CN106571475A - 一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法，包括以下步骤：(1)加工具有气体流道结构的金属连接极；(2)将多孔金属层与金属连接极组成一个整体；(3)将多孔金属层与金属连接体组成的整体的上表面修整出一个可供喷涂的表面；(4)采用喷涂的方法在多孔金属层表面制备一层阳极层；(5)采用喷涂的方法在阳极层表面制备一层电解质层；(6)采用喷涂方法在电解质层表面制备一层阴极层。本发明由于电池连接极和多孔不锈钢基体预先进行了边缘密封处理，使得电池在制备完成后实现了自密封的效果，有效地克服了电池密封的难题。

Description

一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法
技术领域
本发明涉及能源生产技术领域，特别涉及一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法。
背景技术
燃料电池是把反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置，由阳极、电解质和阴极组成。其可以分为五类：碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池。其中作为新一代燃料电池的固体氧化物燃料电池，被认为是一种很有应用前景的能量转化设备。首先它的单位体积能效和单位体积能量密度都较高，可以实现大功率和高效发电，若热电联供，其能量转化效率可达80％以上；其次，它的气体污染物排放量几乎为零，发电噪音低对环境有利。而且，固体氧化物燃料电池可直接使用天然气、石油液化气、煤气等碳氢化合物燃料气，能源适应性好。除此之外，由于其所有组件全为固态，所以具有结构简单、安全可靠性高等优势。
固体氧化物燃料电池的一般工作原理是：氧气在阴极侧，在催化作用下变成阳离子，经过电解质在阳极侧与燃料气体结合，与此同时，电子经过外电路从阳极传输到阴极。目前，固体氧化物燃料电池主要有管式和平板式两种结构。管式结构燃料电池主要具有抗热震能力强，对负载反应迅速，容易制备大尺寸的单电池，不需要密封等优点，但同时也存在制备工艺复杂，生产成本高，单位功率密度低等缺点。平板式燃料电池相对于管式具有元件制造和装配简单、造价低廉和电流密度高等优点，但平板式燃料电池存在着严格密封的要求。
传统的平板式固体氧化物燃料电池堆如图1所示，包括多组固体氧化物燃料电池02和放置于相邻两个固体氧化物燃料电池02之间的电池连接极01，固体氧化物燃料电池02包括阴极层021、电解质层022和阳极层023。固体氧化物燃料电池堆一般按照这种方式堆叠到一定层数，最终将这些堆起来的电池进行串并联组合。然而，各个小的固体氧化物燃料电池对都需要密封处理，常采取的方式是在电池堆的外侧涂抹特殊的密封材料进行密封。使用类似的方法进行密封会带来，如：密封材料的稳定性、与电池堆其他部件的热膨胀匹配性、热循环寿命、密封效果等等一系列问题。
因此，如何设计新的平板式固体氧化物燃料，可以简单、有效地对其进行密封，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法，解决制约平板式固体氧化物燃料电池发展的密封难题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)加工具有气体流道结构的金属连接极；
(2)将多孔金属层与金属连接极组成一个整体；
(3)将多孔金属层与金属连接体组成的整体的上表面修整出一个可供喷涂的表面；
(4)采用喷涂的方法在多孔金属层表面制备一层阳极层；
(5)采用喷涂的方法在阳极层表面制备一层电解质层；
(6)采用喷涂方法在电解质层表面制备一层阴极层。
进一步的，多孔金属层与金属连接极为块材机械加工而成或采用粉末冶金的方法烧结成型。
进一步的，多孔金属层与金属连接极通过钎焊、熔焊、边缘激光熔覆或粘结组成一个整体。
进一步的，修整出可供喷涂表面的方法为直接机械加工出平整表面或通过表面修复的方法修正出平整表面。
进一步的，步骤(4)中阳极层采用大气等离子喷涂方法制备或采用真空等离子喷涂方法制备；步骤(5)中电解质层采用大气等离子喷涂方法制备或采用真空等离子喷涂方法制备；步骤(6)中阴极层采用大气等离子喷涂方法制备或采用火焰喷涂方法制备。
进一步的，步骤(2)中在金属连接极上加工一个凹槽，将多孔金属层放置于该凹槽中并与金属连接极组成一个整体。
进一步的，阳极层覆盖多孔金属层且阳极层的面积大于多孔金属层的面积；电解质层覆盖阳极层且电解质层的面积不小于阳极层的面积；阳极层位于多孔金属层与金属连接极组成的整体与电解质层之间。
进一步的，多孔金属层与金属连接极的连接边缘通过焊接或者粘接密封。
进一步的，电解质层与金属连接极的四周直接接触或者电解质层的四周与金属连接极之间具有阳极，阳极与金属连接极的四周接触长度要大于阳极厚度的250倍以上。致密电解质与连接极的边缘接触，保障连接极与多孔金属内部的气体不沿着连接极四周的界面发生泄漏。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法，由于电池连接极和多孔不锈钢基体预先进行了边缘密封处理(焊接或者粘接)，使得电池在制备完成后实现了自密封的效果，相对于上述背景技术中电池面临的密封问题，该制备方法有效地克服了电池密封的难题。
进一步的，致密电解质层与连接极的边缘接触，保障连接极与多孔金属内部的气体不沿着连接极四周的界面发生泄漏。
本发明通过设计连接极和多孔金属层的结构及其连接方式，使得电池在制备完功能层后实现了电池自密封，从而在根本上解决了平板式固体燃料电池的密封问题，该制备方法同样适用于固体氧化物电解池(SOEC)。
附图说明
图1为传统固体氧化物燃料电池堆的结构示意图；
图2为本发明实施例1所提供的电池结构示意图；
图3为本发明实施例2所提供的电池结构示意图；
其中01-电池连接极、02-固体氧化物燃料电池、021-阴极层、022-电解质层、023-阳极层；1-1金属连接极、1-2多孔金属层、1-3阳极、1-4电解质层、1-5阴极、1-6支撑面、1-7气体通路。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法，使得平板电池的密封问题得到有效解决。为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)加工具有气体流道结构的金属连接极1-1；
(2)将多孔金属层1-2与技术连接极1-1组成一个整体；
(3)将多孔金属层1-2与金属连接体1-1组成的整体的上表面修整出一个可供喷涂的表面；
(4)采用热喷涂的方法在多孔金属表面制备一层阳极层1-3；
(5)采用热喷涂的方法在阳极层表面制备一层电解质层1-4；
(6)采用热喷涂方法在电解质层表面制备一层阴极层1-5。
实施例1
在一个10×10cm2的金属连接极1-1上加工一个外坡口尺寸为9.1×9.1cm2，内坡口尺寸为9×9cm2，深度与多孔金属层1-2(不锈钢)厚度相等的坡台状凹槽，置入一个9×9cm2的多孔不锈钢后，采用钎焊的方法将多孔金属层1-2与金属连接极1-1相连接，连接部位包括多孔金属层1-2与金属连接极1-1接触的边缘及支撑面1-6。然后将多孔金属层1-2表面进行磨平，通过大气等离子喷涂的方法制备Ni/YSZ阳极1-3(9.2×9.2cm2)、YSZ电解质层1-4(10×10cm2)和LSCF阴极1-5(10×10cm2)，单电池表现出了良好的电压和功率输出。
实施例2
在一个20×20cm2的金属连接极1-1上加工一个外坡口尺寸为18.2×18.2cm2，内坡口尺寸为18×18cm2，深度与多孔金属层1-2(不锈钢)厚度相等的坡台状凹槽，置入一个18×18cm2的多孔不锈钢后，采用激光焊接的方法将多孔金属层1-2与金属连接极1-1相连接。然后将多孔不锈钢表面进行磨平，通过大气等离子喷涂的方法制备Ni/ScSZ阳极1-3(20×20cm2)，采用真空等离子喷涂方法制备ScSZ电解质层1-4(20×20cm2)，采用大气等离子喷涂方法制备LSCF阴极1-5(20×20cm2)，从而完成电池的制备。
实施例3
在一个20×20cm2的金属连接极1-1上加工一个外坡口尺寸为18.2×18.2cm2，内坡口尺寸为18×18cm2，深度与多孔金属层1-2(不锈钢)厚度相等的坡台状凹槽，置入一个18×18cm2的多孔金属层1-2后，采用钎焊的方法将多孔金属层1-2与金属连接极1-1相连接。然后将多孔金属表面进行磨平，通过大气等离子喷涂的方法制备Ni/GDC阳极1-3和GDC过渡层，采用大气等离子喷涂方法制备LSGM电解质层1-4，然后再采用大气等离子喷涂方法制备LSCF阴极1-5，从而完成电池的制备。
本说明书中的各个实施例具有相互关联性，但每个实施例中又有所不同侧重，各个实施例之间相似的部分可相互参考。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。本发明所述的基本原理可以在稍作修改后在其他实施例中实现，因此，本发明将不被限制于本文中所示的实施例中，而是要在符合本文公开的原理和新颖特点的最宽的范围内。

