一种制备管式固体氧化物燃料电池的方法技术

本发明专利技术属于固体燃料电池技术领域，具体涉及一种制备管式固体氧化物燃料电池的方法。本发明专利技术制备管式固体氧化物燃料电池的方法，包括以下几个步骤：(1)、制备管式多孔阳极支撑体模具；(2)、制备管式多孔阳极支撑体；(3)、在管式多孔阳极支撑体的表面均匀喷涂或浸渍电解质浆料；(4)、在管式多孔阳极支撑体的电解质层表面均匀喷涂或浸渍功能层浆料；(5)、在管式多孔阳极支撑体的功能层表面均匀喷涂或浸渍阴极浆料。本发明专利技术制备方法简单环保、重复性好、降低生产成本，易于工业化应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于固体燃料电池
，具体涉及一种制备管式固体氧化物燃料电池的方法。
技术介绍
燃料电池是一种将燃料的化学能直接转换成电能的发电装置。中高温固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，简称SOFC)特点为发电效率高，与燃气轮机联合发电，效率高达70％，且余热质量高，如果再合理地利用余热，其热效率能够达到80％以上。污染物接近零排放，为高效清洁的理想发电系统。目前，国际上开发的SOFC结构主要有板状和管状两种结构。板状结构具有电流通道短、输出电流密度与功率密度相对管状较高和电池堆较紧凑等优点，但板状结构存在高温密封困难，高温热应力不匹配等技术难题；管状结构具有无需高温密封、电池堆的抗热应力性和机械强度高且单电池组装简单，易实现大功率化等特点。因此，管式固体氧化物燃料电池视为能最容易地制造大型燃料电池的优异技术。然而，管式固体氧化物燃料电池的一大缺点是：管式固体氧化物燃料电池具有比板式固体氧化物燃料电池低的每单位面积功率密度。而目前管式固体氧化物电池电堆的设计大都采用单管堆积，造成单位体积内电堆的功率密度的减少。管式固体氧化物燃料电池需要具有一定的机械强度且孔隙较为丰富的阳极和阴极，而塑性挤压法法制备的阳极支撑体往往具有较好的机械强度但生产周期长，孔隙不够丰富，功率密度较低。而采用模具成型、浸渍电解质和阴极的方法往往具有较为丰富的孔隙。并且阳极支撑的管状固体氧化物燃料电池跟阴极支撑或者电解质支撑的管状固体氧化物燃料电池相比较，具有以下优点：因为在阳极支撑管中能形成连续的气孔分布，所以燃料供应不受限制；由于导电性好，所以电流平稳，而且该燃料电池的生产成本低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种制备管式固体氧化物燃料电池的方法。本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种制备管式固体氧化物燃料电池的方法，包括以下几个步骤：(1)、制备管式多孔阳极支撑体模具：其制备方法包括以下步骤：采用模具-浸渍法制备一端封口，另一端开口的管式多孔阳极支撑体模具，所述管式多孔阳极支撑体模具是陶瓷阳极支撑体模具，其模具制备方法包括以下步骤：a、将硫酸钙和水混合均匀，搅拌除去气泡，得到即将固化的硫酸钙浆料；b、在步骤a所得的即将固化的硫酸钙浆料中插入一端是圆底的表面光滑的具有不同直径的支撑体，保持直立，待硫酸钙浆料完全固化后，拔出支撑体，得到含有大量水分的内表面光滑的硫酸钙湿模具；c、将步骤b得到的硫酸钙湿模具置于烘箱中干燥，烘干后得到不同内径的干燥的内表面光滑的硫酸钙模具；(2)、制备管式多孔阳极支撑体：其制备方法包括以下步骤：采用模具-浸渍法制备一端封口一端开口的管式多孔阳极支撑体，所述管式多孔阳极支撑体是陶瓷阳极支撑体，d、取有机粘合剂、增塑剂、陶瓷粉体原料、造孔剂、分散剂和水混合均匀，得到阳极支撑体浆料；e、将步骤d得到的阳极支撑体浆料进行球