TWI342635B - Fuel cell and passive support - Google Patents

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TWI342635B
TWI342635B TW093108872A TW93108872A TWI342635B TW I342635 B TWI342635 B TW I342635B TW 093108872 A TW093108872 A TW 093108872A TW 93108872 A TW93108872 A TW 93108872A TW I342635 B TWI342635 B TW I342635B
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Gregory S Herman
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Description

玖、發明說明： 【發明所屬之技術旬域】 發明領域 電極、電解質及燃 電極及電解質皆仰 此處揭示之主題係有關燃料電池 料電池或電極之框架。多種燃料電池 賴鈍性載體。 t先前】 發明背景 燃料電池典型⑽對其使用壽命有危害之條件 作。例如典型固體氧化物燃料電池係於超過70吖之、 作。於此種溫度’多種現象可能造成燃料電池元件的= 匕呆 例如常用料電極㈣的金射能變鬆動及附聚。當氧化 時(例如冷卻顧氧化時）’此_聚體尺寸加大，對燃料電 池元件造成有害應力。料’熱軸可能造成顯著元件應 力。如此溫度關聯的劣化，可能降低燃料電池效率，甚至 造成燃料電池無法操作。例如其它S件條件也造成燃料電 池劣化。如此需要有一種燃料電池其可忍受及/或最小化各 種操作應力，可於較低溫操作之燃料電池，不會造成顯著 溫度相關應力的燃料電池。後文提供各種範例燃料電池、 電極及方法可解決此等及其它需求。 【明内^L 3 發明概要 揭示一種燃料電池，包括鈍性載體其具有細孔區位於 第一粗孔區與第二粗孔區間。範例燃料電池有電解質材料 1342635 設置於細孔區，以及第一電極材料設置於第一粗孔區、以 及第二電極材料設置於第二粗孔區。也揭示其它裝置及方 法範例。 圖式簡單說明 5 第1圖顯示燃料電池之圖解說明圖。 第2A、2B及2C圖顯示範例等角鈍性載體、範例非對稱 性鈍性載體、以及邊界層有細孔之範例非對稱性鈍性載體 之透視圖。 第3圖顯示對各種平均孔徑，附聚速率相對於時間之作 10 圖。 第4圖顯示包括熱膨脹向量之燃料電池之電極面及/或 電解質面之圖解說明圖。 第5圖顯示燃料電池之電極及/或電解質之容積分量相 對於熱膨脹之範例作圖。 15 第6圖顯示鈍性載體孔隙特性（例如孔徑）相對於尺寸之 範例作圖。 第7圖顯示對鈍性載體之各種孔徑，附聚相對於熱膨脹 之範例作圖。 第8圖顯示基於鈍性載體，製造電極之範例方法之方塊 20 圖。 第9圖顯示有鈍性載體之範例燃料電池之透視圖。 第10圖顯示範例方法及相關範例結構。 第11圖顯示另一範例方法及相關範例結構。 第12圖顯示基於至少部分於鈍性載體，製造燃料電池 6 之範例方法之方塊圖。 第13圖顯示包括一或多個流通道之範例燃料電池及/ 或電極及電解質組配狀態之透視圖。 第14圖顯示包括一或多個流通道之範例燃料電池及/ 或電極及電解質組配狀態之透視圖。 第15及16圖顯示各種範例燃料電池及框架組配狀態之 透視圖。 第17圖顯示範例燃料電池及框架組配狀態之範例方法 及結構。 第18A、18B、18C及18D圖分別為範例燃料電池及框架 之透視圖及各個剖面圖，其中該燃料電池界定一個孔口。 也顯示各種互連裝置選項。 第19圖顯示製造鈍性載體及框架之範例方法之方塊 圖。 【實施方式1 較佳實施例之詳細說明 後文詳細說明部分討論範例燃料電池、鈍性載體、陽 極、陰極、燃料電池配置或組配狀態及燃料電池或電極框 架。也討論多種製造或使用燃料電池或燃料電池元件之方 法。 燃料電池 燃料電池經由使用離子傳導電解質來移轉帶電物種， 而未燃燒，經由電化學方式反應燃料與氧化劑，可產生電 力及熱。典型燃料電池係經由將儲存於燃料(如氫氣、天然 1342635 氣、甲醇等）及氧化劑(例如氧氣）的能量轉換而產生電位。 第1圖顯示先前技術固體氧化物燃料電池100。燃料電 池100包括陽極110、陰極114及電解質118。陽極110及陰極 114為電極，電解質丨18作為一型隔膜。於典型燃料電池 5之操作中，含氧化劑氣體例如空氣提供給陰極1M，稱作為 「空氣電極」；而燃料提供給陽極110,稱作為「燃料電極」。 例如陰極11何魏（來自空氣的）氧氣，陽極11()可接收氮氣 (以及選擇性之—氧化碳、甲駭其它烴類）。此種情況下， 氧與氫反應而生成水。此種反應為放熱反應，關聯有電位， 10因此燃料電池100根據該電位而提供電子流徑。 燃料電池100操作必須有電解質118。如前文所述’電 解質118係作為隔膜形式’例如離子傳導膜形式。所舉實施 例中，電解質m錢離子傳導膜。若❹氫氣作燃料，由 於去除電子’於陽極110,由各個氫分子形成兩個質子或氮 15離子1子流徑或電路124允許電子變成可於陰極⑴利 用，輔助驅動由氧氣形成氧離子。氧離子傳導或渗透通過 電解質m及陽極110，於該處氧離子與質子或氣離子生成 水。電化學過程以如下反應式表示： 02+4e'->202· 20 2H2->4H++4e' 4H++202'^2H20 於25°C溫度及-大氣壓壓力，根據反應式之氫-氧燃料 電池具有平衡電動勢(e.m.f.)約為12伏特。 通常電解質須對預定離子物種有高度轉運迷率，同時 8 1342635
卜期望物種的轉運。各種陶瓷（例如電陶瓷）具有適合用 為電解質之性質。例如一組偶爾稱作為「快速離子導 體」、「迅速離子導體」或「超離子導體」的電陶究可支援 期望離子物種的兩度轉運速率。常用氧離子離子傳導膜陶 究為經過紀氧穩定化之锆氧(ysz)。為了讓ysz電解質提供 足夠氧離子傳導性，要求相當高溫(例如典型高於細， p使相爾4的電解質（例如小於約1〇微米）也需要相當高 溫。當然於如此高溫操作將帶有多種成本支出。例如高成 本&金(例如超合金等）要求作為燃料電池殼體因而實質上 提问成本《於此種操作溫度的應力也劣化陽極、陰極及/或 電解質因而增南成本。例如陰極可能具有與電解質熱膨 脹係數不同的熱膨脹^此種情況下，於陰極與電解質間之 界面可發展出相當高切變應力，造成陰極及/或電解質的 微破知，而纟可能減少界面接觸面積及/或電解質剔除非期 15 望物種的能力。
