CN109075364B - 平板型固体氧化物燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及平板型固体氧化物燃料电池技术，更特别地，涉及这样的薄且轻的平板型固体氧化物燃料电池：其中通过形成燃料和空气经由其流入/流出燃料电极的通孔省略了窗框并使单元电池的配置简化。
Description
技术领域
本申请要求于2016年8月16日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0103727号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
本发明涉及平板型固体氧化物燃料电池技术，更特别地，涉及这样的薄且轻的平板型固体氧化物燃料电池：其中通过形成燃料和空气经由其流入燃料电极的通孔省略了窗框并使单元电池的配置简化。
背景技术
燃料电池是通过氢和空气中的氧的电化学反应直接产生电的装置，是通过技术开发而生态友好、具有高能量效率且具有高附加值的能源。具体地，与其他燃料电池相比，作为第三代燃料电池的固体氧化物燃料电池不需要具有复杂的外重整系统，并且不使用贵金属电极催化剂例如铂，不会由于液体电解质而被侵蚀，使得可以使在低温燃料电池中引起的各种运行问题最小化。此外，固体氧化物燃料电池可以在高温运行时通过适当的隔离来保持运行温度并且可以使用各种燃料。
固体氧化物燃料电池根据单元电池的形状分为平板型和圆柱型。具体地，平板型固体氧化物燃料电池可以分为电解质支撑型固体氧化物燃料电池、负电极支撑型固体氧化物燃料电池和多孔支撑型固体氧化物燃料电池。
圆柱型固体氧化物燃料电池的优点在于，配置堆叠体的单元电池容易密封、抗热应力性高、并且堆叠体的机械强度高以制造大面积的电池。然而，存在的问题在于每单位面积的能量密度低并且需要昂贵的制造过程。
此外，电解质支撑型固体氧化物燃料电池具有厚的电解质层(厚度约200μm)使得电解质层具有高的薄层电阻。因此，需要高的运行温度。此外，多孔支撑电池还使用除电极材料之外的新材料，使得制造过程更加复杂。此外，由于电池被配置在同一支撑体上，可能引起电连接问题。
此外，重量和体积由于配置在平板型固体氧化物燃料电池中的窗框而增加，使得可能需要额外的成本用以处理燃料电池。窗框、单元电池和金属可能在三相界面中彼此接触使得难以开发可以令人满意地粘合三相界面的密封剂。
因此，为了降低由厚电解质层引起的电解质层的电阻损耗，目前，已经进行了许多关于以下燃料电池结构的研究：其中从负电极支撑型固体氧化物燃料电池中省略了窗框，这可以通过减小电解质层的厚度来提高电池性能。
发明内容
技术问题
本发明致力于提供这样的平板型固体氧化物燃料电池，其中通过形成燃料和空气经由其流入燃料电极的通孔省略了窗框以减小燃料电池的重量和体积。
此外，本发明致力于提供这样的平板型固体氧化物燃料电池，其中隔离材料涂覆在燃料电极上以防止燃料和气体流入通孔中。
技术方案
根据一个示例性实施方案，提供了一种平板型固体氧化物燃料电池，其包括：单元电池，所述单元电池包括：包括至少一个燃料通孔和至少一个空气通孔的燃料电极；位于燃料电极上方的电解质层；位于电解质层上方的空气电极；以及涂覆燃料电极、燃料通孔和空气通孔的至少一些表面的隔离涂层，其中在单元电池中，燃料电极用作支撑体。
平板型固体氧化物燃料电池还可以包括：密封剂层，其包括位于单元电池上方的上密封剂和位于单元电池下方的下密封剂；空气电极连接体，其位于上密封剂上方且包括至少一个空气歧管和至少一个燃料歧管；以及燃料电极连接体，其位于下密封剂下方且包括至少一个空气歧管和至少一个燃料歧管。
燃料通孔和空气通孔可以形成在燃料电极的边缘处。
在电解质层中，可以形成有对应于燃料通孔的燃料气体通道和对应于空气通孔的空气通道。
隔离材料可以涂覆在电解质层、燃料气体通道和空气通道的至少一些表面上。
隔离涂层可以用隔离材料涂覆。
