CN107210454A - 平板型固体氧化物燃料电池和包括其的电池模块 - Google Patents

平板型固体氧化物燃料电池和包括其的电池模块 Download PDF

Info

Publication number
CN107210454A
CN107210454A CN201680008698.9A CN201680008698A CN107210454A CN 107210454 A CN107210454 A CN 107210454A CN 201680008698 A CN201680008698 A CN 201680008698A CN 107210454 A CN107210454 A CN 107210454A
Authority
CN
China
Prior art keywords
porous ceramic
ceramic support
electrode
fuel
flat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201680008698.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107210454B (zh
Inventor
许炼爀
崔光郁
任上赫
吴卓根
崔正美
卢泰敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Corp
Original Assignee
LG Chemical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LG Chemical Co Ltd filed Critical LG Chemical Co Ltd
Publication of CN107210454A publication Critical patent/CN107210454A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107210454B publication Critical patent/CN107210454B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H01M8/1226—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material characterised by the supporting layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H01M8/1253—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides the electrolyte containing zirconium oxide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1286—Fuel cells applied on a support, e.g. miniature fuel cells deposited on silica supports
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2432—Grouping of unit cells of planar configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071—Oxides
    • H01M2300/0074—Ion conductive at high temperature
    • H01M2300/0077—Ion conductive at high temperature based on zirconium oxide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

