TWI527304B - 用於固態氧化物燃料電池之內重整型陽極 - Google Patents

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Description

用於固態氧化物燃料電池之內重整型陽極
本發明大體上係關於燃料電池組件，且具體言之，關於可使陽極烴燃料直接內重整之固態氧化物燃料電池陽極材料之發展。
燃料電池為可將燃料中所儲存之能量轉化成具有高效率之電能之電化學裝置。電解電池為可利用電能使既定物質(諸如水)發生還原而得到燃料(諸如氫氣)之電化學裝置。該等燃料及電解電池可包括同時以燃料電池及電解模式操作之可逆電池。
在高溫燃料電池系統(諸如固態氧化物燃料電池(SOFC)系統)中，氧化流通過該燃料電池之陰極側而燃料流通過該燃料電池之陽極側。氧化流一般為空氣，而燃料流可為烴燃料，諸如甲烷、天然氣、丙烷、戊烷、乙醇或甲醇。於典型之介於750℃與950℃之間之溫度下操作之燃料電池可使帶負電荷之氧離子從陰極流動流傳送至陽極流動流，於該處該離子可結合游離氫或烴分子中之氫形成水蒸汽及/或可結合一氧化碳形成二氧化碳。來自帶負電荷之離子之剩餘電子係通過由陽極與陰極之間所構成之電路沿線路返回至燃料電池陰極側，導致電流流過該電路。固態氧化物可逆燃料電池(SORFC)系統可在燃料電池或放電模式中自燃料及氧化劑產生電能及反應產物(亦即經氧化之燃料)且可在電解或充電模式中利用電能得到燃料及氧化劑。
於極度燃料匱乏狀況下操作之陽極電極通常會遭受不可逆的損傷。堆疊中，在經隔離之重複元件(亦即特定燃料電池)獲得比其鄰近元件(亦即鄰近燃料電池)更少燃料之情況下，通常遭遇到該等匱乏狀況。該等元件證明有效燃料利用率超過100%。在系統遷移或操作異常中，供應至電池之燃料不對應所流出之電流之情況下，可呈現類似狀況。在該等情況下，達陽極之氧離子流會氧化該等陽極組分。傳統陽極三相邊界處存在之鎳可瞬時發生氧化。自Ni金屬至NiO之相轉變伴隨著引起陽極/電解質界面處機械損傷之體積變化。該機械損傷之特徵為電極自電解質分層，此點使得電池之特定電阻增加且堆疊性質顯著減小。為了避免鎳氧化及導致分層之電極電解質界面之機械損傷，一種先前技術方法係利用全陶瓷陽極。儘管，於匱乏條件下，該等陶瓷陽極顯示較好之安定性，然其係與高偏振損失相關。
固態氧化物燃料電池係使用烴基燃料進行操作。SOFC係以兩種模式(預重整模式或內重整模式)中之一者進行操作。在預重整模式中，烴燃料係在進入燃料電池之前預重整成合成氣(CO+H2)。陽極可提供電催化活性表面供氧化預重整型燃料且足以確保氧化物離子及電子傳導。在內重整模式中，烴燃料係在其暴露於陽極之情況下進入固態氧化物燃料電池。如在預重整模式中一般，陽極可同時提供燃料氧化及離子與電子傳送。然而，該陽極必需亦可內重整烴燃料。現有技術狀態之陽極係複合材料。該等陽極係由主要為電子導體(諸如Ni金屬)及氧化物離子導電材料之電催化材料組成。一般，現有技術狀態之陽極為Ni-二氧化鈰及Ni-氧化鋯。可於內重整模式下操作之該等陽極容易遭受陽極分層失效、烴燃料進入電池時，前邊緣處結構損傷，或在內部Ni碳化物形成中移去鎳，從而導致脆化。
本發明係關於一種固態氧化物燃料電池(SOFC)，其包括陰極電極、固態氧化物電解質、及具有第一部分與第二部分之陽極電極，因而該第一部分位於該電解質與該第二部分之間。陽極電極包括包含含鎳相與陶瓷相之金屬陶瓷。陽極電極之該第一部分包含比陽極電極之該第二部分更低之孔隙率及更小之含鎳相對陶瓷相之比率。陽極電極第二部分中之該含鎳相包含鎳及具有比鎳更低之電催化活性之至少一種其他金屬。
