CN102224625A - 具有包括镍基合金的刚化支撑的固态氧化物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池包括隔离片和连接到隔离片的穿孔支撑片。穿孔支撑片和隔离片由镍基合金构成。多孔层位于隔离片和支撑片之间并且提供隔离片和支撑片之间的电连接。

Description

具有包括镍基合金的刚化支撑的固态氧化物燃料电池
关于联邦政府赞助研发的声明
由于国家航空航天局资助的合同NN-CO6CA45C，美国政府可在本公开中享有一定的权利。
技术领域
本公开涉及固态氧化物燃料电池，更具体地涉及刚化箔片支撑，其提供长的寿命以及对于氧化的抵抗能力。
背景技术
固态氧化物燃料电池是公知的并且用于产生电力。例如，固态氧化物燃料电池通常包括阳极、阴极以及在阳极和阴极之间的电解质。支撑结构机械地支撑阳极、阴极和电解质。在一些示例中，支撑结构还用来向阳极供应反应物气体并且向外部电路传导电流。
与这种支撑结构相关联的一个问题是操作环境极端具有腐蚀性。例如，支撑结构在一侧上暴露于反应物气体氧化剂并且在另一侧上暴露于反应物气体燃料。对于氧化剂和燃料的暴露产生了氧化环境，其可快速地腐蚀公共支撑结构合金。常规支撑结构由通常耐腐蚀的不锈钢形成。然而，在这种恶劣条件下，即使不锈钢也可在相对短的时间内腐蚀，由此降低支撑结构的机械强度和电导率。
发明内容
一种示例燃料电池包括隔离片和连接到隔离片的穿孔支撑片。穿孔支撑片和隔离片由镍基合金构成。多孔层位于隔离片和支撑片之间并且提供隔离片和支撑片之间的电连接。
在另一方面，一种示例燃料电池包括：电极，其具有阳极和阴极之间的固态氧化物电解质；互连层；和位于电极和互连层之间的刚化箔片支撑。刚化箔片支撑包括如上所述的隔离片、穿孔支撑片和多孔层。
附图说明
本领域技术人员将从下面的详细描述明白所公开示例的各种特征和优点。该详细描述的附图可简要介绍如下。
图1示出了示例的燃料电池。
图2示出了暴露于双气氛的不锈钢箔片的局部视图。
图3示出了暴露于双气氛的不锈钢箔片的局部视图。
具体实施方式
图1示意性示出了示例燃料电池10的选定部分。在该示例中，燃料电池10包括一堆燃料电池单元12，其按照已知方式操作以产生电力。例如，燃料电池单元12可以以与外部电路电串联的布置被夹在收集板（未示出）之间。然而，应当理解，本公开不限于该示例燃料电池10的布置，本文公开的概念可适用于其他燃料电池布置。
在所示的示例中，每个燃料电池单元12包括夹在电极16和阴极互连层18之间的刚化箔片支撑14。电极16可以是三层布置，包括夹在阴极22和阳极24之间的固态氧化物电解质20，用于提供电化学反应来产生电流。
固态氧化物电解质20可以是任何类型的固态氧化物电解质。在少数几个非限制性示例中，固态氧化物电解质可以是掺杂有（一种或多种）稀土金属氧化物的二氧化铈（CeO2）、镓酸盐（例如掺锶的镓酸镧）、或者稳定的（完全地或部分地）氧化锆。
阴极互连层18可包括沟道18a，例如由金属网的波纹片形成的沟道。在其他示例中，阴极互连层18可以是多孔结构，例如编织丝的结构。阴极互连层18可借助于导电材料而结合到电极16，所述导电材料选自金属和陶瓷及其混合物的组。阴极互连层18也可借助于扩散结合、焊接或铜焊而结合到隔离片26。阴极互连层18可由合适的合金制成，例如不锈钢或镍基合金。
刚化箔片支撑14包括隔离片26、邻近于电极16的穿孔支撑片28以及多孔层30，多孔层30位于隔离片26和穿孔支撑片28之间并提供隔离片26和穿孔支撑片28之间的电连接。隔离片26、穿孔支撑片28和多孔层30可利用扩散结合、焊接、铜焊或任何其他合适工艺结合到一起，并且借助于焊接、铜焊或扩散结合在边缘附近不透气地密封，以形成金属密封来提供从多孔层30到穿孔支撑片28的气密通道。替代性地，可通过卷边、点焊或其他非不透气联接工艺而形成金属联接部，而通过局部应用上釉、搪瓷或陶瓷粘接剂来实现不透气密封。这样，刚化箔片支撑14起到几个作用，包括机械地支撑电极16以及向电极16的阳极24供应第一反应物（例如氢燃料）。阴极互连层18向电极16的阴极22供应第二反应物（例如氧化剂）。刚化箔片支撑14还装备有入口端口和出口端口，用于燃料电池堆中的燃料电池单元12之间的燃料流体连通。