本说明书涉及固体氧化物燃料电池。具体地，本说明书涉及依次设置有燃料电极、电解质层和空气电极的固体氧化物燃料电池。

Description

平板型固体氧化物燃料电池和包括其的电池模块
技术领域
本申请要求于2015年8月27日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2015-0121179号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
本说明书涉及平板型固体氧化物燃料电池。具体地，本说明书涉及依次设置有燃料电极、电解质层和空气电极的平板型固体氧化物燃料电池。
背景技术
随着近期对现有能源资源(例如石油和煤炭)用尽的预测，对能够取代这些的替代能源的兴趣一直在增长。作为这样的替代能源之一，燃料电池以高效、不放出污染物(例如NOx和SOx)并且具有足够使用的燃料的优势而受到注意。
燃料电池是将燃料和氧化剂的化学反应能量转化为电能的发电系统，并且使用氢、甲醇和烃(例如丁烷)作为燃料，并且氧通常用作氧化剂。
燃料电池包括聚合物电解质膜型燃料电池(PEMFC)、直接甲醇型燃料电池(DMFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、碱型燃料电池(AFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物型燃料电池(SOFC)等。
图1是示意性地表示固体氧化物型燃料电池的发电原理的图，并且固体氧化物型燃料电池形成有电解质层和在该电解质层的两个表面上形成的燃料电极(阳极)和空气电极(阴极)。当参照示出固体氧化物型燃料电池的发电原理的图1时，空气在空气电极中被电化学地还原以产生氧离子，并且所产生的氧离子经由电解质层转移到燃料电极。在燃料电极中，注入燃料例如氢、甲醇和丁烷，并且所述燃料在与氧离子结合并被电化学地氧化以产生水的同时释放电子。通过这样的反应，电子迁移到外部电路。
发明内容
技术问题
本说明书旨在提供平板型固体氧化物燃料电池。具体地，本说明书旨在提供依次设置有燃料电极、电解质层和空气电极的平板型固体氧化物燃料电池。
技术方案
本说明书的一个实施方案提供了平板型固体氧化物燃料电池，包括多孔陶瓷支撑体、设置在多孔陶瓷支撑体上的燃料电极、设置在燃料电极上的电解质层、设置在电解质层上的空气电极和连接至燃料电极并设置为基于多孔陶瓷支撑体沿与设置有空气电极的方向相反的方向延伸的燃料电极集流体。
本说明书的另一实施方案提供了包括平板型固体氧化物燃料电池作为单元电池的电池模块。
有益效果
根据本说明书制造的具有多孔陶瓷支撑体的固体氧化物燃料电池具有稳定地密封气体的优点。
根据本说明书制造的具有多孔陶瓷支撑体的平板型固体氧化物燃料电池可以具有高开路电压。
根据本说明书制造的具有多孔陶瓷支撑体的平板型固体氧化物燃料电池具有提高的电池效率。
根据本说明书制造的具有多孔陶瓷支撑体的平板型固体氧化物燃料电池具有高的长期稳定性。
根据本说明书制造的具有多孔陶瓷支撑体的平板型固体氧化物燃料电池可以使用低价材料用于燃料电极集流体，从而可以降低成本。
附图说明
图1是示出固体氧化物燃料电池(SOFC)的发电原理的示意图。
图2是示出比较例的燃料电极集流体的位置的结构图。
图3是示出实施例的燃料电极集流体的位置的结构图。
图4是从空气电极侧拍摄的比较例的纽扣电池图像。
图5是从空气电极侧(左)和燃料电极侧(右)拍摄的实施例的纽扣电池图像。
图6是示出在实施例和比较例中根据温度的开路电压的图。
图7是示出实施例和比较例中的I-V-P曲线的图。
最佳实施方案
下文中，将详细地描述本说明书。
本说明书的一个实施方案提供了依次设置有多孔陶瓷支撑体、燃料电极、电解质层和空气电极的平板型固体氧化物燃料电池。
多孔陶瓷支撑体是指与其它层相比其厚度相对更高的支撑平板型固体氧化物燃料电池的其它层的层。
多孔陶瓷支撑体设置在燃料电极侧，因此优选是多孔的，以将燃料注入到燃料电极。
多孔陶瓷支撑体的孔隙率可以为20％或更大且60％或更小。具体地，多孔陶瓷支撑体的孔隙率可以为30％或更大且50％或更小。
多孔陶瓷支撑体的孔径可以为0.1μm或更大且10μm或更小。具体地，多孔陶瓷支撑体的孔径可以为0.5μm或更大且5μm或更小。更具体地，多孔陶瓷支撑体的孔径可以为0.5μm或更大且2μm或更小。
多孔陶瓷支撑体由陶瓷制成，可能不起燃料电极的作用，因为陶瓷不具有氧离子传导性和导电性，或者即使在具有氧离子传导性和导电性时，所述氧离子传导性和导电性也不满足作为燃料电极所需要的水平，然而材料可以是低价的。
多孔陶瓷支撑体可以包括Mg、Ca、Y、Al和Zr中的至少一种的氧化物。多孔陶瓷支撑体可以包括至少一种下述氧化物：MgO、MgAl2O4、CaO、Y2O3、Al2O3和Zr2O3。
多孔陶瓷支撑体的厚度可以为200μm或更大且5mm或更小。这具有反应物和产物在电池驱动期间平稳转移并且保持所需机械强度的优点。
具体地，多孔陶瓷支撑体的厚度可以为500μm或更大且2mm或更小。
用于制备多孔陶瓷支撑体的方法没有特别限制，可以在基底上涂覆用于多孔陶瓷支撑体的浆料，并可干燥和烧结所得物。具体地，通过将用于多孔陶瓷支撑体的浆料涂覆在基底上并干燥所得物来制备用于多孔陶瓷支撑体的生片，并将生片移动、层合并分别烘烤，或者与其他层的生片一起烘烤。
