连(阳极互连或者阴极互连)的电极(或者阳极层或者阴极层)。例如，可以使用阴极粘合剂例如锰酸镧锶(LSM)糊剂、掺镧铁氧体糊剂、掺镧辉钴矿糊剂或者适合于高温氧化环境的其它导电性糊剂将阴极层16粘结到阴极互连30上。
图4是举例说明根据本发明的实施方案制造固体氧化物电化学装置的方法的流程图。更具体地，固体氧化物电化学装置是SOFC，但是应该理解，本发明还包括用于制造固体氧化物电解槽的方法。该方法包括制造包括固体氧化物电化学装置的固体氧化物电化学装置组件，固体氧化物电化学装置包含阳极层、阴极层和配置在其间的电解液和如步骤46所示的阳极互连和/或阴极互连。该方法还包括在阳极和阳极互连之间在阳极层、阳极互连的阳极一侧、或者两者上施加阳极粘合剂以便阳极粘合剂与阳极和阳极互连接触(步骤48)。在步骤50中，在阳极和阳极互连之间施加阳极密封剂。在可替换实施方案中，可以在固体氧化物电化学装置的一个阴极互连和阴极层之间施加密封剂和阴极粘合剂。
在步骤52中，使用按照交替排列布置的多个固体氧化物电化学装置组件制造伪堆。在它上方放置下一个互连(阳极互连或者阴极互连)之前，将垫料放置于每一个固体氧化物电化学装置的阴极层表面上。因而，在该实施方案中，留下阴极层未密封。阴极层可以或者未必粘结或者密封在最后组件上以形成固体氧化物电化学装置堆。在可替换实施方案中，可以在伪堆中粘结或者密封阴极层，同时留下阳极层未粘结或者未密封。
该方法还包括将阴极互连、垫料、阴极、电解液、阳极、阳极互连、阳极粘合剂、和阳极密封剂加热到固化温度并保持固化温度固化时间。在步骤54中，固化温度和固化时间应该有效地将阳极粘结并密封到阳极互连。固化温度和固化时间将依赖于所使用的密封介质。
例如，加热步骤可以包括以0.1℃每分钟和10℃每分钟的速率将阴极互连、垫料、阴极、电解液、阳极、阳极互连、阳极粘合剂、和阳极密封剂加热到固化温度。更具体地，加热步骤可以包括以0.5℃每分钟到3℃每分钟的速率将阴极互连、垫料、阴极、电解液、阳极、阳极互连、阳极粘合剂、和阳极密封剂加热到固化温度。更具体地，加热步骤可以包括以1℃每分钟到1.5℃每分钟的速率将阴极互连、垫料、阴极、电解液、阳极、阳极互连、阳极粘合剂和、阳极密封剂加热到固化温度。另外，固化温度可以为约600℃到约1000℃。固化时间可以为约1分钟到约4小时，更具体地，固化时间可以为约45分钟到约1.5小时。
而且，加热步骤可以包括将阴极互连、垫料、阴极、电解液、阳极、阳极互连、阳极粘合剂、和阳极密封剂加热到至少一个中间温度并维持至少一个中间持续时间，然后将阴极互连、垫料、阴极、电解液、阳极、阳极互连、阳极粘合剂、和阳极密封剂加热到固化温度，其中中间温度低于固化温度。将组件加热到至少一个中间温度中间时间允许组件的均匀温度分布，其减少热循环应力。
例如，第一中间温度可以为约40℃到约150℃。更具体地，第一中间温度为约100℃到约150℃。第二中间温度可以为约200℃到约500℃。更具体地，第二中间温度可以为约375℃到约425℃。第三中间温度可以为约550℃到约650℃。更具体地，第三中间温度可以为约625℃到约675℃。
中间温度持续的中间时间为约30分钟到约48小时。更具体地，中间时间为约2小时到约5小时。
某些阳极材料的制备可以包含化学还原。例如，固体氧化物电化学装置可以用包含在空气中稳定的氧化镍的阳极层构造。在固体氧化物电化学装置堆运行之前，氧化镍被还原成镍。阳极层在还原过程中可经历尺寸变化以及热膨胀性能变化。如果固体氧化物电化学装置在还原过程中被密封到阳极互连或者阴极互连，则在受限制的固体氧化物电化学装置中的这些尺寸变化可以引起固体氧化物电化学装置或者密封失败。因此，通过在阳极层和阳极互连之间形成密封之前或者在密封过程中还原阳极层，本发明还可以提高单个固体氧化物电化学装置的可靠性，从而提高固体氧化物电化学装置组件和固体氧化物电化学装置堆的可靠性。因此，在每个固体氧化物电化学装置组件中的阳极层在固体氧化物电化学装置堆运行期间没有经历另外的化学还原。
多个阳极层可以同时被还原，如在伪堆中。用于还原阳极层的气体可以包括氢气、甲烷、天然气、一氧化碳、或者能够发生所需还原反应的任何其它适合的气体。例如，可以引入10体积％一氧化碳、10体积％水蒸汽、和80体积％惰性气体如氮气或者氩气的气体混合物以还原阳极层。在另一个实例中可以使用90体积％氢气和10体积％水蒸汽的混合物以还原阳极层。当使用含碳气体还原阳极时，水蒸汽的加入防止碳在镍阳极上累积。在阳极包括氧化镍的实施方案中，引入还原剂的温度可以为500℃和1100℃之间。