磨，得到分散均匀的阳极支撑体浆料；f、将步骤e得到的分散均匀的阳极支撑体浆料倒入上述步骤c得到的干燥的内表面光滑的硫酸钙模具中，静置，干燥的硫酸钙模具会吸收阳极支撑体浆料中的水分，在硫酸钙模具的内壁形成阳极支撑体胚体的管壁，持续滴加阳极支撑体浆料保持阳极支撑体浆料液面高度稳定，当阳极支撑体胚体管壁的壁厚达到0.1～5毫米后，回收管内的剩余阳极支撑体浆料，以备后用；g、将步骤f得到的内有阳极支撑体胚体的硫酸钙模具一起置于烘箱中干燥；h、将步骤g干燥好的内有阳极支撑体胚体的硫酸钙模具中的阳极支撑体胚体与硫酸钙模具分离出来；i、将步骤h得到的阳极支撑体胚体经打磨平滑后预烧结，得到管式多孔阳极支撑体；(3)、在管式多孔阳极支撑体的表面均匀喷涂或浸渍电解质浆料，烘箱中干燥后再次喷涂或浸渍电解质浆料，再次干燥，如此重复多次，直至电解质厚度达到10～50微米，干燥后烧结，电解质层在管式多孔阳极支撑体外表面的定为“阳极支撑体-电解质结构”，电解质层在管式多孔阳极支撑体内表面的定为“电解质-阳极支撑体结构”；(4)、在管式多孔阳极支撑体的电解质层表面均匀喷涂或浸渍功能层浆料，烘箱中干燥后再次喷涂或浸渍功能层浆料，再次干燥，如此重复多次，直至功能层厚度达到10～50微米，干燥后烧结，功能层在电解质层外表面的定为“阳极支撑体-电解质-功能层结构”，功能层在电解质层内表面的定为“功能层-电解质-阳极支撑体结构”；(5)、在管式多孔阳极支撑体的功能层表面均匀喷涂或浸渍阴极浆料，烘箱中干燥后再次喷涂或浸渍阴极浆料，再次干燥，如此重复多次，直至功能层厚度达到10～50微米，干燥后烧结，阴极在功能层外表面的定为“阳极支撑体-电解质-功能层-阴极结构”，阴极在功能层内表面的定为“阴极-功能层-电解质-阳极支撑体结构”，由此，得到两种不同结构的管式固体氧化物燃料电池，即阳极支撑体-电解质-功能层-阴极结构管式固体氧化物燃料电池，和阴极-功能层-电解质-阳极支撑体结构管式固体氧化物燃料电池。本专利技术所述步骤a中的硫酸钙和水的重量比为1:5～15。本专利技术所述步骤b中支撑体的材质可为不锈钢、玻璃、塑料中的一种，可以为实心或空心管结构。本专利技术所述步骤d中有机粘合剂、增塑剂、陶瓷粉体原料、造孔剂、分散剂和水的重量份数分别为：有机粘合剂1～5、增塑剂0.1～3、陶瓷粉体原料40～70、造孔剂2～40、分散剂0.5～2、水20～40。本专利技术所述步骤d中有机粘合剂为阿拉伯胶；增塑剂为三乙醇胺；分散剂为聚乙烯吡咯烷酮，陶瓷粉体原料为重量比为3:2的氧化镍粉体或氧化钇稳定的氧化锆粉体的混合物；造孔剂为碳颗粒、碳纤维材料或者碳氢有机材料。本专利技术所述步骤(1)和(2)中烘箱干燥的温度为30～120℃，干燥时间1～24h；步骤(3)、(4)和(5)中烘箱温度为150～250℃，干燥时间为1～60min；所述步骤i中阳极支撑体胚体预烧结温度为900～1000℃，时间为4～10h，步骤(3)中电解质层烧结温度为1300～1450℃，时间为4～10h,步骤(4)中功能层烧结温度为1200～1350℃，时间为4～10h,步骤(5)中阴极烧结温度为900～1050℃，时间为2～5h。本专利技术所述步骤(2)中所得到的管式多孔阳极支撑体的孔隙率为30～60％，直径为1cm～1m，管壁厚度为0.05cm～5cm，长度为2cm～10m。本专利技术所述碳颗粒为石墨粉、碳粉、石墨微球或者碳微球；所述碳纤维材料为碳纤维或者石墨纤维；所述碳氢有机材料为沥青颗粒或者高分子微球。本专利技术所述步骤(1)和(2)中烘箱干燥的温度为60～80℃，干燥时间6～12h；步骤(3)、(4)和(5)中烘箱温度为180～220℃，干燥时间为5～10min。