集流体

1.本发明涉及电化学器件技术领域，特别涉及一种集流体材料。


背景技术：

2.固体氧化物电池(soc)是以氧离子或质子导电氧化物为电解质隔膜的电化学器件，既可以在燃料电池模式下运行，将氢气、合成气等燃料高效、清洁的转化为电能和热能，又可以在电解模式下运行，将水/二氧化碳转化为氢气/一氧化碳，从而将富余电力转化为化学能。soc单体电池由致密电解质和位于其两侧的多孔空气极(或称为正极)和多孔燃料极(或称为负极)构成，为了满足实际应用中的高功率要求，需要将单体电池、燃料极集流体、空气极集流体、连接体等通过燃料极密封件及空气极密封件串接、封装成为电堆。
3.为了增强燃料、空气等气体在电极表面分配的均匀性，设置集流体，需要采用机械加工或者刻蚀工艺等，在连接体两侧分别制造燃料气体和空气的扩散通道。为了增强电堆性能的稳定性，还需要在连接体表面覆盖防护导电涂层，比如，在连接体燃料侧表面覆盖金属镍涂层，在连接体空气侧表面覆盖(la,sr)mno3或者mnco2o4等导电氧化物涂层。然而，集流体的气体扩散通量较低。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提出一种集流体，旨在提供一种高气体扩散通量的集流体。
5.为实现上述目的，本发明提出一种集流体，包括自下向上依次层叠设置的第一扩散层、第二扩散层、第三扩散层和表面保护层，其中，所述第一扩散层和所述第三扩散层的材质为多孔材质，所述第二扩散层包括多个间隔设置的导电荆条，以在所述导电荆条之间形成气体通道。
6.可选地，所述第一扩散层的材质包括ni、fe、co、cu、feni3、430不锈钢、sr2fe
1.5
mo
0.5o6-δ
、la
0.5
sr
1.5
fe
1.5m0.5o6-δ
、lasrfe
1.5m0.5o6-δ
和la
0.4
sr
1.6
fe
1.5
ni
0.1m0.4o6-δ
中的至少一种，0≤δ≤1；和/或，
7.所述导电荆条的材质包括ni、fe、co、cu、feni3、430不锈钢、sr2fe
1.5
mo
0.5o6-δ
、la
0.5
sr
1.5
fe
1.5m0.5o6-δ
、lasrfe
1.5m0.5o6-δ
和la
0.4
sr
1.6
fe
1.5
ni
0.1m0.4o6-δ
中的至少一种，0≤δ≤1；和/或，
8.所述第三扩散层的材质包括ni、fe、co、cu、feni3、430不锈钢、sr2fe
1.5
mo
0.5o6-δ
、la
0.5
sr
1.5
fe
1.5m0.5o6-δ
、lasrfe
1.5m0.5o6-δ
和la
0.4
sr
1.6
fe
1.5
ni
0.1m0.4o6-δ
中的至少一种，0≤δ≤1；和/或，
9.所述表面保护层的材质包括ni、fe、co、cu、feni3、430不锈钢、sr2fe
1.5
mo
0.5o6-δ
、la
0.5
sr
1.5
fe
1.5m0.5o6-δ
、lasrfe
1.5m0.5o6-δ
和la
0.4
sr
1.6
fe
1.5
ni
0.1m0.4o6-δ
中的至少一种，0≤δ≤1。
10.可选地，所述第一扩散层的材质包括(la
1-x
sr
x
)mno
3-δ
、(la
1-x
sr
x
)coo
3-δ
、laba
0.5
sr
0.5
co2o
5 δ
、smba
0.5
sr
0.5
co2o
5 δ
、smbaco2o
5 δ
、bagd
0.8
la
0.2
co2o
6-δ
、sr2fe
1.5
mo
0.5o6-δ
、
la
0.5
sr
1.5
fe
1.5m0.5o6-δ
、lasrfe
1.5m0.5o6-δ
和la
0.4
sr
1.6
fe
1.5
ni
0.1m0.4o6-δ
中的至少一种，0≤δ≤1，0≤x≤1；和/或，