用于多孔陶瓷支撑体的生片可以具有400μm或更大且1500μm或更小的厚度。
平板型固体氧化物燃料电池还包括燃料电极集流体，其连接至燃料电极，并设置为基于多孔陶瓷支撑体沿与设置有空气电极的方向相反的方向延伸。
设置在多孔陶瓷支撑体和电解质层之间的燃料电极可以连接至燃料电极集流体。具体地，设置在多孔陶瓷支撑体和电解质层之间的燃料电极可以连接至设置为基于多孔陶瓷支撑体沿与设置有空气电极的方向相反的方向延伸的燃料电极集流体。
设置在多孔陶瓷支撑体和电解质层之间的燃料电极的边缘部分的至少一部分设置为基于多孔陶瓷支撑体沿与设置有空气电极的方向相反的方向延伸至多孔陶瓷支撑体的表面，并且燃料电极集流体可以连接至燃料电极的设置为基于多孔陶瓷支撑体沿与设置有空气电极的方向相反的方向延伸至多孔陶瓷支撑体的表面的部分。
燃料电极集流体可以包括金属网层和延伸线，所述金属网层设置在燃料电极的设置为基于多孔陶瓷支撑体沿与设置有空气电极的方向相反的方向延伸至多孔陶瓷支撑体的表面的部分上；所述延伸线连接至金属网层并且设置为基于多孔陶瓷支撑体沿与设置有空气电极的方向相反的方向延伸。
燃料电极集流体可以包括设置在燃料电极的设置为基于多孔陶瓷支撑体沿与设置有空气电极的方向相反的方向延伸至多孔陶瓷支撑体的表面的部分上并且彼此分离的两个或更多个金属网层，和各自连接至两个或更多个金属网层并且设置为基于多孔陶瓷支撑体沿与设置有空气电极的方向相反的方向延伸的两条或更多条延伸线。
设置有燃料电极的两条或更多条延伸线的方向可以是供应燃料电极的燃料的方向，换句话说，设置有燃料电极的两条或更多条延伸线的方向意指燃料电极的两条或更多条延伸线暴露于燃料但不暴露于供应至空气电极的空气的方向。
设置有燃料电极的两条或更多条延伸线的方向可以基于多孔陶瓷支撑体沿与设置有空气电极的方向相反的方向延伸。在此，设置有燃料电极的两条或更多条延伸线的方向可以包括相对于与多孔陶瓷支撑体的设置有电解质层的表面相对的表面具有0°的方向。具体地，设置有燃料电极的两条或更多条延伸线的方向可以是平行于与多孔陶瓷支撑体的设置有电解质层的表面相对的表面的方向；基于多孔陶瓷支撑体沿与设置有空气电极的方向相反的方向垂直于与多孔陶瓷支撑体的设置有电解质层的表面相对的表面的方向；或者相对于与多孔陶瓷支撑体的设置有电解质层的表面相对的表面形成锐角的方向。
燃料电极可以包括具有氧离子传导性以在用于固体氧化物燃料电池的燃料电极中使用的第一无机物质，并且尽管所述第一无机物质的类型没有特殊限制，但所述第一无机物质可以包括以下中的至少一者：经氧化钇稳定的氧化锆(YSZ：(Y2O3)x(ZrO2)1-x，x＝0.05至0.15)、经氧化钪稳定的氧化锆(ScSZ：(Sc2O3)x(ZrO2)1-x，x＝0.05至0.15)、经钐掺杂的二氧化铈(SDC：(Sm2O3)x(CeO2)1-x，x＝0.02至0.4)、经钆掺杂的二氧化铈(GDC：(Gd2O3)x(CeO2)1-x，x＝0.02至0.4)、镧锶锰氧化物(LSM)、镧锶钴铁氧体(LSCF)、镧锶镍铁氧体(LSNF)、镧钙镍铁氧体(LCNF)、镧锶铜氧化物(LSC)、钆锶钴氧化物(GSC)、镧锶铁氧体(LSF)、钐锶钴氧化物(SSC)、钡锶钴铁氧体(BSCF)和镧锶镓镁氧化物(LSGM)。
燃料电极集流体可以包括镍、铜、铂、银和钯中的至少一者。具体地，燃料电极集流体可以包括镍或铜。
燃料电极的厚度可以为10μm或更大且100μm或更小。具体地，燃料电极的厚度可以为20μm或更大且50μm或更小。
燃料电极的孔隙率可以为10％或更大且50％或更小。具体地，燃料极的孔隙率可以为10％或更大且30％或更小。
燃料电极的孔径可以为0.1μm或更大且10μm或更小。具体地，燃料电极的孔径可以为0.5μm或更大且5μm或更小。更具体地，燃料电极的孔径可以为0.5μm或更大且2μm或更小。
用于制备燃料电极的方法没有特别限制，例如，将用于燃料电极的浆料涂覆在经固化的多孔陶瓷支撑体上，并将所得物干燥和固化，或者可以通过将燃料电极浆料涂覆在单独的离型纸上并干燥所得物来制备用于燃料电极的生片，并且可以将所制备的用于燃料电极的生片层合在经固化的多孔陶瓷支撑体上，然后将其固化以制备燃料电极。
用于燃料电极的生片的厚度可以为10μm或更大且100μm或更小。
用于燃料电极的浆料包括具有氧离子传导性的第一无机颗粒，并且根据需要，用于燃料电极的浆料还可以包括粘合剂树脂、增塑剂、分散剂和溶剂。粘合剂树脂、增塑剂、分散剂和溶剂没有特别限制，并且可以使用本领域已知的常用材料。
用于燃料电极的浆料还可以包括NiO。
在本说明书中，生片意指呈能够在下一步骤中加工而不是完成的最终产品的状态的薄层型膜。换句话说，生片是用包含无机颗粒和溶剂的涂覆组合物涂覆，并干燥成片型，并且生片是指能够在包含一些溶剂的同时保持片形式的呈半干燥状态的片。
电解质层可以包括具有氧离子传导性的第二无机物质，并且尽管所述第二无机物质的类型没有特殊限制，但所述第二无机物质可以包括以下中的至少一者：经氧化钇稳定的氧化锆(YSZ：(Y2O3)x(ZrO2)1-x，x＝0.05至0.15)、经氧化钪稳定的氧化锆(ScSZ：(Sc2O3)x(ZrO2)1-x，x＝0.05至0.15)、经钐掺杂的二氧化铈(SDC：(Sm2O3)x(CeO2)1-x，x＝0.02至0.4)、经钆掺杂的二氧化铈(GDC：(Gd2O3)x(CeO2)1-x，x＝0.02至0.4)、镧锶锰氧化物(LSM)、镧锶钴铁氧体(LSCF)、镧锶镍铁氧体(LSNF)、镧钙镍铁氧体(LCNF)、镧锶铜氧化物(LSC)、钆锶钴氧化物(GSC)、镧锶铁氧体(LSF)、钐锶钴氧化物(SSC)、钡锶钴铁氧体(BSCF)和镧锶镓镁氧化物(LSGM)。