隔离材料可以包括以下的任一者或更多者：氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、钆掺杂的氧化铯(钆稳定的氧化铈，GDC)、氧化钙稳定的氧化锆(CaO稳定的ZrO2，CSZ)、氧化铝(Al2O3)、玻璃和结晶玻璃。
隔离涂层可以通过浸涂和喷涂中的任一者形成。
平板型固体氧化物燃料电池还可以包括：在密封剂层与空气电极连接体之间的空气电极集电体；以及
在密封剂层与燃料电极连接体之间的燃料电极集电体。
有益效果
根据本发明，在燃料电极中形成有至少一个通孔，使得可以省略窗框，并且可以减小固体氧化物燃料电池的重量和体积。
此外，在燃料电极和通孔上涂覆有隔离材料以防止反应气体渗透到单元电池中，从而使燃料电池的电池产生效率提高。
附图说明
图1是根据本发明的一个示例性实施方案的平板型固体氧化物燃料电池的截面视图。
图2是根据本发明的一个示例性实施方案的平板型固体氧化物燃料电池的分解透视图。
图3是根据本发明的另一个示例性实施方案的平板型固体氧化物燃料电池的截面视图。
具体实施方式
以下将参照附图详细地描述本发明。在本文中，将省略重复的描述和可能使本发明的目的不必要地模糊的已知功能和配置的详细描述。提供本发明的示例性实施方案以使本领域技术人员可以完全理解本发明。因此，附图中的元件的形状、尺寸等可以被放大以明确理解。
在本说明书中，除非明确地相反描述，否则词语“包括(comprise)”和变体例如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”应被理解为意指包括所述元件但不排除任何其他元件。
在下文中，将提出优选实施方案以更好地理解本发明。然而，提供以下实施方案仅用于更容易地理解本发明，因此本发明的内容不限于此。
<平板型固体氧化物燃料电池>
图1是根据本发明的一个示例性实施方案的平板型固体氧化物燃料电池100的截面视图。图2是根据本发明的一个示例性实施方案的平板型固体氧化物燃料电池100的分解透视图。将参照图1和2来描述根据本发明的一个示例性实施方案的平板型固体氧化物燃料电池100。
平板型固体氧化物燃料电池100可以包括：单元电池10，所述单元电池10包括：包括至少一个燃料通孔1和空气通孔2的燃料电极11，位于燃料电极11上方的电解质层12，位于电解质层12上方的空气电极13，以及涂覆燃料电极11、燃料通孔1和空气通孔2的至少一些表面的隔离涂层14。
单元电池10是燃料电极支撑型，其中燃料电极11用作支撑体并且电解质层12可以配置成尺寸等于或小于燃料电极11的尺寸。以下将描述其中燃料电极11和电解质层12具有相同尺寸的平板型固体氧化物燃料电池100。
在根据本发明的一个示例性实施方案的燃料电极支撑型单元电池10中，电解质层12和空气电极13可以形成为具有比燃料电极11小的尺寸。在这种情况下，燃料电极11的面积大于空气电极13的面积使得燃料电极11的极化电阻可以最小化。
在该燃料电极支撑结构中，电解质层12可以形成为厚度为5μm至10μm的薄膜使得电解质层12的薄层电阻可以最小化。因此，与包括电解质支撑体和空气电极支撑体的结构相比，包括燃料电极支撑体结构的固体氧化物燃料电池可以在更低的温度下运行。此外，燃料电极11和空气电极13形成为厚的，使得平板型固体氧化物燃料电池100的机械特性可以提高。
形成在燃料电极11中的燃料通孔1和空气通孔2可以形成在燃料电极11的边缘处，并且两个或更多个燃料通孔1或空气通孔2可以形成在相对的方向上。参照图2，两个燃料通孔1形成在电解质层12的左表面/右表面二者上以彼此相对，并且空气通孔2可以形成在电解质层12的上表面和下表面二者上以彼此相对。
此外，当形成有两个或更多个燃料通孔1和两个或更多个空气通孔2例如4个燃料通孔1时，两个可以形成在电解质层12的左侧并且两个可以形成在其右侧。然而，应注意根据本发明的燃料通孔1和空气通孔2的数目、尺寸和形状不限于此。
形成在燃料电极11中的燃料通孔1和空气通孔2可以用作燃料和反应气体可以经由其流向平板型固体氧化物燃料电池100的通道，使得可以省略窗框。在相关技术的平板型固体氧化物燃料电池中，反应气体利用形成在窗框中的通道来上下流动。然而，根据本发明，燃料和反应气体经由其流动的通道形成在单元电池10中使得可以省略平板型固体氧化物燃料电池100的配置中的窗框。