本专利技术所产生的有益效果在于：(1)、控制支撑体长度和直径可得不同内径的硫酸钙模具，控制阳极浆料、电解质浆料、功能层浆料和阴极浆料的浓度和体积可以得到不同长度、厚度等参数的管式多孔固体氧化物燃料电池；(2)、多孔阳极支撑体具有较好的机械性能、丰富的孔隙以及较优异的电化学性能，增强电池效率；(3)、可以制备两种结构类型的管式多孔固体氧化物燃料电池即阳极支撑体-电解质-功能层-阴极结构管式固体氧化物燃料电池，和阴极-功能层-电解质-阳极支撑体结构管式固体氧化物燃料电池；(4)、制备方法简单环保、重复性好、降低生产成本，易本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备管式固体氧化物燃料电池的方法，其特征在于包括以下几个步骤：(1)、制备管式多孔阳极支撑体模具：其制备方法包括以下步骤：采用模具‑浸渍法制备一端封口，另一端开口的管式多孔阳极支撑体磨具，所述管式多孔阳极支撑体磨具是陶瓷阳极支撑体磨具，其模具制备方法包括以下步骤：a、将硫酸钙和水混合均匀，搅拌除去气泡，得到即将固化的硫酸钙浆料；b、在步骤a所得的即将固化的硫酸钙浆料中插入一端是圆底的表面光滑的具有不同直径的支撑体，保持直立，待硫酸钙浆料完全固化后，拔出支撑体，得到含有大量水分的内表面光滑的硫酸钙湿模具；c、将步骤b得到的硫酸钙湿模具置于烘箱中干燥，烘干后得到不同内径的干燥的内表面光滑的硫酸钙模具；(2)、制备管式多孔阳极支撑体：其制备方法包括以下步骤：采用模具‑浸渍法制备一端封口一端开口的管式多孔阳极支撑体，所述管式多孔阳极支撑体是陶瓷阳极支撑体，d、取有机粘合剂、增塑剂、陶瓷粉体原料、造孔剂、分散剂和水混合均匀，得到阳极支撑体浆料；e、将步骤d得到的阳极支撑体浆料进行球磨，得到分散均匀的阳极支撑体浆料；f、将步骤e得到的分散均匀的阳极支撑体浆料倒入上述步骤c得到的干燥的内表面光滑的硫酸钙模具中，静置，干燥的硫酸钙模具会吸收阳极支撑体浆料中的水分，在硫酸钙模具的内壁形成阳极支撑体胚体的管壁，持续滴加阳极支撑体浆料保持阳极支撑体浆料液面高度稳定，当阳极支撑体胚体管壁的壁厚达到0.1～5毫米后，回收管内的剩余阳极支撑体浆料，以备后用；g、将步骤f得到的内有阳极支撑体胚体的硫酸钙模具一起置于烘箱中干燥；h、将步骤g干燥好的内有阳极支撑体胚体的硫酸钙模具中的阳极支撑体胚体与硫酸钙模具分离出来；i、将步骤h得到的阳极支撑体胚体经打磨平滑后预烧结，得到管式多孔阳极支撑体；(3)、在管式多孔阳极支撑体的表面均匀喷涂或浸渍电解质浆料，烘箱中干燥后再次喷涂或浸渍电解质浆料，再次干燥，如此重复多次，直至电解质厚度达到10～50微米，干燥后烧结，电解质层在管式多孔阳极支撑体外表面的定为“阳极支撑体‑电解质结构”，电解质层在管式多孔阳极支撑体内表面的定为“电解质‑阳极支撑体结构”；(4)、在管式多孔阳极支撑体的电解质层表面均匀喷涂或浸渍功能层浆料，烘箱中干燥后再次喷涂或浸渍功能层浆料，再次干燥，如此重复多次，直至功能层厚度达到10～50微米，干燥后烧结，功能层在管式多孔阳极支撑体外表面的定为“阳极支撑体‑电解质‑功能层结构”，电解质层在管式多孔阳极支撑体内表面的定为“功能层‑电解质‑阳极支撑体结构”；(5)、在管式多孔阳极支撑体的功能层表面均匀喷涂或浸渍阴极浆料，烘箱中干燥后再次喷涂或浸渍阴极浆料，再次干燥，如此重复多次，直至功能层厚度达到10～50微米，干燥后烧结，阴极在管式多孔阳极支撑体外表面的定为“阳极支撑体‑电解质‑功能层‑阴极结构”，电解质层在管式多孔阳极支撑体内表面的定为“阴极‑功能层‑电解质‑阳极支撑体结构”，由此，得到两种不同结构的管式固体氧化物燃料电池，即阳极支撑体‑电解质‑功能层‑阴极结构管式固体氧化物燃料电池，和阴极‑功能层‑电解质‑阳极支撑体结构管式固体氧化物燃料电池。...

