具体实施方式

本文参考附图通过举例而非限制的方式呈现所公开的设备和方法的一个或多个实施方案的详细描述。

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以及通常与EEA 12电气、热和/或结构连通的互连件14。EEA 12通常包括安置为与阳极18和阴极20电连通和离子连通的电解质16。

互连件14通常包括例如通道22的特征，这些特征促进或引导燃料或氧化剂在EEA12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，以将产生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)，所述涂层安置在与EEA 12的界面22邻近的表面上。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固体氧化物燃料电池的任何几何形状。

互连件包括碳基复合材料。碳基复合材料包括碳基体和增强材料。示例性的增强材料包括碳纤维、例如钨纤维的金属纤维、陶瓷纤维及其组合。示例性的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。纤维可任选地与例如金属颗粒的颗粒材料结合。示例性的金属颗粒包括过渡金属，例如钛、铬、铁、钴、镍、铜，以及耐腐蚀合金，例如不锈钢、铁基合金、镍基合金和钴基合金。金属颗粒可为前述任何一种的混合物。增强材料可为连续纤维或不连续的(短切)纤维。连续纤维在织物中可为单向、织造或非织造的。不连续的(短切)纤维可在织造或非织造织物中分散、对准或随机取向。增强材料可为预制体。纤维预制体可包括织造预制体或非织造预制体。纤维可具有5至20微米的平均直径。

碳基复合材料的密度可小于或等于3.4克/立方厘米。在互连件的整个使用寿命中，碳基复合材料相对于其在室温或初始启动时或最初投入使用时的配置在大于400°C的工作温度下热机械稳定例如至少约100小时，在一些情况下至少约5,000小时，在其它情况下至少约40,000小时。碳基复合材料在其操作环境中也可为化学稳定的并且耐腐蚀。

碳基复合材料在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。

碳基复合材料的孔隙率在互连层的整个厚度上都可变化。例如，孔隙率可根据距互连件表面的距离而变化。因此，互连件可以朝向互连件的中心具有较小的孔隙率。同样，互连件相对于从其外边缘到其芯的距离可具有变化的孔隙率。例如，互连件可朝向互连件中心具有较小的孔隙率。变化可为连续的，从而提供逐渐的变化，或者变化可为离散的，从而提供逐步或增量的变化。孔隙率可从在表面和外边缘处的大于或等于30%，或大于或等于40%，或大于或等于50%变化为在芯处的小于10%。进一步预期可在通道22的位置中并入更高的孔隙率，从而使互连件具有连续的结构。

碳基复合材料可通过任何已知技术来制备。例如，碳基复合材料可通过使多孔预制体致密化来制备，所述致密化可包括使用液体或蒸气组分对多孔材料预制体的一种或多种渗透。液体组分可包含含碳树脂，或填充有颗粒的水性或非水性浆料，其在烧结、热压或其它高温处理之后提供碳基复合材料的基体。在一些实施方案中，预制体的化学气相渗透用于在碳基复合材料中提供基体。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/或流量，以产生具有较高密度和较小孔隙率的区域。在一些实施方案中，互连件具有不透气或不透流体流的区域。

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，互连件可包括碳基复合材料，所述碳基复合材料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，所述材料可使涂层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，在互连件的操作或使用温度下，涂层对于氧化剂和/或还原剂是不可渗透的。可选择涂层以在电极-电解质组件和涂覆的互连件之间提供小于约0.1欧姆/平方厘米的面比电阻。因此，例如，涂层可为一种或多种材料或化合物，所述材料或化合物具有至少约1 S/cm的电导率；在互连件材料的CTE的大约35%内，优选在大约10%内，更优选在大约5%内的CTE；和/或至少约5 W/m·K，优选至少约10 W/m·K，更优选至少约100W/m·K的导热率。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)、亚铬酸锶镧、贵金属(例如铂，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，在保持全密度的同时将涂层涂覆得尽可能薄，并提供所需的保护能力和/或减少任何不利或不希望的性质，例如电阻率。例如，涂层的厚度可小于约50 μm，在一些情况下小于约25 μm，在其它情况下小于约10 μm，并且在其它情况下小于约5 μm。涂层材料可购自例如俄亥俄州刘易斯森特的NexTechMaterials, Ltd.、华盛顿州伍丁维尔的Praxair Specialty Ceramics，以及马里兰州亚当斯敦的Trans-Tech, Inc.。

可通过任何合适的技术来涂覆涂层，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/或例如磁控溅射的物理气相沉积方法。

可在涂层与互连材料的表面之间安置子层。可将子层至少部分地，优选整个地安置在涂层与互连件材料的任何接触表面之间的界面上。在一些情况下，子层可用作碳基复合材料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复合材料与涂层之间的任何不想要的或不希望的反应。本发明还预期使用安置在涂层与互连件材料表面之间的一个或多个部分或区上的一个或多个子层。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，在保持全密度的同时将子层涂覆得尽可能薄，并提供所需的保护能力和/或减少任何不利或不希望的性质，例如电阻率。例如，子层的厚度可小于约1 μm，在一些情况下小于约0.5 μm，并且在其它情况下小于约0.1 μm。可通过任何合适的技术来涂覆子层，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/或例如磁控溅射的物理气相沉积方法。子层可包括但不限于氮化钛、氮化铝钛、钛碳化硅，或其混合物。

碳基复合材料可具有一种或多种界面活性剂，所述界面活性剂可促进或用于在增强组分与碳基体之间形成桥。界面活性剂可沉积为界面层，所述界面层有助于将增强组分粘附到基体上。

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，例如主要具有连续的陶瓷相和不连续的金属相的金属陶瓷，例如，Ni/YSZ(镍/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%的孔隙率的导氧陶瓷，例如致密YSZ或质子导电陶瓷，例如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还原的任何材料，例如锰酸锶镧。电极-电解质组件可购自例如荷兰的Innovative Dutch Electro Ceramics(InDECBV)和俄亥俄州刘易斯森特NexTech Materials, Ltd.。

术语“大约”旨在包括基于提交申请时可用的设备而与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。如本文所使用，单数形式“一”、“一个”和“所述”意欲也包括复数形式，除非上下文另外明确指示。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、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但是并不排除存在或添加一个多个其它特征、整体、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。

虽然已经参考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，可做出许多修改来使具体的情况或材料适应本公开的教示。因此，期望本公开不限于作为预期用于执行本公开的最佳模式而公开的特定实施方案，而是本公开将包括落入权利要求的范围内的所有实施方案。