CN113517462A - 固体氧化物燃料电池互连件 - Google Patents

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Abstract

公开了一种固体氧化物燃料电池，其包括：电极‑电解质组件；以及互连件，所述互连件与所述电极‑电解质组件连通，其中所述互连件包括碳基体复合物。

Description

固体氧化物燃料电池互连件
技术领域
示例性实施方案涉及固体氧化物燃料电池的领域，具体地涉及在固体氧化物燃料电池中使用的互连件。
背景技术
诸如燃料电池的电化学装置将化学能转化成电能。转化涉及燃料(诸如氢、烃类或重整烃类)的受控氧化。燃料电池组件可包括一个或优选地多个堆叠的电池。燃料电池具有通过电解质隔开的阳极和阴极。燃料电池还可包括一个或多个互连件。
互连件通常由金属(诸如不锈钢)制成，这可能使燃料电池比一些应用中所期望的重。期望重量更轻的互连件材料。
发明内容
公开了一种固体氧化物燃料电池，其包括：电极-电解质组件；以及互连件，所述互连件与所述电极-电解质组件连通，其中所述互连件包括碳基体复合物。
除了上述特征中的一者或多者之外，或者作为前述实施方案中任一者的替代方案，所述碳基体复合物包括碳纤维、金属纤维、陶瓷纤维或它们的组合。所述碳基体复合物还可包括金属颗粒。
除了上述特征中的一者或多者之外，或者作为前述实施方案中任一者的替代方案，所述碳基体复合物包括纤维预制体和碳基体。
除了上述特征中的一者或多者之外，或者作为前述实施方案中任一者的替代方案，所述碳基体复合物包括分散在碳基体中的不连续的纤维。
除了上述特征中的一者或多者之外，或者作为前述实施方案中任一者的替代方案，所述碳基体复合物具有孔隙率梯度。
除了上述特征中的一者或多者之外，或者作为前述实施方案中任一者的替代方案，所述碳基体复合物具有小于或等于3.4克/立方厘米的密度。
还公开了一种用于固体氧化物燃料电池的互连件，其包括碳基体复合物。
除了上述特征中的一者或多者之外，或者作为前述实施方案中任一者的替代方案，所述碳基体复合物包括碳纤维、金属纤维、陶瓷纤维或它们的组合。所述碳基体复合物还可包括金属颗粒。
除了上述特征中的一者或多者之外，或者作为前述实施方案中任一者的替代方案，所述碳基体复合物包括纤维预制体和碳基体。
除了上述特征中的一者或多者之外，或者作为前述实施方案中任一者的替代方案，所述碳基体复合物包括分散在碳基体中的不连续的纤维。
除了上述特征中的一者或多者之外，或者作为前述实施方案中任一者的替代方案，所述碳基体复合物具有孔隙率梯度。
除了上述特征中的一者或多者之外，或者作为前述实施方案中任一者的替代方案，所述碳基体复合物具有小于或等于3.4克/立方厘米的密度。
除了上述特征中的一者或多者之外，或者作为前述实施方案中任一者的替代方案，所述碳基体复合物在大于400℃的温度下热机械稳定超过100小时。
除了上述特征中的一者或多者之外，或者作为前述实施方案中任一者的替代方案，所述碳基体复合物在20℃下具有小于或等于0.1毫欧-厘米的电阻率。
附图说明
以下描述不应被视为以任何方式进行限制。
图1是固体氧化物燃料电池堆的示意图。
具体实施方式
本文参考附图通过示例而非限制的方式呈现了所公开的设备和方法的一个或多个实施方案的具体实施方式。
如图1所示，燃料电池堆1包括多个燃料电池10。一个或多个燃料电池可包括电极电解质组件(EEA) 12和通常与EEA 12电连通、热连通和/或在结构上连通的互连件14。EEA12通常包括设置为要与阳极18和阴极20电连通和离子连通的电解质16。
互连件14通常包括诸如通道22的特征结构，所述特征结构促进或引导燃料或氧化剂在EEA 12中反应。互连件14还可在电化学装置10的操作期间用作集电器，以将生成的电能提供或引导至负载(未示出)。在一些情况下，互连件14可具有涂层(未示出)， 所述涂层设置在邻近与EEA 12的界面22的表面上。也可在涂层与互连件的表面之间利用子层或中间层(未示出)。尽管图1示出了互连件的一般几何形状，但是这不应被解释为限制性的，并且本文描述的互连件可具有适用于在固体氧化物燃料电池中使用的任何几何形状。
互连件包括碳基体复合物。碳基体复合物包括碳基体和增强材料。示例性增强材料包括碳纤维、诸如钨纤维的金属纤维、陶瓷纤维及其组合。示例性陶瓷纤维包括碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维及其组合。纤维可任选地与颗粒材料(诸如金属颗粒)结合。示例性金属颗粒包括过渡金属(诸如钛、铬、铁、钴、镍、铜)以及耐腐蚀合金(诸如不锈钢、基于铁的合金、基于镍的合金和基于钴的合金)。金属颗粒可以是前述项中的任一者的混合物。增强材料可以是连续的纤维或不连续的(短切的)纤维。连续的纤维可以在织物中是单向的、织造的或非织造的。不连续的(短切的)纤维可以在织造或非织造的织物中是分散的、对齐的或随机取向的。增强材料可以是预制体。纤维预制体可包括织造的预制体或非织造的预制体。纤维可具有5微米至20微米的平均直径。
碳基体复合物可具有小于或等于3.4克/立方厘米的密度。碳基体复合物在互连件的整个使用寿命中在大于400℃的操作温度下相对于其处于室温时或最初起动时或最初投入使用时的配置热机械稳定(例如，达至少约100小时，在一些情况下至少约5,000小时，在其他情况下至少约40,000小时)。碳基体复合物在其操作环境中也可以是化学稳定且耐腐蚀的。
碳基体复合物在20℃的温度下可具有小于0.1毫欧-厘米，或小于0.05毫欧-厘米，或小于0.025毫欧-厘米的电阻率。
碳基体复合物可关于其在整个互连件厚度上的孔隙率发生变化。例如，孔隙率可根据距互连件表面的距离而变化。因此，互连件可朝向互连件的中心具有较小的孔隙率。同样，互连件可关于从其外边缘到其芯部的距离具有变化的孔隙率。例如，互连件可朝向互连件中心具有较小的孔隙率。所述变化可以是连续的，从而提供逐渐的变化，或者其也可以是离散的，从而提供逐步或递增的变化。孔隙率可从表面和外边缘处的大于或等于30%，或者大于或等于40%，或者大于或等于50%变化到芯部处的小于或等于10%。进一步预期，可在通道22的位置包含更高的孔隙率，从而使互连件具有连续的结构。
