CN107305953B - 一种固体氧化物燃料电池复合基板及其制备工艺 - Google Patents

一种固体氧化物燃料电池复合基板及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池复合基板及其制备工艺，复合基板包括多孔不锈钢薄膜层、多孔陶瓷金属过渡层和多孔陶瓷复合材料薄膜层；所述多孔陶瓷金属过渡层包含镍纤维，所述镍纤维均匀分布在所述多孔陶瓷金属过渡层中，并相互搭接形成高速导热的网络。制备方法为分别采用流延成型工艺制备不锈钢薄膜生带、陶瓷金属生带和陶瓷复合材料生带，将生带叠压，在H2下1050~1250℃的温度下，烧结2~6h。本发明综合了陶瓷与金属的优异性能，不锈钢层强度高、耐热冲击性能好；陶瓷复合材料层与燃料电池阳极材料热匹配性能好，采用镍纤维形成网络结构，提高导热性、调节了热膨胀系数，解决了与电极及固体电解质材料的匹配性问题。且制备工艺简单。

Description

一种固体氧化物燃料电池复合基板及其制备工艺
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池基板及其制备方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将储存在燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的全固态发电装置，具有能量转换效率高、环境友好、燃料适应性强等优点。由于固体氧化物燃料电池的工作温度较高，通常为600至1000℃，这也限制了其广泛应用。随着化石能源的日益紧缺以及人们对清洁高效便携式电源的需求日益强烈，近年来固体氧化物燃料电池受到了人们的广泛关注，其中，“低温化”、“微型化”、“长寿命”成为固体氧化物燃料电池发展趋势。
目前，为了提高固体氧化物燃料电池的工作寿命，人们对阳极、电解质、阴极材料及制造工艺进行了一系列研究。电池基板作为支撑电极与电解质的载体，提供气体及反应产物通道以及电子导电通路，受到了人们的广泛关注。优良的固体氧化物燃料电池基板不仅热膨胀系数要与电极及电解质相匹配，而且还要强度高、韧性好，电性能、导热性能优良。
一种广受关注的基板是采用多孔金属陶瓷直接同时作为阳极和支撑基板，如Ni-YSZ基板，然而这种多孔金属陶瓷复合材料在反复热循环与氧化还原反应冲击下易发生碎裂。为了提高燃料电池寿命，人们相继开发了独立的电极和基板。硅基板是最早应用的基板材料之一，然而由于硅基板的热膨胀系数较低，与YSZ基电解质及电极薄膜材料存在热膨胀系数不匹配的问题，而导致以硅作基板的电池热稳定性较差。阳极化处理多孔氧化铝基板（AAO）也是一种较早研究的固体氧化物燃料电池基板材料，然而该多孔基板材料热稳定性较差，沉积到阳极化处理多孔氧化铝基板上的致密的电解质薄膜层在热循环中会发生退化。此外，对于以氧化锆为基础的YSZ电解质来说，通常采用多孔NiO-YSZ阳极基板，然而NiO-YSZ在燃料电池的高温反应条件下，NiO易还原为Ni，引起体积反复变化，从而导致基板的失效。近年来，不少人致力于研究纳米多孔金属基板材料，纳米多孔金属材料基板（如纳米多孔镍基板）具有优良的机械力学性能及导电导热性能，然而其热膨胀系数通常与电极及电解质材料相差极大，从而容易使电极或电解质在热循环中发生破裂或脱落失效。
发明内容
本发明目的在于提供一种固体氧化物燃料电池复合基板及其制备工艺解决现有固体氧化物燃料电池基板的热匹配性能差、热稳定性差、导热性能差以及制备工艺复杂等技术问题。
为了实现上述目的，采用如下的技术方案：
一种固体氧化物燃料电池复合基板，包括多孔不锈钢薄膜层、多孔陶瓷金属过渡层和多孔陶瓷复合材料薄膜层；所述多孔陶瓷金属过渡层包含镍纤维，所述镍纤维均匀分布在所述多孔陶瓷金属过渡层中，并相互搭接形成高速导热的网络。镍纤维相互搭接形成高速导热的网络结构结合多孔陶瓷结构有利于调节过渡层的热膨胀系数和大幅度提高过渡层的导热性能，很好的解决了陶瓷复合材料薄膜层与不锈钢薄膜层的匹配性问题。多孔不锈钢薄膜层具有耐腐蚀性。
进一步的，所述多孔陶瓷复合材料薄膜层为LSTN-YSZ。LSTN为LaSrTiNi氧化物；YSZ为钇稳定的氧化锆。