在本發明之一實施例中，固態氧化物燃料電池之陽極電極可於該陽極上使烴燃料進行直接內重整且可於燃料匱乏狀況下進行可靠操作。該內重整型陽極可省去預重整器或外重整器之需要，因此，可顯著降低成本。該固態氧化物燃料電池(SOFC)包括陰極電極、固態氧化物電解質、及包括第一部分與第二部分之陽極電極，因而該第一部分位於該電解質與該第二部分之間。該陽極電極包括包含含鎳相與陶瓷相之金屬陶瓷。陽極電極之該第一部分係為具有比陽極電極之該第二部分更低孔隙率及更小含鎳相對陶瓷相比之包含含鎳相與陶瓷相之金屬陶瓷。
在一實施例中，第二部分進一步包括含鎳相，其中該高度電催化活性鎳係部分地由具有比鎳更低電催化活性之金屬(包括非電催化金屬)取代。該金屬可包括鈷(Co)及/或銅(Cu)，其較佳(但未必)係與鎳合金化以使該含鎳相之催化活性減小。經減小之催化活性可得到較低之熱機械應力，本發明者認為此點可使得陽極分層及機械損傷較低。在所有其他參數保持不變之情況下，比較純Ni金屬陶瓷而言，經取代之鎳金屬陶瓷(諸如，鎳合金金屬陶瓷(例如Ni-Co合金金屬陶瓷))亦顯示較低之電催化活性。
在另一實施例中，整個陽極電極或該陽極之僅第二部分可基本上由電催化陶瓷相(諸如經摻雜之二氧化鈰(例如SDC))組成，(亦即，陽極中具有非經有意引入之鎳、然具有不影響陽極電催化行為之可能背景雜質及材料之陽極)。於陽極上，形成導電材料之多孔或網格集電器。該集電器可包括電催化或非電催化材料。
本發明之實施例提供用於固態氧化物燃料電池(諸如可逆SOFC(亦即SORFC)及不可逆SOFC)之陽極電極，其於極度燃料匱乏之狀況下不會發生不可逆劣化。本發明之實施例可在對陽極不產生機械損傷下進行烴基燃料之內重整。陽極電極顯示改良之輸出效率及可與先前技術Ni-YSZ陽極相媲美之偏振損失。因此，陽極進行燃料氧化、離子及電子傳送、且在燃料匱乏狀況下，重整烴燃料。此外，在匱乏事件之後，本發明實施例之陽極電極之性能幾乎不受影響且陽極之機械劣化最小。
本發明之一實施例之陽極電極係為包括含鎳相(亦即包含鎳之金屬相)及陶瓷相之金屬陶瓷。該含鎳相較佳包含呈還原態形式之金屬(諸如鎳、鈷及/或銅)。當其呈氧化態形式時，該相可形成金屬氧化物。因此，該陽極電極較佳係在操作之前於還原氛圍中進行退火而將氧化鎳還原成鎳。除了鎳之外，該含鎳相包含一或多種其他金屬。例如，該含鎳相可包含鎳與另一種金屬(諸如鈷或銅)之合金。該金屬相較佳以平均粒度小於500奈米(諸如100至400奈米)微細分散於該陶瓷相中以減小鎳轉化成氧化鎳時所產生之應力。該陶瓷相較佳包含經摻雜之二氧化鈰，諸如經氧化釤、氧化釓或氧化銥摻雜之二氧化鈰(換言之，二氧化鈰可包含Sm、Gd及/或Y摻雜劑元素，其在併入該二氧化鈰時形成氧化物)。較佳，該經摻雜之二氧化鈰相組成包括Ce(1-x)AxO2，其中A包括Sm、Gd、或Y中至少一者，且x大於0.1但小於0.4。例如，x可為0.15至0.3之範圍且可等於2。經氧化釤摻雜之二氧化鈰(SDC)為較佳。此外，該經摻雜之二氧化鈰可為非化學計量，且每一個金屬原子可含有多於或少於2個氧原子。或者，該陶瓷相包括不同之經混合之離子及電子導電相(諸如鈣鈦礦陶瓷相(諸如(La,Sr)(Mn,Cr)O3))，其包括LSM、鑭鍶鉻鐵礦、(LaxSr1-x)(MnyCr1-y)O3(其中0.6<x<0.9，0.1<y<0.4，諸如x=0.8，y=0.2)等等。