Claims (9)

1.一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)加工具有气体流道结构的金属连接极(1-1)；
(2)将多孔金属层(1-2)与金属连接极(1-1)组成一个整体；
(3)将多孔金属层(1-2)与金属连接体(1-1)组成的整体的上表面修整出一个可供喷涂的表面；
(4)采用喷涂的方法在多孔金属层表面制备一层阳极层(1-3)；
(5)采用喷涂的方法在阳极层表面制备一层电解质层(1-4)；
(6)采用喷涂方法在电解质层表面制备一层阴极层(1-5)。
2.根据权利要求1所述的一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，多孔金属层(1-2)与金属连接极(1-1)为块材机械加工而成或采用粉末冶金的方法烧结成型。
3.根据权利要求1所述的一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，多孔金属层(1-2)与金属连接极(1-1)通过钎焊、熔焊、边缘激光熔覆或粘结组成一个整体。
4.根据权利要求1所述的一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，修整出可供喷涂表面的方法为直接机械加工出平整表面或通过表面修复的方法修正出平整表面。
5.根据权利要求1所述的一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，步骤(4)中阳极层采用大气等离子喷涂方法制备或采用真空等离子喷涂方法制备；步骤(5)中电解质层采用大气等离子喷涂方法制备或采用真空等离子喷涂方法制备；步骤(6)中阴极层采用大气等离子喷涂方法制备或采用火焰喷涂方法制备。
6.根据权利要求1所述的一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)中在金属连接极(1-1)上加工一个凹槽，将多孔金属层(1-2)放置于该凹槽中并与金属连接极(1-1)组成一个整体。
7.根据权利要求1所述的一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，阳极层(1-3)覆盖多孔金属层(1-2)且阳极层(1-3)的面积大于多孔金属层(1-2)的面积；电解质层(1-4)覆盖阳极层(1-3)且电解质层(1-4)的面积不小于阳极层(1-3)的面积；阳极层(1-3)位于多孔金属层(1-2)与金属连接极(1-1)组成的整体与电解质层(1-4)之间。
8.根据权利要求1所述的一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，多孔金属层(1-2)与金属连接极(1-1)的连接边缘通过焊接或者粘接密封。
9.根据权利要求1所述的一种自密封平板状固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，电解质层与金属连接极的四周直接接触或者电解质层的四周与金属连接极之间具有阳极，阳极与金属连接极的四周接触长度要大于阳极厚度的250倍以上。
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