进一步的，所述多孔陶瓷金属过渡层由镍纤维和LSTN-YSZ陶瓷组成。当多孔多孔陶瓷金属过渡层中陶瓷材料的组分与多孔陶瓷复合材料薄膜层的组分相同时性能最佳。LSTN有利于实现低温烧结，对固体燃料的反应有促进作用。
进一步的，所述LSTN为La0.2Sr0.8Ti0.9Ni0.1O3-δ。
进一步的，所述多孔陶瓷复合材料薄膜层的孔径大小为200~500nm，孔隙率为10~30%；所述多孔陶瓷金属过渡层的LSTN-YSZ陶瓷的孔径大小为200~500nm，孔隙率为15~30%。
进一步的，所述镍纤维占整个所述多孔陶瓷金属过渡层体积分数的15%~30%；所述镍纤维直径为1~8μm，长径比为8~15。
进一步的，所述多孔不锈钢薄膜层厚度为300~600μm；所述多孔陶瓷金属过渡层的厚度为20~50μm和所述多孔陶瓷复合材料薄膜层的厚度为30~50μm。
进一步的，所述LSTN-YSZ中LSTN所占质量分数50~75 wt%；YSZ所占质量分数为25~50 wt% 。
一种固体氧化物燃料电池复合基板的制备工艺，主要包括以下步骤：
（1）将按重量比例称取的不锈钢粉末与淀粉混合均匀，再加入粘接剂、溶剂、增塑剂和分散剂，球磨混合均匀制备成流延浆料，采用流延成型工艺制备出不锈钢薄膜生带；
（2）将按重量比例称取的 LSTN粉末与YSZ粉末混合均匀；
（3）取部分步骤（2）所得的LSTN- YSZ混合粉末；再加入粘接剂、溶剂、增塑剂、分散剂球磨混合均匀制备出流延浆料，然后流延成型，制备陶瓷复合材料薄膜生带；
（4）将剩余的步骤（2）所得的LSTN- YSZ混合粉末按比例与镍纤维混合均匀，加入适量粘接剂、溶剂、增塑剂、分散剂球磨混合均匀制备出流延浆料，然后流延成型，制备陶瓷金属薄膜生带；
（5）将陶瓷复合材料薄膜生带、陶瓷金属薄膜生带和不锈钢薄膜生带叠压，在干燥的H2保护气氛下，在1050~1250 ℃的温度下，烧结2~6h，然后随炉冷却。
进一步的，步骤（1）包括质量分数为80~90 wt%的不锈钢和质量分数为10~20 wt%的淀粉。淀粉有利于形成气孔。
与现有技术相比，本发明热膨胀系数与电池组件匹配性好、热稳定性能优良、导热性能好、制备工艺简单。金属与陶瓷相结合制备的固体氧化物燃料电池复合基板综合了陶瓷与金属的优异性能。多孔不锈钢层强度高、耐热冲击性能好；多孔陶瓷复合材料层与燃料电池阳极材料热匹配性能好。特别是本发明通过采用镍纤维形成的多孔陶瓷金属过渡层，镍纤维既调节了过渡层的热膨胀系数，很好的解决了陶瓷复合材料薄膜层与不锈钢薄膜层的匹配性问题，同时在过渡层形成了相互搭接的高导热网络，大幅度提高了过渡层的导热性能，从而整个固体氧化物燃料电池复合基板热稳定性、抗热冲击性能与导热性能都得到优化。采用流延成型工艺生产效率高，适合大批量生产。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，其中1-多孔陶瓷复合材料薄膜层，2-多孔陶瓷金属过渡层，3-多孔不锈钢薄膜层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例1
一种固体氧化物燃料电池复合基板的制备工艺，主要包括以下步骤：
（1）将粒径为~10μm的434L不锈钢粉末80g与20g的淀粉混合均匀，然后向混合均匀的粉体中，加入聚乙烯醇缩丁醛15g、无水乙醇溶液90g、聚乙二醇8g、三油酸甘油酯4g等球磨混合48h，制备得到流延浆料，将流延浆料利用真空脱泡机进行真空脱泡，将脱泡后的浆料在流延机上流延成型，制备出厚度为600μm不锈钢薄膜生带。
（2）分别称取50g LSTN粉末、50g YSZ粉末混合均匀，加入聚乙烯醇缩丁醛16g、无水乙醇溶液90g、聚乙二醇8g、三油酸甘油酯5g等球磨混合48h，制备出流延浆料，将流延浆料利用真空脱泡机进行真空脱泡，将脱泡后的浆料在流延机上流延成型，制备厚度为60μm陶瓷复合材料薄膜生带。
