TW202412369A

TW202412369A - 電化學電池

Info

Publication number: TW202412369A
Application number: TW112134696A
Authority: TW
Inventors: 佩爾哈爾馬森; 錢德拉麥考利
Original assignee: 英商席瑞絲知識產權有限公司
Priority date: 2022-09-13
Filing date: 2023-09-12
Publication date: 2024-03-16

Abstract

本發明揭露一種電化學電池，其具有：一多孔金屬支持件；一第一電極之至少一層，其在該多孔金屬支持件上；一稀土摻雜氧化鋯之第一電子阻擋電解質層，其在該第一電極之該至少一層上；及一稀土摻雜氧化鈰之第二整體電解質層，其在該第一電子阻擋電解質層上。該稀土摻雜氧化鋯之第一電子阻擋電解質層可具有等於或大於0.5 μm之一厚度，且該稀土摻雜氧化鈰之第二整體電解質層可具有等於或大於4 μm之一厚度。

Description

電化學電池

本發明係有關於電化學電池、電化學電池之堆疊及製造該等電化學電池之方法。本發明亦有關於包含該等電化學電池之電解系統及以電解模式操作該等電化學電池之方法。

由氧化物層形成之電化學電池(通常稱為固態氧化物電池：SOC)可作為燃料電池或電解槽/電解電池使用。

SOC燃料電池單元使用氧化燃料之一電化學轉換程序來產生電力。SOC電池單元亦可或相反地操作作為通常稱為固態氧化物電解槽燃料電池單元的再生燃料電池(或逆轉燃料電池)單元，例如以使氫與氧由水分離或使一氧化碳及氧由二氧化碳分離。

SOC單元通常以陶瓷為基礎，使用一氧離子導電之含金屬氧化物陶瓷作為一電解質。許多陶瓷氧離子導體(例如，摻雜氧化鋯或摻雜氧化鈰)在超過500℃(對以氧化鈰為基礎之電解質而言)或650℃(對以氧化鋯為基礎之陶瓷而言)之溫度具有可使用之離子導電性，因此SOC意圖在高溫操作。

一固態氧化物燃料電池(SOFC)透過電化學地氧化一燃料氣體(通常以氫為基礎)來產生電能。操作時，該SOFC之電解質將氧離子由一陰極傳導至一陽極，該陰極及該陽極係設置在該電解質之相對側。一燃料，例如來自重組一碳氫化合物或醇之一燃料接觸陽極(通常稱為「燃料電極」)且一氧化劑，例如空氣或一富氧流體接觸該陰極(通常稱為「空氣電極」)。

一固態氧化物電解槽電池(SOEC)可具有與一SOFC相同之結構，但實務上係逆轉地或以一再生模式操作之一SOFC以達成水及/或二氧化碳之電解。

習知陶瓷支持(例如陽極支持)SOC具有低機械強度且容易斷裂。因此，最近發展出具有被支持在一金屬基材上之活化燃料電池成分層的金屬支持SOC。在這些電池中，該陶瓷層可非常薄，因為它們只實行一電化學功能：換言之，該等陶瓷層非自支持而是覆蓋在該金屬基材上且被該金屬基材支持之薄塗層/薄膜。相較於陶瓷支持SOC，該等金屬支持SOC堆疊更強固、更低成本，具有更佳熱性質且可使用習知金屬焊接技術密封。

申請人之先前專利申請案WO-A-2015/136295揭露金屬支持SOFC，其中該電化學活化層(或活化燃料電池成分層)包含分別地沉積(例如成為薄塗層/薄膜)在一金屬支持板(例如箔)上且被該金屬支持板支持的陽極、電解質及陰極層。該金屬支持板具有被一無孔區域包圍之多孔區域且該等活化層係沉積在該多孔區域上使得氣體可通過該等孔隙由該金屬支持板之一側至另一側以進接塗布在其上之活化層。該多孔區域包含延伸穿過與該陽極(或陰極，取決於該電化學活化層之方位)重疊之該支持板的多個分開小孔(鑽穿該金屬箔基材之孔)。申請人之先前專利申請案GB-A-2456445揭露在一基材上沉積一層金屬氧化物結晶陶瓷。