电解质层的第二无机物质可以与燃料电极的第一无机物质相同。
电解质层的厚度可以为3μm或更大且30μm或更小。具体地，电解质层的厚度可以为3μm或更大且10μm或更小。
用于制备电解质层的方法没有特别限制，例如，将用于电解质层的浆料涂覆在经烧结的燃料电极或用于燃料电极的生片上，并且将所得物干燥并固化，或者通过将用于电解质层的浆料涂覆在单独的离型纸上并干燥所得物来制备用于电解质层的生片，并且将所制备的用于电解质层的生片层合在经烧结的燃料电极或用于燃料电极的生片上，然后将其固化以制备电解质层。
用于电解质层的生片的厚度可以为5μm或更大且30μm或更小。
用于电解质层的浆料包括具有氧离子传导性的第二无机颗粒，并且根据需要，用于电解质层的浆料还可以包括粘合剂树脂、增塑剂、分散剂和溶剂。粘合剂树脂、增塑剂、分散剂和溶剂没有特别限制，并且可以使用本领域已知的常用材料。
平板型固体氧化物燃料电池可以包括设置在电解质层上的空气电极和连接至空气电极并设置为基于空气电极沿与设置有电解质层的方向相反的方向延伸的空气电极集流体。
空气电极集流体可以包括金属网层和延伸线，所述金属网层设置在空气电极的至少一部分上；所述延伸线连接至金属网层并且设置为基于空气电极沿与设置有电解质层的方向相反的方向延伸。
空气电极集流体可以包括设置在空气电极的至少一部分上并且彼此分离的两个或更多个金属网层、和各自连接至两个或更多个金属网层并且设置为基于空气电极沿与设置有电解质层的方向相反的方向延伸的两条或更多条延伸线。
设置有空气电极的两条或更多条延伸线的方向可以是供应空气电极的空气的方向，换句话说，设置有空气电极的两条或更多条延伸线的方向意指空气电极的两条或更多条延伸线暴露于空气但不暴露于供应至燃料电极的燃料的方向。
设置有空气电极的两条或更多条延伸线的方向可以基于空气电极沿与设置有电解质层的方向相反的方向延伸。在此，设置有空气电极的两条或更多条延伸线的方向可以包括相对于与空气电极的设置有电解质层的表面相对的表面具有0°的方向。具体地，设置有空气电极的两条或更多条延伸线的方向可以是平行于与空气电极的设置有电解质层的表面相对的表面的方向；基于空气电极沿设置有电解质层的方向垂直于与空气电极的设置有电解质层的表面相对的表面的方向；或者相对于与空气电极的设置有电解质层的表面相对的表面形成锐角的方向。
空气电极可以包括具有氧离子传导性以在用于固体氧化物燃料电池的空气电极中使用的第三无机物质，并且尽管所述第三无机物质的类型没有特殊限制，但所述第三无机物质可以包括以下中的至少一者：经氧化钇稳定的氧化锆(YSZ：(Y2O3)x(ZrO2)1-x，x＝0.05至0.15)、经氧化钪稳定的氧化锆(ScSZ：(Sc2O3)x(ZrO2)1-x，x＝0.05至0.15)、经钐掺杂的二氧化铈(SDC：(Sm2O3)x(CeO2)1-x，x＝0.02至0.4)、经钆掺杂的二氧化铈(GDC：(Gd2O3)x(CeO2)1-x，x＝0.02至0.4)、镧锶锰氧化物(LSM)、镧锶钴铁氧体(LSCF)、镧锶镍铁氧体(LSNF)、镧钙镍铁氧体(LCNF)、镧锶铜氧化物(LSC)、钆锶钴氧化物(GSC)、镧锶铁氧体(LSF)、钐锶钴氧化物(SSC)、钡锶钴铁氧体(BSCF)和镧锶镓镁氧化物(LSGM)。
空气电极集流体可以包括以下中的至少一者：铂(Pt)、银(Ag)、银-钯(Ag-Pd)、镧锶锰氧化物(LSM)和镧锶锰氧化物-银(LSM-Ag)。
空气电极的厚度可以为10μm或更大且100μm或更小。具体地，空气电极的厚度可以为20μm或更大且50μm或更小。
空气电极的孔隙率可以为10％或更大且50％或更小。具体地，空气电极的孔隙率可以为20％或更大且40％或更小。
空气电极的孔径可以为0.1μm或更大且10μm或更小。具体地，空气电极的孔径可以为0.5μm或更大且5μm或更小。更具体地，空气电极的孔径可以为0.5μm或更大且2μm或更小。
用于形成空气电极的方法没有特别限制，例如，将用于空气电极的浆料涂覆在经烧结的电解质层上，并且将所得物干燥并固化，或者通过将空气电极浆料涂覆在单独的离型纸上并干燥所得物来制备用于空气电极的生片，并且将所制备的用于空气电极的生片层合在经烧结的电解质层上，然后将其固化以制备空气电极。
用于空气电极的生片的厚度可以为10μm或更大且100μm或更小。
用于空气电极的浆料包括具有氧离子传导性的第三无机颗粒，并且根据需要，用于空气电极的浆料还可以包括粘合剂树脂、增塑剂、分散剂和溶剂。粘合剂树脂、增塑剂、分散剂和溶剂没有特别限制，可以使用本领域已知的常用材料。
在具有多孔陶瓷支撑体的平板型固体氧化物燃料电池中，位于燃料电极外侧的多孔陶瓷支撑体不具有或具有低的氧离子传导性和导电性，因此，燃料电极的集流需要通过直接连接至设置在多孔陶瓷支撑体和电解质层之间的燃料电极的集流体来进行。
为此，需要在燃料电极上形成用于集流的金属网图案，然而，这样做的缺点在于，当在燃料电极和电解质层需要彼此接触的表面上形成集流体的金属网图案时，燃料电极和电解质层之间的接触面积相对减小，并且燃料电极和电解质层之间的界面处的粘合不稳定而使稳定的气体密封难以进行。