在本發明之一實施例中，陽極電極在鄰近電解質之部分中包含之鎳相比在鄰近遠離電極之電極表面(亦即面向電解質之「游離」電極表面)之部分中包含之鎳相更少。在本發明另一實施例中，陽極電極在鄰近電解質之部分中包含之孔隙率比在鄰近遠離電極之「游離」電極表面之部分中包含之孔隙率更低。在本發明之另一實施例中，陽極電極在遠離電解質之電極表面附近之部分中包含與鎳合金化之另一種金屬(諸如Co及/或Cu)。若需要，則可自鄰近電解質之陽極部分(亦即不含經有意引入之Cu或Co，但可能含無意之背景Co或Cu雜質或擴散存在)省去另一種金屬。較佳，該陽極電極在鄰近電解質之部分中包含較少之鎳及較低之孔隙率且在遠離電極之部分中包含另一種金屬。
在另一實施例中，陽極功能性層中不含電催化活性金屬相(例如Ni)。該陽極功能性層係由電催化活性氧化物離子導體(諸如GDC或SDC)組成。目的係降低該氧化物離子導電相之催化活性以擴展重整反應橫跨更長長度之陽極。全陶瓷陽極需要集電器。該集電器可藉由導電導線或網格或薄多孔導電層製造。該集電器可包括電催化材料(諸如鎳網格)，或其可包括非電催化材料(諸如銅或銀網格或導線、塗佈有銅之鎳導線或網格)。或者，該集電器可包括塗佈有鎳之銀導線或網格。
圖1說明根據本發明之一實施例之固態氧化物燃料電池(SOFC)1。該電池1包括陽極電極3、固態氧化物電解質5及陰極電極7。電解質5可包含經安定之氧化鋯，諸如經氧化鈧安定之氧化鋯(SSZ)或經氧化釔安定之氧化鋯(YSZ)。或者，該電解質5可包含另一種離子導電材料，諸如經摻雜之二氧化鈰。該陰極電極7可包含導電材料，諸如導電鈣鈦礦材料(諸如鑭鍶水錳礦(LSM))。亦可使用其他導電鈣鈦礦材料(諸如鑭鍶輝鈷礦(La,Sr)CoO3、鑭鍶鈷鐵素體(La,Sr)(Co,Fe)O3等等)、或金屬(諸如Pt)。
如圖1所示，陽極電極3包括第一部分13與第二部分23。該第一部分13位於電解質5與該第二部分23之間。如上指明，較佳，陽極電極第一部分13包含比陽極電極之第二部分23更小之含鎳相對陶瓷相之比率。此外，較佳，該陽極電極第一部分13包含比該陽極電極之第二部分23更低之孔隙率。此外，該第二部分23包含與鎳合金化之另一種金屬(諸如Co或Cu)。或者，該Cu或Co可與Ni(例如未經預先合金化)分開提供於該陽極電極中。因此，孔隙率及鎳相對陶瓷相之比率係在自電解質5至陽極電極3反面之方向上以該陽極電極3厚度為函數而增加。第二部分中之另一種金屬係為階梯函數。第一部分不包含另一種金屬，然而，第二部分包含一均勻濃度。
例如，陽極電極之第一部分13可包含5至30體積%之孔隙率及1至20體積%之鎳相含量。陽極電極之第二部分23可包含31至60體積%之孔隙率、21至60體積%之鎳相含量。含鎳相包含介於1與50原子%，諸如5至30原子%之另一種金屬(諸如鈷及/或銅)、及餘量鎳。
在一實施例中，陽極電極3之第一部分13與第二部分23包括分離子層。因此，第一區域13包括接觸電解質5之第一子層且第二區域23包括位於該第一子層13上之第二子層。該第一子層13包含比該第二子層23更低之孔隙率及更小之鎳對經摻雜之二氧化鈰比。該第二子層23包含另一種金屬，諸如Co或Cu。