穿孔支撑片28是镍基合金薄片，例如箔片。穿孔支撑片28不限于任何特定厚度，不过在少数几个示例中，厚度可以是10-150微米（394-5906微英寸）。在进一步示例中，厚度可以是约15-50微米（591-1969微英寸）。穿孔支撑片28可使用任何合适方法制造，包括激光钻孔、电子束钻孔、化学刻蚀或者微机械加工。在另一个示例中，穿孔支撑片28可以如名称为Method of Forming a Fuel Cell Sheet的PCT申请No._______（律师案号67,124-105）所公开的那样制造。隔离片26与穿孔支撑片28具有相似的厚度，但是是实心和连续的而非穿孔的。
多孔层30包括第一丝32a，第一丝32a相对于第二丝32b大致横向地布置。在一个示例中，第一丝32a和第二丝32b是编织的金属丝，例如方形编织网。第一丝32a和第二丝32b之间的间隙提供开放的空间，用于第一反应物的流通过多孔层30到达阳极24。
在所公开的布置中，刚化箔片支撑14在极端腐蚀性环境中双侧暴露地操作，在一侧上暴露于燃料并且在另一侧上暴露于氧化剂。穿孔支撑片28的厚度和隔离片26的厚度还促成了该条件的严重性，因为燃料（特别地，氢）可更加易于在固态氧化物燃料电池的操作温度下通过薄的结构扩散，而更厚的结构限制了芯的暴露。这样，至少穿孔支撑片28和隔离片26由镍基合金构成以抵抗腐蚀。多孔层30可由镍基合金构成。然而，多孔层也可由另一类型的合金构成，例如不锈钢。
镍基合金在燃料电池10的极端条件和构造下是高度耐腐蚀的。如果穿孔支撑片28、隔离片26、多孔层或者各自可能形成氧化皮，则刚化箔片支撑14的机械完整性和导电率可能降低。然而，镍基合金在双侧暴露环境下是耐腐蚀的，由此延长了燃料电池10的操作寿命。
在一些示例中，镍基合金可包括占绝大多数量的镍（例如组合物中的镍的量大于任何其他元素）、铬以及钴、钼、铝、铁或钨中的至少一种元素。例如，镍基合金可以是INCONEL®、HASTELLOY®或HAYNES®的级别，特别是Haynes 230、Haynes S、Hastelloy合金C-4、Hastelloy合金C-276、Hastelloy合金C-22、Haynes 282、Nicrofer 6616等。对于在操作温度下不需要长寿命的一些应用，具有显著镍含量的铁基合金（例如奥氏体钢）也是有效的。这种合金的示例包括AISI 302、303、304、309、310、316、317、321和347，UNS S34565、UNS N06626，Allegheny钢AL-6NX等。
在一个示例中，给定厚度的镍基合金与电极16是热兼容的。也就是说，所选定的镍基合金和电极16的热膨胀系数是相对良好匹配的，使得燃料电池10的热循环不会对电极16造成损坏。然而，在其他示例中，可在电极16和镍基合金之间使用功能梯度层（functionally gradient layer），以提供从较高热膨胀系数到较低热膨胀系数的过渡，并由此减轻失配。
一个示例的镍基合金组合物约包括57wt％的镍、22wt％的铬、2wt％的钼、14wt％的钨、0.4wt％的硅、0.5wt％的锰、0.3wt％的铝、高至5wt％的非零量的钴以及高至3wt％的非零量的铁。示例的组合物也可包括微量的硼、铌、钇和镧，其各自大致在0.01wt％和0.2wt％之间的量。给定的组合物也可包括杂质，其不影响合金或元素的性质并且在合金中未被测量或不可测量，但是在其他示例中，该组合物可仅仅包括给定的元素。本说明书中关于给定组合物所使用的术语“约”指的是在给定值中可能的变化，例如在该值附近±5％的公差。
穿孔支撑片28和隔离片26的镍基合金相比不锈钢在燃料电池10的极端条件和构造下是高度耐腐蚀的，例如CROFER 22 APU®。图2示出了在600 ℃（1112 ℉）下进行70小时的双侧暴露（一侧上是空气，另一侧上是50％氢气和50％氮气）后，由不锈钢制成的箔片的一部分50。暴露于空气的那侧被氧化以在不锈钢54上形成氧化皮52。