碳基体复合物可通过任何已知技术来制备。例如，碳基体复合物可通过多孔预制体的致密化来制备，所述致密化可包括使用液体或蒸气组分进行的多孔材料预制体的一种或多种渗透。液体组分可包括含碳树脂或填充有颗粒的含水或非含水浆料，所述含碳树脂或填充有颗粒的含水或非含水浆料在烧结、热压或其他高温处理之后提供碳基体复合物的基体。在一些实施方案中，预制体的化学气相渗透用于提供碳基体复合物中的基体。当期望孔隙率梯度时，使用化学气相渗透，并且从预制体的不同侧面控制反应物的压力和/或流动，以产生密度较高且孔隙率较小的区域。在一些实施方案中，互连件具有对气体或流体流不可渗透的区域。
互连件可在其一个或多个表面的至少一部分上具有一个或多个涂层或层。因此，例如，互连件可包括碳基体复合物，所述碳基体复合物在其表面的至少一部分上具有涂层。涂层可包括任何合适的材料，所述材料可使其基本上无孔或不可渗透、导电，并且优选地可提供氧化或降解保护。优选地，涂层在互连件的操作或使用温度下对于氧化剂和/或还原剂不可渗透。可选择涂层以在电极-电解质组件与涂覆的互连件之间提供小于约0.1欧-厘米2的面积比电阻。因此，例如，涂层可以是具有以下各项的一种或多种材料或化合物：至少约1S/cm的电导率；在互连件材料的CTE的约35%以内、优选地约10%以内，更优选地约5%以内的CTE；和/或至少约5 W/m·K、优选地至少约10 W/m·K、更优选地至少约100 W/m·K的热导率。 可包括涂层的材料或化合物的非限制性实例包括但不限于导电氧化物、亚铬酸盐、氧化镍、掺杂或未掺杂的亚铬酸镧、亚铬酸锰、氧化钇、锰酸锶镧(LSM)、铬酸锶镧、贵金属(诸如铂、金和银)以及镍和铜、掺杂或未掺杂的导电钙钛矿、亚铬酸锰和氧化镧锶钴、二硼化锆、钛碳化硅以及它们的混合物或组合。通常，尽可能薄地涂覆涂层，同时保持全密度并且提供期望的保护能力和/或降低任何不利或不期望的性质(诸如电阻率)。例如，涂层可小于约50 μm厚，在一些情况下小于约25 μm厚，在其他情况下小于约10 μm厚，并且在其他情况下小于约5 μm厚。涂层材料可商购自例如俄亥俄州刘易斯森特的NexTech Materials,Ltd.、华盛顿州伍丁维尔的Praxair Specialty Ceramics和马里兰州亚当斯敦的Trans-Tech, Inc.。
可通过任何合适的技术来施涂涂层，所述技术包括但不限于气相沉积(包括原子层沉积和化学气相沉积)、基于浆料或溶液的方法(包括丝网印刷和流化床浸没)、喷涂或浸涂、热喷涂和/或物理气相沉积方法(诸如磁控溅射)。
可在涂层与互连件材料的表面之间设置子层。可将子层至少部分地设置在涂层与互连件材料的任何接触表面之间的界面上，优选地设置在整个界面上。在一些情况下，所述子层可用作碳基体复合物与固体氧化物燃料电池环境之间的附加阻挡层。优选地，子层可隔离或以其他方式干扰碳基体复合物与涂层之间的任何不想要的或不期望的反应。本发明还预期设置在涂层与互连件材料表面之间的一个或多个部分或区域上的一个或多个子层的用途。因此，一个或多个区域可具有或不具有任何子层，或者一个或多个区域可具有不同的子层组成。子层可具有提供电导率和/或热导率的任何期望的厚度。通常，尽可能薄地涂覆子层，同时保持全密度并且提供期望的保护能力和/或降低任何不利或不期望的性质(诸如电阻率)。例如，子层可小于约1 μm厚，在一些情况下小于约0.5 μm厚，并且在其他情况下小于约0.1 μm厚。可通过任何合适的技术来施涂子层，所述技术包括但不限于气相沉积(包括原子层沉积和化学气相沉积)、基于浆料或溶液的方法(包括丝网印刷和流化床浸没)、喷涂或浸涂、热喷涂和/或物理气相沉积方法(诸如磁控溅射)。子层可包括但不限于氮化钛、氮化铝钛、钛碳化硅或它们的混合物。
碳基体复合物可具有一种或多种界面剂，所述一种或多种界面剂可促进或用于在增强组分与碳基体之间形成桥。界面剂可沉积为界面层，所述界面层促进增强组分到基体的粘附。
可使用任何EEA。例如，EEA可包括阳极、电解质和阴极。阳极可包括通常具有20%至40%的孔隙率的支持或促进燃料氧化的任何材料，诸如主要具有连续的陶瓷相与不连续的金属相的金属陶瓷，诸如Ni/YSZ (镍/氧化钇稳定的氧化锆)或Ni/BYZ (镍/钇掺杂的锆酸钡)。电解质可包括通常具有小于约1%的孔隙率的氧导电陶瓷(诸如致密YSZ)或质子导电陶瓷(诸如BYZ)。阴极可包括通常具有20%至40%的孔隙率的催化或促进氧化剂还原的任何材料，诸如锰酸锶镧。电极-电解质组件可商购自例如荷兰的Innovative Dutch ElectroCeramics (InDEC B.V.)和俄亥俄州刘易斯森特的NexTech Materials, Ltd.。
术语“大约”旨在包括与基于提交申请时可用的装备的特定数量的测量相关联的误差程度。
本文中所使用的术语仅仅是为了描述具体实施方案，并且并不意图限制本公开。如本文使用，单数形式“一个(种)”和“所述”意图也包括复数形式，除非上下文明确另外指示。还应理解，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”指定存在陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件部件和/或其群组。进一步预期的是，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”包括其中“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”可替换为“组成”和/或“由……组成”的实施方案。
虽然已经参照一个或多个示例性实施方案描述了本公开，但是本领域的技术人员将理解，在不背离本公开的范围的情况下，可以做出各种改变，并且可用等效物取代其要素。另外，在不背离本公开的基本范围的情况下，可以做出许多修改来使具体的情况或材料适应本公开的教义。因此，意图是本公开不限于作为预期用于实施本公开的最佳模式而公开的具体实施方案，而是本公开将包括落在权利要求的范围内的所有实施方案。

