CN101217197A - 固体氧化物燃料电池梯度阳极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

固体氧化物燃料电池梯度阳极的制备方法，它涉及一种燃料电池阳极的制备方法。本发明解决了现有制备阳极的方法需要高温烧结，导致能耗大、成本高，阳极与电解质界面易开裂的问题。本发明方法步骤如下：分别将NiO和8YSZ粉料在1～5MPa的压力下压制成圆柱状锭料，然后烘干，采用电子束物理气相沉积法轰击NiO锭料和YSZ锭料在基板上沉积制得涂层，并将带涂层的基板在600～810℃的氢气气氛下还原1～3小时。本发明制备阳极涂层的孔径、孔隙率、金属Ni和YSZ材料沿着涂层的厚度方向是梯度变化的，方便气体的进出，减少浓差极化，增加三相反应的位置。本发明具有沉积速率高、化学成分易于精确控制、可得到柱状晶组织、无污染以及热效率高的优点。

Description

固体氧化物燃料电池梯度阳极的制备方法
技术领域
本发明具体涉及一种燃料电池阳极的制备方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)由于具有能量转化效率高、环保、安全、适用燃料气体广泛等优点受到人们的关注。以多孔阳极为基体的固体氧化物燃料电池，为了保证阳极基体具有一定的支撑强度则必须有一定的厚度，这样必然会产生较大的浓差极化过电位，要减少浓差极化必须增加阳极孔径和孔隙率，可这又会影响其强度，同时，在多孔电极上制备致密的电解质膜也受基体孔径大小的影响。一般来说，太大的孔径必然会提高制膜的难度并降低电解质膜的性能。因此，如能使多孔电极具有连续变化的孔隙结构，即多孔基体一侧总体上具有较大的孔径和孔隙率，而在涂覆电解质膜的一侧则相对地致密，这样，既可以避免出现过大的浓差极化，同时又不影响电解质膜的制成。目前电子束物理气相沉积技术主要用于热障涂层的制备，在固体氧化物燃料电池梯度阳极的制备中鲜见到应用，但乌克兰巴顿实验室研究人员利用电子束物理气相沉积技术制备了多孔材料，其涂层厚度是0.4mm～0.5mm，成分是Ni-17Wt.％7YSZ和Ni-10％Wt.％7YSZ，是在旋转基板上，沉积温度为1000℃的条件下得到的。虽然孔径和孔的形状不尽相同，但是孔隙率实际上都是30vol.％左右。
专利号为ZL03143242.5的专利公开了一种非对称结构的固体氧化物燃料电池多孔电极的制备方法，但制备过程中需要制备浆料，而且电极浆料在注入模具前需经过真空脱气处理，否则固化的阳极材料内会存在疵点，其次，聚合物溶液在发生相转化时会发生收缩，须防止收缩时水从模具壁渗入，这样必然使阳极材料的制备工艺复杂化。再次，这种方法制备阳极时间较长，且需要高温烧结，这就导致能耗很大，增加了成本，而且制备出的阳极与电解质界面容易开裂。
发明内容
本发明为了解决现有制备阳极的方法需要高温烧结，导致能耗大、成本高，阳极与电解质界面易开裂的问题。
本发明固体氧化物燃料电池梯度阳极的制备方法如下：分别将NiO和8YSZ粉料在1～5MPa的压力下压制成圆柱状锭料，然后在100～200℃下烘干，采用电子束物理气相沉积法同时轰击NiO锭料和YSZ锭料20min在基板上沉积制得涂层，并将带涂层的基板在600～810℃的氢气气氛下还原1～3小时；即得到固体氧化物燃料电池梯度阳极。
电子束物理气相沉积法所用的基板为多孔不锈钢板、烧结镍盘或烧结铁铬合金板，基板距蒸发源的距离为300～600mm，基板温度为600～900℃，真空度为10-5Pa～10-2Pa，轰击NiO锭料时，前10min电子束电流恒定为0.15～0.18A，后10min电子束电流匀速降为0A，轰击YSZ锭料时，前10min电子束电流由0A匀速升为0.45～0.47A，后10min电子束电流保持恒定，沉积时间为15～20分钟。
本发明所用的基板为多孔不锈钢板、烧结镍盘或烧结铁铬合金板；基板距蒸发源的距离为300～600mm；抽真空至10-5Pa～10-2pa；加热基板至600～900℃；轰击NiO锭料时，前10min电子束电流恒定为0.15～0.18A，后10min电子束电流匀速降为0A，轰击YSZ锭料时，前10min电子束电流由0A匀速升为0.45～0.47A，后10min电子束电流保持恒定；沉积15～20分钟后取出基板。
由于阳极材料和电解质材料的热膨胀系数相差较大，所以SOFC在工作时容易造成两相界面开裂，本发明中的阳极与乌克兰巴顿实验室研究人员制备的阳极相比具有梯度过渡的特点，即阳极涂层内的NiO含量逐渐降低，直至完全过渡为电解质涂层的成分。所以极大地降低了由于两相热膨胀系数差异造成的热应力，避免了燃料电池工作过程中的开裂现象。
本发明成分上金属Ni和YSZ材料沿着厚度方向呈现梯度连续变化，并且成功控制了阳极涂层内孔隙的分布，涂层在靠近基板一侧孔隙率为35％，孔径较大，在0.5～2微米之间；涂层表面部分孔隙率为15％，孔径较小，在20～100纳米左右。这样使涂层在基板侧具有较大的孔隙率和孔径，有利于气体传输；在靠近电解质侧具有较小的孔隙率和孔径，有利于获得致密的电解质涂层。可以减少浓差极化，增加三相反应的位置，又可以方便地在阳极致密的一面沉积上一层电解质薄膜。本发明具有沉积速率高、化学成分易于精确控制、可得到柱状晶组织、无污染以及热效率高的优点。
附图说明
图1为本发明制备的阳极表面形貌图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式中固体氧化物燃料电池梯度阳极的制备方法如下：分别将NiO和8YSZ粉料在1～5MPa的压力下压制成圆柱状锭料，然后在100～200℃下烘干，采用电子束物理气相沉积法同时轰击NiO锭料和YSZ锭料20min在基板上沉积制得涂层，并将带涂层的基板在600～810℃的氢气气氛下还原1～3小时；即得到固体氧化物燃料电池梯度阳极。工艺参数为：电子束物理气相沉积法所用的基板为多孔不锈钢板、烧结镍盘或铁铬合金板，基板距蒸发源的距离为300～600mm，基板温度为600～900℃，真空度为10-5Pa～10-2Pa，轰击NiO锭料时，前10min电子束电流恒定为0.15～0.18A，后10min电子束电流匀速降为0A，轰击YSZ锭料时，前10min电子束电流由0A匀速升为0.45～0.47A，后10min电子束电流保持恒定，沉积时间为15～20分钟。
如图1本发明制备的阳极表面涂层涂层在靠近基板一侧孔隙率为35％，孔径较大，在0.5～2微米之间；涂层表面部分孔隙率为15％，孔径较小，在20～100纳米左右。这样使涂层在基板侧具有较大的孔隙率和孔径，有利于气体传输；在靠近电解质侧具有较小的孔隙率和孔径，有利于获得致密的电解质涂层。可以减少浓差极化，增加三相反应的位置，又可以方便地在阳极致密的一面沉积上一层电解质薄膜。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是电子束物理气相沉积法所用的基板为多孔不锈钢板、烧结镍盘或烧结铁铬合金板，其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是电子束物理气相沉积法所用的基板距蒸发源的距离为310～400mm，其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是电子束物理气相沉积法所用的基板距蒸发源的距离为410～590mm，其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是电子束物理气相沉积法所用的基板距蒸发源的距离为500mm，其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是电子束物理气相沉积法中真空度为10-3Pa，其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是电子束物理气相沉积法中基板温度为610～700℃，其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是电子束物理气相沉积法中基板温度为710～890℃，其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是电子束物理气相沉积法中基板温度为800℃，其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是电子束物理气相沉积法中沉积时间为18分钟，其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一不同的是将制得的材料在800℃氢气气氛下还原2小时，其它步骤与具体实施方式一相同。

Claims (10)

1.一种固体氧化物燃料电池梯度阳极的制备方法，其特征在于固体氧化物燃料电池梯度阳极的制备方法如下：分别将NiO和8YSZ粉料在1～5MPa的压力下压制成圆柱状锭料，然后在100～200℃下烘干，采用电子束物理气相沉积法同时轰击NiO锭料和YSZ锭料20min在基板上沉积制得涂层，并将带涂层的基板在600～810℃的氢气气氛下还原1～3小时；即得到固体氧化物燃料电池梯度阳极。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池梯度阳极的制备方法，其特征在于电子束物理气相沉积法所用的基板为多孔不锈钢板、烧结镍盘或烧结铁铬合金板。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池梯度阳极的制备方法，其特征在于电子束物理气相沉积法所用的基板距蒸发源的距离为300～600mm。
4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池梯度阳极的制备方法，其特征在于电子束物理气相沉积法所用的基板距蒸发源的距离为500mm。
5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池梯度阳极的制备方法，其特征在于电子束物理气相沉积法中真空度为10-5Pa～10-2Pa。
6.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池梯度阳极的制备方法，其特征在于电子束物理气相沉积法中基板温度为600～900℃。
7.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池梯度阳极的制备方法，其特征在于轰击NiO锭料时，前10min电子束电流恒定为0.15～0.18A，后10min电子束电流匀速降为0A。
8.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池梯度阳极的制备方法，其特征在于轰击YSZ锭料时，前10min电子束电流由0A匀速升为0.45～0.47A，后10min电子束电流保持恒定。
9.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池梯度阳极的制备方法，其特征在于电子束物理气相沉积法中沉积时间为15～20分钟。
10.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池梯度阳极的制备方法，其特征在于将制得的材料在800℃氢气气氛下还原2小时。
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