11.所述导电荆条的材质包括(la
1-x
sr
x
)mno
3-δ
、(la
1-x
sr
x
)coo
3-δ
、laba
0.5
sr
0.5
co2o
5 δ
、smba
0.5
sr
0.5
co2o
5 δ
、smbaco2o
5 δ
、bagd
0.8
la
0.2
co2o
6-δ
、sr2fe
1.5
mo
0.5o6-δ
、la
0.5
sr
1.5
fe
1.5m0.5o6-δ
、lasrfe
1.5m0.5o6-δ
和la
0.4
sr
1.6
fe
1.5
ni
0.1m0.4o6-δ
中的至少一种，0≤δ≤1，0≤x≤1；和/或，
12.所述第三扩散层的材质包括(la
1-x
sr
x
)mno
3-δ
、(la
1-x
sr
x
)coo
3-δ
、laba
0.5
sr
0.5
co2o
5 δ
、smba
0.5
sr
0.5
co2o
5 δ
、smbaco2o
5 δ
、bagd
0.8
la
0.2
co2o
6-δ
、sr2fe
1.5
mo
0.5o6-δ
、la
0.5
sr
1.5
fe
1.5m0.5o6-δ
、lasrfe
1.5m0.5o6-δ
和la
0.4
sr
1.6
fe
1.5
ni
0.1m0.4o6-δ
中的至少一种，0≤δ≤1，0≤x≤1；和/或，
13.所述表面保护层的材质包括(la
1-x
sr
x
)mno
3-δ
、(la
1-x
sr
x
)coo
3-δ
、laba
0.5
sr
0.5
co2o
5 δ
、smba
0.5
sr
0.5
co2o
5 δ
、smbaco2o
5 δ
、bagd
0.8
la
0.2
co2o
6-δ
、sr2fe
1.5
mo
0.5o6-δ
、la
0.5
sr
1.5
fe
1.5m0.5o6-δ
、lasrfe
1.5m0.5o6-δ
和la
0.4
sr
1.6
fe
1.5
ni
0.1m0.4o6-δ
中的至少一种，0≤δ≤1，0≤x≤1。
14.可选地，所述第一扩散层的孔隙率为30％～98％；和/或，
15.所述第三扩散层的孔隙率为30％～98％；和/或，
16.所述第一扩散层的厚度为0.05～1mm；和/或，
17.所述第三扩散层的厚度为0.05～1mm；和/或，
18.所述第二扩散层的厚度为0.05～1mm。
19.可选地，所述导电荆条为圆柱体，所述圆柱体的直径为0.5～10mm。
20.可选地，所述导电荆条的材质为多孔材质，多孔材质的孔隙率为0％～90％。
21.可选地，所述表面保护层的厚度为1～1000μm；和/或，
22.所述表面保护层的材质为多孔材质，多孔材质的孔隙率为0％～40％。
23.可选地，所述第二扩散层和所述第三扩散层均设置有多个，且所述第二扩散层和所述第三扩散层的数量相等设置。
24.可选地，所述集流体的厚度为0.1～5mm；和/或，
25.所述第一扩散层、所述导电荆条和所述第三扩散层上均贯设有沿上下向延伸的直孔，所述直孔的孔径为5～200μm。
26.本发明提供的技术方案中，提出一种集流体，包括自下向上依次层叠设置的第一扩散层、第二扩散层、第三扩散层和表面保护层，其中，所述第一扩散层和所述第三扩散层为多孔材质，所述第二扩散层包括多个间隔设置的导电荆条，以在所述导电荆条之间形成气体通道，使得该集流体具有开放式的气体扩散通道，有助于增大气体扩散通量，降低燃料或空气等气体在电堆内的扩散阻力，提升燃料或空气等气体在电极表面分布的均匀性。本发明提出的集流体，通过第一扩散层、第二扩散层、第三扩散层，形成开放式气体扩散通道，具有高的气体扩散通量。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅为本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