此外，操作溫度及/或溫度循環可能對陽極、陰極及/ 或電解質特性造成不利影響。例如一或多種陽極金屬成分 於咼於某種溫度可能傾向於附聚^溫度循環及/或氧化_還原 循環也會促成附聚。附聚已知出現於固體氧化物燃料電池 2〇之N卜YSZ金屬陶究陽極，通常與電流密度及燃料利用率等 因素有關。例如需要均勻分布的鎳粒子來最大化陽極與電 解質間之界面或二相邊界(TPB)。附聚出現於整個陽極，造 成「粒子大小」的增加，粒子分布均勻度的降低。此等效 應降低有效TPB，因此增加陽極耗損。最終導致歧化分布， 9 完全破壞粒子間（或附聚體間）之傳導性。 附聚體於氧化時可能造成電極的進一步劣化。氧化並 型係出現於冷卻中及冷卻後(例如作為燃料電池操作循^ 的一部分）。於Ni_YSZ金屬喊陽極，子_聚體^ 於冷卻中及/或冷卻後氧化。氧化時，粒子或附聚體的尺寸 加大。經數次加熱與冷卻週期後，粒子或附聚體變夠大而 於本例，可施加顯著力（例如應力）於msz基體。如此氧 化及/或附聚可能劣化基體或破壞基體，造成電極無法操作 或無效率。 ,如此，如先前技術乙節所述，需要有燃料電池其可忍 受及/或最小化各_作應力（例如還原、氧化、溫度、德環 等）、可於較低溫操作的燃料電池、不會產生顯著溫度相關 應力的燃料n此處所述多種範·料電池可滿足此等 及/或其它需求。 為了降低操作溫度，須改良Ysz的傳導性，或須使用 其它適當電解質材料來替代或放大YSZ。通常傳導性係依 據電解質厚度之函數而改變，其巾料性隨著厚度的增加 而降低，如此較薄的電解質有較少總電阻，發現電解質典 型具有高於陽喊陰_電阻。_技術允許製造厚度例 如約0.5微米至約5微米之緻密電解質。此種電解質之製造 技術包括化學氣相沉積(CVD)其用來形成厚則微求之電解 質；原子層沉積(ALD)，用來形成厚約數原子層之電解質； 及其它技術，部分技術討論如後。此外，部分技術可用來 沉積電極材料。於多種範例燃料電池或其組成元件，電極 1342635 及/或電解質可有較大厚度，例如厚約100微米或以上。例 如溥帶澆鑄、網印等薄膜沉積技術曾經用來沉積厚度高達 且超過100微米之電極材料及/或電解質材料。此外，電解 質須「完全密化J來避免因非期望物種通過電解質所造成 5 的短路。 用於固體氧化物燃料電池(S〇FC)，鎳-YSZ製成之陶曼 與金屬複合物(偶爾稱作為金屬陶瓷）用作為陽極，而攙鳃亞 * 猛酸鋼(La^SrxMnO3)作為陰極。當然多種其它材料也可用 於陽極110或陰極114。為了產生合理電壓，複數個燃料電 鲁 10池必須群集來形成一個陣列或一個「電池堆」。於一電池 堆，常使用互連裝置來接合陽極與陰極，例如互連裝置包 括經過攙雜之亞鉻酸鑭(例如La〇.8Ca〇.2Cr〇3)。當然其它材料 . 也適合。 , 須了解，燃料電池可為下列燃料電池之一：固體氧化 15物燃料電池(s〇FCs)、質子傳導陶瓷燃料電池、鹼性燃料電 池、聚合物電解質膜(PEM)燃料電池、炫融碳酸鹽燃料電 池、固體酸性燃料電池、直接曱醇PEM燃料電池及其它（例 · 如參考下列其它實施例）。此處提供多種範例燃料電池為固 體氧化物燃料電池。 - 20 電解質可由任一種適當材料製成。此處提供之多種範 · 例電解質為氧離子傳導膜電解質、質子傳導電解質、碳酸 根(CO32-)傳導電解質、OH·傳導電解質、氫陰離子(H>f專導 電解質及其混合物中之至少一者。有關氫陰離子電解質燃 料電池，已經發展成為熔融氩化物電解質燃料電池。 11 1342635 電解質之又另-範例為立方次氣酸鹽結構電解質、經 挽雜之立方次氟酸鹽電解質'質子交換聚合物電解質 子交換陶竟電解質及其混合物中之至少m質 電解質細乙氧穩定化之結氧、攙彭氧化錦、攙此氧化/、
LaaSrbGacMgd〇3-S及其混合物中之至少一者，特別適合用於 固體氧化物燃料電池。 ； 陽極及_可視“及/或崎収終卿途 10
=屬適=製成。多種範例陽極及/或陰極為金屬、陶 是及金屬陶兗中之至少—者。若干 非限制例包括鎳、銅、鉑A ； 之 適合用於陽極之陶究之非= 財之至少一者。若干 e £之非限制例包括CexSmy〇2_s、 X 、咖⑽3_s及其混合物中之至少—者。適合 用於陽極之若干金屬陶 mSZ、Ni-SDC、Ni_GDc /^制例包括 _Ζ、 b物中之至少一者。 、CU_SDC、Cu-GDC及其混合
=合用於陰極之若干金屬之非限制例包括銀 '翻、釘、 非”/^*丨=中之至少—者°若干適合用於陰極之陶竟之 非限制例包括SmxSrvCoO D τ 中之至少—者 3—δ、BaxLayCo03-S、GdxSryC〇〇3 s 20鈍性載體 質。ϋΓ處所述’純性載體可支載陽極、陰極及/或電解 ’缝贿不會傳導電子或離子至任何顯著程度。 化鎂==括以氧化㈣主之載體、以氧 氧化錯為主之載體、以氧化鈦為主之 12 1342635 栽體、以碳化矽為主之載體、以鋼為主之載體及其混合物。 當然此等材料可具有多種晶相結構中之任一種。例如以氧 化鋁為主之載體包括α-八丨2〇3、γ-Ab〇3及/或其它八丨2〇3晶 相。栽體範例選擇性包括鎂氧及矽氧例如約2:1之比例(例如 5兩份鎂氧(Mg〇)2對一份矽氧Si〇2)。當然其它材料組合亦屬 可能。鈍性載體材料可具有期望的疏水性-親水性、表面電 荷及/或表面結構。適當載體可忍受此處所述各種燃料電池 操作相關溫度。適當栽體有多種幾何形狀，例如(但非限制 性)平面、管狀、圓柱狀及/或單塊而有一或多個通道。 1〇 鈍性載體典型為多孔3孔隙可以下列參數決定其特 徵，參數例如孔隙容積、孔徑、孔徑分布（例如平均孔徑等） 及孔隙形態，特別就一或多個鈍性載體尺寸而言之孔隙形 態。鈍性載體也有若干非連續孔隙(例如死端）及/或無法接 近的孔隙(例如封閉泡胞或空隙）。當然孔隙不會增加有用之 15孔隙度或有用孔隙的總容積。第2A圖顯示有實質等角孔隙 形態(例如賊2_對於範例座料容積)之範職性載體 200’第2B®赫相對於_之—維㈣如橫過載體厚度 (例如沿z軸橫過載體厚度)有非對稱孔隙形態（例如孔隙大 小可相對於載體之-維或多維改變）之範例純性載體㈣。 此種載體具有平均孔徑約〇 〇1微米（例如約1〇奈米或約⑽ 埃）至_微軸如物_或以上。此種載體可有多 種孔隙度中之任-種(例如巨孔、微孔、中孔、均質、非均 f互連開胞、閉胞、死端等），此種載體可有多種不同 彎曲之任種(例如M、長、夾角及線性轉運長度等）。任何 13 特定孔隙可於一維或多維具有非對稱及/或對稱；注意「非 對稱」或「非對稱性」及Γ對稱」或「對稱性」可應用至 任何特定孔隙的幾何形狀描述，及應用至鈍性載體的孔隙 形態，其中孔隙形態表示鈍性載體的孔隙特性如何改變。 通常鈍性載體具有可界定之總容積，約等於個別孔隙容積 (開放容積)與閉塞容積(鈍性載體材料占有的容積)之和。當 然閉塞容積於適當時也包括空隙容積。 