同时，可以在通过形成比燃料电极小的电解质层而暴露的燃料电极上形成金属网图案，然而，在这种情况下，存在电池结构变得复杂的缺点。
在这种情况下，通过连接至在暴露的燃料电极上形成的金属网图案而向外侧延伸的方向设计为包括氧的空气电极方向，因此需要使用在氧化气氛下稳定的材料作为燃料电极集流体的材料。在此，用作燃料电极集流体材料的在氧化气氛下稳定的材料通常是昂贵的贵金属系列金属例如银、金和铂。
然而，根据本说明书的具有多孔陶瓷支撑体的平板型固体氧化物燃料电池在供应燃料的方向而不是供应空气的方向上收集燃料电极的电流，因此可以使用相对便宜的材料(例如镍和铜)，并且可以降低成本。
根据本说明书的具有多孔陶瓷支撑体的平板型固体氧化物燃料电池在电解质层和燃料电极之间不具有集流结构，并且能够在平的燃料电极上形成电解质层，因此具有获得稳定的气体密封的优点。
根据本说明书的具有多孔陶瓷支撑体的平板型固体氧化物燃料电池在电解质层和燃料电极之间不具有集流结构，并且能够在平的燃料电极上形成电解质层，因此具有获得高开路电压的优点。
根据本说明书制造的具有多孔陶瓷支撑体的平板型固体氧化物燃料电池具有提高的电池效率。
根据本说明书制造的具有多孔陶瓷支撑体的平板型固体氧化物燃料电池由于稳定的气体密封而具有高的长期稳定性。
本说明书提供了包括平板型固体氧化物燃料电池作为单元电池的电池模块。
电池模块可以包括：包括单元电池和设置在单元电池之间的隔离件的堆叠体，所述单元电池包括固体氧化物燃料电池；向堆叠体供应燃料的燃料供应单元；和向堆叠体供应氧化剂的氧化剂供应单元。
电池模块可以具体地用作家庭发电和热力的电源，用于区域发电、电动车辆、混合电动车辆、插电式混合电动车辆或蓄电装置的堆叠体。
具体实施方式
下文中，将参照实施例更详细地描述本说明书。然而，以下实施例仅用于说明目的，并且本说明书的范围不限于此。
[实施例]
将通过粉末压制MgAl2O4(基于总固体重量的10重量％炭黑)而制备的陶瓷支撑体在1200℃下预烧结2小时。
将经预烧结的陶瓷支撑体浸涂在NiO-GDC(NiO:GDC的重量比＝61:39)浆料上以在经预烧结的陶瓷支撑体的整个表面上涂覆燃料电极(功能层)浆料，并将所得物在1200℃下预烧结2小时。
将经预烧结的燃料电极(功能层)浸涂在YSZ浆料上以在经预烧结的燃料电极(功能层)的整个表面上涂覆电解质膜，然后将经预烧结的陶瓷支撑体、经预烧结的燃料电极(功能层)和电解质浆料在1500℃下同时完全烧结3小时。
在经完全烧结的电解质层的一个表面上，通过手工印刷LSM糊料(对除有效区域以外的区域进行带掩蔽并通过用玻璃滑动来涂覆的方法)来形成空气电极，然后将所得物在1200℃下同时完全烧结2小时。
从空气电极侧(左)和燃料电极侧(右)拍摄所制备的单元电池，并且图像在图5中示出。
如在图5右侧的图像中所示，燃料电极设置为基于陶瓷支撑体沿与设置有空气电极的方向相反的方向延伸，并且作为燃料电极集流体，铂网和连接到铂网的铂线在燃料电极上形成，其基于陶瓷支撑体沿与设置有空气电极的方向相反的方向延伸。
另外，如在图5左侧的图像中所示，在空气电极上形成铂网和连接到铂网的铂线作为空气电极集流体。
将空气电极集流体和燃料电极集流体在1000℃下烧结2小时。
通过安装571密封材料(由Aremco生产的陶瓷密封材料)并将所得物在约100℃下固化2小时或更长时间来制造单元电池。
[比较例]
以与实施例相同的方式制造单元电池，不同之处在于，如图2的结构，实施例的燃料电极没有延伸到与设置有电解质层的表面相对的表面，燃料电极仅设置在多孔陶瓷支撑体和电解质层之间，电解质层形成在燃料电极的一个表面的中心的一部分上，并且作为燃料电极集流体，铂网和连接到铂网的铂线在与燃料电极的设置有电解质层的表面相同的表面上形成。
从空气电极侧拍摄所制造的单元电池，并且图像在图4中示出。
[测试例1]
根据温度测量实施例和比较例的开路电压(OCV)，并将结果示于图6。
OCV意指在没有电流的状态(不工作的状态)下的电压差。随着OCV值增加，电池性能趋于优异，并且影响该OCV值最多的因素是电解质稳定性和气体密封状态。换句话说，当充分稳定地涂覆电解质时，OCV值高，并且当反应气体(燃料和空气)被完全密封并且在没有燃烧反应的情况下全部进行电化学反应时，获得接近理论值的OCV值。在比较例中，由于并不是全部的气体密封位置均被电解质覆盖并且认为气体在电解质/燃料电极/燃料电极集流体附近泄漏，所以OCV低。换句话说，由于用现有的集流方法难以进行完全的气体密封，所以OCV值不可避免地低。
[测试例2]
将在实施例或比较例中制造的单元电池加热到目标温度(850℃)，并在向燃料电极供应氢气并向空气电极供应空气的同时逐渐升高电流。连续收集电压偏移数据，并在各温度下计算输出。为了更详细的电化学分析，结合交流电阻抗测试，并通过由从高逐渐到低的频率作为输入信号而获得的阻抗值的极坐标图(Nyquist曲线)，推断出相应频率下的电化学反应。
测量在实施例和比较例中制造的钮扣电池的性能，并将结果示于图7。
图7是通常表示燃料电池性能的I-V-P曲线。在图6的比较例中，气体密封不完全而导致低OCV值，因此，测量性能为低约1/2。当如实施例中在燃料供应方向上进行燃料电极集流时，整个表面可以被电解质覆盖，容易实现气体密封并且可以期待高OCV值，并最终表现出高的性能。