【技术特征摘要】
1.一种制备管式固体氧化物燃料电池的方法，其特征在于包括以下几个步骤：(1)、制备管式多孔阳极支撑体模具：其制备方法包括以下步骤：采用模具-浸渍法制备一端封口，另一端开口的管式多孔阳极支撑体磨具，所述管式多孔阳极支撑体磨具是陶瓷阳极支撑体磨具，其模具制备方法包括以下步骤：a、将硫酸钙和水混合均匀，搅拌除去气泡，得到即将固化的硫酸钙浆料；b、在步骤a所得的即将固化的硫酸钙浆料中插入一端是圆底的表面光滑的具有不同直径的支撑体，保持直立，待硫酸钙浆料完全固化后，拔出支撑体，得到含有大量水分的内表面光滑的硫酸钙湿模具；c、将步骤b得到的硫酸钙湿模具置于烘箱中干燥，烘干后得到不同内径的干燥的内表面光滑的硫酸钙模具；(2)、制备管式多孔阳极支撑体：其制备方法包括以下步骤：采用模具-浸渍法制备一端封口一端开口的管式多孔阳极支撑体，所述管式多孔阳极支撑体是陶瓷阳极支撑体，d、取有机粘合剂、增塑剂、陶瓷粉体原料、造孔剂、分散剂和水混合均匀，得到阳极支撑体浆料；e、将步骤d得到的阳极支撑体浆料进行球磨，得到分散均匀的阳极支撑体浆料；f、将步骤e得到的分散均匀的阳极支撑体浆料倒入上述步骤c得到的干燥的内表面光滑的硫酸钙模具中，静置，干燥的硫酸钙模具会吸收阳极支撑体浆料中的水分，在硫酸钙模具的内壁形成阳极支撑体胚体的管壁，持续滴加阳极支撑体浆料保持阳极支撑体浆料液面高度稳定，当阳极支撑体胚体管壁的壁厚达到0.1～5毫米后，回收管内的剩余阳极支撑体浆料，以备后用；g、将步骤f得到的内有阳极支撑体胚体的硫酸钙模具一起置于烘箱中干燥；h、将步骤g干燥好的内有阳极支撑体胚体的硫酸钙模具中的阳极支撑体胚体与硫酸钙模具分离出来；i、将步骤h得到的阳极支撑体胚体经打磨平滑后预烧结，得到管式多孔阳极支撑体；(3)、在管式多孔阳极支撑体的表面均匀喷涂或浸渍电解质浆料，烘箱中干燥后再次喷涂或浸渍电解质浆料，再次干燥，如此重复多次，直至电解质厚度达到10～50微米，干燥后烧结，电解质层在管式多孔阳极支撑体外表面的定为“阳极支撑体-电解质结构”，电解质层在管式多孔阳极支撑体内表面的定为“电解质-阳极支撑体结构”；(4)、在管式多孔阳极支撑体的电解质层表面均匀喷涂或浸渍功能层浆料，烘箱中干燥后再次喷涂或浸渍功能层浆料，再次干燥，如此重复多次，直至功能层厚度达到10～50微米，干燥后烧结，功能层在管式多孔阳极支撑体外表面的定为“阳极支撑体-电解质-功能层结构”，电解质层在管式多孔阳极支撑体内表面的定为“功能层-电解质-阳极支撑体结构”；(5)、在管式多孔阳极支撑体的功能层表面均匀喷涂或浸渍阴极浆料，烘箱中干燥后再次喷涂或浸渍阴极浆料，再次干燥，如此重复多次，直至功能层厚度达到10～50微...

【专利技术属性】
技术研发人员：马灿良，赵云，李思殿，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西;14