一种管状固体氧化物燃料电池的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种管状固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）的制备方法，该方法制备的管状ＳＯＦＣ结构为阳极支撑型固体氧化物燃料电池。阳极支撑管通过塑性挤压法成型，采用真空－浸涂的方法在阳极支撑管外制备出燃料电池的致密电解质层，再在致密电解质层表面，通过刷涂的方法制备出燃料电池的多孔阴极。为了提高电解质层的致密性，阳极支撑管需要先进行表面修饰处理。采用本发明专利技术的方法制备管状固体氧化物燃料电池，可简化固体氧化物燃料电池的制造工艺，大幅度降低固体氧化物燃料电池的制造成本，推动固体氧化物燃料电池的发展。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于能源、材料加工，涉及一种固体氧化物燃料电池的制备方法，特别涉及一种管状固体氧化物燃料电池的制备方法。通过简化管状固体氧化物燃料电池的制造工艺，降低制造成本，推动固体氧化物燃料电池的发展。
技术介绍
：燃料电池被人们称为继水力、火力、核能技术之后的第四类新型发电技术，是一种不经过外部燃烧直接将化学能转化为电能的高效绿色发电装置，不受卡诺循环的限制，燃料的利用率很高。其单电池的发电效率可达约50％，与汽轮机联合循环发电，发电效率可达70％，如果再合理的利用余热，其热效率能够达到80％以上。当前，固体氧化物燃料电池通常采用的结构类型有管型和平板型两种。管型SOFC电池最早由美国西屋电气公司(Westinghouse Electric Crop.)研制，它由一端封闭的管状单电池以串、并联方式连接而成。每个单电池从内到外由多孔CaO稳定的ZrO2(简称CSZ)支撑管、LSM空气电极、YSZ固体电解质薄膜和Ni-YSZ金属陶瓷阳极组成。CSZ多孔管起支撑作用并允许空气自由通过到达空气电极。LSM空气电极，YSZ电解质膜和Ni-YSZ陶瓷阳极通常采用电化学沉积(EVD)、喷涂等方法制备经高温烧结而成。后来Westinghouse电气公司直接用LSM阴极支撑，而不用CSZ支撑。管式SOFC的主要特点是电池单元间组装相对简单，不涉及高温密封这一技-->术难题，比较容易通过电池单元之间并联和串联组合成大规模电池系统。但是管式SOFC电池单元制备工艺相当复杂，通常需要采用电化学沉积法、等离子热喷涂法制备YSZ电解质膜和双极连接体，制备技术和工艺相当复杂，原料利用率低，造价很高。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
：本专利技术的目的在于，提供一种简化固体氧化物燃料电池制造工艺并降低固体氧化物燃料电池制造成本的管状固体氧化物燃料电池单电池的制备方法。本专利技术提供了一种管状固体氧化物燃料电池的制备方法，包括阳极支撑管的制备、阳极支撑管的表面修饰、电解质层的制备、阴极层的制备，其特征在于：——阳极支撑管采用可还原性的金属氧化物和陶瓷基复合材料通过塑性挤压成型；——通过真空-浸涂的方法制备燃料电池的致密电解质层。本专利技术管状固体氧化物燃料电池的制备方法中，所述阳极支撑管用浆料包括30～60vol％金属氧化物、10～50vol％的造孔剂、和余量的燃料电池电解质粉末混合物；并将以混合物总量计的15～30wt％的蒸馏水、5～20wt％的有机粘合剂、3～10wt％的增塑剂和1～7wt％的分散剂加入到混合物中。-->本专利技术管状固体氧化物燃料电池的制备方法中，所述阳极支撑管的表面修饰包括浸涂、喷涂、或真空-浸涂。本专利技术管状固体氧化物燃料电池的制备方法中，所述制备电解质层用浆料，包括5～20wt％的电解质粉末，5～10％的分散剂、1～5‰的粘合剂，余量的去离子水。本专利技术管状固体氧化物燃料电池的制备方法中，其中制备阴极采用刷涂的方法。具体地说，本专利技术管状固体氧化物燃料电池单电池结构以阳极管为支撑体，阳极管表面涂覆电解质层，电解质表面刷涂阴极形成单电池。阳极支撑管采用塑性挤压的方法制备，利用真空-浸涂的方法在修饰过的阳极支撑体表面制备致密的电解质层，经过高温烧结后，在致密电解质层表面刷涂上阴极层形成整个的单电池。所述的固体氧化物燃料电池，阳极支撑管塑性挤压成型，制备阳极支撑体所用材料包括固体氧化物燃料电池的电解质材料(如YSZ，钆掺杂的二氧化铈)，以及可还原性的金属氧化物。