實質上等角鈍性載體200包括載體2 〇 2之範例放大剖面 圖。本例中，孔隙實質上沿z軸(例如由頂至底）校準。當然 孔隙也可有其它形狀及/或跨其它維度（例如χ、y等維度）互 連。 非對稱鈍性載體220於第一厚度或第一區230有第—平 均孔徑，以及於鈍性載體220之第二厚度或第二區24〇有不 同的第二平均孔徑。非對稱鈍性載體22〇包括載體232第一 區230之範例放大剖面圖、及載體242之第二區24〇之範例放 大剖面圖。此等例中，孔隙實質沿2軸(例如由頂至底）校準。 當然孔隙也可有其它形狀及/或跨其它維度(例如x、y等維度) 互連。例如孔隙度、彎曲度、孔隙容積及/或閉塞容積可於 鈍性載體220之一維或多維或一區或多區改變。由於封閉孔 隙或無法接近的孔隙(例如空隙）通常為不滿意，且占總孔隙 度之小分量，故孔隙度典型係近似開放孔隙度。範例非重子 稱鈍性載體包括氧化銘或紹氧。例如非對稱鈍性載體具有 α-Α12〇3相其界定有大平均孔徑之一區、以及γ Α12〇3相其界 定有小平均孔徑之一區。當然非對稱鈍性載體可包括其它 材料及/或晶相（例如參考前述材料）。 第2C圖顯示範例非對稱鈍性載體250，其於第一厚度或 第一區256有第一平均孔徑，於第二厚度或第二區乃8有不 同的第二平均孔徑，以及於第三厚度或第三區258,有第三 5平均孔徑。第二厚度或第三區258’之第三平均孔徑選擇性 約與第二平均孔徑相等。各種鈍性載體參數(例如就鈍性載 體220及鈍性載體240討論之參數）於範例非對稱鈍性載體 之二區256、258、258’之任一區或全部可改變。通常範例 非對稱鈍性載體250具有由兩個粗孔區所界限的一個細孔 10 區。 鈍性載體與附聚 如前文說明，附聚可能降低燃料電池效能。特別已知 附聚關聯陽極效能的降低。此處提供之多種範例陽極具有 (1)無附聚’（11)最小附聚及/或(in)可預測的附聚。此外，此 15處所述多種範例陽極具有非對稱之附聚。此外，使用鈍性 載體可提升電極及/或電解質的穩定性。 第3圖顯示規度化附聚速率相對於時間之作圖3〇〇。時 間可為工作時間（例如燃料電池工作時間）、或發生附聚時的 其它時間(例如還原時間等）。對不同平均鈍性載體孔徑顯示 20三條曲線，dl5°、咕。及们5。，此處(115。<(125。<(135。。根據作 圖300附聚迷率隨著時間而降低。此外，附聚速率對較小 平均孔徑（例如dl5〇)比對較大平均孔徑（例如d350)的降低更 快速。孔徑與附聚間之關係至少部分係由於立體限制，·因 此有較小驗的鈍性賴有助祕有電極及，或電解質材 1342635 料均勻分散。此外，總附聚可由曲線下方面積或附聚速率 相對於時間的積分而求出近似值。如此，適當選擇鈍性載 體孔徑可用來限制附聚及/或獲得可預測的附聚作用。當然 也可選擇其它鈍性載體特性(例如彎曲度、孔隙形態等）來影 5響附聚速率及/或總附聚。 例如操作溫度、沉積於鈍性载體孔隙内部的材料熔 點、及對應之坦曼溫度（Tamman temperatures)(例如以度 表不為體積熔點的約0.5倍）等因素選擇性用來選擇鈍性載 體及/或其特性。特別孔徑（例如平均孔徑）、鈍性載體之孔 · 10隙非對稱性及/或孔壁表面性質可選擇性用來選擇鈍性栽 體。例如範例非對稱載體具有第2B圖放大剖面圖232、2幻 所不剖面孔隙，來最小化或控制任何沉積於孔隙内部材料 的附聚作用。有關孔壁表面性質，某些表面性質可促進移 動性及/或附聚，另有些表面性質會妨礙移動性及/或附聚。 15鈍性載體與熱膨脹 如前述，燃料電池組成元件(例如互連裝置、電極、電 解質等）之熱膨脹與各組成元件間熱膨脹的不匹配可能降 · 低燃料電池效能。特別熱膨脹及/或熱賴不E配已知關聯 燃料電池效能的下降。此處提出多種範例電極及/或電解質 * 20具有⑴匹配或近似匹配之熱膨脹及/或（ii)最小熱膨脹。 外，此處提供多種範例電極及/或電解質具有非對稱熱膨 脹。例如，非對稱熱膨脹於趨近於其它燃料電池組成元^ 之方向’具有趨近於另一種燃料電池元件熱膨脹之熱膨張 (例如電極之熱膨脹近似於接近電極/電解質界面之電解質 16 丄 JHZO：)：) 之熱膨脹）。更進一步，多錄 取⑭ 種範例陽極可具有前文說明之附 ，以及匹配之、最小及/或非對稱之熱膨脹。 10 、第4圖顯不下電極41G、上電極叫及電解質418之平面 代表圖働’電解f 418係位於下電極彻與上電極…間。 基於齡麵之燃料電池麻第％圖之齡載體24〇含有 下電極、上電極及電解質層。平面向量出現於平面表示式， 其中線厚度及線長度料應於熱膨輯率及㈤熱膨服。而 平面表不式適σ說明與電極·電解質界面關聯的大部分議 題，熱膨脹也出現於沿_維或其它多維(例如體積熱膨服）。 八3L用於線性熱％脹之方彳以，直線距離變化(△[)等於維 度熱膨脹健⑻、長度(L)及溫度差(ΔΤ)。典錢於體積熱 膨脹的方程式為容積變化(Δν)等於容積熱_係數⑼、容 積(V)及溫度差(δτ)。 第5圖顯示可置於鈍性載體孔隙的電極材料或電解質 15材料之容積分量，相對於沉積有此種材料之鈍性載體之熱 膨脹之範例作圖500，作為電極材料或電解質材料特性。線 510可為曲線’線510表示容積分量與熱膨脹特性間之關 係。容積分量零對應於鈍性載體未沉積有任何電極材料或 電解質材料(例如參考於容積分量零之示意圖），或對應於不 20 具有可接近之容積之鈍性載體。此種情況下，此種區域具 有熱膨脹特性(例如膨脹、應力等）係依據鈍性載體而定。容 積分量為一半係對應於總容積之一半由純性載體所占有， 一半由電極材料或電解質材料所占有（例如參考於容積分 量為0.5之示意圖）。此種情況下，此區之熱膨脹係依據鈍性 17 載體及沉積於鈍性載體内部之材料決定。容積分量為1，相 當於全部容積完全由電極材料或電解質材料所占有（亦即 不含純性栽體的容積）。此種情況下，此區的熱膨脹特性係 依據電極材料或電解質材料決定《如此，除非鈍性載體邊 界有此鄰電極及/或電解質，否則容積分量零相當於鈍性載 體之熱膨脹特性並非依據電極或電解質決定。此外容積分 量為1 ’除非電極及/或電解質邊界有毗鄰鈍性載體，否則 相當於電極及/或電解質具有熱膨脹特性而非依據鈍性載 體決定。 通常此處提供之多種範例電極及/或電解質具有電極 材料或電解質材料沉積於多孔鈍性载體内部，及/或電極材 料或電解質材料沉積毗鄰於鈍性載體。如此例如第5圖所示 之作圖可輔助選擇具有適當熱膨脹特性之鈍性載體。此 外’有關電極材料或電解質材料占有的容積分量可存在有 下限。要言之，由於多種不同原因，低於下限之容積分量 不實際。第5圖顯示任意下限，可根據鈍性載體電極及/或 電解質特性而調整。 孔隙特性之選擇 如前文說明及/或如第3、4及5圖顯示，鈍性載體之孔 隙特性影響附聚及/或熱膨脹。孔隙特性也影響穩定性。