第一子層13可包含介於1與15體積%之間之含鎳相、介於5與30%之間之孔(諸如介於5與20體積%之間或介於15與25體積%之孔)，且剩餘部分為經摻雜之二氧化鈰相。例如，含鎳相為介於1與5體積%之間，孔為介於5與10體積%之間且剩餘部分為經摻雜之二氧化鈰相。第二子層23包含超過20體積%之含鎳相、介於20與60體積%之孔(諸如介於40與50%之間之孔)，且剩餘部分為經摻雜之二氧化鈰相。例如，其包含介於30與50體積%之間之含鎳相(其包含1至30原子%(諸如5至10原子%)之Co及/或Cu及餘量Ni)、介於30與50體積%之間之孔且剩餘部分為經摻雜之二氧化鈰相。在第一子層13中，含鎳相對含經摻雜之二氧化鈰相之體積比可為1：8至1：10(例如1：9)。在第二子層23中，含鎳相對含經摻雜之二氧化鈰相之體積比可為3：1至5：1(例如4：1)。第一子層13可包含介於5與25重量%之間之含鎳相(諸如介於10與20重量%之間之含鎳相)、及介於75與95重量%之間之含經摻雜之二氧化鈰相(諸如介於80與90重量%之間之經摻雜之二氧化鈰相)。第二子層23可包含介於60與85重量%之間之含鎳相(諸如介於70與75重量%之間之含鎳相)、及介於15與40重量%之間之含經摻雜之二氧化鈰相(諸如介於25與30重量%之間之經摻雜之二氧化鈰相)。鎳對陶瓷之最佳比率係由所需之導電率、離子傳導率、孔隙率、及最佳陽極性能需要之電催化性質決定。
因此，陽極電極3包含複數層子層，且各層之組成、結構及鎳含量可不同。各層為約3至30微米厚(例如，諸如5至10微米厚)。較佳，第一子層13為3至6微米厚且第二子層23為6至10微米厚，而總厚度為9至16微米。接觸電解質之該第一子層具有比更遠離該電解質之一或多層子層更高之密度及更低之鎳含量。在鄰近電解質之處，孔隙率梯度規定為約5至15%，且在陽極電極游離表面之處，增加達到約50%。電極中之鎳含量係以與孔隙率類似之方式增加。更遠離電解質之第二子層具有與鎳合金化之另一種金屬，諸如Co或Cu。
在本發明之另一實施例中，第一區域13與第二區域23各可包括複數層子層。例如，區域13、23各可包括兩層子層，因此，陽極電極3包括總計四層子層。在此情況下，第一區域13包括接觸電解質之第一子層及位於該第一子層上之第二子層，而第二區域23包括位於該第二子層上之第三子層及位於該第三子層上之第四子層。在該組態中，陽極電極之孔隙率係自第一子層至第四子層遞增且陽極電極之鎳相含量係自第一子層至第四子層遞增。換言之，接觸電解質5之子層具有最低之孔隙率及鎳相含量，然而，位於最遠離電解質處之子層包含最高之孔隙率及鎳相含量(且最低之經摻雜之二氧化鈰相含量)。
例如，最靠近電解質5之第一子層可包含介於1與5體積%之間之含鎳相、介於5與15體積%之間之孔且剩餘部分為經摻雜之二氧化鈰相。第二子層可包含介於6與20體積%之間之含鎳相、介於20與40體積%之間之孔且剩餘部分為經摻雜之二氧化鈰相。第三子層可包含介於25與35體積%之間之含鎳相、介於35與50體積%之間之孔且剩餘部分為經摻雜之二氧化鈰相。最遠離電解質5之第四子層可包含介於35與45體積%之間之含鎳相(其包括1至30原子%(諸如5至10原子%)之Cu及/或Co及餘量Ni)、介於40與60體積%之間之孔，且剩餘部分為經摻雜之二氧化鈰相。
燃料電池堆疊通常係由多數SOFC 1呈平面型元件、管、或其他幾何形狀形式構成。必須對可能係大型之電化學活性表面提供燃料及空氣。如圖4所示，燃料電池堆疊之一個組件係所謂之氣流分離器(在平面型堆疊中，稱氣流隔板)9，其可將該堆疊中之個別電池分離。該氣流隔板可使流向該堆疊中一個電池之燃料電極(亦即陽極3)之燃料(諸如烴燃料)分離離開流向該堆疊中一鄰近電池之空氣電極(亦即陰極7)之氧化劑(諸如空氣)。該分離器9包括介於肋狀物10之間之氣體流道或氣流通道8。通常，氣流隔離板9亦可作為互聯器使用，其可使一個電池之燃料電極3電接觸至鄰近電池之空氣電極7。在此情況下，作為互聯器發揮作用之氣流隔板係由導電材料製得(或包含導電材料)。導電接觸層(諸如鎳接觸層)可設於陽極電極與互聯器之間。圖4顯示下方之SOFC 1係位於兩個氣流隔板9之間。