Claims (15)

1.一种固体氧化物燃料电池，其包括：电极-电解质组件；以及互连件，所述互连件与所述电极-电解质组件连通，其中所述互连件包括碳基体复合物。
2.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其中所述碳基体复合物包括碳纤维、金属纤维、陶瓷纤维或它们的组合。
3.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其中所述碳基体复合物还包括金属颗粒。
4.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其中所述碳基体复合物包括纤维预制体和碳基体。
5.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其中所述碳基体复合物包括分散在碳基体中的不连续的碳纤维。
6.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其中所述碳基体复合物具有孔隙率梯度。
7.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其中所述碳基体复合物具有小于或等于3.4克/立方厘米的密度。
8.一种用于固体氧化物燃料电池的互连件，其包括碳基体复合物。
9.如权利要求8所述的互连件，其中所述碳基体复合物包括碳纤维、金属纤维、陶瓷纤维或它们的组合。
10.如权利要求9所述的互连件，其中所述碳基体复合物还包括金属颗粒。
11.如权利要求8所述的互连件，其中所述碳基体复合物包括纤维预制体和碳基体。
12.如权利要求8所述的互连件，其中所述碳基体复合物包括分散在碳基体中的不连续的纤维。
13.如权利要求8所述的互连件，其中所述碳基体复合物具有孔隙率梯度。
14.如权利要求8所述的互连件，其中所述碳基体复合物在大于400℃的温度下热机械稳定超过100小时。
15.如权利要求8所述的互连件，其中所述碳基体复合物在20℃下具有小于或等于0.1毫欧-厘米的电阻率。
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