第 6圖顯示範例鈍性載體孔隙特性(例如孔徑)相對於鈍性載體 維度之作圖600。維度可沿z軸，例如如第2A、2B及2C圖所 不，其中z=〇位於或接近燃料供應面或空氣供應面（例如第 電極外邊界）’ Z=1位於或接近於另一個燃料供應面或空 氣供應面（例如第二電極外邊界）。例如曲線602對應於鈍性 載體其具有孔徑相對於至少—維逐步減小，由第一平均孔 瓜減小至第二平均孔徑，然後加大至第三平均孔徑。另一 例中’曲線604係對應於一種鈍性載體，其具有孔徑相對於 至少一維減小至最小平均孔徑，然後加大至較大平均孔 住。又另—例中，曲線606對應於一種鈍性載體，其具有孔 子；至 >、維約略逐步減小。根據曲線606之純性載體 例如包括第-、第二及第三電解質層（例如參考第uB圖之 例燃料電池及純性載體11 〇 0)。當然範例鈍性載體可具有 孔仏於維以一種或多種方式增減，同時具有孔徑於另一 維以或夕種相同或不同之方式增減。例如範例非對稱載 體匕括孔隙其具有戴面，例如第2B圖放大剖面圖232、242 H 或控制沉積於此等孔隙之任何材料的 15
附聚&/或最小化、匹配或控制電極、電解質、燃料電池 等之熱膨脹。
第圖』不鈍性載趙孔徑(例如平均孔徑等）及規度化附 聚速率相對於熱膨m之範例作圖·。此種作圖或相關資料 有助；鈍H載體孔检的選擇。例如影線區7職應於於或接 近電極與電解冑邊界具有可錢之鮮彡關性及附聚特 2〇 Λ勤彳電極及/或電解質於或接近f極及電解質邊 ^有鈍f生載體’有平均孔徑落人影線區7職内。當然 非’ =11栽體(例如有非對稱孔隙形態之純性載體)也可 具有其它平均孔經。 範例陽極 19 1342635 範例陽極係仰賴鈍性載體’例如（但非限制性）第2c圖 所示非對稱純性載體250。鈍性載體特性選擇性選用且考慮 附聚及/或熱膨脹。例如孔徑（例如平均孔徑）經選擇來最小 化附聚，最小化熱膨脹及/或近似匹配電解質之熱膨服。 5 第8圖顯示製造仰賴鈍性載體之陽極之範例方法8〇〇。 方法800包括選擇純性載體810，如前文討論。一旦選定純 性載體，方法800繼續沉積適合用作為陽極與鈍性載體82〇 ' 孔隙。沉積可透過任一種適當沉積方法進行，包括物理沉 積法及/或化學沉積法[例如原子層沉積(ALD)、化學氣相沉 · 10積(CVD)、電化學氣相沉積(EVD)、電解沉積(ELD)等]。此 外，材料係呈液體或糊赍而選擇性沉積(例如糊膏擠壓入或 通過鈍性載體孔隙等）。偶爾於沉積後，範例方法8〇〇繼續 燒結及/或還原沉積材料830。 ， 沉積材料830的還原係出現於燃料電池的陽極操作 15中，及/或燃料電池之陽極操作前。例如若還原係於陽極於 燃料電池操作前進行，則附聚可最小化及/或受限制。如此 範例陽極具有預定附聚傾向，該預定附聚傾向至少部分係 _ 與陽極於燃料電池操作前由還原決定。例如還原程序可於 陽極於操作中的燃料電池作為電極之前進行。當然預定附 . 20聚傾向也可部分基於選用的孔徑及/或孔隙非對稱性決定。 ， 此外’陽極材料的還原典型形成二次孔隙度。例如若 陽極材料包括金屬氧化物，則金厲氧化物還原成為金屬， 將導致各積的縮小。此種容積的縮小，轉換成為鈍性載體 被填補的空隙容積的減小，因此有效孔隙度增大。雖然二 20 1342635 次孔隙度並非典型與鈍性載體一次孔隙度有直接關聯，但 一次孔隙度（例如孔徑）的選擇可輔助達成預定之二次孔隙 度。形成二次孔隙度將影響物種轉運通過陽極。例如，若 沉積材料填補鈍性載體孔隙至一或多種期望物種被有害地 5最小化及/或受限制的程度，則透過陽極材料的還原形成二 次孔隙度，允許一或多種預定物種的適當轉運程度。 於沉積材料還原前可進行多種程序。例如若沉積過量 材料，則可去除過量材料。此外，可將沉積材料燒結及/或 退火。此外，可進行電解質材料的沉積，選擇性接著為燒 ίο結及/或退火。當然，也可進行陰極材料的沉積，選擇性接 著為退火及/或燒結。 還原可根據電方法、物理方法及/或化學方法進行。例 如還原係因施加電位或置於還原化學環境下進行。還原之 替代之道包括其它電、物理及/或化學方法作用於電極形成 15二次孔隙度，該電極可為陰極或陽極。舉例言之，其中材 料於燒結劣化時，於燒結前藉添加材料而形成二次孔隙 度。仰賴添加材料至生述體或生场糊膏之技術將就互連裝 置討論如後’適合用於形成二次孔隙度。 範例陰極 20 範例陰極選擇性仰賴鈍性載體，例如（但非限制性）第 2C圖所示非對稱性紐載體·。鈍性載體特性選擇性選用 且考慮附聚及/或熱膨脹。例如孔徑(例如平均孔徑)經選擇 來最小化附聚，最小化熱膨脹及/或近似匹配電解質之熱胗 脹0 ”、' / 21 1342635 陰極之範例製法仰賴鈍性載體》該方法包括例如前文 討論之選擇鈍性載體。一旦選定，該方法繼續沉積適合用 作為陰極之材料至鈍性載體孔隙内部。沉積可透過任一種 適當沉積方法進行，包括物理及/或化學沉積方法（例如 5 ALD、CVD、EVD、ELD等）。此外材料選擇性呈液體或糊 膏沉積(例如擠壓糊膏進入或通過鈍性載體之孔隙等）。於範 例方法進行過程之任何時間可進行多種其它程序。例如若 沉積時沉積過量材料，則去除過量材料。此外，可燒結及/ 或退火沉積的材料。例如燒結造成陰極材料(例如適合用作 10為陰極之電極材料）密度的下降，可形成二次孔隙度。此 外’可進行電解質材料的沉積，選擇性接著為燒結及/或退 火。當然也可進行陽極材料的沉積，選擇性接著為退火及/ 或燒結。 範例燃料電池 15 第9圖顯示基於鈍性載體之範例燃料電池900，包括第 一電極910(例如陽極或陰極）、第二電極914(例如陰極或陽 極）及電解質918，至少部分設置於第一電極與第二電極 910、914間。通常電解質918占據鈍性載體的細孔區，細孔 區係由占有鈍性載體相對粗孔區的電極所界限。 20 範例燃料電池900中，電解質918占有一區，厚約250 微米至約200奈米（例如沿z轴）。當然可使用更大或更小厚 度。此外，本例中’此區之平均孔徑係小於約25微米。 於電極材科沉積入鈍性載體内部，以及選擇性去除過 量材料及/或燒結後，所得電極910具有平均孔徑小於約1微 22 1342635 米。另-例中’鈍性栽體具有多孔區，具有平均孔徑約罐 米，其中於適當加工處理後，所得電極_具有平均孔徑小 於1微米’典型遠小於1微米。鈍性載體及/或電極之小型平 均孔徑進-步允許使用較薄的電解質，一般原則若 5 電解質沉積於多孔面上’則電解質厚度須約為平均孔徑的 三倍。如此本财，電解質厚度為賴米或以下。再度， 較薄的電解質典型促成較佳離子傳導(例如氧離子轉運朴 又另-例中，範例燃料電池包括第一電極、電解質批 鄰該第-電極、以及第二電極㈣該電解f。本範例燃料