Claims (9)

1.一种平板型固体氧化物燃料电池，包括：
多孔陶瓷支撑体；
设置在所述多孔陶瓷支撑体上的燃料电极；
设置在所述燃料电极上的电解质层；
设置在所述电解质层上的空气电极；和
连接至所述燃料电极并设置为基于所述多孔陶瓷支撑体沿与设置有所述空气电极的方向相反的方向延伸的燃料电极集流体。
2.根据权利要求1所述的平板型固体氧化物燃料电池，其中所述燃料电极的边缘部分的至少一部分设置为基于所述多孔陶瓷支撑体沿与设置有所述空气电极的方向相反的方向延伸至所述多孔陶瓷支撑体的表面；并且
所述燃料电极集流体连接至所述燃料电极的设置为基于所述多孔陶瓷支撑体沿与设置有所述空气电极的方向相反的方向延伸至所述多孔陶瓷支撑体的表面的部分。
3.根据权利要求1所述的平板型固体氧化物燃料电池，还包括连接至所述空气电极并设置为基于所述空气电极沿与设置有所述电解质层的方向相反的方向延伸的空气电极集流体。
4.根据权利要求1所述的平板型固体氧化物燃料电池，其中所述多孔陶瓷支撑体包括Mg、Ca、Y、Al和Zr中的至少一种的氧化物。
5.根据权利要求1所述的平板型固体氧化物燃料电池，其中所述多孔陶瓷支撑体包括至少一种下述氧化物：MgO、MgAl2O4、CaO、Y2O3、Al2O3和Zr2O3。
6.根据权利要求1所述的平板型固体氧化物燃料电池，其中所述多孔陶瓷支撑体的厚度为200μm或更大且5mm或更小。
7.根据权利要求1所述的平板型固体氧化物燃料电池，包括：
金属网层，所述金属网层设置在所述燃料电极的设置为基于所述多孔陶瓷支撑体沿与设置有所述空气电极的方向相反的方向延伸至所述多孔陶瓷支撑体的表面的部分上；和
延伸线，所述延伸线连接至所述金属网层并且设置为基于所述多孔陶瓷支撑体沿与设置有所述空气电极的方向相反的方向延伸。
8.根据权利要求1所述的平板型固体氧化物燃料电池，其中所述燃料电极集流体包括镍或铜。
9.一种电池模块，包括根据权利要求1至8中任一项所述的平板型固体氧化物燃料电池作为单元电池。
CN201680008698.9A 2015-08-27 2016-07-27 平板型固体氧化物燃料电池和包括其的电池模块 Active CN107210454B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2015-0121179 2015-08-27
KR1020150121179A KR102038726B1 (ko) 2015-08-27 2015-08-27 평판형 고체산화물 연료전지 및 이를 포함하는 전지모듈
PCT/KR2016/008217 WO2017034163A1 (ko) 2015-08-27 2016-07-27 평판형 고체산화물 연료전지 및 이를 포함하는 전지모듈