采用真空练泥技术，混炼阳极支撑体用混合料，用挤压机成型阳极支撑体。当制造阳极支撑的管状固体氧化物燃料电池时，影响生产效率及生产成本的最重要因素是将电解质层涂覆到阳极支撑管表面上的方法。本专利技术采用的真空-浸涂方法，该方法操作简单，并且受阳极形状的影响比较小，也不需要特殊价格昂贵的设备。所述的固体氧化物燃料电池的电解质层采用真空-浸涂的方法制备。电解质层要跟阳极结合牢固，且薄而致密，来降低电极和电解质之间的界面-->阻抗、增长三相反应界面。在制备电解质层之前，对阳极支撑体进行修饰处理是很重要的，包括对阳极支撑管的预焙烧(600～1100℃)、对阳极表面的修饰处理。所述的管状固体氧化物燃料电池制备电解质之前，对阳极表面的修饰用金属陶瓷材料，包括不同粒度、不同含量的固体氧化物燃料电池电解质和可还原性金属氧化物混合物。所述的管状固体氧化物燃料电池阴极层的制备，采用在电解质表面刷涂以纤维素(MC)为粘合助剂的阴极浆料。本专利技术所述的阳极支撑管状固体氧化物燃料电池的制备方法，使用于各种管状的固体氧化物燃料电池，包括圆管、扁管以及锥管状的固体氧化物燃料电池的制备。附图说明：图1是构成本专利技术的电解质YSZ的SEM图；图2是本专利技术单燃料电池的剖面SEM图。具体实施方式：下面结合实施例及附图对本专利技术做进一步地详细说明，但本专利技术要求保护的范围并不限于实施方式表示的范围。实施例1将NiO粉体、YSZ粉体(8％mol Y2O3稳定的ZrO2，NiO/YSZ摩尔比1∶1)、分散剂、粘结剂和溶剂，混合均匀后，采用真空练泥技术，充分混练，用挤压机挤压成型阳极管。室温干燥，在1100℃焙烧处理后，采用浸涂的方法在阳极支撑体外表面涂敷与阳极支撑体相同材料、相同组成的粉-->体，粉体粒径0.5-1.5μm。干燥后，在修饰层上，采用真空-浸涂法制备YSZ电解质膜，将所得的管在1450℃烧结2个小时，得到YSZ电解质膜的致密层，厚度约为10μm。采用刷涂的方法制备(La0.8Sr0.2MnO3)LSM/YSZ混合粉末的浆料、以及含La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3粉末的浆料涂在电解质上，焙烧后获得整个管状的单元固体氧化物燃料电池。实施例2与实施例1不同的是仅为阳极支撑管表面的修饰处理方法，进行两层修饰，第一层涂敷跟阳极支撑体相同材料、相同比例的粉体(NiO/YSZ摩尔比1∶1)，粉体的粒径为0.5-1.5μm，干燥后，再涂敷另一层NiO/YSZ粉体(重量比3∶7)，粉体的粒径为0.1-0.5μm，厚度为1-5μm。以氢气为燃料气，空气为氧化剂，在600-800℃进行电池性能测试，开路电压在相同温度下比实施例1的电池略有提高，最大输出功率提高30％。实施例3与实施例2不同的是仅为固体氧化物燃料电池的电解质材料为钐掺杂的二氧化铈(SDC)，所采用的阴极材料为Sm0.5Sr0.5CoO3。-->本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种管状固体氧化物燃料电池的制备方法，包括阳极支撑管的制备、阳极支撑管的表面修饰、电解质层的制备、阴极层的制备，其特征在于：－阳极支撑管采用可还原性的金属氧化物和陶瓷基复合材料通过塑性挤压成型；－通过真空－浸涂的方法制备燃料 电池的致密电解质层。

【技术特征摘要】
1.一种管状固体氧化物燃料电池的制备方法，包括阳极支撑管的制备、阳极支撑管的表面修饰、电解质层的制备、阴极层的制备，其特征在于：——阳极支撑管采用可还原性的金属氧化物和陶瓷基复合材料通过塑性挤压成型；——通过真空-浸涂的方法制备燃料电池的致密电解质层。2.按照权利要求1所述的管状固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于：所述阳极支撑管用浆料包括30～60vol％金属氧化物、10～50vol％的造孔剂、和余量的燃料电池电解质粉末混合物；并将以混合物总量计的15～30wt％的蒸馏水、5～2...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨维慎，张丽敏，丛铀，程谟杰，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]