此外，雖然，圖4顯示堆疊包括複數個平面型或平面形狀之燃料電池，但是，該等燃料電池可具有其他組態(諸如管狀)。又此外，雖然，圖4顯示豎直取向之堆疊，但是，該等燃料電池可水平地或以位於豎直與水平之間之任一其他合適方向進行堆疊。
文中所用術語「燃料電池堆疊」意指複數個經堆疊之燃料電池，該等燃料電池共用共同之燃料入口及排氣通道或冒口。文中所用之該「燃料電池堆疊」包括相異電實體，該相異電實體包括連接至功率調節裝置及該堆壘之電源(亦即電)輸出之兩個端板。因此，在一些組態中，此種相異電實體之電功率輸出可獨立於其他堆壘得到控制。文中所用之該術語「燃料電池堆疊」亦包括相異電實體之一些部分。例如，該等堆壘可共用相同的端板。在此情況下，該等堆壘共同地包括相異電實體(諸如管柱)。在此情況下，兩個堆壘之電功率輸出無法個別控制。
一種如圖1、2及3所示之形成平面型經電解質支撐之SOFC 1之方法包括於一平面型固態氧化物電解質5之第一面上，形成陰極電極7，然後，於該平面型固態氧化物電極之第二面上，形成金屬陶瓷陽極電極3，因而鄰近電解質之該陽極電極之第一部分包含比位於遠離該電解質之該陽極電極之第二部分更低之孔隙率及更小之含鎳相對陶瓷相之比率。於該電解質之反面上，該陽極及該陰極可以任一順序形成。
如圖1所示之包括複數層子層之陽極電極可藉由絲網印刷法或藉由其他合適方法形成。例如，包含低孔隙率及低鎳含量之第一層子層13可於電解質5上進行絲網印刷，接著，於該第一子層13上，絲網印刷具有較高孔隙率及較高鎳含量之第二子層23。
利用Ni-Co合金製造陽極可首先合成具有所需要化學計量比之Ni1-xCoxO粉末，然後，使其與所需量之SDC粉末混合而實現。例如，0.05x0.3。就製造陽極而言，可採用標準油墨處理(亦即使該等粉末與油墨溶劑混合)、油墨沈積、及燒結步驟。在陽極還原期間，Ni1-xCoxO/SDC複合物還原成Ni-Co/SDC金屬陶瓷及孔。或者，可以粉末形式製得Ni-Co合金(亦即金屬合金而不係金屬氧化物)，其經與SDC混合，沈積，然後，在還原氛圍中燒結得到組成上具有不同微型結構之類似陽極。可使用其他合金元素(諸如Cu)取代Co或除了Co之外，可使用其他合金元素(諸如Cu)。同樣，可使用其他陶瓷材料(諸如GDC等等)取代SDC或除了SDC之外，可使用其他陶瓷材料(諸如GDC等等)。
圖2中所示之單層陽極電極可藉由噴墨印刷或其他合適之方法形成。在沈積期間，陽極電極不同區域中之鎳含量及孔隙率不同而形成具有梯度組成之陽極電極。該梯度組成可包括在該陽極電極之厚度方向上之經均勻或不均勻梯度化之組成。在此情況下，鎳對經摻雜之二氧化鈰前驅材料之比率係隨著經沈積之層之厚度之增加而增加。此外，該陽極組成可在燃料入口至燃料出口之方向上，諸如藉由使用可將不同鎳/經摻雜之二氧化鈰比前驅材料提供至陽極電極不同區域之複數個噴嘴均勻地或不均勻地進行梯度化。如圖2及圖3所示，位於燃料出口4鄰近處的陽極電極3之第一部分3A可包含比位於燃料出口6鄰近處的陽極電極之第二部分3B小的含鎳相對陶瓷相之比。該第一部分3A及第二部分3B可位於該在電極5末端的陽極電極之表面之鄰近處。
圖5A與5B描繪自位於該影像頂部之陰極至位於底部之陽極方向之SOFC之掃描式電子顯微鏡影像。該影像之最頂層係陰極電極7。下一層係電解質層5。底層係陽極3。陽極係由兩層子層13與23組成。該SEM影像顯示使用非重整型烴燃料於燃料匱乏狀況下進行操作之後之陽極子層之條件。
