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Abstract

一种固体氧化物燃料电池及其制备方法，属于燃料电池及其制备方法，解决现有固体氧化物燃料电池支撑层成本高，抗氧化能力弱的问题；同时克服现有制造方法工艺流程复杂，制造成本高的问题。本发明固体氧化物燃料电池，包括电极和支撑层，支撑层由位于同心圆圆周上的多个圆柱形硅柱组成，每个同心圆圆周上圆柱形硅柱均匀分布，不同同心圆圆周上相邻圆柱形硅柱之间的弧长相等；各圆柱形硅柱下端面喷涂有保护层。本发明的制备方法，包括电极制备、喷涂保护层和腐蚀步骤。本发明实现固体氧化物燃料电池一次性连续成形，在电池结构上使电极支撑与气体工作流道复合一体，降低了制造成本，所制备的固体氧化物燃料电池可应于中低温的工作环境中。

Description

一种固体氧化物燃料电池及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池及其制备方法，具体涉及一种固体氧化物燃料电池及其制备方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell)是一种直接将化学能转化成电能的发电装置，具有转化效率高、燃料适应广和无环境污染等特点。燃料电池的电极支撑层在结构形式上分为电解质支撑、阳极支撑、阴极支撑，电极支撑层厚度通常在100um～1mm，以使电池获得足够的机械强度。电解质支撑结构形式的燃料电池欧姆阻抗较大，为获得较高的电池效率，其工作温度通常在800℃-1000℃，高的工作温度面临制造成本和电池寿命的难题。通过制造薄膜化和致密化的电解质，以镍基或铁基金属材料作为支撑电极的材料，可以提高电池的工作性能，降低电池工作温度至800℃以下，但镍基材电极支撑具有成本高，抗氧化能力弱，易于焦化或硫化的问题；铁基金属电极支撑的可行性是当前的一个研究方向，发展和研究其它电极支撑材料也是势在必行。
现有固体氧化物燃料电池的制造方法有丝网印刷法、流延法和压制法等，这些制造方法工艺流程复杂并且需要后续的高温烧结工艺，难以实现高效率大规模生产。等离子喷涂技术如大气等离子喷涂和超音速等离子喷涂技术在制备燃料电池时具有成形效率高、工艺流程短、易于自动化的特点，为降低燃料电池制造成本，促进商业化的生产提供了一条途径。
发明内容
本发明提供一种固体氧化物燃料电池(SOFC)，解决现有固体氧化物燃料电池支撑层成本高，抗氧化能力弱，易于焦化或硫化的问题；同时提供该固体氧化物燃料电池的制备方法，克服现有制造方法工艺流程复杂，制造成本高的问题。
发明的一种固体氧化物燃料电池，包括电极和支撑层，电极由阳极、电解质和阴极构成，其特征在于：
所述电极喷涂于支撑层表面，所述支撑层由位于2～6个同心圆圆周上的多个圆柱形硅柱组成，在每个同心圆圆周上所述圆柱形硅柱均匀分布，不同同心圆圆周上相邻圆柱形硅柱之间的弧长相等，圆柱形硅柱高度为400um～700um、直径为2～8mm；
所述各圆柱形硅柱下端面喷涂有保护层，保护层材料为金属铜或镧锶钴铁氧体。
本发明的燃料电池采用在太阳能电池和集成电路中广泛应用的高电导率单晶硅片作为支撑层，燃料电池在工作状态时支撑层起到支持体和连接板的作用，用于支撑三合一电极，提供工作气体流道和传导电子。不同于传统的金属陶瓷支撑的结构形式，降低了材料成本，在单晶硅片上腐蚀出工作气体流道，使气体流道与电极支撑复合一体，不同于传统的气体流道在连接板上的结构形式，节约了连接板的加工成本。
所述的固体氧化物燃料电池的制备方法，包括：
一.电极制备步骤：在厚度为400um～700um的高电导率单晶硅片一面采用大气等离子喷涂方法连续制备阳极层、电解质层和阴极层，喷涂后涂层的厚度分别为50～200um、15～70um和50～200um，其中，阳极层材料为8YSZ+(35％～50％vol)NiO；阴极层材料为锰酸镧LSM或者镧锶钴铁氧体La0.8Sr0.2Co0.5Fe0.5O3，电解质层采用微米或纳米级颗粒度8YSZ粉末的悬浮液制备；
二.喷涂保护层步骤：在单晶硅的另一面采用金属铜或镧锶钴铁氧体La0.8Sr0.2Co0.5Fe0.5O3材料喷涂保护层，保护层的图形为：
在2～6个同心圆圆周上均匀分布多个小圆，不同同心圆圆周上相邻小圆之间的弧长相等，小圆直径为2～8mm；
三.腐蚀步骤：利用腐蚀剂对喷涂保护层的单晶硅片进行腐蚀，得到支撑层，当保护层为金属铜时，对保护层进行还原处理。
本发明的制备方法采用大气等离子喷涂在单晶硅片基体上一次性连续制备阳极层、电解质层和阴极层，成形效率高，其中电解质层以超微米或纳米颗粒度粉末的悬浮液送料，可制备薄膜化和致密化的涂层，无需后续对电解质层的致密化处理。
电极涂层通过大气等离子喷涂结合在附加流道功能的单晶硅片支撑上，具有较好的机械结合强度，相比传统的电极与连接板的装配接触，接触更紧密，接触阻抗更小。
本发明实现固体氧化物燃料电池一次性连续成形，在电池结构上使电极支撑与气体工作流道复合一体，降低了制造成本，所制备的固体氧化物燃料电池(SOFC)可应于中低温的工作环境中。
附图说明
图1(a)是本发明的固体氧化物燃料电池(SOFC)结构主视图；