因而，在一些实施方案中，在步骤54中，通过气体歧管将还原性气体供给用于还原阳极层的全部的固体氧化物电化学装置组件中的阳极层的流道。将包含还原剂的气体引入到燃料流场可发生在加热到固化温度之前或者基本上加热到固化温度的同时。还原剂可以以占气体5体积％到100体积％的量存在于气体中。另外，可以以约0.0002标准升每分种每平方厘米阳极面积到约1标准升每分种每平方厘米阳极面积的速率引入气体。更具体地，可以以约0.001标准升每分种每平方厘米阳极面积到0.5标准升每分种每平方厘米阳极面积的速率引入气体。更具体地，可以以0.04标准升每分种每平方厘米阳极面积到约0.2标准升每分种每平方厘米阳极面积的速率引入气体。
在步骤56中，可以测试和检查伪堆中的单独固体氧化物电化学装置组件的缺陷。在步骤58中，从单个固体氧化物电化学装置组件中选择无缺陷固体氧化物电化学装置组件，并替换有缺陷的组件以形成可操作的固体氧化物电化学装置堆。最后的装配工艺包括完成在伪堆的形成中没有形成的任何互连和密封。在一些实施方案中，在密封阴极和阴极互连之前除去垫料。在其它的实施方案中，在密封阴极和阴极互连之前或者基本上同时将阴极粘结到阴极互连。
在其它实施方案中，在加热到固化温度之前或者基本在加热到固化温度的同时，可以将包含氧化剂的气体引入燃料流场。氧化剂与阳极中的任何有机材料、阳极粘合剂、阳极密封剂、或者碳化反应中的阳极互连反应以烧尽有机材料。另外，将组件加热到中间温度中间时间还允许完成有机烧尽。氧化剂可包含例如氧气或者水蒸汽。例如，可以引入包含20体积％水蒸汽的空气或者不燃的气体，例如氮气以烧尽有机材料。
在又一个另外的实施方案中，在加热到固化温度之后可以冷却伪堆的组件。可以以约0.1℃每分钟到约10℃每分钟中的速率冷却。更具体地，可以以约0.5℃每分钟到约1.5℃每分钟的速率冷却。以此慢的速率冷却伪堆允许释放任何应力。在伪堆的冷却期间，可以将包含还原剂的气体加入燃料流场。可以以约0.0002标准升每分种每平方厘米阳极面积到约0.1标准升每分种每平方厘米阳极面积的速率引入气体。更具体地，可以以0.001标准升每分种每平方厘米阳极面积到约0.040标准升每分种每平方厘米阳极面积的速率引入气体。
在可替换实施方案中，在不形成伪堆的情况下可以获得无缺陷固体氧化物电化学装置堆。在本实施方案中，如前面说明形成固体氧化物电化学装置组件。然而，可以通过还原性气体的通道还原每个固体氧化物电化学装置组件以形成用于测试和检查的还原的固体氧化物电化学装置组件。可以堆叠两个或多个无缺陷还原的固体氧化物电化学装置组件以形成无缺陷的固体氧化物电化学装置堆。
如本领域的技术人员所理解，通过本技术提供的整个系统具有超过传统固体氧化物电化学装置及其制造方法的许多益处。在本实施方案中，在固体氧化物电化学装置12的最后组装与操作之前并与密封介质34的硬化同时，固体氧化物电化学装置组件10的阳极层14的体积收缩。这防止由于阳极层14的体积收缩引起固体氧化物电化学装置12或者密封剂34的损坏，同时固体氧化物电化学装置12受到硬化密封34的机械限制。另外，本技术还有助于在固体氧化物电化学装置堆38的最后组装之前进行固体氧化物电化学装置组件10的某些测试和检查。本方法有助于在固体氧化物电化学装置堆的最后组装之前除去有缺陷的固体氧化物电化学装置组件10，而不是在发现任何固体氧化物电化学装置组件有缺陷的情况下除去全部的固体氧化物电化学装置堆。
在不以对本发明的范围加以限制的方式构建的实施例中进一步举例说明本发明。相反地，应该清楚理解，在不脱离本发明和附加权利要求的范围的情况下，本领域的技术人员在阅读了本说明书后可以进行各种其它的实施方案、修改和等价方案。
实施例1
在本发明的具体实施方案中，在阳极互连和阴极互连之间放置包括配置在阳极和阴极之间的电解液的陶瓷固体氧化物电化学装置。NiO粘合剂施加于阳极互连。另外，15密耳厚的BaO-SiO2-MgO-CaO基玻璃镜密封带位于阳极互连的密封边缘。将包括来自Unifrax Company的FiberFrax的适应陶瓷毡放置在阴极和阴极互连之间。将五个上述固体氧化物电化学装置组件堆叠在一起并将30磅净重的重物放置在最顶端互连上以确保全部层亲密地接触。
将该固体氧化物电化学装置伪堆置于熔炉中并使用下列加热程序加热。另外，将空气引入阳极流场作为氧化剂以烧尽任何有机材料。随后，以不同的组成将氢气和氮气混合物也引入阳极流场以还原阳极。另外，将空气引入阴极流场。对堆大小最多为10个单元的堆以0.5标准升每分种(SLPM)每单元和对堆大小最多为11至15个单元的堆以0.7SLPM至0.8SLPM每单元的速率将气体引入到阳极和阴极流场。当在关掉熔炉之后温度达到100℃时停止气体的引入。
表1：用于预密封固体氧化物电化学装置伪堆的加热程序
    等变速率(℃/小时)   设定点(℃)  中间时间(小时)     阳极气体(SLPM)/单元     阴极气体(SLPM)/单元