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107210454A true CN107210454A (zh) 2017-09-26
CN107210454B CN107210454B (zh) 2020-07-31

Family

ID=58100481

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680008698.9A Active CN107210454B (zh) 2015-08-27 2016-07-27 平板型固体氧化物燃料电池和包括其的电池模块

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10483561B2 (zh)
EP (1) EP3343682B1 (zh)
JP (1) JP6440178B2 (zh)
KR (1) KR102038726B1 (zh)
CN (1) CN107210454B (zh)
WO (1) WO2017034163A1 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108321408A (zh) * 2017-12-28 2018-07-24 胡强 含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件及其制备方法
CN109318725A (zh) * 2018-08-06 2019-02-12 武汉华科福赛新能源有限责任公司 基于固体氧化物燃料电池的增程式电动汽车及增程方法
CN108336376B (zh) * 2017-12-28 2020-03-31 胡强 一种提高成品率和单电池功率的扁管固体氧化物电池结构及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1317011A2 (en) * 2001-11-30 2003-06-04 Nissan Motor Co., Ltd. Unit cell for solid electrolyte type fuel cell and related manufacturing method
JP2005135713A (ja) * 2003-10-29 2005-05-26 Kyocera Corp 燃料電池セル用支持体及び燃料電池セル並びにその製法、燃料電池
US20100098996A1 (en) * 2008-10-16 2010-04-22 Institute Of Nuclear Energy Research Atomic Energy Council, Executive Yuan Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof
US20130230791A1 (en) * 2012-03-01 2013-09-05 Jen-Chen Chang Current collection apparatus and method of processing for a solid oxide fuel cell thereof

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030045324A (ko) 2001-12-03 2003-06-11 주식회사 엘지화학 메탄올 비투과성 전해질막 및 그 제조방법
CN1276537C (zh) * 2002-10-28 2006-09-20 韩国电力公社 具有气体通道的固体氧化物燃料电池
JP4942334B2 (ja) * 2005-11-30 2012-05-30 京セラ株式会社 燃料電池セルスタックにおける集電構造
JP2010205534A (ja) 2009-03-03 2010-09-16 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池発電ユニット及び燃料電池スタック
KR101150836B1 (ko) * 2009-10-30 2012-06-13 한국전력공사 고체산화물 연료전지의 구조 및 그 제조방법
KR101694144B1 (ko) * 2009-11-23 2017-01-10 주식회사 미코 평관형 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법
JP2011165379A (ja) * 2010-02-05 2011-08-25 Ngk Insulators Ltd 固体酸化物形燃料電池セル
JP5502615B2 (ja) 2010-06-23 2014-05-28 本田技研工業株式会社 燃料電池
KR101220739B1 (ko) * 2010-12-28 2013-01-09 주식회사 포스코 평판형 고체 산화물 연료 전지 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지
KR101289171B1 (ko) * 2010-12-28 2013-07-26 주식회사 포스코 매니폴드 밀봉이 없는 평판형 고체산화물 연료 전지
WO2014021446A1 (ja) 2012-08-03 2014-02-06 株式会社村田製作所 燃料電池
EP2814099A1 (en) * 2013-06-12 2014-12-17 Topsøe Fuel Cell A/S Electrochemical cell
JP5599923B1 (ja) * 2013-08-06 2014-10-01 日本碍子株式会社 接合材、及び、その接合材を用いた燃料電池のスタック構造体
JP5770355B2 (ja) 2013-12-26 2015-08-26 日本碍子株式会社 燃料電池の構造体、及び、燃料電池のスタック構造体