此外，省略窗框使得平板型固体氧化物燃料电池100的重量减小，从而提高能量效率。此外，平板型固体氧化物燃料电池100的配置被简化，使得可以获得经济效应如降低的制造成本。
电解质层12在二次电池中通常用作隔离正电极和负电极的隔离件，并且还可以用作使正电极和负电极的离子移动的中间介质。因此，电解质层12可以具有致密结构使得燃料气体和氧化气体不会彼此流通。此外，通常固体氧化物燃料电池的电解质层12可以使用热化学稳定的金属氧化物来形成，期望地，可以使用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。
通常，当供应氧时，空气电极13用于接收来自外电路的电子以使氧还原成氧离子。还原的氧离子经由电解质层12移动至燃料电极11以与经氧化的燃料反应从而生成水。因此，空气电极13可以具有多孔结构使得容易发生电化学反应。此外，作为空气电极13，可以使用钙钛矿材料。
隔离涂层14可以防止反应气体和空气渗透到单元电池10中。隔离涂层14可以通过用隔离材料涂覆燃料电极11的表面、燃料通孔1的内部和空气通孔2的内部来形成。应注意当隔离涂层14涂覆在燃料通孔1和空气通孔2中时，隔离涂层14可以以环的形式涂覆以形成反应气体和空气经由其在中心部分流入和流出的孔。
此外，隔离材料可以包括非导电性材料。此外，在平板型固体氧化物燃料电池100的浸渍过程中，当由温度引起的材料的体积变化大时，平板型固体氧化物燃料电池100的厚度增加。因此，隔离材料可以包括具有低热膨胀系数的材料。
例如，隔离材料可以包括以下的任一者或更多者：经Y、Ca、Ni或Sc掺杂的基于氧化锆(ZrO2)的氧化物，例如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、氧化钙稳定的氧化锆(CSZ)或氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)；经Gd、Y或Sm掺杂的基于氧化铈(CeO2)的氧化物，例如氧化钆掺杂的氧化铈(GDC)、钐掺杂的氧化铈(SDC)、氧化钇掺杂的氧化铈(YDC)；氧化铝(Al2O3)；玻璃；和结晶玻璃。
期望地，隔离材料可以包括以下的任一者或更多者：氧化钇稳定的氧化锆(下文中缩写为YSZ)、钆掺杂的氧化铯(钆稳定的氧化铈，下文中缩写为GDC)、氧化钙稳定的氧化锆(CaO稳定的ZrO2，下文中缩写为CSZ)、氧化铝(Al2O3)、玻璃和结晶玻璃。
YSZ是通过将钇氧化物(氧化钇)添加至锆氧化物(氧化锆)以使其在室温下稳定而制备的陶瓷材料。YSZ是广泛用作用于形成固体氧化物燃料电池100的燃料电极11或电解质层12的材料的组成，并且具有优异的氧离子传导性和电绝缘并且在高温下运行。
GDC是用作固体氧化物燃料电池100的燃料电极11的组成，其具有高的离子传导性并使抗碳涂覆性增加以提高单元电池10的性能，并且可以进行烃燃料的内重整。
CSZ是通过将钙氧化物(氧化钙)添加至锆氧化物(氧化锆)以使其在室温下稳定而制备的陶瓷材料。添加氧化钙以提高氧化锆的热稳定性。CSZ是其中立方晶体结构和四方晶体结构混合的状态。四方晶体结构随着温度升高变为立方晶体结构，并且随着温度降低变为四方晶体结构。在改变晶体结构的过程期间，体积可以反复膨胀和收缩。此外，CSZ具有低导电性并且还具有多孔结构以具有高透气性和优异的抗压强度。
玻璃和结晶玻璃通常是形成固体氧化物燃料电池100中的密封剂层的组成。单元电池10和密封剂层形成为具有相同的组成以提高界面粘合强度。
隔离材料涂覆在燃料电极11上，使得当燃料经由燃料通孔1流入/流出时，防止燃料流入单元电池10而与供应至空气电极13的反应气体或氢接触。此外，应理解所涂覆的隔离材料可以防止经由空气通孔2流入/流出的反应气体或氢流入单元电池10中。