28.图1为本发明提供的集流体的一实施例的分解示意图；
29.图2为本发明提出的集流体的一实施例的结构示意图。
30.附图标号说明：
31.标号名称标号名称100集流体3第三扩散层200重复单元4表面保护层1第一扩散层5导电荆条2第二扩散层
ꢀꢀ
32.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
34.另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。此外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.为了增强燃料、空气等气体在电极表面分配的均匀性，设置集流体，需要采用机械加工或者刻蚀工艺等，在连接体两侧分别制造燃料气体和空气的扩散通道。为了增强电堆性能的稳定性，还需要在连接体表面覆盖防护导电涂层，比如，在连接体燃料侧表面覆盖金属镍涂层，在连接体空气侧表面覆盖(la,sr)mno3或者mnco2o4等导电氧化物涂层。然而，集流体的气体扩散通量较低。
36.鉴于此，本发明提出一种集流体，旨在提供一种高气体扩散通量的集流体。本法明附图中，图1为本发明提供的集流体的一实施例的分解示意图；图2为本发明提出的集流体的一实施例的结构示意图。
37.请参阅图1和图2，本发明提出一种集流体100，包括自下向上依次层叠设置的第一扩散层1、第二扩散层2、第三扩散层3和表面保护层4，其中，所述第一扩散层1和所述第三扩散层3的材质为多孔材质，所述第二扩散层2包括多个间隔设置的导电荆条5，以在所述导电荆条5之间形成气体通道。
38.本发明提供的技术方案中，提出一种集流体100，包括自下向上依次层叠设置的第一扩散层1、第二扩散层2、第三扩散层3和表面保护层4，其中，所述第一扩散层1和所述第三扩散层3为多孔材质，所述第二扩散层2包括多个间隔设置的导电荆条5，以在所述导电荆条5之间形成气体通道。该集流体100具有开放式的气体扩散通道，有助于增大气体扩散通量，
降低燃料或空气等气体在电堆内的扩散阻力，提升燃料或空气等气体在电极表面分布的均匀性。本发明提出的集流体100，通过第一扩散层1、第二扩散层2、第三扩散层3，形成开放式气体扩散通道，具有高的气体扩散通量。
39.可以理解，本发明对于第一扩散层1、第二扩散层2、第三扩散层3和表面保护层4，各层之间的连接方式不做限制，优选地，采用相互烧结而成。
40.在本发明的一个实施例中，优选地，所述第一扩散层1、所述导电荆条5、所述第三扩散层3和所述表面保护层4是在还原性气氛下具有高电子电导率(》1s/cm)的金属、合金、氧化物、碳化物以及它们的复合物，具体地，所述第一扩散层1的材质包括ni、fe、co、cu、feni3、430不锈钢、sr2fe
1.5
mo
0.5o6-δ
、la
0.5
sr
1.5
fe
1.5m0.5o6-δ
、lasrfe
1.5m0.5o6-δ
和la
0.4
sr
1.6
fe
1.5
ni
0.1m0.4o6-δ
中的至少一种，0≤δ≤1；所述导电荆条5的材质包括ni、fe、co、cu、feni3、430不锈钢、sr2fe
1.5
mo
0.5o6-δ
、la
0.5
sr
1.5
fe
1.5m0.5o6-δ
、lasrfe
1.5m0.5o6-δ
和la
0.4
sr
1.6
fe
1.5
ni
0.1m0.4o6-δ
中的至少一种，0≤δ≤1；所述第三扩散层3的材质包括ni、fe、co、cu、feni3、430不锈钢、sr2fe
1.5
mo
0.5o6-δ
、la
0.5
sr
1.5
fe
1.5m0.5o6-δ
、lasrfe