图1(b)为图1(a)的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明。
如图1(a)、图1(b)所示，本发明的一个实施例，包括电极和支撑层，电极由阳极或阴极1、电解质2和阴极或阳极3构成，电极直径为50.8mm，喷涂于支撑层4表面，支撑层4由位于直径分别为10.7mm、25.4mm和40.1mm的3个同心圆圆周上的28个圆柱形硅柱组成，每个硅柱直径为5mm，在每个同心圆圆周上所述圆柱形硅柱均匀分布，不同同心圆圆周上相邻圆柱形硅柱之间的弧长相等，约为8.4mm；
各圆柱形硅柱下端面喷涂有保护层5，保护层材料为金属铜。
实施例1，包括：
一.电极制备步骤：以厚度为400um，晶面指数为(100)的P型单晶硅为支撑层，其直径为50.8mm，双面用金刚砂打毛，粗糙度Ra为5um。用大气等离子喷涂法依次在单晶硅片的一面制备阳极层、电解质层和阴极层，喷涂后涂层的厚度分别为200um、15um和80um，其中，阳极层、阴极层材料分别为8YSZ+35％vol NiO和La0.8Sr0.2Co0.5Fe0.5O3，电解质层采用颗粒度d50＝700nm的8YSZ粉末的悬浮液制备；
二.喷涂保护层步骤：在单晶硅的另一面采用金属铜材料喷涂保护层，保护层的图形为：
在3个同心圆圆周上均匀分布28个小圆，不同同心圆圆周上相邻小圆之间的弧长相等，小圆直径为5mm；
三.腐蚀步骤：利用5mol/L的KOH溶液对局部喷涂了铜粉的单晶硅面进行腐蚀，腐蚀温度为70℃～80℃，得到被导电铜涂层覆盖的28个圆柱形单晶硅支撑层部分和去除单晶硅后的气体流道部分，对被喷涂后部分氧化的铜涂层进行还原。
实施例2
一.电极制备步骤：以厚度为700um，晶面指数为(100)的P型单晶硅为支撑层，其直径为50.8mm，双面用金刚砂打毛，粗糙度Ra为5um。用大气等离子喷涂法依次在单晶硅片的一面制备阳极层、电解质层和阴极层，喷涂后涂层的厚度分别为150um、70um和50um，其中，阳极层、阴极层材料分别为8YSZ+50％vol NiO和La0.8Sr0.2Co0.5Fe0.5O3，电解质层采用颗粒度d50＝700nm的8YSZ粉末的悬浮液制备；
二.喷涂保护层步骤：在单晶硅的另一面采用金属铜材料喷涂保护层，保护层的图形为：
在3个同心圆圆周上均匀分布28个小圆，不同同心圆圆周上相邻小圆之间的弧长相等，小圆直径为5mm；
三.腐蚀步骤：利用5mol/L的KOH溶液对局部喷涂了铜粉的单晶硅面进行腐蚀，腐蚀温度为70℃～80℃，得到被导电铜涂层覆盖的28个圆柱形单晶硅支撑层部分和去除单晶硅后的气体流道部分，对被喷涂后部分氧化的铜涂层进行还原。
实施例3
与实施例1的区别是采用的腐蚀液不同，使用浓度为25％的四甲基氢氧化铵(TMAH)进行腐蚀，腐蚀温度为80℃～90℃，在过程中不断对腐蚀液进行搅拌以保证硅片表面浓度与周围一致，提高腐蚀的效率，得到被导电铜涂层覆盖的28个圆柱形单晶硅支撑层部分和去除单晶硅后的气体流道部分。对被喷涂后部分氧化的铜涂层进行还原。
实施例4
一.电极制备步骤：以厚度为400um，晶面指数为(100)的P型单晶硅为支撑层，其直径为50.8mm，双面用金刚砂打毛，粗糙度Ra为5um。用大气等离子喷涂法依次在单晶硅片的一面制备阴极层、电解质层和阳极层，喷涂后涂层的厚度分别为200um、30um和50um，其中，阴极层、阳极层材料分别为La0.8Sr0.2Co0.5Fe0.5O3和8YSZ+35％vol NiO，电解质层采用颗粒度d50＝700nm的8YSZ粉末的悬浮液制备；
二.喷涂保护层步骤：在单晶硅的另一面采用La0.8Sr0.2Co0.5Fe0.5O3材料喷涂保护层，保护层的图形为：
在2个同心圆圆周上均匀分布10个小圆，不同同心圆圆周上相邻小圆之间的弧长相等，小圆直径为8mm；
三.腐蚀步骤：利用5mol/L的KOH溶液对局部喷涂了La0.8Sr0.2Co0.5Fe0.5O3材料的单晶硅面进行腐蚀，腐蚀温度为70℃～80℃，得到被La0.8Sr0.2Co0.5Fe0.5O3涂层覆盖的10个圆柱形单晶硅支撑层部分和去除单晶硅后的气体流道部分。
实施例5
一.电极制备步骤：以厚度为400um，晶面指数为(100)的P型单晶硅为支撑层，其直径为50.8mm，双面用金刚砂打毛，粗糙度Ra为5um。用大气等离子喷涂法依次在单晶硅片的一面制备阳极层、电解质层和阴极层，喷涂后涂层的厚度分别为200um、15um和80um，其中，阳极层、阴极层材料分别为8YSZ+35％vol NiO和锰酸镧LSM，电解质层采用颗粒度d50＝700nm的8YSZ粉末的悬浮液制备；
二.喷涂保护层步骤：在单晶硅的另一面采用金属铜材料喷涂保护层，保护层的图形为：
在6个同心圆圆周上均匀分布156个小圆，不同同心圆圆周上相邻小圆之间的弧长相等，小圆直径为2mm；
三.腐蚀步骤：利用5mol/L的KOH溶液对局部喷涂了铜粉的单晶硅面进行腐蚀，腐蚀温度为70℃～80℃，得到被导电铜涂层覆盖的156个圆柱形单晶硅支撑层部分和去除单晶硅后的气体流道部分，对被喷涂后部分氧化的铜涂层进行还原。