US-A-2019/0330751揭露具有加熱能力之SOEC系統。WO-A-2021/201195揭露藉由在一金屬支持件上提供一陽極電極層、一電解質層及一陰極電極層構成金屬支持SOFC。US-A-2007/269701揭露具有一金屬支持件之一SOFC。EP-A-1306920揭露用於一燃料電池及固態氧化物燃料電池之一單元電池。CN-A-113764710及CN-A-113782799揭露金屬支持SOEC。US-A-2011/076594揭露在SOFC中的一以氧化鈰為基礎之整體電解質層。JP-A-2011 181262及KR-A-20120137917揭露由電極及電解質構成且無金屬支持件之SOFC。US-A-2020/0014051揭露用於一金屬支持電化學元件之一製造方法。

已有人嘗試降低製造成本、增加可靠性及增加SOFC及SOEC之效率。不幸地，在較低溫度具有較高效能之材料比目前使用之材料不穩定。詳而言之，當暴露於一燃料環境時，某些電解質材料會被部份地還原而展現混合離子/電子導電性，因此減少操作效率。

因此，需要提供具有改良電解質系統之電化學電池。本發明之目的在於解決該需要。

本發明因此在一第一態樣中提供一電化學電池，其包含：一多孔金屬支持件；一第一電極之至少一層，其在該多孔金屬支持件上；一稀土摻雜氧化鋯之第一電子阻擋電解質層，其在該第一電極之該至少一層上；及一稀土摻雜氧化鈰之第二整體電解質層，其在該第一電解質層上。

該稀土摻雜氧化鋯之第一電子阻擋電解質層可具有等於或大於0.5 μm之一厚度。

該稀土摻雜氧化鈰之第二整體電解質層可具有等於或大於4 μm之一厚度。

這是有利的，因為它可使該摻雜氧化鈰之第二整體電解質層比較不會還原。摻雜氧化鈰之還原會產生顯示較高電子導電性之第二整體電解質層且可導致該摻雜氧化鈰層之膨脹。該電解質之混合電子/離子導電性可導致效率降低。該摻雜氧化鈰層之膨脹會減少該電化學電池之壽命。

該稀土摻雜氧化鋯之第一電子阻擋電解質層可具有等於或大於1 μm、任選地等於或大於2 μm之一厚度。

該稀土摻雜氧化鋯之第一電子阻擋電解質層可具有等於或小於5 μm之一厚度。任選地，該稀土摻雜氧化鋯之第一電子阻擋電解質層可具有等於或小於4 μm，或者等於或小於3 μm之一厚度。因此，該稀土摻雜氧化鋯之第一電子阻擋電解質層具有在0.5 μm至5 μm之範圍內的一厚度、在1 μm至4 μm之範圍內的一厚度或在2 μm至3 μm之範圍內的一厚度。

通常，在這些範圍內之該第一電子阻擋電解質層的厚度是有利的，因為它們使該等第一與第二電解質層一起具有低電子導電性或電子地絕緣。最佳厚度係電子洩漏(可在該層較薄時開始發生)及離子阻抗(當該層較厚時會增加)間之折衷。

該稀土摻雜氧化鋯之第一電子阻擋電解質層由於係一純氧化物離子導體而可有利地用以阻擋電子洩漏電流。此外，該第一電子阻擋電解質層可提供足夠低氣體滲透性使得該摻雜氧化鈰之第二整體電解質層在使用時未明顯地被還原(使它可電子地導電)。

該第一電子阻擋電解質層宜稠密到足以減少還原燃料氣體(例如氫)擴散至該第二整體電解質層。因此，該第一電子阻擋電解質層較佳地具有低孔隙度或非實質地多孔(但是它可具有某些封閉孔隙)。提供一稠密層(及減少孔隙度)可藉由小心地選擇粒徑、燒結助劑及溫度分布來達成。

該稀土摻雜氧化鈰之第二整體電解質層可具有等於或小於17 μm之一厚度。任選地，該稀土摻雜氧化鈰之第二整體電解質層可具有等於或小於15 μm、任選地等於或小於12 μm之一厚度。

該稀土摻雜氧化鈰之第二整體電解質層可具有等於或大於4 μm之一厚度。任選地，該稀土摻雜氧化鈰之第二整體電解質層可具有等於或大於5 μm，等於或大於6 μm或者等於或大於7 μm之一厚度。因此，該稀土摻雜氧化鈰之第二整體電解質層具有在4 μm至17 μm之範圍內的一厚度、在5 μm至15 μm之範圍內的一厚度或在6 μm至12 μm之範圍內的一厚度。

該稀土摻雜氧化鈰之第二整體電解質層具有促使氧離子由一電極擴散至另一電極之一主要目的且可有利地提供具有非常低或無氣體滲透性且具有儘可能低之離子阻抗的一機械穩定層。

一第二整體電解質層可為有利的，因為它提供一更氣密且機械地強固之層。但是，最佳厚度係氣體洩漏(當該層較薄時較可能發生)及離子阻抗(會隨著厚度增加)間之折衷。

任選地，該稀土摻雜氧化鈰之第二整體電解質層可比該稀土摻雜氧化鋯之第一電子電解質層厚。

該電化學電池可包含一固態氧化物電化學電池。

該電化學電池可為一燃料電池或一電解(亦稱為一電解槽)電池。在燃料電池模式中，一燃料接觸該陽極(燃料電極)且例如空氣或一富氧流體之一氧化劑接觸該陰極(空氣電極)，因此在燃料電池模式操作中，該空氣電極可為陰極。一固態氧化物電解槽電池(SOEC)可具有與一SOFC相同之結構，但實質地係逆轉地或以一再生模式操作以達成試劑之電解(電解例如水及/或二氧化碳以產生氫氣及/或一氧化碳及氧)的SOFC。

當該電化學電池具有一施加電壓時本揭示之優點特別有利。因此，該電化學電池在使用時可為一電解電池。

或者，該電化學電池在使用時可為一燃料電池或一可逆燃料電池。

其他替代例係該電化學電池在使用時可為一氧分離器或一感測器。

該稀土摻雜氧化鋯可包含摻雜選自於Y、Sc或一鑭族元素(Ln)之至少一稀土元素的氧化鋯。Ln之一例子可為Yb。

該稀土摻雜氧化鋯可選自於：氧化鈧穩定氧化鋯(ScSZ)、氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)、氧化鈧氧化鈰共穩定氧化鋯(ScCeSZ)、氧化鐿穩定氧化鋯(YbSZ)、氧化鈧氧化釔共穩定氧化鋯(ScYSZ)及其混合物。摻雜氧化鋯可為具有化學式Zr _(1-x)M _xO _(2-0.5x-δ)之一固態溶液，其中0＜x≤0.2且M係一稀土元素(M=Sc、Y、Ln或一混合物)。

該氧化鋯中之摻雜劑濃度可在5至15原子%之範圍內，任選地在6至12原子%之範圍內。

當該摻雜劑係Y時，該氧化鋯中之Y摻雜劑濃度可在5至15原子%之範圍內，任選地為大約8原子%。當該摻雜劑係Sc時，該氧化鋯中之Sc摻雜劑濃度可在5至15原子%之範圍內，任選地為大約10原子%。

該稀土摻雜氧化鈰包含摻雜選自於Y、Sc或一鑭族元素(Ln)之至少一稀土元素的氧化鈰。

該稀土摻雜氧化鈰可選自於：釤摻雜氧化鈰(SDC)、釓摻雜氧化鈰(GDC)、釤釓摻雜氧化鈰(SGDC)及其混合物。Gd及Sm是有利的且可產生更高離子導電性。摻雜氧化鈰可為具有化學式Ce _(1-x)M _xO _(2-0.5x-δ)之一固態溶液，其中0＜x≤0.5，(M=Sc、Y、Ln或一混合物)。

該氧化鈰中之摻雜劑濃度可在3至45原子%之範圍內，任選地在5至40原子%之範圍內，任選地在10至20原子%之範圍內。

該第一電極之該層可包含摻雜氧化鈰或摻雜氧化鋯。合適地，該第一電極之該層可包含氧化鈰釓氧化物(CGO)。

該第一電極之該層可包含一鎳源，其任選地為氧化鎳。該第一電極之該層可包含鎳CGO陶金。

該第一電極之該層可具有等於或大於3 μm、任選地等於或大於5 μm、任選地等於或大於10 μm、任選地等於或大於15 μm之一厚度。該第一電極之該層可具有等於或小於60 μm、等於或小於50 μm、任選地等於或小於45 μm、任選地等於或小於40 μm、任選地等於或小於35 μm之一厚度。因此，該第一電極之該層可具有在3 μm至60 μm之範圍內、5 μm至50 μm、任選地15 μm至25 μm之範圍內的一厚度。

該第一電極可具有一或多層。因此，該第一電極之該層可為該第一電極之唯一層或可為該第一電極之第一層。

該第一電極可為一燃料電極。這特別地有利，因為它降低可能在一還原環境中發生的摻雜氧化鈰之電子導電性增加的可能性。這亦減少該第二整體電解質層會由於還原時發生之膨脹而破裂的機會。

將該第一電子阻擋電解質層配置在該電池之燃料側至少部份地阻擋該摻雜氧化鈰層受到會另外影響它之更具還原力(低氧化學)電位的影響。這是有利的，因為摻雜氧化鈰在更具氧化力環境中變成比較不會電子地導電。此外，特別在有一施加電壓(如同在SOEC模式中)之情形中，在更具還原力環境中(對SOC而言係在一般操作溫度)摻雜氧化鈰會化學地還原且膨脹。結果是該電池在壓縮應力下在某臨界電壓(依據溫度而改變)故障。此外，會有在該操作溫度一段時間後、在溫度循環時及在施加電壓下影響該層之一潛變機構。

該電化學電池可更包含在該電解質層上之一第二電極。該第二電極可為一空氣電極。該第二電極可包含一或多層。例如該第二電極可包含一活化第二電極層(設置成比較靠近該電解質)及一整體第二電極層。該活化第二電極層及整體第二電極層可包含一適當材料，該整體層材料係選自於例如：鑭鈷氧體、鑭鐵氧體、鑭鎳鐵氧體、La _0.99Co _0.4Ni _0.6O _(3-δ) (LCN60)及其混合物。

該金屬支持件可包含設置多個孔之一金屬箔(即固體金屬)。這具有可在該基材之特定區域中調整及定位孔隙度的優點。替代地或另外地，一金屬基材可具有固有孔隙(等向性孔隙)且形成為例如藉由粉末沉積一薄膜且接著燒結該薄膜形成一多孔基材而鑄成之帶。在此所稱之金屬支持件或一多孔鋼片可表示這些情形中之任一者。

該多孔金屬支持件可包含鋼，較佳是不鏽鋼。通常，該多孔金屬支持件可包含一鑽孔金屬支持件，其任選地為一雷射鑽孔金屬支持件。

在某些情形中(例如需要進一步保護該金屬支持件不受腐蝕影響時)，該多孔金屬支持件可包含在其表面上之一障壁層且該電極層可在該障壁層上。

該電化學電池可包含其他層。

任選地，該電化學電池未包含一稀土摻雜氧化鋯之第二層。

依據第一態樣之電化學電池可配置在電氣地串聯連接之一電化學電池單元之堆疊中。

因此，在一第二態樣中提供一電化學電池之堆疊，其中各電化學電池係如上所述。

該第一電極之該層、第一電解質層及第二電解質層可藉由任何適當方法依序沉積在該金屬支持件上。

在一第三態樣中，提供製造一電化學電池之一方法，該方法包含：提供一多孔金屬基材，在該多孔金屬基材之一表面上具有一第一電極之至少一層；提供一第一墨水，該第一墨水包含用於一稀土摻雜氧化鋯之第一電子阻擋電解質層的一前驅物；施加該第一墨水至該第一電極之該至少一層上以形成該稀土摻雜氧化鋯之第一電子阻擋電解質層；任選地乾燥；任選地燒結；提供一第二墨水，該第二墨水包含用於一稀土摻雜氧化鈰之第二整體電解質層的一前驅物；施加該第二墨水至該第一電子阻擋電解質層以形成該稀土摻雜氧化鈰之第二整體電解質層；任選地乾燥；及任選地燒結。

該等第一及/或第二墨水可藉由噴塗(例如霧化噴塗)，或藉由印刷，任選地輥印刷、噴射印刷或網版印刷來施加。

或者，該電子阻擋層可使用物理蒸氣沈積(PVD)來施加及/或沉積。

任選之燒結可在750℃至1100℃，較佳地800℃至970℃之範圍內的一溫度實行。燒結可在一空氣環境中實行。

在一第四態樣中，因此提供一電化學電池，其可由如第三態樣所述之方法獲得。

在一第五態樣中，因此提供一電解系統，其包含依據第一態樣之一電化學電池。

在一第六態樣中，因此提供以電解模式操作一電化學電池之一方法，該方法包含：提供依據該第一態樣之一電化學電池；使該電化學電池接觸一試劑；及施加一電位至該電化學電池。

該試劑可為例如水及/或二氧化碳以分別地產生氫氣及/或一氧化碳及氧。定義

在這說明書中，該等用語「稀土金屬」或「稀土元素」表示選自於Y、Sc及鑭系元素之金屬。

「鑭系元素」、「鑭族元素」及「Ln」可互換地使用且表示具有原子數57至71之金屬化學元素。

在此使用之該用語「摻雜劑」非意圖限制於添加至化學結構的一最大百分比之元素、離子或化合物。類似地，該用語「摻雜」係意圖表示添加某一量之元素、離子或化合物至一材料。它不限於之後再添加材料不再構成摻雜的一最大量材料。

在此使用之該用語「鈣鈦礦型(perovskite)結構」表示具有一大致鈣鈦礦型(ABX ₃)結構的一單一網狀結構之化學鍵結結晶結構。這不表示這單一網狀結構需要在整個結構中具有一單一、均勻結晶結構。但是，當在該網狀結構之不同區域之間產生不同結晶結構時，常有的情形是這些區域具有允許化學鍵更容易形成在其間之互補結構。

該用語「固態氧化物電池」(SOC)意圖包含固態氧化物燃料電池(SOFC)及固態氧化物電解電池(SOEC)。

一元素、化合物或其他材料之「源」(用語)表示包含不論是否化學地鍵結在該源中之該元素、化合物或其他材料的一材料。該元素、化合物或其他材料之源可為一元素源(例如Ln、Ni或O ₂)或可呈包含該元素、化合物或其他材料且包括一或多個這些元素、化合物或材料之一化合物或混合物的形式。

在這說明書中所稱之電化學電池、SOC、SOFC及SOEC可為管狀或平面電池。電化學電池單元可為管狀或平面結構。平面燃料電池單元可配置互相重疊成一堆疊配置，例如100至200燃料電池單元在一堆疊中，且該等個別燃料電池單元電氣地串聯配置。因此所稱之「一電化學電池之堆疊」表示電氣地串聯配置之複數電化學電池。

電化學電池可為燃料電池、可逆燃料電池或電解槽電池。通常，這些電池可具有相同結構且所稱之電化學電池可表示(除非上下文另外地建議)這些種類之電池中的任一種。

因為燃料電池或電解槽/電解電池間之可能混淆，所以「氧化劑電極」或「空氣電極」及「燃料電極」在此使用且可互換地使用來表示SOFC之各個陰極及陽極。

本發明包含之電化學電池可包含： a)焊接在一起且其間具有流體體積在其間之二平面組件(例如具有電化學層之基材及互連件(分開板))； b)焊接在一起且其間具有流體體積在其間之三平面組件(例如具有電化學層之基材及互連件(分開板)及提供流體體積之分隔件)。

所屬技術領域中具有通常知識者可了解的是，如果需要的話，藉由適當修改，在此所述之本揭示之態樣的各種特徵可與在本揭示之相同或其他態樣中之任何其他特徵組合。

此外，雖然本發明或揭示之全部態樣較佳地「包含」與關於該態樣所述之特徵，但可特別想到的是它們可由在申請專利範圍中提出之這些特徵「構成」或「主要地構成」。

以下參照附圖及例子說明本發明。

圖1示意地且未按比例(為了清楚起見)顯示可為一SOFC或SOEC之一電化學電池單元2的橫截面圖。一肥粒不鏽鋼金屬支持件4具有一週邊無孔部份6及多個孔已鑽穿該金屬支持件4之一中心多孔部份8。用以減少腐蝕之一障壁層(未圖示)係設置在該金屬支持件4之表面上。厚度15 μm至35 μm之Ni：CGO之一燃料電極層10係設置在該金屬支持件4之多孔部份8上。厚度等於或大於0.5 μm(例如1 μm至4 μm)之一稀土(RE)穩定氧化鋯(RE=Y、Sc或任何Ln，例如Yb)的一第一電解質層12係設置在該燃料電極層10上。厚度等於或大於4 μm(任選地6 μm至12 μm)之一稀土摻雜氧化鈰(RE=Y、Sc或任何Ln)的一第二電解質層14係設置在該第一電解質層12上。該第二電解質層14包圍該燃料電極10以防止氣體由該燃料側20流動通過該燃料電極層10至該空氣(氧化劑)側18或反之亦然。該電池單元係終止於設置在該第二電解質層14上之一第二(空氣)電極總成16。該第二電極16可由一活化空氣電極層及一LCN60之本體空氣電極層形成。

圖2顯示一電池之一部份的一SEM，其顯示該燃料電極層10、該稀土(RE)穩定氧化鋯(8YZ，即8原子%摻雜Y氧化鋯)之第一電解質層12及該稀土摻雜氧化鈰(RE=Y、Sc或任何Ln)之第二電解質層14。

在依據本揭示之電化學電池的操作溫度(例如550℃至625℃)，當電壓增加時氧化鈰可化學地還原及膨脹(這特別地在SOEC模式中發生)。這對YSZ而言不成立。結果是一電池是在壓縮應力下在某臨界電壓(依溫度而定)故障。當溫度循環及在操作溫度施加電壓時，在應力下亦發生潛變作用而減少該電池之壽命。

為解決這問題，本揭示之電化學電池的實施例可用包含一稀土(RE)穩定氧化鋯(RE=Y、Sc或任何Ln，例如Yb)之第一層的一雙層電解質構成，該摻雜劑濃度係在6至12%之範圍內(例如其中%係金屬之原子%)，其中該最佳濃度取決於該RE(例如對Y而言係大約8%，對Sc而言係大約10%)。該層之功能係由於係一純氧化物離子導體而阻擋洩漏電流且提供低或無氣體滲透性使得該摻雜氧化鈰之第二層未明顯地被還原(這使它電子地導電)。該厚度可在1至4 μm厚或2至3 μm之範圍內。一般相信該YSZ或ScSZ厚度可提供足夠電子阻擋功能：該厚度係電子洩漏(可在較薄層中發生)及離子阻抗(會隨著厚度增加)間之一折衷。該層係稠密到足以防止H ₂氣體通過而到達該CGO電解質層。密度可藉由小心地選擇粒徑、燒結助劑及溫度分布來達成。

該稀土摻雜氧化鈰(RE=Y、Sc或任何Ln)之第二層可具有在5至40%之範圍內的一摻雜劑濃度，其中該最佳濃度係10至20%。主要功能係提供一機械穩定且具有非常低或無氣體滲透性。重要效能度量係離子阻抗，該離子阻抗應儘可能地低。該厚度可在5至15 μm或6至10 μm之範圍內。該較厚CGO層提供一氣密且機械地強固之電解質。

圖3顯示依據本揭示在550℃且具有50%：50%H ₂：H ₂O環境之一電池之I-V曲線，其顯示電池電壓可在1之一標準化電流密度達到1.45 V。

依據本揭示之電化學電池藉由減少或免除導致氧化鈰還原之熱力條件(即一還原環境)來實質地減少CGO之電子導電性。基於相同理由，它亦可減少由於氧化鈰氧化之化學膨脹而產生的電解質破裂。符號

2 電化學電池單元 4 金屬支持件 6 金屬支持件之無孔部份 8 金屬支持件之多孔部份 10 燃料電極層 12 第一電解質層 14 第二電解質層 16 第二(空氣)電極總成 18 氧化劑(空氣)側 20 燃料側

上述說明書中提及之全部公報在此加入作為參考。雖然本發明之說明實施例已參照附圖在此詳細地揭露，但可了解的是本發明不限於該精確實施例且在不偏離由附加申請專利範圍及其等效物界定之本發明範疇的情形下所屬技術領域中具有通常知識者可在該精確實施例中進行各種改變及修改。

2:電化學電池單元 4:金屬支持件 6:無孔部份 8:多孔部份 10:燃料電極層 12:第一電解質層 14:第二電解質層 16:第二(空氣)電極總成；第二電極 18:空氣(氧化劑)側 20:燃料側

圖1顯示一電化學電池單元之橫截面圖。

圖2顯示通過一電化學電池單元之一部份的一截面的掃描電子顯微照片(SEM)。

圖3顯示依據本揭示在550℃；50%：50%H ₂：H ₂O之依據一電池之標準化電流密度而改變的電池電壓圖。

2:電化學電池單元

4:金屬支持件

6:無孔部份

8:多孔部份

10:燃料電極層

12:第一電解質層

14:第二電解質層

16:第二(空氣)電極總成；第二電極

18:空氣(氧化劑)側

20:燃料側

Claims

一種電化學電池，其包含：一多孔金屬支持件；一第一電極之至少一層，其在該多孔金屬支持件上；一稀土摻雜氧化鋯之第一電子阻擋電解質層，其在該第一電極之該至少一層上；及一稀土摻雜氧化鈰之第二整體電解質層，其在該第一電子阻擋電解質層上。
如請求項1之電化學電池，其中該稀土摻雜氧化鋯之第一電子阻擋電解質層具有等於或大於0.5 μm之一厚度。
如請求項1或2之電化學電池，其中該稀土摻雜氧化鈰之第二整體電解質層具有等於或大於4 μm之一厚度。
如請求項1至3中任一項之電化學電池，其中該稀土摻雜氧化鋯之第一電子阻擋電解質層具有等於或小於5 μm之一厚度。
如請求項1至4中任一項之電化學電池，其中該稀土摻雜氧化鈰之第二整體電解質層具有等於或小於17 μm之一厚度。
如請求項1至5中任一項之電化學電池，其中該電化學電池係一固態氧化物電池。
如請求項1至6中任一項之電化學電池，其中該稀土摻雜氧化鋯包含摻雜選自於Y、Sc或一鑭族元素(Ln)之至少一稀土元素的氧化鋯。
如請求項1至7中任一項之電化學電池，其中該稀土摻雜氧化鈰包含摻雜選自於Y、Sc或一鑭族元素(Ln)之至少一稀土元素的氧化鈰。
如請求項8之電化學電池，其中該稀土摻雜氧化鈰係選自於：釤摻雜氧化鈰(SDC)、釓摻雜氧化鈰(GDC)、釤釓摻雜氧化鈰(SGDC)及其混合物。
如請求項1至9中任一項之電化學電池，其中該第一電極之該層包含摻雜氧化鈰，任選地其中該第一電極之該層包含摻雜氧化鈰釓氧化物(CGO)。
如請求項1至10中任一項之電化學電池，其中該第一電極之該層包含一鎳源，其任選地為氧化鎳。
如請求項1至11中任一項之電化學電池，其中該第一電極之該層包含鎳CGO陶金。
如請求項1至12中任一項之電化學電池，其中該第一電極之該層具有等於或大於3 μm、任選地等於或大於5 μm、任選地等於或大於10 μm、任選地等於或大於15 μm之一厚度。
如請求項1至13中任一項之電化學電池，其中該第一電極之該層具有等於或小於50 μm、任選地等於或小於45 μm、任選地等於或小於40 μm、任選地等於或小於35 μm之一厚度。
如請求項1至14中任一項之電化學電池，其中該第一電極係一燃料電極。
如請求項1至15中任一項之電化學電池，更包含在該第二電解質層上之一第二電極，任選地其中該第二電極係一空氣電極。
如請求項1至16中任一項之電化學電池，其中該多孔金屬基材包含一鋼基材，較佳地包含一不鏽鋼基材。
如請求項1至17中任一項之電化學電池，其中該多孔金屬基材包含一鑽孔金屬基材，其任選地為一雷射鑽孔金屬基材。
如請求項1至18中任一項之電化學電池，其中該多孔金屬基材包含在其表面上之一障壁層且該第一電極之該層係在該障壁層上。
一種電化學電池之堆疊，其中各電化學電池係如請求項1至19中任一項之電化學電池。
一種製造電化學電池方法，該方法包含：提供一多孔金屬基材，在該多孔金屬基材之一表面上具有一第一電極之至少一層；提供一第一墨水，該第一墨水包含用於一稀土摻雜氧化鋯之第一電子阻擋電解質層的一前驅物；施加該第一墨水至該第一電極之該至少一層上以形成該稀土摻雜氧化鋯之第一電子阻擋電解質層；任選地乾燥；任選地燒結；提供一第二墨水，該第二墨水包含用於一稀土摻雜氧化鈰之第二整體電解質層的一前驅物；施加該第二墨水至該第一電子阻擋電解質層以形成該稀土摻雜氧化鈰之第二電解質層；任選地乾燥；及任選地燒結。
如請求項21之方法，其中該第一及/或第二墨水係藉由印刷，任選地網版印刷來施加。
一種電化學電池，其可由如請求項21或22之方法獲得。
一種電解系統，其包含如請求項1至20中任一項之電化學電池。
一種以電解模式操作電化學電池之方法，該方法包含：提供如請求項1至20中任一項之電化學電池；使該電化學電池接觸欲接受電解之一試劑；及施加一電位至該電化學電池。