1.5m0.5o6-δ
和la
0.4
sr
1.6
fe
1.5
ni
0.1m0.4o6-δ
中的至少一种，0≤δ≤1；所述表面保护层4的材质包括ni、fe、co、cu、feni3、430不锈钢、sr2fe
1.5
mo
0.5o6-δ
、la
0.5
sr
1.5
fe
1.5m0.5o6-δ
、lasrfe
1.5m0.5o6-δ
和la
0.4
sr
1.6
fe
1.5
ni
0.1m0.4o6-δ
中的至少一种，0≤δ≤1。如此，使得该集流体100具有高的电子电导率，减小多孔电极(燃料极或空气极)与连接体之间的电子传导电阻。
41.可以理解，上述第一扩散层1、导电荆条5、第三扩散层3和表面保护层4的材质的选择，可以同时满足，也可以只满足其中一个，而作为本发明的优选实施例，上述同时满足，使得集流体100的电导率更高。
42.在本发明的另一个实施例中，优选地，所述第一扩散层1、所述导电荆条5、所述第三扩散层3和所述表面保护层4是在氧化性气氛下具有高电子电导率(》1s/cm)的氧化物、碳化物以及它们的复合物，具体地，所述第一扩散层1的材质包括(la
1-x
sr
x
)mno
3-δ
、(la
1-x
sr
x
)coo
3-δ
、laba
0.5
sr
0.5
co2o
5 δ
、smba
0.5
sr
0.5
co2o
5 δ
、smbaco2o
5 δ
、bagd
0.8
la
0.2
co2o
6-δ
、sr2fe
1.5
mo
0.5o6-δ
、la
0.5
sr
1.5
fe
1.5m0.5o6-δ
、lasrfe
1.5m0.5o6-δ
和la
0.4
sr
1.6
fe
1.5
ni
0.1m0.4o6-δ
中的至少一种，0≤δ≤1，0≤x≤1；所述导电荆条5的材质包括(la
1-x
sr
x
)mno
3-δ
、(la
1-x
sr
x
)coo
3-δ
、laba
0.5
sr
0.5
co2o
5 δ
、smba
0.5
sr
0.5
co2o
5 δ
、smbaco2o
5 δ
、bagd
0.8
la
0.2
co2o
6-δ
、sr2fe
1.5
mo
0.5o6-δ
、la
0.5
sr
1.5
fe
1.5m0.5o6-δ
、lasrfe
1.5m0.5o6-δ
和la
0.4
sr
1.6
fe
1.5
ni
0.1m0.4o6-δ
中的至少一种，0≤δ≤1，0≤x≤1；所述第三扩散层3的材质包括(la
1-x
sr
x
)mno
3-δ
、(la
1-x
sr
x
)coo
3-δ
、laba
0.5
sr
0.5
co2o
5 δ
、smba
0.5
sr
0.5
co2o
5 δ
、smbaco2o
5 δ
、bagd
0.8
la
0.2
co2o
6-δ
、sr2fe
1.5
mo
0.5o6-δ
、la
0.5
sr
1.5
fe
1.5m0.5o6-δ
、lasrfe
1.5m0.5o6-δ
和la
0.4
sr
1.6
fe
1.5
ni
0.1m0.4o6-δ
中的至少一种，0≤δ≤1，0≤x≤1；所述表面保护层4的材质包括(la
1-x
sr
x
)mno
3-δ
、(la
1-x
sr
x
)coo
3-δ
、laba
0.5
sr
0.5
co2o
5 δ
、smba
0.5
sr
0.5
co2o
5 δ
、smbaco2o
5 δ
、bagd
0.8
la
0.2
co2o
6-δ
、sr2fe
1.5
mo
0.5o6-δ
、la
0.5
sr
1.5
fe
1.5m0.5o6-δ
、lasrfe
1.5m0.5o6-δ
和la
0.4
sr
1.6
fe
1.5
ni
0.1m0.4o6-δ
中的至少一种，0≤δ≤1，0≤x≤1。如此，使得该集流体100具有高的电子电导率，减小多孔电极(燃料极或空气极)与连接体之间的电子传导电阻。