電池中，鈍性載體係選擇可限制附聚熱膨服及/或電解質厚 度之純性賴。選擇巾也包括孔隙非對稱性(例如非對稱孔 隙形態）的選擇，因孔隙非對稱性與附聚、熱膨脹及/或電解 質厚度有關。例如範例鈍性載體包括—細孔區，具有平均 孔徑約5G奈米至約⑽奈米。此種範例鈍性載體適合用㈣ 15 積電解質材料於其中。此種_燃料電池之電極之二太孔 隙度包括孔隙具有平均孔徑約5G奈米至約5⑼奈来。當然前 述二例中也適合採用其它孔徑。 田、、
20 於範例燃料電池_，第一電極91〇選擇性為陽極，其 中孔隙特性經選擇可最小化附聚；及/或第二電極914選擇 料陰極，其中孔隙特性經選擇可限制熱膨服。此外，第 ==3=質：邊界之孔隙特性經選擇允許與 解質有適s邊界，而第二電極914之孔隙特性選擇性選 匹=電解質918之熱_性。當助關熱膨脹考慮燃料 ，及/或讀週期(例如開關、燃料進料週期等) 23 1342635 的相關溫度。 第10圖顯示範例方法1000及對應之範例結構1050、 1060、1070、1080。方法1000包括提供非對稱鈍性載體 1050 ’其中該鈍性載體有一細孔區1030由兩個粗孔區 5 1〇40、1042所界限。方法100〇也包括沉積電解質材料1〇6〇， 其中電解質材料1018沉積遍布非對稱鈍性載體之細孔區 1030及粗孔區1040、1042。當然其它方法也可沉積電解質 材料遍布細孔區以及粗孔區中之只有一區。任一種情況 下，/儿積1060形成敏密電解質區於全部或部分細孔區1〇3〇 10孔隙。此外，電解質材料1018涵蓋粗孔區1〇4〇、1042之一 者或二者之至少部分可利用表面。範例方法1〇〇〇進一步包 括沉積第-電解質材料咖，其中第—電極材#1_冗積 於粗孔區购之-’可航躲部分細 _。方法麵 也包括沉積第二電極材料麵，其中第二電極材料刪係 15沉積減鄰於緻密電解質區之另-粗孔區购，如前述， 緻密電解質區係位在部分或全部細孔區1030孔隙。第9圖之 範例燃料電池_具有㈣稱鈍性_，其具有-種電解質 及兩個電極，如參照第1〇圖之說明。 第11圖顯示範例方法11〇2及對應範例結構115〇、 2〇 1162 1172 1182。方法11〇2包括提供非對稱鈍性載體 1150 ’其中錢性栽體有—細孔^ 1130界限於二粗孔區 114〇、1142間°範例方法1102也包括沉積電解質材料1162， 其中電解質材料1U8係沉餘該非對稱鈍性髓細孔區 1130之至少部分孔隙内部。多種技術適合用於限制沉積於 24 1342635 部分細孔區1130。例如一種材料(例如電極材料、可去除材 料等）沉積於粗孔H114G、1142之-以及選擇性沉積於部分 細孔區1130，來限制電解質材料的沉積。另一例中，細孔 區1130限制電解質材料的沉積（例如因孔徑等而限制沉 5積）。沉積1162形成緻密電解質區於部分或全部細孔區1130 之孔隙内部。方法1102進一步包括沉積第一電極材料 1Π2，其中第一電極材料1110沉積於其中—個粗孔區丨^二 且可能沉積於部分細孔區113 0。範例方法丨丨〇 2也包括沉積 第二電極材料1182，其中第二電極材料1U4沉積於毗鄰於 10緻密電解質區之另一個粗孔區，緻密電解質區如前述 為部分或全部細孔區1130孔隙。第9圖之範例燃料電池9〇〇 具有非對稱性鈍性載體，其有一電解質以及二電極，如參 照第11圖之說明。 第12圖顯示製造燃料電池之範例方法1200之方塊圖， 15燃料電池例如（但非限制性）第9圖之燃料電池9 〇 〇，其具有陽 極910、陰極914及電解質918沉積於陽極91〇與陰極914間。 方法1200例如包括如前文討論之鈍性載體121〇的選用。一 旦選定，方法1200繼續沉積適合用作為第一電極之材料於 鈍性載體1220孔隙内部。沉積1220及選擇性之其它製程（緊 20接其後或間隔若干時間）構成第一電極。沉積第一電極材料 後，方法1200繼續沉積適合用作為電解質之材料於鈍性載 體1230孔隙。例如方法1200首先沉積陽極電極材料，沉積 電解質材料，然後燒結鈍性載體及材料，隨後沉積陰極用 第二電極材料。某些情況下，陽極材料及電解質材料比陰 25 ^料更可忍受南溫。因此於此種情況下，於陰極材料沉 積刖’進行陽極材料的沉積及電解質材料的沉積。當然如 此處所述’於沉積—或多種電極材料前有多種範例方法可 沉積電解質材料。 通常電極或電解質材料的沉積係透過任一種適當沉積 方法包括物理及/或化學沉積方法(例如ALD、cVD、evd、 7等）進行。於沉積電解質材料後，方法膽繼續沉積適 合用作為第二電極124Q之第H電極材料的沉積可透 過任-種適當沉積方法騎，包括物理及/或化學沉積方法 (例如ALD、CVD、EVD、ELD等）。沉積1240及選擇性之其 匕處理（緊接於其後或間隔某一段時間)形成第二電極。純性 栽體及沉積材料的燒結125〇選擇性接在其後。例如，燒結 可採用適合陽極材料、電解質材料及陰極材料之燒結溫 度。當然如前文討論，陽極材料及/或電解質材料燒結前允 許採用適合燒結陰極材料之較低燒結溫度進行燒結。某些 情況下，隨後於較低燒結溫度之燒結對陽極材料及/或電解 質材料的影響極小。 然後選擇性使用陽極1260的還原來於陽極形成額外孔 隙度。當然其匕方法可用來製造第9圖之範例燃料電池 900，及/或其它使用此處揭示之範例鈍性載體、電極及/或 電解質之燃料電池。 另一範例方法係始於沉積電解質材料，例如始於沉積 任何電解質材料前（例如參考參照第1〇及丨丨圖所述之範例 方法及/或結構1000 ' 1102) 〇根據此種範例方法，沉積電解 1342635 質材料遍布鈍性載體，其中電解質材料厚度典型近似細孔 區孔隙之細孔直徑（例如平均細孔直徑）。此種情況下，形成 之電解質層典型具有厚度約為細孔直徑的兩倍。依據純性 載體特性決定，例如細孔區之細孔幾何形狀均勻度決定， 5可使用ALD方法形成緻密電解質層，其中敏密電解質層具 . 有厚度約為細孔直經之半。通常可形成厚度小於約3微米之 、 緻密電解質層，特別厚度約丨微米。 另一例中，鈍性載體有一個或多個粗孔區其界限一個 鲁 細孔區’其中粗孔區之一具有平均粗孔直徑約丨微米至約5 10微米。於沉積電解質材料於粗孔區以及隨後加工處理（例如 燒結等）後’形成的電極具有平均孔隙直徑約〇 〇1微米（或約 100埃）至約0.5微米。根據各種孔隙封阻理論，封阻層厚度 約為孔隙直徑的三倍；如此當電解質材料沉積於此種電極 上時’所得電解質層或封阻層具有厚度約為0.03微米至約 15 1.5微米。 多種鞑例方法可採用—種沉積方法，其沉積具有第一 隹 粒徑之電極材料來封阻鈍性載體的某些孔隙，然後沉積有 第一孔控的電極材料，其中該第二孔徑係大於該第一孔 — 仏通常電極材料對兩種孔徑為相等。當然此種沉積方法 20可用來沉積電解質材料。 、 具有流通道之燃料電池 第13圖顯示範例燃料電池1300，其包括第一電極 1310、第一電極1314、電解質13丨8以及一或多個第一電極 1310之训通道1320 ' 1320,、以及一或多個第二電極1314之 27 1342635 流通道1324、1324,。燃料電池1300選擇性包括任一種前文 討論之範例電極及/或電解質。流通道1320、1320’、1324、 1324,可具有任一種特定截面及/或流徑於第一電極131〇或 第二電極1314内部。流可於任何適當方向流動。通常流通 5道之尺寸係大於鈍性載體孔隙或電極孔隙尺寸。第一電極 流通道1320、1320’或第二電極流通道1324、1324’可以U字 形方式或其它方式互連及/或橫過燃料電池130〇的全長（例 如順著y轴）。另外，流通道若經適當密封及/或絕緣等，則 流通道可由第一電極之另一表面（例如yz平面、xy平面、通 10 過第二電極1314及電解質1318等）或由電極之另一表面（例 如yz平面、xy平面、通過第一電極1310及電解質1318等）進 入0 第14圖顯示範例燃料電池1400，其包括第一電極 1410 ;第二電極 1414 ;三種電解質 1418、1418,、1418” ； 15
以及一或多個流通道1420、1420’、1424、1424’。燃料電池
1400選擇性包括任一種前文討論之範例電極及/或電解 質。流通道1420、M20’、1424、1424’可具有任一種特定截 面及/或流徑於第一電極1410或第二電極1414内部。流可於 20 任何適當方向流動。第一電極流通道142〇、1420,或第二電 極流通道1424、1424’可以U字形方式或其它方式互連及/或 橫過燃料電池1400的全長(例如順著y軸）β另外，流通道若 經適當始、封及/或絕緣等，則流通道可由第一電極之另一表 面（例如yz平面、xy平面、通過第二電極1414及電解質 1418、1418’、1418”中之另一 者等）或由電極之另— 表面(例 28 1342635 5 10 如yz平面、xy平面、通過第一電極14〗0及電解質1418、 1418’、1418”中之另一者等）進入。 燃料電池框架及/或電極框架 第丨5圖顯示範例燃料電池或鈍性載體1510及範例框架 1520。燃料電池或純性載體1510選擇性整合框架1520，或 與框架1520分開製作而架設於框架1520内部》如第15圖所 示’燃料電池或鈍性載體1510及框架1520具有實質上矩形 載面。此外，樞架1520有一或多個互連裝置1524、1524,、 1528 ' 1528’於其任一個或多個框架面上β互連裝置1524、 1524’、1528、1528’可連結至燃料電池之一或多個電極。例 如互連裝置1524可連結至陰極，而互連裝置1524’可連結至 陽極。一系列框架或一陣列框架選擇性建構，其中互連裝 置用來電連結結合該框架之電極及/或燃料電池。 15 範例框架係由緻密材料製成。例如範例框架選擇性係 由適合用作為鈍性賴、但密度係高於膨鬆鈍性載體密度 之材料製成。另-範例框架選擇性係由—種開放孔隙非連 續之材料製成（例如主要有無法接近之空隙或封閉泡胞之 20 材料製成範例_選擇性絲具有熱膨脹特性近似錢性 載體之熱膨料性之材料製成。通常《與鈍性載體形成=觸不切電赌㈣_及崎)間有電接觸 範例整合-體鈍性載體及框架係由 (例如絲等後造ΜΗ如製成生㈣，其有—鈍性載== 一框架區，因此燒結生㈣製造多孔鈍性載體區及緻^ 29 1342635 架區。多孔鈍性載體區就孔隙特性而言選擇性為等角、及/ 或非對稱性。當然適當互連裝置也可於燒結之前設置於生 坯體，及/或於燒結後添加。此外可選擇性添加氣密材料， 其隔開鈍性載體區與框架區此種氣密材料選擇性為絕緣 5體，其允許使用導電材料來形成框架區。 第16圖顯示另一範例燃料電池或鈍性載體161〇及範例 柜架1620。燃料電池或鈍性載體161〇選擇性整合框架162〇 或分開製造而架設於框架1620内部。如第16圖所示，燃料 電池或鈍性載體1610及框架162〇具有實質上圓形截面。此 1〇外’框架1620有一或多個互連裝置1624、1624,於任一個或 多個框架面上。 遮罩製程可用來製造鈍性載體或框架。第17圖顯示範 例方法及結構1702、1712。範例結構1702包括堆疊之鈍性 栽體1710、1710’、πιο”、1710”，與上遮罩17〇4、中間遮 15罩1704’、1704’’及下遮罩1704”，。範例方法涉及設置結構 1702，然後沉積材料於各個純性載體1710、1710’、1710” 之至少一部分。沉積選擇性包括低溫化學氣相沉積(CVD)， 其中該遮罩選擇性係由相對可撓性材料(例如鐵氟龍、軟金 屬如銅、紹等）製成。遮罩經由罩蓋部分開放孔隙度，而防 20止材料之此積入各個鈍性載體1710、1710,、1710，，之至少 一部分。本例中，暴露區或未經遮罩區形成框架172〇、 1720,、1720，，。 第18 A圖顯示範例燃料電池或鈍性載體1810及範例框 架1820。框架1820包括一或多個互連裝置1824、1824,。燃 30 1342635 料電池或電極1810具有孔口 1814，其部分通過或完全通過 燃料電池或鈍性載體1810。孔口 1814可用於多項目的中之 任一種。例如孔口 1814輔助安裝，允許燃料流動及/或空氣 流動，及/或穩定燃料電池或鈍性載體❶燃料電池或鈍性載 5體1810選擇性包括此處所述燃料電池或電極。此外，此種 燃料電池或電極選擇性包括多於一個孔口。進一步範例框 架包括一或多個孔口，各個孔口可用於類似或不同的目的。 第18B圖顯示第18 A圖所示範例燃料電池或鈍性載體 1810及範例框架1820之剖面圖。本例中，孔口 1814貫穿燃 10 料電池或電極1810的全高。互連裝置1824、1824,(例如第一 電極互連裝置）連結燃料電池或鈍性載體181〇之第一電極 或第一電極區。互連裝置1828、1828，(例如第二電極互連裝 置）連結燃料電池或鈍性載體1810之第二電極或第二電極 區。本例中，第一互連裝置1824、1824,及第二互連裝置 15 1828、1828’係藉絕緣(例如非導電框架等）分開。範例方法 中’此種互連裝置通道之選擇性製造方式，係經由設置材 料於生坯體，因此當燒結或其它加工處理時，設置的材料 劣化。另外，互連裝置可於生坯體燒結前，經由設置導電 互連材料於生链體而製成。當然其它形成通道及/或互連裝 20置之程序亦屬可能例如採用壓印、擠壓等方法製造。 第18C圖顯示一範例燃料電池或鈍性載體181 〇及範例 框架1820之另一範例剖面圖。本例中，孔口 1814貫穿燃料 電池或電極1810的全高。