图3示出了在暴露于如不锈钢制成的部分50相同的条件后的隔离片26的一部分。隔离片26的镍基合金在超过600小时的暴露后显示出基本没有氧化。穿孔支撑片28预期具有相似的耐腐蚀性。
虽然在所说明的示例中示出了特征的组合，但并不是所有这些特征需要组合在一起以实现本公开的各种实施例的益处。换句话说，根据本公开实施例设计的***将不必包括任一附图中示出的所有特征或者附图中所示意性示出的所有部分。而且，一个示例实施例的选定特征可与其他示例实施例的选定特征相组合。
前面的描述在本质上是示例性的而非限制性的。在不必偏离本公开实质的情况下，本领域技术人员可明白对于所公开示例的变化和修改。给予本公开的法律保护范围仅可通过研究所附权利要求而确定。

Claims (16)

1. 一种燃料电池，包括：
隔离片；
连接到所述隔离片的穿孔支撑片，所述穿孔支撑片和所述隔离片由镍基合金构成；和
多孔层，其位于所述隔离片和所述支撑片之间并且提供所述隔离片和所述穿孔支撑片之间的电连接。
2. 如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述镍基合金约包括57wt％的镍、22wt％的铬、2wt％的钼、14wt％的钨、0.4wt％的硅、0.5wt％的锰、0.3wt％的铝、高至5wt％的非零量的钴以及高至3wt％的非零量的铁。
3. 如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述隔离片和所述穿孔支撑片各自由金属箔片构成。
4. 如权利要求3所述的燃料电池，其中，所述金属箔片包括10-150微米（394-5906微英寸）的厚度。
5. 如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述多孔层包括编织丝。
6. 如权利要求5所述的燃料电池，其中，所述多孔层由镍基合金构成。
7. 如权利要求5所述的燃料电池，其中，所述多孔层由不锈钢构成。
8. 如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述镍基合金包括占绝大多数量的镍、铬以及选自由钴、钼、铝、铁、钨及其组合组成的组中的至少一种元素。
9. 如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述多孔层也由镍基合金构成。
10. 一种燃料电池，包括：
电极，其包括阳极和阴极之间的固态氧化物电解质；
互连层；和
位于所述电极和所述互连层之间的刚化箔片支撑，所述刚化箔片支撑包括隔离片、连接到所述隔离片的穿孔支撑片以及位于所述隔离片和所述支撑片之间的多孔层，所述穿孔支撑片和所述隔离片由镍基合金构成，并且所述多孔层提供所述隔离片和所述穿孔支撑片之间的电连接。
11. 如权利要求10所述的燃料电池，其中，所述镍基合金约包括57wt％的镍、22wt％的铬、2wt％的钼、14wt％的钨、0.4wt％的硅、0.5wt％的锰、0.3wt％的铝、高至5wt％的非零量的钴以及高至3wt％的非零量的铁。
12. 如权利要求10所述的燃料电池，其中，所述固态氧化物电解质是选自由掺杂二氧化铈、镓酸盐和稳定氧化锆组成的组的电解质，并且所述隔离片和所述穿孔支撑片各自由厚度为10-150微米的金属箔片构成。
13. 如权利要求10所述的燃料电池，其中，所述多孔层由不锈钢构成。
14. 如权利要求10所述的燃料电池，其中，所述镍基合金包括占绝大多数量的镍、铬以及选自由钴、钼、铝、铁、钨及其组合组成的组中的至少一种元素。
15. 如权利要求10所述的燃料电池，其中，所述隔离片也由镍基合金构成。
16. 如权利要求15所述的燃料电池，其中，所述多孔层也由镍基合金构成。
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