隔离涂层14可以通过以下的任一者形成：溅射法、SOG法、旋涂、浸涂、喷涂、液滴排放法(例如，喷墨法、丝网印刷或胶版印刷)、刮刀、辊涂机、帘式涂布机和刮涂机。期望地，隔离涂层14可以通过浸涂和喷涂中的任一者来形成。
浸涂是将燃料电极11或电解质层12浸入涂覆材料中然后干燥燃料电极11或电解质层12的涂覆方法，并且可以应用于具有复杂形状或不适于喷涂、或在两侧上具有相同颜色的材料。
喷涂是通过压缩空气或使用喷雾器挤压来使涂覆材料雾化以将涂覆材料喷出并涂覆至待涂覆表面的方法。涂覆材料快速地干燥，使得喷涂被设计用于不适合刷涂的涂覆材料。
隔离涂层14需要以复杂的形状涂覆隔离材料，所述复杂形状例如：根据本发明的一个示例性实施方案的形成在燃料电极11中的燃料通孔1和空气通孔2，或者以下将描述的根据本发明的另一个示例性实施方案的形成在电解质层12中的燃料气体通道3和空气通道4的内表面。因此，期望浸涂或喷涂。
图3是根据本发明的另一个示例性实施方案的平板型固体氧化物燃料电池100’的截面视图。在根据本发明的另一个示例性实施方案的单元电池10’中，燃料电极11和电解质层12具有相同的尺寸，并且在电解质层12中可以形成有对应于燃料通孔1的燃料气体通道3和对应于空气通孔2的空气通道4。应注意，燃料气体通道3和空气通道4可以形成为具有对应于燃料通孔1和空气通孔2的位置、尺寸和数目以及形状。
此外，隔离材料涂覆在电解质层12、燃料气体通道3和空气通道4的至少一些表面上以形成隔离涂层14。也就是说，可以形成其中隔离涂层14形成在燃料电极11下方和电解质层12上方的单元电池10’。在这种情况下，具有对应于空气电极13的位置、尺寸和形状的孔形成在电解质层12上方形成的隔离涂层14中，并且孔可以形成为与空气电极13间隔开。
此外，隔离材料可以包括以下的任一者或更多者：氧化钇稳定的氧化锆(下文中缩写为YSZ)、钆掺杂的氧化铯(钆稳定的氧化铈，下文中缩写为GDC)、氧化钙稳定的氧化锆(CaO稳定的ZrO2，下文中缩写为CSZ)、氧化铝(Al2O3)、玻璃和结晶玻璃。
例如，当隔离材料为YSZ、GDC和CSZ中的一者或更多者时，电解质层12和形成在电解质层12上方的隔离涂层14可以通过相同的组成形成使得隔离材料可以仅涂覆在燃料通孔1和空气通孔2的内表面以及燃料电极11的下侧上。
因此，根据本发明的另一个示例性实施方案的包括单元电池10’的平板型固体氧化物燃料电池100’具有高的结构稳定性，原因是由于其上涂覆有隔离材料的面积减小并且电解质层12的面积增加，因此没有由氧化-还原循环引起的损坏或结构变化。
根据本发明的一个示例性实施方案的平板型固体氧化物燃料电池100和根据本发明的另一个示例性实施方案的平板型固体氧化物燃料电池100’可以包括：密封剂层，其包括位于单元电池10或10’上方的上密封剂21和位于单元电池10或10’下方的下密封剂22；空气电极连接体30，其位于上密封剂21上方且具有至少一个空气歧管5和至少一个燃料歧管6；以及燃料电极连接体40，其位于下密封剂22下方且具有至少一个空气歧管5和至少一个燃料歧管6。
密封剂层可以由玻璃和结晶玻璃中的任一者形成，并且用于粘合单元电池10和空气电极连接体30和燃料电极连接体40。因此，密封剂层可以形成为具有环形形状。
当燃料电极11和电解质层12具有不同尺寸时，上密封剂层21可以使隔离涂层14和空气电极连接体30彼此粘合，并且下密封剂层22可以使隔离涂层14和燃料电极连接体40彼此粘合。因此，密封剂层可以形成为具有四边形环形形状，其中形成有具有对应于单元电池10或10’的位置和尺寸的孔。
在相关技术中，密封剂层粘合连接体、电极和窗框的三相，使得难以设计可以粘合所有三种配置的密封剂层的组成。然而，根据本发明，隔离涂层14形成在燃料电极11的上方和下方，使得密封剂层可以通过与隔离涂层14和燃料电极/空气电极连接体30和40的组成具有优异粘合强度的材料来设计。因此，可以实现经济效应如降低的成本。
形成在空气电极连接体30和燃料电极连接体40中的燃料歧管5可以形成在对应于燃料电极11中形成的燃料通孔3和电解质层12中形成的燃料气体通道的位置。