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1317011A2 (en) * 2001-11-30 2003-06-04 Nissan Motor Co., Ltd. Unit cell for solid electrolyte type fuel cell and related manufacturing method
JP2005135713A (ja) * 2003-10-29 2005-05-26 Kyocera Corp 燃料電池セル用支持体及び燃料電池セル並びにその製法、燃料電池
US20100098996A1 (en) * 2008-10-16 2010-04-22 Institute Of Nuclear Energy Research Atomic Energy Council, Executive Yuan Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof
US20130230791A1 (en) * 2012-03-01 2013-09-05 Jen-Chen Chang Current collection apparatus and method of processing for a solid oxide fuel cell thereof

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108321408A (zh) * 2017-12-28 2018-07-24 胡强 含多对电极的扁管固体氧化物电化学器件及其制备方法
CN108336376B (zh) * 2017-12-28 2020-03-31 胡强 一种提高成品率和单电池功率的扁管固体氧化物电池结构及其制备方法
CN109318725A (zh) * 2018-08-06 2019-02-12 武汉华科福赛新能源有限责任公司 基于固体氧化物燃料电池的增程式电动汽车及增程方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR102038726B1 (ko) 2019-10-30
EP3343682A1 (en) 2018-07-04
KR20170025163A (ko) 2017-03-08
JP6440178B2 (ja) 2018-12-19
EP3343682B1 (en) 2020-03-11
WO2017034163A1 (ko) 2017-03-02
EP3343682A4 (en) 2019-01-23
CN107210454B (zh) 2020-07-31
US20180219234A1 (en) 2018-08-02
US10483561B2 (en) 2019-11-19
JP2018511140A (ja) 2018-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100958514B1 (ko) 고체산화물 연료전지의 제조방법
US9252447B2 (en) Composite anode for a solid oxide fuel cell with improved mechanical integrity and increased efficiency
TWI761479B (zh) 電化學元件、電化學模組、電化學裝置、能源系統、固態氧化物型燃料電池、及電化學元件之製造方法
KR101796502B1 (ko) 지지체식 연결재 코팅막의 제조 방법, 및 이로부터 제조된 지지체식 연결재 코팅막을 포함하는 지지체식 세라믹 연결재
JP2010080151A (ja) セルスタックおよびそれを具備する燃料電池モジュールならびに燃料電池装置
JP5748584B2 (ja) 導電体および固体酸化物形燃料電池セルならびにセルスタック、燃料電池
CN107210454A (zh) 平板型固体氧化物燃料电池和包括其的电池模块
JP2012181928A (ja) 固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池モジュール
JP5489673B2 (ja) 燃料電池セルならびにそれを備えるセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置
JP2012054014A (ja) 接合体および固体酸化物形燃料電池セル
KR102111859B1 (ko) 고체산화물 연료 전지 및 이를 포함하는 전지 모듈
TWI763804B (zh) 金屬支撐型電化學元件用之附電極層基板、電化學元件、電化學模組、固態氧化物型燃料電池及製造方法
CN110088965B (zh) 单电池、单电池堆装置、模块以及模块收纳装置
JP5769646B2 (ja) 導電体および固体酸化物形燃料電池セルならびにセルスタック、燃料電池装置
CN107210470B (zh) 固体氧化物燃料电池制造方法、固体氧化物燃料电池和包括其的电池模块
JP4367843B2 (ja) 燃料極、電気化学セルおよび燃料極の製造方法
JP2017157553A (ja) 燃料電池
JP5030747B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池の製造方法および該方法に用いる焼成治具
JP5597177B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池の空気極材料及び固体酸化物形燃料電池
JP2012099463A (ja) 固体酸化物形燃料電池
JP7202172B2 (ja) 燃料極および固体酸化物形電気化学セル
WO2018181924A1 (ja) 電気化学素子、電気化学モジュール、固体酸化物形燃料電池、および製造方法
JP2023146437A (ja) 電気化学セル用電極および電気化学セル
KR20200105173A (ko) 고체산화물 연료전지용 공기극, 이를 포함하는 고체산화물 연료 전지, 이를 포함하는 전지모듈 및 고체산화물 연료전지의 제조방법
JP2004296204A (ja) 固体酸化物形燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant