CN101834296A - 单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法 - Google Patents
单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101834296A CN101834296A CN201010190999A CN201010190999A CN101834296A CN 101834296 A CN101834296 A CN 101834296A CN 201010190999 A CN201010190999 A CN 201010190999A CN 201010190999 A CN201010190999 A CN 201010190999A CN 101834296 A CN101834296 A CN 101834296A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- anode
- electrolyte
- fuel cell
- double
- oxide fuel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法，它涉及一种固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的制备方法。本发明解决现有传统注浆工艺中，单次注浆仅能制备得到SOFC的阳极、电解质或者阴极之一，导致SOFC的制备工艺复杂的问题。本发明方法：一、制备浆料；二、注浆后固化得坯体，再将坯体烧结即得。本发明方法突破了传统注浆技术通过注浆仅能获得单层坯体的限制，通过单次注浆制备得到了阳极/电解质双层结构；而且注浆成本低，效率高，能耗小，整个电池的制作周期大大缩短；利用本发明制备的阳极/电解质双层结构制备的单体固体氧化物燃料电池在800℃时最大功率密度达到了0.44W/cm2。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的制备方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池（SOFC）是新一代能源技术。它可以直接把燃料的化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制，大大提高了能量转化效率。SOFC由阳极、电解质和阴极组成。目前，SOFC研究的热点和重点问题是如何降低电池的运行温度，同时还能保证较高的功率输出。为降低运行温度，阳极支撑型薄膜SOFC的概念被提出。采用此结构的SOFC，电解质以薄膜的形式依附于阳极支撑体上，可大大降低电解质的欧姆电阻，将电池的运行温度降低200℃以上。如何获得阳极/电解质膜二合一成为制备阳极制成型SOFC的关键技术。目前，已有的关于注浆法在SOFC制备方面的专利和报道如下：专利号为ZL99108725.9的中国发明专利公开了采用石膏模注浆法制备氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）电解质薄管的方法；专利号为ZL00118916.6的中国发明专利公开了一种真空辅助的石膏模注浆制备YSZ电解质膜管的技术，真空辅助可提高管坯体的密度，便于后期的烧结致密并提高膜管的机械强度；专利号为ZL03109621.2的中国发明专利公开了利用石膏模注浆制备锰酸镧（LSM）自支撑管的方法。以上的注浆法都属于传统方法，即通过注浆只能得到单层管状坯体，如YSZ管或LSM管，之后对坯体进行烧结，获得SOFC的单一组件如电解质管或者阴极管，要构成SOFC的单电池，还必须制备阳极/电解质/阴极三层结构的其他两部分，如在电解质管的基础上进一步制备阳极和阴极，或在LSM支撑管基础上制备电解质薄膜和阳极，然后再经过烧结才能获得完整的阳极/电解质/阴极三合一电池组件。以ZL99108725.9中的方法为例，在注浆－烧结获得YSZ管之后，需要在管内外壁分别制备阳极和阴极，由于阴极和阳极的烧结温度不同，因此还需要烧结两次方能完成电池的制备流程。因此，整个流程中包括注浆、YSZ管预烧结、阳极涂布、阳极烧结、阴极涂布、阳极/YSZ管/阴极共烧结。整个工艺流程中包括注浆、两次电极涂布和三次烧结过程，制备工艺复杂。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有传统注浆工艺中，单次注浆仅能制备得到SOFC的阳极、电解质或者阴极，导致SOFC的制备工艺复杂的问题，本发明提供了一种单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法。
本发明单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法是通过以下步骤实现的：一、浆料的制备：将NiO粉末与固体电解质粉末按质量比为（0.2~5）:1的比例混合，然后再加入阿拉伯树胶和水，再球磨0.25~24h得浆料，其中，阿拉伯树胶的质量是NiO粉末与固体电解质粉末总质量的1%~20%，水的质量是NiO粉末与固体电解质粉末总质量的0.3~5倍，NiO粉末的粒径为1～50微米，固体电解质粉末的粒径为50～800nm；二、阳极/电解质双层结构的制备：将步骤一得到的浆料注入仅底部为石膏的平底模具中，静置5~15h得坯体，再将坯体置于1000~1500℃的温度下保温烧结3~8h，即得到固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构。
本发明提出一种新型的注浆技术，突破了传统注浆技术通过一次注浆仅能获得单层坯体的限制，通过单次注浆制备得到了固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构。首先在浆料中加入阿拉伯树胶作为分散剂，球磨后得到NiO粉末与固体电解质粉末分散均匀的浆料，然后利用浆料中固体颗粒的沉降速度不同，沉降速度快的组分（NiO）先沉积（为阳极层），沉降速度慢的组分（固体电解质）后沉积（为电解质层），通过一次注浆便可获得阳极/电解质膜二合一的双层坯体（下层是NiO/固体电解质阳极支撑体，最上层是固体电解质薄膜），阳极和电解质膜之间界限分明，再经高温（1000~1500℃）烧结之后得到多孔的阳极支撑体和致密的电解质薄膜层结合良好的阳极/电解质双层结构，可用于制作单体固体氧化物燃料电池SOFC。
本发明步骤一的NiO粉末在与固体电解质粉末混合前，可以在600~1100℃的温度下预烧2~5h。对NiO粉末进行预烧，可以调整NiO粉末的粒径，使之与固体电解质粉末的沉降速度差异变大，更有利于得到成分分布特征明显、分层良好的坯体，再经高温烧结得到双层结构更为明显、性能更佳的固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构。
本发明步骤二中使用仅底部为石膏的平底模具，使浆料中的水仅被底面的石膏所吸收，则浆料中的水分在垂至于底面的方向上向模具底面运动，同时使沉降速率快的NiO粉末的沉降速率加快，有利于得到成分分布特征明显、分层良好的坯体。
利用本发明制备的阳极/电解质双层结构，在其上只需制备阴极，再进行一次烧结即可得到单体固体氧化物燃料电池，即单体电池的制备流程如下：注浆获得阳极/电解质膜双层结构坯体——高温烧结——制备阴极——烧结。可见，工艺简单，流程简化，制作周期被大大缩短，能耗小，并且得到的单体电池的性能良好，单体电池在800°C时最大功率密度达到了0.44W/cm2，在800°C以下的中温区工作时，电池的输出功率仍然可观，在750°C和700°C时，功率密度分别为0.3W/cm2和0.2W/cm2。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一、注浆成本低，可通过调整仅底部为石膏的平底模具的几何尺寸方便地调整阳极/电解质的尺寸。
第二、现有注浆工艺只能制备单一电解质支撑体或复合阳极支撑体，而本发明可以利用注浆浆料中固体颗粒的沉降速度差，实现单次注浆完成两种组件的制作。现有技术制备的阳极支撑体首先需要进行高温预烧，随后在其表面制作电解质，最后需再次高温烧结，效率变高。
第三、本发明制备的阳极/电解质双层结构孔径呈现梯度分布。以NiO-YSZ/YSZ双层坯体为例，对经过高温烧结的双层器件用酸洗的方法除去Ni，便可得到空隙率及孔径呈梯度分布的多孔YSZ骨架。
第四、利用本发明制备的阳极/电解质双层结构制备单体固体氧化物燃料电池时，工艺简单，流程简化，能耗小，并且得到的单体电池的性能良好，单体电池在800°C时最大功率密度达到了0.44W/cm2，整个电池的制作周期被大大缩短。
附图说明
图1是具体实施方式一得到的固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的结构示意图；图2是具体实施方式四十得到的固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的扫描电子显微镜形貌图；图3是具体实施方式四十一制备得到的单体固体氧化物燃料电池的输出性能曲线图，电池的电流-电压曲线如图中实心图标所示，▲为800℃下的曲线，●为750℃下的曲线，■为700℃下的曲线；电池的电流-功率密度曲线如图中空心图标所示，△为800℃下的曲线，○为750℃下的曲线，□为700℃下的曲线。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法是通过以下步骤实现的：一、浆料的制备：将NiO粉末与固体电解质粉末按质量比为（0.2~5）:1的比例混合，然后再加入阿拉伯树胶和水，再球磨0.25~24h得浆料，其中，阿拉伯树胶的质量是NiO粉末与固体电解质粉末总质量的1%~20%，水的质量是NiO粉末与固体电解质粉末总质量的0.3~5倍，NiO粉末的粒径为1～50微米，固体电解质粉末的粒径为50～800nm；二、阳极/电解质双层结构的制备：将步骤一得到的浆料注入仅底部为石膏的平底模具中，静置5~15h得坯体，再将坯体置于1000~1500℃的温度下保温烧结3~8h，即得到固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构。
本实施方式的制备方法采用注浆工艺一次性制备得到阳极/电解质双层结构，成本低、效率高，而且仅需一次烧结，工艺简单，能耗变小。
本实施方式得到的固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的结构示意图如图1所示。下层是多孔的NiO/固体电解质复合的阳极层，上层是固体电解质构成的致密的电解质层。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中NiO粉末与固体电解质粉末混合前，NiO粉末在600~1100℃的温度下预烧2~5h。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
本实施方式中对NiO粉末进行预烧，调整NiO粉末的粒径，部分NiO粉末颗粒团聚，团聚颗粒的粒径变大，使之与固体电解质粉末的沉降速度差异变大，更有利于得到成分分布特征明显、分层良好的坯体，再经高温烧结得到双层结构更为明显、性能更佳的固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是NiO粉末在800~1000℃的温度下预烧3~5h。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二不同的是NiO粉末在900℃的温度下预烧4h。其它步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤一中固体电解质粉末为氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）粉末、氧化钐掺杂的氧化铈（SDC）粉末、氧化钆掺杂的氧化铈（GDC）粉末、镧锶镓镁氧（LSGM）粉末。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤一中将NiO粉末与固体电解质粉末按质量比为（0.25~3）:1的比例混合。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤一中将NiO粉末与固体电解质粉末按质量比为（0.5~2）:1的比例混合。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤一中将NiO粉末与固体电解质粉末按质量比为1:1的比例混合。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤一中再球磨4~18h得浆料。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤一中再球磨8~14h得浆料。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤一中再球磨12h得浆料。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是步骤一中阿拉伯树胶的质量是NiO粉末与固体电解质粉末总质量的3%~16%。其它步骤及参数与具体实施方式一至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是步骤一中阿拉伯树胶的质量是NiO粉末与固体电解质粉末总质量的10%。其它步骤及参数与具体实施方式一至十一之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同的是步骤一中水的质量是NiO粉末与固体电解质粉末总质量的1.5~4.5倍。其它步骤及参数与具体实施方式一至十三之一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同的是步骤一中水的质量是NiO粉末与固体电解质粉末总质量的3倍。其它步骤及参数与具体实施方式一至十三之一相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十五之一不同的是步骤一中NiO粉末的粒径为5～20μm，固体电解质粉末的粒径为100～600nm。其它步骤及参数与具体实施方式一至十五之一相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一至十五之一不同的是步骤一中NiO粉末的粒径为7～10μm，固体电解质粉末的粒径为400～500nm。其它步骤及参数与具体实施方式一至十五之一相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式一至十七之一不同的是步骤一中球磨是以50～350转/分钟的行星式球磨方式进行。其它步骤及参数与具体实施方式一至十七之一相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式十八不同的是步骤一中球磨是以120～300转/分钟的行星式球磨方式进行。其它步骤及参数与具体实施方式十八相同。
具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式十八不同的是步骤一中球磨是以200转/分钟的行星式球磨方式进行。其它步骤及参数与具体实施方式十八相同。
具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式一至二十之一不同的是步骤二中将步骤一得到的浆料注入仅底面为石膏的平底模具中，静置8~12h得坯体。其它步骤及参数与具体实施方式一至二十之一相同。
本实施方式中仅底面为石膏的平底模具的几何尺寸和形状，均可根据具体所需的固体氧化物燃料电池的阳极/电解质双层结构的要求进行调整。
具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式一至二十之一不同的是步骤二中将步骤一得到的浆料注入仅底面为石膏的平底模具中，静置10h得坯体。其它步骤及参数与具体实施方式一至二十之一相同。
具体实施方式二十三：本实施方式与具体实施方式一至二十二之一不同的是步骤二中再将坯体置于1200~1300℃的温度下保温烧结4~6h。其它步骤及参数与具体实施方式一至二十二之一相同。
具体实施方式二十四：本实施方式与具体实施方式一至二十二之一不同的是步骤二中再将坯体置于1250℃的温度下保温烧结5h。其它步骤及参数与具体实施方式一至二十二之一相同。
具体实施方式二十五：本实施方式与具体实施方式一至二十四之一不同的是步骤二中仅底面为石膏的平底模具的制备方法为：一、制备石膏底面：将石膏粉和水按质量比为（0.15~4）:1的比例混合，搅拌均匀得石膏浆；二、将步骤一得到的石膏浆倒入模具中，室温下固化5~30min后得成型的湿石膏块，然后将湿石膏块在室温~90℃的条件下静置6~48h得石膏块，然后再将石膏块加工成两端面平整且平行的石膏底面；三、以步骤二得到的石膏底面为底，在石膏底面上装设可拆卸的侧面，得到仅底面为石膏的平底模具。其它步骤及参数与具体实施方式一至二十四之一相同。
本实施方式步骤二中可根据具体所需的固体氧化物燃料电池的阳极/电解质双层结构的形状和几何尺寸进行调整加工成所需的石膏底面，进而制备得到所需的平底模具。
本实施方式的仅底面为石膏的平底模具是指模具的底面材料为石膏，侧面材料是除石膏以外的，可以用来作为模具的而且没有吸水作用的材料。
具体实施方式二十六：本实施方式与具体实施方式二十五不同的是步骤一中将石膏粉和水按质量比为（1~3）:1的比例混合，搅拌均匀得石膏浆。其它步骤及参数与具体实施方式二十五相同。
具体实施方式二十七：本实施方式与具体实施方式二十五不同的是步骤一中将石膏粉和水按质量比为2:1的比例混合，搅拌均匀得石膏浆。其它步骤及参数与具体实施方式二十五相同。
具体实施方式二十八：本实施方式与具体实施方式二十五、二十六或二十七不同的是步骤二中的模具为内腔为圆柱形或者矩形的模具。其它步骤及参数与具体实施方式二十五、二十六或二十七相同。
具体实施方式二十九：本实施方式与具体实施方式二十五至二十八之一不同的是步骤二中然后将湿石膏块在30~60℃的条件下静置6~48h得石膏块。其它步骤及参数与具体实施方式二十五至二十八之一相同。
具体实施方式三十：本实施方式与具体实施方式二十五至二十八之一不同的是步骤二中然后将湿石膏块在450℃的条件下静置6~48h得石膏块。其它步骤及参数与具体实施方式二十五至二十八之一相同。
具体实施方式三十一：本实施方式与具体实施方式二十五至三十之一不同的是步骤三中在石膏底面上装设的可拆卸的侧面的材料为树脂、金属或者玻璃。其它步骤及参数与具体实施方式二十五至三十之一相同。
本实施方式至当侧面材料为金属时，可以是铝、铝合金、铜或者不锈钢等。
具体实施方式三十二：本实施方式与具体实施方式一至三十一之一不同的是步骤二中仅底面为石膏的平底模具的石膏底面的厚度为10～30cm。其它步骤及参数与具体实施方式一至三十一之一相同。
本实施方式中石膏底面的主要作用就是吸收浆料中的水分，加速浆料中NiO粉末的沉降速率，实现更好的分层结构，因此需要石膏底面要具有一定的厚度，以保证有足够的吸水能力。
具体实施方式三十三：本实施方式与具体实施方式一至三十一之一不同的是步骤二中仅底面为石膏的平底模具的石膏底面的厚度为12～20cm。其它步骤及参数与具体实施方式一至三十一之一相同。
具体实施方式三十四：本实施方式与具体实施方式一至三十一之一不同的是步骤二中仅底面为石膏的平底模具的石膏底面的厚度为15cm。其它步骤及参数与具体实施方式一至三十一之一相同。
具体实施方式三十五：本实施方式具体实施方式一的步骤二中仅底部为石膏的平底模具的制备方法为：一、制备石膏底面：将石膏粉和水按质量比为4:1的比例混合，搅拌均匀得石膏浆；二、将步骤一得到的石膏浆倒入内腔为圆柱形的模具中，室温下固化30min后得成型的湿石膏块，然后将湿石膏块在室温下静置48h得石膏块，然后再将石膏块加工成两底面平整的高为15cm的圆柱形石膏；三、以步骤二得到的圆柱形石膏为底，在石膏的侧面上沿圆周方向粘结胶带，并将胶带高出圆柱形石膏的上底面10~30cm，得到内腔为圆柱形，深为10~30cm的侧面可拆卸的仅底面为石膏的平底模具。
本实施方式中得到的仅底部为石膏的平底模具的石膏底面需要一定的厚度，以使模具的底面有足够的能力吸收浆料中的水分，使浆料中的水分在垂至于底面的方向上向模具底面运动。
具体实施方式三十六：本实施方式具体实施方式一的步骤二中仅底部为石膏的平底模具的制备方法为：一、制备石膏底面：将石膏粉和水按质量比为3:1的比例混合，搅拌均匀得石膏浆；二、将步骤一得到的石膏浆倒入内腔为长方体的模具中，室温下固化30min后得成型的湿石膏块，然后将湿石膏块在30℃下静置36h得石膏块，然后再将石膏块加工成高为15cm的立方体石膏；三、以步骤二得到的立方体石膏为底，沿石膏的四条平行的棱的方向装设金属薄片，并固定粘结为密封的、内腔为长方体的仅底面为石膏的平底模具。
本实施方式中得到的仅底部为石膏的平底模具的石膏底面需要一定的厚度，以使模具的底面有足够的能力吸收浆料中的水分，使浆料中的水分在垂至于底面的方向上向模具底面运动。
具体实施方式三十七：本实施方式单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法是通过以下步骤实现的：一、浆料的制备：将NiO粉末与YSZ（氧化钇稳定的氧化锆）按质量比为5:1的比例混合，然后再加入水，以50转/分钟的速率行星式球磨23h，再加入阿拉伯树胶，继续球磨0.5h得浆料，其中，阿拉伯树胶的质量是NiO粉末与YSZ粉末总质量的1%，水的质量是NiO粉末与YSZ粉末总质量的1倍，NiO粉末的粒径为5～20微米，YSZ粉末的粒径为100~600nm；二、阳极/电解质双层结构的制备：将步骤一得到的浆料注入具体实施方式三十五制备得到的仅底部为石膏的平底模具中，静置12h得坯体，再将坯体置于1250℃的温度下保温烧结5h，即得到固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构。
本实施方式得到圆柱平板型的固体氧化物燃料电池的阳极/电解质双层结构，下层是多孔的NiO/YSZ复合的阳极层，上层是YSZ构成的致密的电解质层。
本实施方式改变步骤二中浆料的注入量就可以改变得到的SOFC的阳极/电解质双层结构的厚度，进而改变SOFC的厚度，满足不同的实际需求。
具体实施方式三十八：本实施方式单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法是通过以下步骤实现的：一、浆料的制备：将预烧后的NiO粉末与SDC（氧化钐掺杂的氧化铈）粉末按质量比为4:1的比例混合，然后再加入水，以120转/分钟的速率行星式球磨18h，再加入阿拉伯树胶，继续球磨2h得浆料，其中，阿拉伯树胶的质量是NiO粉末与SDC粉末总质量的3%，水的质量是NiO粉末与SDC粉末总质量的1倍，NiO粉末的粒径为7～10μm，YSZ粉末的粒径为100～400nm，NiO粉末的预烧方法为在800℃的温度下预烧2h；二、阳极/电解质双层结构的制备：将步骤一得到的浆料注入具体实施方式三十六制备得到的仅底部为石膏的平底模具中，静置10h得坯体，再将坯体置于1300℃的温度下保温烧结4.5h，即得到固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构。
本实施方式步骤一NiO粉末的预烧工艺为：在800℃条件下保温烧结2h。经预烧后的NiO粉末与SDC粉末混合球磨后得到的浆料中的NiO粉末中有8%（体积）NiO的粒径为200~600微米。
本实施方式得到矩形平板型的固体氧化物燃料电池的阳极/电解质双层结构，下层是多孔的NiO/SDC复合的阳极层，上层是SDC构成的致密的电解质层。步骤一中采用经预烧后的NiO粉末，NiO粉末团聚成较大颗粒，在浆料中的沉降速率加快，得到上述双层结构特征明显、成分分布良好的阳极/电解质双层结构。
本实施方式改变步骤二中浆料的注入量就可以改变得到的SOFC的阳极/电解质双层结构的厚度，进而改变SOFC的厚度，满足不同的实际需求。
具体实施方式三十九：本实施方式与具体实施方式三十八不同的是步骤一中将预烧后的NiO粉末与氧化钆掺杂的氧化铈（GDC）粉末按质量比为4:1的比例混合，其中，阿拉伯树胶的质量是NiO粉末与GDC粉末总质量的3%，水的质量是NiO粉末与GDC粉末总质量的1倍，NiO粉末的粒径为30～50μm，YSZ粉末的粒径为100～400nm。其它步骤及参数与具体实施方式三十八相同。
具体实施方式四十：本实施方式单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法是通过以下步骤实现的：一、浆料的制备：将4.25g预烧后的NiO粉末与4.25gYSZ（氧化钇稳定的氧化锆）粉末混合，然后再加入35g水和0.85g阿拉伯树胶，然后以200转/分钟的速率行星式球磨4h得浆料，其中，NiO粉末的粒径为7～10μm，YSZ粉末的粒径为400～500nm，NiO粉末的预烧方法为在1000℃的温度下预烧2h；二、阳极/电解质双层结构的制备：采用注射器将步骤一得到的浆料注入具体实施方式三十五制备得到的仅底部为石膏的平底模具中，静置10h得坯体，再将坯体置于1300℃的温度下保温烧结4.5h，即得到固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构。
本实施方式步骤一NiO粉末的预烧工艺为：在1100℃条件下保温烧结2h。经预烧后的NiO粉末与YSZ粉末混合球磨后得到的浆料中的NiO粉末中有5%（体积）NiO的粒径为200~600微米。
本实施方式得到圆柱形平板阳极支撑型固体氧化物燃料电池的阳极/电解质双层结构，其扫描电子显微形貌图如图2所示。从图2可见，通过本实施方式成功实现了一次注浆同时获得多孔阳极层和致密电解质层。所得到的YSZ致密电解质层厚度为10微米左右，膜内部没有针孔或裂纹出现，这就保证了膜的气密性，从而保证了电池的开路电压。值得一提的是，本实施方式获得的阳极/电解质双层组件之间界面烧结状态良好，呈现空隙率和孔径逐渐过渡的微观结构，此结构能很好满足气体扩散电极的要求，同时可获得良好的电化学性能。
具体实施方式四十一：本实施方式采用具体实施方式四十制备得到的阳极/电解质双层结构制备单体固体氧化物燃料电池的方法如下：一、在具体实施方式三十九制备得到的阳极/电解质双层结构的电解质层表面制备含10%（质量）碳的LSM阴极，然后以100℃/分钟的升温速率加热至1100℃，然后保温2~3h，再随炉冷却至室温得阳极/电解质/LSM阴极复合结构；二、在阳极/电解质/LSM阴极复合结构的LSM阴极表面滴加钐掺杂的氧化铈（SDC）溶液（硝酸做溶剂，溶液浓度为3mol/L），将LSM阴极表面浸湿即可，然后再将阳极/电解质/LSM阴极复合结构放入加热炉，再以100℃/分钟的速率加热至850°C，恒温3h后随炉冷却至室温，得到单体固体氧化物燃料电池。
本实施方式制备单体固体氧化物燃料电池的工艺简单，流程简化，能耗小，并且得到的单体电池的性能良好，整个电池的制作周期被大大缩短。
本实施方式对制备得到的单体固体氧化物燃料电池的输出性能进行测定，测试方法为：采用四电极法测量，银丝分别作为电流和电压引线；氢气做燃料，空气（起作用的是氧气）作为氧化剂；分别测定了700℃、750℃和800℃温度下的输出性能。测试结果输出性能曲线图如图3所示。电池的电流-电压曲线如图中实心图标所示，▲为800℃下的曲线，●为750℃下的曲线，■为700℃下的曲线；电池的电流-功率密度曲线如图中空心图标所示，△为800℃下的曲线，○为750℃下的曲线，□为700℃下的曲线。
从图3中可以看出，本实施方式制备得到的单体固体氧化物燃料电池在800℃时最大功率密度达到了0.44W/cm2。在800°C以下的中温区工作时，电池的输出功率仍然可观，在750°C和700°C时功率密度分别为0.3W/cm2和0.2W/cm2。以上结果证明采用本实施方式制备的平板阳极支撑型固体氧化物燃料电池可以在800°C以下的中温区运行并输出理想的功率密度指标。
具体实施方式四十二：本实施方式与具体实施方式四十一不同的是采用具体实施方式三十八制备得到的阳极/电解质双层结构制备单体固体氧化物燃料电池。其它步骤及参数与具体实施方式四十一相同。
本实施方式采用具体实施方式四十一中所述的测试方法对得到的单体固体氧化物燃料电池的输出性能进行测定。得到本实施方式制备得到的单体固体氧化物燃料电池在800℃时最大功率密度达到了0.45W/cm2。在800°C以下的中温区工作时，电池的输出功率仍然可观，在750°C和700°C时功率密度分别为0.28W/cm2和0.22W/cm2。以上结果证明采用本实施方式制备的平板阳极支撑型固体氧化物燃料电池可以在800°C以下的中温区运行并输出理想的功率密度指标。
具体实施方式四十三：本实施方式与具体实施方式四十一不同的是采用具体实施方式三十九制备得到的阳极/电解质双层结构制备单体固体氧化物燃料电池。其它步骤及参数与具体实施方式四十一相同。
本实施方式采用具体实施方式四十一中所述的测试方法对得到的单体固体氧化物燃料电池的输出性能进行测定。得到本实施方式制备得到的单体固体氧化物燃料电池在800℃时最大功率密度达到了0.42W/cm2。在800°C以下的中温区工作时，电池的输出功率仍然可观，在750°C和700°C时功率密度分别为0.32W/cm2和0.24W/cm2。以上结果证明采用本实施方式制备的平板阳极支撑型固体氧化物燃料电池可以在800°C以下的中温区运行并输出理想的功率密度指标。
Claims (10)
1.单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法，其特征在于单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法是通过以下步骤实现的：一、浆料的制备：将NiO粉末与固体电解质粉末按质量比为0.2~5:1的比例混合，然后再加入阿拉伯树胶和水，再球磨0.25~24h得浆料，其中，阿拉伯树胶的质量是NiO粉末与固体电解质粉末总质量的1%~20%，水的质量是NiO粉末与固体电解质粉末总质量的0.3~5倍，NiO粉末的粒径为1～50μm，固体电解质粉末的粒径为50～800nm；二、阳极/电解质双层结构的制备：将步骤一得到的浆料注入仅底面为石膏的平底模具中，静置5~15h得坯体，再将坯体置于1000~1500℃的温度下保温烧结3~8h，即得到固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构。
2.根据权利要求1所述的单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法，其特征在于步骤一中NiO粉末与固体电解质粉末混合前，NiO粉末在600~1100℃的温度下预烧2~5h。
3.根据权利要求1或2所述的单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法，其特征在于步骤一中固体电解质粉末为氧化钇稳定的氧化锆粉末、氧化钐掺杂的氧化铈、氧化钆掺杂的氧化铈或者镧锶镓镁氧。
4.根据权利要求3所述的单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法，其特征在于步骤一中将NiO粉末与固体电解质粉末按质量比为0.25~3:1的比例混合。
5.根据权利要求1、2或4所述的单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法，其特征在于步骤一中NiO粉末的粒径为5～20μm，固体电解质粉末的粒径为100～600nm。
6.根据权利要求5所述的单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法，其特征在于步骤二中将步骤一得到的浆料注入仅底面为石膏的平底模具中，静置8～12h得坯体。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法，其特征在于步骤二中再将坯体置于1200~1300℃的温度下保温烧结4~6h。
8.根据权利要求7所述的单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法，其特征在于步骤二中仅底面为石膏的平底模具的制备方法为：一、制备石膏底面：将石膏粉和水按质量比为0.15~4:1的比例混合，搅拌均匀得石膏浆；二、将步骤一得到的石膏浆倒入模具中，室温下固化5~30min后得成型的湿石膏块，然后将湿石膏块在室温~90℃的条件下静置6~48h得石膏块，然后再将石膏块加工成两端面平整且平行的石膏底面；三、以步骤二得到的石膏底面为底，在石膏底面上装设可拆卸的侧面，得到仅底面为石膏的平底模具。
9.根据权利要求8所述的单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法，其特征在于步骤二中仅底面为石膏的平底模具的制备方法的步骤一中将石膏粉和水按质量比为1~3:1的比例混合，搅拌均匀得石膏浆。
10.根据权利要求1、2、4、6、8或9所述的单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法，其特征在于步骤二中仅底面为石膏的平底模具的石膏底面的厚度为10～30cm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2010101909992A CN101834296B (zh) | 2010-06-03 | 2010-06-03 | 单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2010101909992A CN101834296B (zh) | 2010-06-03 | 2010-06-03 | 单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101834296A true CN101834296A (zh) | 2010-09-15 |
| CN101834296B CN101834296B (zh) | 2012-09-05 |
Family
ID=42718283
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2010101909992A Expired - Fee Related CN101834296B (zh) | 2010-06-03 | 2010-06-03 | 单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101834296B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104638287A (zh) * | 2015-01-28 | 2015-05-20 | 潮州三环（集团）股份有限公司 | 一种阳极支撑型固体氧化物燃料电池的制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1271969A (zh) * | 1999-04-22 | 2000-11-01 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种阳极负载型氧化钇稳定氧化锆固体电解质及其制备 |
| US20040185318A1 (en) * | 2003-03-18 | 2004-09-23 | Ford Motor Company | Tubular flat plate fuel cells and method of making the same |
| CN101162779A (zh) * | 2007-10-26 | 2008-04-16 | 华南理工大学 | 管式固体氧化物燃料电池的阳极支撑体制备方法 |
-
2010
- 2010-06-03 CN CN2010101909992A patent/CN101834296B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1271969A (zh) * | 1999-04-22 | 2000-11-01 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种阳极负载型氧化钇稳定氧化锆固体电解质及其制备 |
| US20040185318A1 (en) * | 2003-03-18 | 2004-09-23 | Ford Motor Company | Tubular flat plate fuel cells and method of making the same |
| CN101162779A (zh) * | 2007-10-26 | 2008-04-16 | 华南理工大学 | 管式固体氧化物燃料电池的阳极支撑体制备方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104638287A (zh) * | 2015-01-28 | 2015-05-20 | 潮州三环（集团）股份有限公司 | 一种阳极支撑型固体氧化物燃料电池的制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101834296B (zh) | 2012-09-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1323459C (zh) | 燃料电池的结构和制备方法 | |
| CN100399611C (zh) | 固体氧化物燃料电池阴极负载型半电池的制备方法 | |
| CN100449834C (zh) | 中温sofc的阳极-电解质-阴极组件及其制备方法 | |
| CN102683722A (zh) | 一种固体氧化物燃料电池复合阴极及其制备方法 | |
| CN103236548B (zh) | 一种固体氧化物燃料电池的多孔阳极支撑体的制备方法 | |
| CN106207221B (zh) | 一种制备管式固体氧化物燃料电池的方法 | |
| CN107785598B (zh) | 一种半电池对称的固体氧化物燃料电池 | |
| CN100589271C (zh) | 一种中空纤维型固体氧化物燃料电池的制备方法 | |
| CN111244470B (zh) | 一种纳米复合阴极及其制备和应用 | |
| CN103811789A (zh) | 一种具有对称电极的固体氧化物燃料电池及其制备方法和应用 | |
| CN113337834B (zh) | 对称材料非对称结构电解池及其制备方法 | |
| CN100448088C (zh) | 一种自支撑型固体氧化物燃料电池的制备方法 | |
| CN103151548A (zh) | Al2O3-YSZ电解质膜的固体氧化物燃料电池及其制备方法 | |
| CN107195938A (zh) | 一种简单的固体氧化物燃料电池制备方法 | |
| CN112436171B (zh) | 一种固体电解质支撑体及其制备方法和应用 | |
| CN112687929A (zh) | 一种锂氧化物电极微熔盐陶瓷燃料电池及其制备方法 | |
| CN104037425B (zh) | 一种中温sofc平板阳极支撑型单电池阳极结构及其制备方法 | |
| CN108736051A (zh) | 一种中温sofc的电解质薄膜阻隔层的制备方法 | |
| CN114171769A (zh) | 一种采用3d打印技术制备固体氧化物燃料电池堆的方法 | |
| CN110400954A (zh) | 一种在直通孔阳极支撑体上制备电解质薄膜的方法 | |
| CN112250437B (zh) | 一种氧电极支撑的固体氧化物电解电池及其制备方法 | |
| CN101834296B (zh) | 单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法 | |
| CN101510612B (zh) | 以纸纤维作造孔剂制备多孔阳极支撑体的方法 | |
| CN111584882A (zh) | 一种新型结构的固体氧化物燃料电池及其制备方法 | |
| CN111416138A (zh) | 一种质子陶瓷膜燃料电池及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhang Yaohui Inventor after: Zhang Haiguang Inventor after: Lv Zhe Inventor after: Liu Mingliang Inventor after: Zhu Xingbao Inventor after: Li Wenyuan Inventor after: Su Wenhui Inventor before: Zhang Haiguang Inventor before: Zhang Yaohui Inventor before: Lv Zhe Inventor before: Liu Mingliang Inventor before: Zhu Xingbao Inventor before: Li Wenyuan Inventor before: Su Wenhui |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: ZHANG HAIGUANG ZHANG YAOHUI LV ZHE LIU MINGLIANG ZHU XINGBAO LI WENYUAN SUWENHUI TO: ZHANG YAOHUI ZHANG HAIGUANG LV ZHE LIU MINGLIANG ZHU XINGBAO LI WENYUAN SU WENHUI |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120905 Termination date: 20130603 |