一徑向與袖向互連裝置1824(例如 第一電極互連裝置）連結燃料電池或鈍性載體181〇之第一 31 1342635 電極或第極區。另一徑向與軸向互連裝置⑻4，(例如第 -電極互連裝置）連結燃料電池或鈍性載體⑻〇之第二電 極或第二電極區。本例中，第—互連裝置及第二互迷 裝置1824,係藉絕緣（例如非導電框架等）分開。範例方法 5卜此種互連裝置通道之選擇性製造方式，係經由設置材 料於生减，因此當燒結或其它加工處理時，設置的㈣ - 劣化。另外，互連裝置可於生坯體燒結前，經由設置導電 互連材料於生柱體而製成。當然其它形成通道及/或互連裝 置之程序亦屬可能例如採用壓印、擠壓等方法製造。 鲁 1〇 帛18 D圖顯示—範·料電池或鈍性載體1810及範例 框架1820之又另-範例剖面圖。本例中，孔口 i8i4貫穿燃 料電池或電極1810的全高。-徑向互連裝置1824(例如第_ . 電極互連裝置）連結燃料電池或鈍性載體181()之第—電極 或第-電極區。另-徑向互連裝置1824，(例如第二電極互連 15裝置）連結燃料電池或鈍性載體1810之第二電極或第二電 極區。本例中，第-互連裝置1824及第二互連裝置難，係 # 藉絕緣(例如非導電框架等）分開。範例方法中，此種互連裝 置通道之選擇性製造方式，係經由設置材料於生賴，因 · 此當燒結或其它加工處理時，設置的材料劣化。另外，互 2〇連裝置可於生坯體燒結前，經由設置導電互連材料於生坯 . 體而製成。當然其它形成通道及/或互連裝置之程序亦屬可 能例如採用壓印、擠壓等方法製造。 如前述’孔口 1814允許燃料及/或空氣流動或通風。此 外，孔口可連結一或多個其它流通道。於範例方法，流通 32 1342635 道選擇性係經由設置材料於生坯體形成，因此當燒結或其 它加工處理時，設置之材料分解。 第19圖顯示製造鈍性載體及框架之範例方法1900。方 法1900包括選擇第一粉末1910(例如用於較細孔隙度），選擇 5 第二粉末1920(例如用於粗孔隙度），以及選擇第三粉末 10 1930(例如用於緻密框架區）。當然也可選用第四粉末來形成 有粗粉區之純性載體，其具有不同特性，其中粗孔區仍然 結合細孔區。第一粉末、第二粉末及第三粉末選擇性包括 添加劑，例如作為黏結劑及/或潤滑劑之聚合物（例如聚乙烯 醇專）。方法1900繼續形成生述體194〇。生述體之形成包括
形成鈍性載體生坯體區及框架生坯體區。生坯體之形成包 括使用模具來㈣、使麟壓_壓、使賴㈣來加壓 15 20 過;慮及/或使用其它裝置來輔助形成具有適當性質（例如密 度等)之生&體1狀。此外，氣密材料可選擇性置於纯性載 體生㈣區與框架生述體區間之任何邊界。氣密材料選擇 性為絕緣趙，絕緣體絕緣電極或燃料電池與框架。此外， 鈍性載體Μ舰或框架生贿區可有—或多種材料設置 於其中來形成-或多個通道、互連裝置及/或流通道。於形 成生㈣测後，方法测繼續燒結生㈣刪來形成純
性載體及框架 【阖式簡單說明】 第1圖顯示燃料電池之圖解說明圖。 似、则示範例等角鈍性載體'範例非對稱 及邊界層有細孔之範例非對稱性鈍性載體 性鈍性載體、以 33 1342635 之透視圖。 第3圖顯示對各種平均孔徑，附聚速率相對於時間之作 圖。 第4圖顯示包括熱膨脹向量之燃料電池之電極面及/或 5 電解質面之圖解說明圖。 第5圖顯示燃料電池之電極及/或電解質之容積分量相 對於熱膨脹之範例作圖。 第6圖顯示鈍性載體孔隙特性（例如孔徑）相對於尺寸之 範例作圖。 10 第7圖顯示對鈍性載體之各種孔徑，附聚相對於熱膨脹 之範例作圖。 第8圖顯示基於鈍性載體，製造電極之範例方法之方塊 圖。 第9圖顯示有鈍性載體之範例燃料電池之透視圖。 15 第10圖顯示範例方法及相關範例結構。 第11圖顯示另一範例方法及相關範例結構。 第12圖顯示基於至少部分於鈍性載體，製造燃料電池 之範例方法之方塊圖。 第13圖顯示包括一或多個流通道之範例燃料電池及/ 20 或電極及電解質組配狀態之透視圖。 第14圖顯示包括一或多個流通道之範例燃料電池及/ 或電極及電解質組配狀態之透視圖。 第15及16圖顯示各種範例燃料電池及框架組配狀態之 透視圖。 34 1342635 第17圖顯示範例燃料電池及框架組配狀態之範例方法 及結構。 第18A、18B、18C及18D圖分別為範例燃料電池及框架 之透視圖及各個剖面圖，其中該燃料電池界定一個孔口。 5 也顯示各種互連裝置選項。 第19圖顯示製造鈍性載體及框架之範例方法之方塊 圖。 【圖式之主要元件代表符號表】 100...固體氧化物燃料電池 400...代表圖 110...陽極 410...下電極 114...陰極 414...上電極 118...電解質 418...電解質 124...電子流徑或電路 500...作圖 200...鈍性載體 510...線 202...載體 600...作圖 220…鈍性載體 602，604，606…曲線 230...第一厚度或區 700...作圖 232...載體 710…影線區 240...第二厚度或區 800...方法 242...載體 810-830...步驟 250...鈍性載體 900...燃料電池 256...第一厚度或區 910...陽極 258...第二厚度或區 914...陰極 258’·.·第三厚度或區 918...電解質 300...作圖 1000...方法 1342635 1010…第一電極材料 1014…第二電極材料 1018…電解質材料 1030.. .細孔區 1040 ’ 1042…粗孔區 1050 ’ 1060 ’ 1070，1080…結構 1100.. .燃料電池或鈍性載體 1102.. .方法 1110…第一電極材料 1114…第二電極材料 1118…電解質材料 1130.. .細孔區 1140，1142...粗孔區 1152，1162，1172，1182...結構 1200.. .方法 1210-1260...步驟 1300.. .燃料電池 1310…第一電極 1314.. .第二電極 1318…電解質 1320，1320,，1324，1324， ...流通道 1400.. .燃料電池 1410.. .第一電極 1418，1418’，1418”...電解質 1420，1420,，1424，1424， ...流通道 1510…燃料電池或鈍性載體 1520.·.框架 1524 ， 1524’ ， 1528 ， 1528” ...互連裝置 1610.. .燃料電池或鈍性載體 1620.. .框架 1624，1624,…互連裝置 1700.. .方法 1702，1712…結構 1704…上遮罩 1704’，1704’’...中間遮罩 1704’”...下遮罩 1710 ， 1710, ， 1710” ， 1710”， …堆疊之鈍性載體 1720 ’ 1720,，1720”…框架 1810·.·燃料電池或鈍性載體 1814…孔口 1820.. .框架 1824 ， 1824’ ， 1828 ， 1828， …互連裝置 1900.. .方法
1414…第二電極 1910-1950…步驟 36

Claims (1)

  1. 第093108872號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(100年___ 拾、申請專利範圍：妙泰 1. 一種固體氣化物燃料電池，包含： 一鈍性載體，其具有孔隙，其中該鈍性載體不會實 質上傳導電子或離子且其中該鈍性載體有一細孔區設 置於一第一粗孔區與第二粗孔區間； 一種電解質材料，其係設置於該細孔區； 一種第一電極材料，其係設置於該第一粗孔區；以 及 一種第二電極材料，其係設置於該第二粗孔區。 2. 如申請專利範圍第1項之燃料電池，其中該第一電極材 料包含金屬及金屬氧化物。 3. 如申請專利範圍第丨或2項之燃料電池，其中該第一電極 材料包含具有第二孔隙度之經還原之金屬氧化物。 4. 一種製備固體氧化物燃料電池之方法，包含： 沉積-種電解質材料於一多孔非對稱性鈍性載 體’來封阻該多孔非對稱性純性載體之至少部分孔隙； 其中該鈍性載體不會實質上料電子或離子； "匕積-種電極材料於該多孔非對稱性鈍性載體讓 至少部分電極材料接觸該電解質材料；以及 1、’Όβ玄夕孔非對稱性鈍性載體、電解質材料及電極 材料，來製造一緊密電解質層及一多孔電極。 5·如申請專利範圍第4項之方法進—步包含還原該電極 材料來進—步增加多孔電極的孔隙度。 6.如申請專利範圍第4或5項之方法，進—步包含沉積—種 15229M0002I6.doc 第一電極材料於該多孔非對稱性鈍性載體。 7 】 ’如申請專利範圍第6項之方法，進一步包含第二次燒 。 本》先結於該多孔非對稱性纯性載體之第二電極材 料’其中該第二次燒結係使用低於第一次燒結溫度之溫 度。 8· 中請專利範圍第4或5項之方法，其中該緊密電解質層 具有厚度小於約3微米。 9·—種使用固體氧化物燃料電池之方法，包含： 傳導離子通過置於一鈍性載體之一細孔區之電解 質’其中該細孔區係設置於鈍性載體之兩個粗孔區間及 其中該鈍性載體不會實質上傳導電子或離子；以及 該傳導後之離子與燃料反應，因而產生電位。 10. 如申請專利範圍第9項之方法，進一步包含經由電極提 供燃料’該電極包含一種電極材料設置於鈍性載體之粗 ?L區— 〇 11. 如申請專利範圍第10項之方法，進一步包含燒結或還原 該電極材料來於提供燃料前增加電極材料的孔隙度。 —種製造一固體氧化物燃料電池用之框架及鈍性載體 之方法，包含： 選擇一種第一粉末用於該鈍性載體之細孔區’其中 該鈍性載體不會實質上傳導電子或離子； 選擇一種第二粉末用於該鈍性載體之粗孔區； 選擇一種第三粉末用於框架； 形成一種生坯體，其具有—鈍性載體生坯體區以及 15229M000216.doc ·τ· 1342635 一框架生坯體區；以及 燒結該生坯體來製造一燃料電池用之框架及鈍性 載體。 13.如申請專利範圍第12項之方法，其中該形成包括模製、 5 擠壓及/或壓濾。 15229M000216.doc 1342635 第093108872號專利申請案 中文圖式替換本(100年2月） 拾壹、圖式： ..n·· I r' 124
    (·) 〇 φ η 〇 ° ο 〇 114 〇〇 〇_〇〇 ^ ο 〇 ^ Ο 〇 ° ο ο 113 ° ο ο 0¾ Θη° Ο 〇 Ο 〇 以广、u υ ο ㊉110 D ^ © 奴 υ 〇 c? 〇d^ Q ¢9 ^ ft 氧離子 100 馨 oo oo 氧 氮 〇〇©©©© 水gbgb 子 質
    152291-flg-1000216.doc 1342635 厂200
    圖2A 220
    232
    240 242 230
    圖2B S 152291-fig-1000216.doc -2- 1342635
    250 Z A
    ► X
    y
    圖2C
    152291-fig-10002I6.doc 1342635 30 (d)峰啭鉍荃-制絮
    3 d ο
    時間⑴ 總附聚夂RAdt 圖3 s 152291-flg-1000216.doc •4- 1342635
    400
    圖4 152291-fig-1000216.doc T342635 /-500 ❿
    圖5 152291-fig.l0002I6.doc 6- 1342635
    I52291-fig-1000216.doc 1342635
    ο
    ο 熱膨脹 7 s 152291-fig-1000216.doc 1342635
    152291-fig-1000216.doc -9- 1342635 厂900
    2 A
    914 918 910 x
    S 152291-flg-1000216.doc -10- 1000 1342635
    圖10 152291-fig-1000216.doc .11 - 1102 1342635
    圖11 152291-fig-1000216.doc s -12- 1200 1342635
    1210 1220 1230 1240 1250 1260 圖12 152291-fig-1000216.doc -13- 1342635 厂 1300
    1314 1318 1310 圖13 广 1400
    1418 1418" X 1418'
    圖14 S 152291-fig-1000216.doc -14- 1342635
    圖16 15229I-fig-1000216.doc -15- 1342635 厂 1700 」------1 /-1702 1704 1704' 1704" ❿ L. 1704" 1712 1720 厂 1720' —!x 1720" 圖17 I52291-fig-1000216.doc -16- 1342635
    圖18B 152291-flg-1000216.doc -17- 1342635
    圖18C
    1820 1824' 圖18D S 152291-fig-1000216.doc -18- 1342635
    1900
    1910 1920 1930 1940 1950 圖19 152291-fig-1000216.doc -19-
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