Claims (2)

1.一种固体氧化物燃料电池，包括电极和支撑层，电极由阳极、电解质和阴极构成，其特征在于：
所述电极喷涂于支撑层表面，所述支撑层由位于2～6个同心圆圆周上的多个圆柱形硅柱组成，在每个同心圆圆周上所述圆柱形硅柱均匀分布，不同同心圆圆周上相邻圆柱形硅柱之间的弧长相等，圆柱形硅柱高度为400um～700um、直径为2～8mm；
所述各圆柱形硅柱下端面喷涂有保护层，保护层材料为金属铜或镧锶钴铁氧体。
2.权利要求1所述的固体氧化物燃料电池的制备方法，包括：
一.电极制备步骤：在厚度为400um～700um的高电导率单晶硅片一面采用大气等离子喷涂方法连续制备阳极层、电解质层和阴极层，喷涂后涂层的厚度分别为50～200um、15～70um和50～200um，其中，阳极层材料为8YSZ+(35％～50％vol)NiO；阴极层材料为锰酸镧LSM或者镧锶钴铁氧体La0.8Sr0.2Co0.5Fe0.5O3，电解质层采用微米或纳米级颗粒度8YSZ粉末的悬浮液制备；
二.喷涂保护层步骤：在单晶硅的另一面采用金属铜或镧锶钴铁氧体La0.8Sr0.2Co0.5Fe0.5O3材料喷涂保护层，保护层的图形为：
在2～6个同心圆圆周上均匀分布多个小圆，不同同心圆圆周上相邻小圆之间的弧长相等，小圆直径为2～8mm；
三.腐蚀步骤：利用腐蚀剂对喷涂保护层的单晶硅片进行腐蚀，得到支撑层，当保护层为金属铜时，对保护层进行还原处理。
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