圖5A顯示根據比較例製得之SOFC之影像。該比較例之SOFC描述於在2007年10月10日申請之美國申請案編號11/907,204且其全文係以引用的方式併入本文。比較例之SOFC於上層子層23中不含Cu或CO。該比較例之SOFC顯示適當之性能。然而，該影像顯示一些破裂跡象。
圖5B顯示根據本發明之實例製得之SOFC之影像。本發明之陽極比比較例之約30微米厚陽極更薄約例如9至16微米。在上層子層中，該陽極亦包含鈷取代之鎳。本發明實例之陽極顯示不存在結構或機械損傷，諸如破裂、分層或粉塵化。在不希望受到特殊理論之約束下，本發明者將該變化歸因于將Co添加至鎳相，從而形成Ni-Co合金。認為Ni濃度之減少使得陽極表面之催化活性減小而導致重整反應擴展橫跨該陽極表面，而不使重整反應受限於該陽極之前邊緣。由於反應之分散，熱機械應力明顯減小。因此，比較比較例之陽極而言，本發明實例之陽極遭受損傷更小 或未遭受損傷。
圖6顯示機械載荷試驗之結果。該試驗包括僅具有陽極之電池之四點彎曲試驗。曲綫繪示針對比較例(線形「COMP」)及本發明實例(線形「INV」)之結果。比較例之該等結果之曲綫顯示具有0.16943之標準偏差之1.369kgf之平均機械載荷。本發明實例之數據圖顯示具有0.06952之標準偏差之1.435kgf之平均機械載荷。雖然，兩種電池顯示可令人接受之結果，但是，本發明實例之電池顯示在其破壞載荷中任何時候均一致之結果，而該等比實例電池顯示許多離群值且一般表現不一致。本發明實例之該等電池具有較高之平均破壞載荷及一致性，此點指明介於電解質與電極之間之界面比比較例之電池更好。此點可歸因於本發明實例陽極之破裂較小或不存在。
圖7描繪根據比較例及本發明實例之數種燃料電池堆疊在30amp操作下之中值電壓順應性結果之圖。所測試之一個堆疊包括根據比較例製得之若干電池及根據本發明實例製得之其他電池。數據特徵為針對在操作條件下於使用壽命開始時之堆疊之輸出電壓電位相對溫度。在溫度自770℃至850℃變化下，測得輸出電位，且蒸汽對甲烷(例如碳)比為1.9，及燃料利用率為90%。該等結果顯示本發明之輸出電位較高(諸如約60mV之較高電位)，因此，比較比較例之充份結果而言，提供了改良之結果。於770℃下之比較例顯示一些焦化跡象，就於相同溫度下之本發明實例而言，未觀察到此跡象。
圖8為在以75%之燃料利用率操作200小時之後且於850℃下進行操作之包含根據比較例及本發明實例之電池之25個電池堆疊之輸出電壓曲綫圖。圈出的數據點指明在操作200小時之後之本發明實例之電池之輸出電壓結果。未圈出的數據點指明在操作200小時之後之比較例之電池之輸出電壓結果。值得注意的係本發明之該等電池皆顯示比比較例之堆壘更低之在操作之後之輸出電位劣化程度。
圖9為於750℃與800℃下，針對比較實例之純鎳及針對本發明實例之Ni-Co合金(10原子%Co，90原子%Ni)之甲烷轉化率對天然氣質量流率圖。由圖可見，在兩層第二層23之金屬與陶瓷之體積分數相同之情況下，比較Ni-Co合金而言，純鎳之電催化重整轉化更高。質量流量越高，重整所有甲烷必須之催化劑之效率越高。Ni-Co催化劑提供之催化反應較慢，因為偵測到甲烷之質量流率較低。
陽極電極包括處於與電解質之三相邊界處之富經摻雜之二氧化鈰相之界面及與遠離電解質之陽極電極之「游離」表面(亦即，面向互聯器9之陽極3之表面)附近之富鎳相區域。在不希望受到特殊理論之約束下，本發明者認為，在極高燃料利用率之條件下，本發明實施例之陽極電極之較高安定性可主要地歸因於三相邊界處富二氧化鈰界面之存在。經摻雜之二氧化鈰之混合之離子與電子導電性質係作為通過電解質之氧離子流緩衝器發揮作用，因此使得鎳成為氧化鎳之快速轉化減緩。可避免電極/電解質之機械損傷且正常操作條件一旦建立，即可觀察到陽極偏振變化極小。由於二氧化鈰基陶瓷具有比鎳更小之導電率，於燃料匱乏狀況下，在對機械安定性不產生任何不良效應下，少量鎳之存在可改良第一子層之導電性。
陽極電極進一步包括遠離電解質之鎳合金之富金屬區域。本發明者認為減小鎳濃度會使可重整陽極活性區域之蒸汽分散離開前邊緣。由於鎳為此種強電催化劑，認為高Ni濃度導致大多數重整發生在數釐米之陽極長度內(亦即，在烴燃料進入介於陽極與互聯器之間之陽極區情況下之前邊緣處)。高濃度之高度吸熱蒸汽重整導致熱機械應力及陽極分層。在整層陽極上子層中，藉由利用極小催化性或非催化性金屬(諸如Cu及/或Co)代替Ni催化劑可部分地減活化Ni催化劑，使重整反應擴展於自入口至出口之陽極表面整個長度(亦即區域)，且減小高溫度梯度。經減小之溫度梯度使得電池前邊緣處之熱機械應力更小，因此使引起陽極分層及機械損傷降至最低水平。此點亦可降低粉塵化及Ni碳化物之形成。此外，由於陽極之經摻雜之二氧化鈰陶瓷相(諸如SDC)具電催化活性，故無法顯著減小該陽極之總催化活性。
就說明與描述目的而言，呈現本發明之以上描述。並不欲排除或使本發明受限於所揭示之精確形式，且鑒於本發明上述敎示或本發明之實務可進行或需要修改及變化。選擇該描述以解釋本發明之原理及其實務應用。欲藉由附屬之申請專利範圍及其等效物界定本發明之範圍。
1．．．固態氧化物燃料電池(SOFC)
3．．．陽極電極
5．．．固態氧化物電解質
7．．．陰極電極
8．．．氣體流道(氣流通道)
9．．．氣流隔板(氣流分離器)
10．．．肋狀物
13．．．陽極電極3之第一部分
23．．．陽極電極3之第二部分
圖1與2說明本發明實施例之SOFC之橫截面側視圖及圖3說明俯視圖。
圖4說明本發明實施例之SOFC堆壘之橫截面側視圖。
圖5A與5B描繪固態氧化物燃料中陽極電極子層之SEM影像。圖5A顯示比較例之陽極。圖5B說明本發明實例之陽極。
圖6係為針對根據比較例與本發明實例之電池之機械載荷試驗數據曲綫圖。
圖7係為針對根據比較例與本發明實例之堆壘之改變溫度時數個堆壘匯集之使用壽命開始之中值輸出電壓曲綫圖。
圖8係為針對包括根據比較例(未圈出)及本發明實例(圈出)之電池之25個電池堆疊之在操作200小時之後之電池電位曲綫圖。
圖9係為於750與800℃下，針對比較例之純鎳及針對本發明實例之Ni-Co合金之甲烷轉化率對質量流率圖。
1．．．固態氧化物燃料電池(SOFC)
3．．．陽極電極
5．．．固態氧化物電解質5
7．．．陰極電極
13．．．陽極電極3之第一部分
23．．．陽極電極3之第二部分

Claims (2)

  1. 一種固態氧化物燃料電池，其包括：陰極電極；固態氧化物電解質；陽極電極，該整個陽極電極基本上僅由電催化陶瓷相組成；及多孔導線或網格集電器，其包括該陽極電極上所形成之導電但非電催化性材料。
  2. 如請求項1之固態氧化物燃料電池，其中該陽極電極之電催化陶瓷相基本上僅由經釤摻雜之二氧化鈰組成且該集電器包括銅或銀網格或導線或塗佈有銅之鎳導線或網格。
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