当复数个平板型固体氧化物燃料电池100被层合以形成堆叠结构时，空气电极连接体30和燃料电极连接体40可以用于使复数个层合的单元电池10电连接并形成流动通道使得向燃料电极11和空气电极13供应的两种类型的气体均匀地供应至单元电池10中而不混合。
形成在空气电极连接体30和燃料电极连接体40中的流动通道可以具有不平坦的结构并且可以形成在空气电极连接体和燃料电极连接体30和40的上表面和下表面中的任一者或更多者上。此外，形成在空气电极连接体30中的流动通道和形成在燃料电极连接体40中的流动通道形成为彼此垂直，使得流动通道彼此不连通。空气经由形成在空气电极连接体30中的流动通道供应，并且燃料气体可以经由形成在燃料电极连接体40中的流动通道供应。
根据本发明的示例性实施方案的平板型固体氧化物燃料电池100和100’还可以包括空气电极集电体和燃料电极集电体。具体地，空气电极集电体可以位于上密封剂21与空气电极连接体30之间，并且燃料电极集电体可以位于下密封剂22与燃料电极连接体40之间。
通常，集电体有助于燃料电极11或空气电极13与空气电极连接体和燃料电极连接体30和40均匀地电连接。此外，空气电极集电体使用多孔金属板、金属网或导电陶瓷糊料形成，燃料电极集电体主要使用镍泡沫形成。
由于空气电极集电体和燃料电极集电体使用已知技术，因此省略其详细描述。
虽然已经参照优选实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以在不脱离如以下权利要求所限定的本公开内容的精神和范围的情况下对本发明进行多种改变和修改。
Claims (9)
1.一种平板型固体氧化物燃料电池，包括：
单元电池，所述单元电池包括：包括至少一个燃料通孔和至少一个空气通孔的燃料电极；
位于所述燃料电极上方的电解质层；
位于所述电解质层上方的空气电极；以及
涂覆所述燃料电极、所述燃料通孔和所述空气通孔的至少一些表面的隔离涂层，
其中在所述单元电池中，所述燃料电极用作支撑体，以及其中所述电解质层和所述燃料电极具有相同的尺寸，而所述空气电极形成为具有比所述燃料电极更小的尺寸；以及
其中所述隔离涂层和所述电解质层通过相同的组成形成，以及所述隔离涂层仅涂覆在所述燃料通孔和空气通孔的内表面以及所述燃料电极的下侧上。
2.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：
密封剂层，所述密封剂层包括位于所述单元电池上方的上密封剂和位于所述单元电池下方的下密封剂；
空气电极连接体，所述空气电极连接体位于所述上密封剂上方且包括至少一个空气歧管和至少一个燃料歧管；以及
燃料电极连接体，所述燃料电极连接体位于所述下密封剂下方且包括至少一个空气歧管和至少一个燃料歧管。
3.根据权利要求1所述的平板型固体氧化物燃料电池，其中所述燃料通孔和所述空气通孔形成在所述燃料电极的边缘处。
4.根据权利要求1所述的平板型固体氧化物燃料电池，其中在所述电解质层中，形成有对应于所述燃料通孔的燃料气体通道和对应于所述空气通孔的空气通道。
5.根据权利要求1所述的平板型固体氧化物燃料电池，其中所述隔离涂层用隔离材料涂覆。
6.根据权利要求5所述的平板型固体氧化物燃料电池，其中所述隔离材料包括以下的任一者或更多者：氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、钆掺杂的氧化铈(钆稳定的氧化铈，GDC)、氧化钙稳定的氧化锆(CaO稳定的ZrO2，CSZ)、氧化铝(Al2O3)、玻璃。
7.根据权利要求5所述的平板型固体氧化物燃料电池，其中所述隔离材料包括结晶玻璃。
8.根据权利要求1所述的平板型固体氧化物燃料电池，其中所述隔离涂层通过浸涂和喷涂中的任一者形成。
9.根据权利要求2所述的平板型固体氧化物燃料电池，还包括：
在所述密封剂层与所述空气电极连接体之间的空气电极集电体；以及
在所述密封剂层与所述燃料电极连接体之间的燃料电极集电体。
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