    90     150     3     空气：0.5     空气：0.5
    90     400     1-2     空气：0.5     空气：0.5
    90     650     1-2     空气：0.5     空气：0.5
    650     0.1     N2：0.5     空气：0.5
    650     0.1     10％H2：0.5     空气：0.5
    90     900     0.5     10％H2：0.5     空气：0.5
    90     870     0.5     25％H2：0.5     空气：0.5
    870     0.5     50％H2：0.5     空气：0.5
    870     1     64％H2：0.5     空气：0.5
    90     800     1     64％H2：0.5     空气：0.5
    90     500     1     25％H2：0.5     空气：0.5
    炉子关闭     3.5％H2：0.5     空气：2.5
    100     0     0
目视检查预密封固体氧化物电化学装置组件。另外，在阳极侧面上进行泄漏和压降测量。目视观察密封良好。另外，压力下降测量显示每一个组件是气密的并且阳极侧压降狭窄地分布。
应该理解，上文涉及本发明的具体实施方案，在不脱离下面权利要求限定的本发明的范围的情况下可以进行众多的变化。
零件明细表
10固体氧化物电化学装置组件
12固体氧化物电化学装置
14第一电极
16第二电极
18电解液
20第一互连
22流道
24还原性气体
26第二互连
30流道
32粘合剂
34密封剂
36垫料
38固体氧化物电化学装置伪堆
40底板
42重物
44固体氧化物电化学装置堆
46方法步骤
48方法步骤
50方法步骤
52方法步骤
54方法步骤
56方法步骤
58方法步骤

Claims (10)

1.用于制造固体氧化物电化学装置(12)的方法，其包括：
在第一电极(14)和第二电极(16)之间配置电解液(18)；
在第一电极(14)和第一互连(20)之间施加粘合剂(32)以便粘合剂(32)与第一电极(14)和第一互连(20)接触，其中配置第一电极(14)和第一互连(20)以在彼此之间形成至少一个燃料流场(22)；
在第一电极(14)和第一互连(20)之间施加密封剂(34)；
靠近第二电极(16)配置第二互连(26)；和
将第一互连(20)、第一电极(14)、电解液(18)、第二电极(16)、第二互连(26)、粘合剂(32)、和密封剂(34)加热到至少一个中间温度至少一个中间时间，然后加热到固化温度固化时间，有效地将第一电极(14)粘结和密封到第一互连(20)，其中至少一个中间温度低于固化温度。
2.权利要求1的方法，其中第一电极(14)包括阳极，第一互连(20)包括阳极互连，第二电极(16)包括阴极，第二互连(26)包括阴极互连。
3.权利要求1的方法，还包括在加热步骤之后，检查第一互连(20)、第一电极(14)、电解液(18)、第二电极(16)、第二互连(26)、粘合剂(32)、和密封剂(34)的缺陷。
4.权利要求1的方法，还包括在第二电极(16)和第二互连(26)之间配置垫料(36)。
5.权利要求1的方法，其中加热步骤包括以0.1℃每分钟到10℃每分钟的速率加热第一互连(20)、第一电极(14)、电解液(18)、第二电极(16)、第二互连(26)、粘合剂(32)、和密封剂(34)。
6.权利要求1的方法，还包含在加热到固化温度之前或者基本在加热到固化温度的同时将包含还原剂的气体引入到至少一个燃料流场(22)，其中还原剂还原第一电极(14)中的氧化物。
7.权利要求1的方法，还包括在加热到固化温度之前将包含氧化剂的气体引入到至少一个燃料流场(22)，其中氧化剂与第一电极(14)、粘合剂(32)、密封剂(34)或碳化反应中的第一互连(20)中的任何有机材料反应以烧尽有机材料。
8.权利要求3的方法，还包括在加热步骤之后和在检查步骤之前冷却第一互连(20)、第一电极(14)、电解液(18)、第二电极(16)、第二互连(26)、粘合剂(32)、和密封剂(34)。
9.权利要求8的方法，其中冷却包括以约0.1℃每分钟到约10℃每分钟的速率冷却第一互连(20)、第一电极(14)、电解液(18)、第二电极(16)、第二互连(26)、粘合剂(32)、和密封剂(34)。
10.通过权利要求1的方法制造的固体氧化物电化学装置(12)。
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