43.同理，上述第一扩散层1、导电荆条5、第三扩散层3和表面保护层4的材质的选择，可以同时满足，也可以只满足其中一个，而作为本发明的优选实施例，上述同时满足，使得集流体100的电导率更高。
44.在固体氧化物电池堆中，所述表面保护层4与气密性的连接体紧密接触，连接体中的原子向多孔电极内部的挥发与沉积以抑制由此而造成的电极钝化及电堆性能衰减，因此，所述表面保护层4优选为多孔材质，具有0～40％(优选范围0～10％)的低孔隙率，甚至是完全致密的。
45.为了促进燃料或者空气等气体在所述集流体100内的快速扩散以增强气体在多孔电极表面分配的均匀性，所述第一扩散层1、所述第三扩散层3具有30％～98％(优选范围50％～70％)的孔隙率。所述第二扩散层2中除导电荆条5外的区域构成相互连通的开放式通道，气体可以在所述开放式通道内快速传输，此外，所述导电荆条5可以是致密的，当然也可以是多孔材质，具有0～90％(优选范围30％～60％)的孔隙率，第一扩散层1与单体电池的多孔电极(燃料极或空气极)紧密接触，如此，气体也可以通过导电荆条5的孔扩散，快速传输。
46.进一步地，所述导电荆条5为圆柱体，所述圆柱体的直径为0.5～10mm，更优选为1～2mm，在本发明实施例中，请参阅图1和图2，圆柱体沿上下方向延伸，两个底面上下分布，如此，气体在开放式通道内快速传输。
47.更进一步地，所述第一扩散层1、所述导电荆条5和所述第三扩散层3上均贯设有沿上下向延伸的直孔，所述直孔的孔径为5～200μm(优选范围50～150μm)。此外，优选地，第一扩散层1、所述导电荆条5和所述第三扩散层3的直孔相互对应，以形成气流通道，如此，该集流体100具有较低孔隙率甚至致密的防护导电涂层，阻止连接体中原子向多孔电极内部的挥发与沉积，从而避免由此造成的电极钝化和电堆性能衰减。
48.本发明对于各层的厚度不做限制，优选地，所述第一扩散层1的厚度为0.05～1mm(更优选为0.2～0.5mm)；所述第二扩散层2的厚度为0.05～1mm(更优选为0.2～0.5mm)；所述第三扩散层3的厚度为0.05～1mm(更优选为0.2～0.5mm)；所述表面保护层4的厚度为1～1000μm(更优选为10～100μm)；上述厚度下，集流体100的气体扩散通量高。
49.可以理解，上述第一扩散层1、第二扩散层2、第三扩散层3和表面保护层4的厚度，是指各层在上下向的尺寸，上述四个厚度范围可以同时满足，也可以只满足其中一个，而作为本发明的优选实施例，上述四个厚度范围同时满足，如此，集流体100的气体扩散通量更高。
50.进一步地，在本发明实施例中，所述集流体100的厚度为0.1～5mm，上述厚度下，集流体100的气体扩散通量高。
51.优选地，所述第二扩散层2和所述第三扩散层3均设置有多个，且所述第二扩散层2和所述第三扩散层3的数量相等设置，如此，一个第二扩散层2和一个第三扩散层3构成一个重复单元200，集流体100在第一扩散层1和表面保护层4之间设置一个或多个重复单元200，使得集流体100的气体扩散通量高。
52.综上，本发明实施例提出的集流体100，首先，该集流体100具有高的电子电导率，减小多孔电极(燃料极或空气极)与连接体之间的电子传导电阻；其次，该集流体100具有开放式的气体扩散通道，有助于增大气体扩散通量，降低燃料或空气等气体在电堆内的扩散阻力，提升燃料或空气等气体在电极表面分布的均匀性；最后，该集流体100还具有较低孔隙率甚至致密的防护导电涂层，阻止连接体中原子向多孔电极内部的挥发与沉积，从而避免由此造成的电极钝化和电堆性能衰减。
53.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围内。