（3）分别称取50g LSTN粉末、50g YSZ粉末混合均匀，将直径~8μm、长径比为10-12的42g镍纤维（体积分数为30%）与上述陶瓷粉末混合均匀，然后向混合均匀的粉体中分别加入聚乙烯醇缩丁醛21g、无水乙醇溶液118g、聚乙二醇11g、三油酸甘油酯6g等球磨混合48h，将流延浆料利用真空脱泡机进行真空脱泡，将脱泡后的浆料在流延机上流延成型，制备厚度为50μm的陶瓷金属薄膜生带。
（4）将陶瓷复合材料薄膜生带、金属陶瓷薄膜生带与不锈钢薄膜生带叠压，在干燥的H2保护气氛下，在1050℃的温度下，烧结6h，然后随炉冷却。
（5）将制备的复合板进行表面抛光并切割成需要的尺寸即得由多孔不锈钢薄膜层、多孔陶瓷金属过渡层和多孔陶瓷复合材料薄膜层组成的固体氧化物燃料电池复合基板。
实施例2
一种固体氧化物燃料电池复合基板的制备工艺，主要包括以下步骤：
（1）将粒径为~8μm的434L不锈钢粉末85g与15g的淀粉混合均匀，然后向混合均匀的粉体中，加入聚乙烯醇缩丁醛13g、无水乙醇溶液88g、聚乙二醇9g、三油酸甘油酯4g等球磨混合48h，制备得到流延浆料，将流延浆料利用真空脱泡机进行真空脱泡，将脱泡后的浆料在流延机上流延成型，制备出厚度为500μm不锈钢薄膜生带。
（2）分别称取60g LSTN粉末、40g YST粉末混合均匀，然后向混合均匀的粉体中分别加入聚乙烯醇缩丁醛15g、无水乙醇溶液90g、聚乙二醇8g、三油酸甘油酯4g球磨混合48h，将流延浆料利用真空脱泡机进行真空脱泡，将脱泡后的浆料在流延机上流延成型，制备厚度为50μm陶瓷复合材料薄膜生带。
（3）分别称取60g LSTN粉末、40g YST粉末混合均匀，将直径~5μm、长径比为10-15的镍纤维28g（体积分数为20%）与上述陶瓷粉末混合均匀，然后向混合均匀的粉体中分别加入聚乙烯醇缩丁醛21g、无水乙醇溶液120g、聚乙二醇14g、三油酸甘油酯7g等球磨混合48h，制备出流延浆料，将流延浆料利用真空脱泡机进行真空脱泡，将脱泡后的浆料在流延机上流延成型为生坯，制备厚度为45μm的陶瓷金属薄膜生带。
（4）将陶瓷复合材料薄膜生带、金属陶瓷薄膜生带与不锈钢薄膜生带叠压，在干燥的H2保护气氛下，在1200℃的温度下，烧结4h，然后随炉冷却。
（5）将制备的复合板进行表面抛光并切割成需要的尺寸即得由多孔不锈钢薄膜层、多孔陶瓷金属过渡层和多孔陶瓷复合材料薄膜层组成的固体氧化物燃料电池复合基板。
实施例3
一种固体氧化物燃料电池复合基板的制备工艺，主要包括以下步骤：
（1）将粒径为~5μm的434L不锈钢粉末90g与10g的淀粉混合均匀，然后向混合均匀的粉体中，加入聚乙烯醇缩丁醛15g、无水乙醇溶液90g、聚乙二醇8g、三油酸甘油酯4g等球磨混合48h，制备得到流延浆料，将流延浆料利用真空脱泡机进行真空脱泡，将脱泡后的浆料在流延机上流延成型，制备出厚度为300μm不锈钢薄膜生带。
（2）分别称取75g LSTN粉末、25g YSZ粉末混合均匀，加入聚乙烯醇缩丁醛16g、无水乙醇溶液90g、聚乙二醇8g、三油酸甘油酯5g等球磨混合48h，制备出流延浆料，将流延浆料利用真空脱泡机进行真空脱泡，将脱泡后的浆料在流延机上流延成型，制备出厚度为30μm陶瓷复合材料薄膜生带。
（3）分别称取75g LSTN粉末、25g YSZ粉末混合均匀，将直径~1μm、长径比为8-10的镍纤维21g（体积分数为15%）与上述陶瓷粉末混合均匀，然后向混合均匀的粉体中分别加入聚乙烯醇缩丁醛21g、无水乙醇溶液118g、聚乙二醇11g、三油酸甘油酯6g等球磨混合48h，将流延浆料利用真空脱泡机进行真空脱泡，将脱泡后的浆料在流延机上流延成型，制备出厚度为25μm陶瓷金属薄膜生带。
（4）将陶瓷复合材料薄膜生带、金属陶瓷薄膜生带与不锈钢薄膜生带叠压，在干燥的H2保护气氛下，在1250℃的温度下，烧结2h，然后随炉冷却。
（5）将制备的复合板进行表面抛光并切割成需要的尺寸即得由多孔不锈钢薄膜层、多孔陶瓷金属过渡层和多孔陶瓷复合材料薄膜层组成的本发明固体氧化物燃料电池复合基板。
实施例1-3得到的固体氧化物燃料电池复合基板如图1所示，包括多孔不锈钢薄膜层3、多孔陶瓷金属过渡层2和多孔陶瓷复合材料薄膜层1，镍纤维均匀分布在多孔陶瓷金属过渡层2中，并相互搭接形成高速导热的网络。其中多孔陶瓷复合材料薄膜层1的孔径大小为200~500nm，孔隙率为10~30%；多孔陶瓷金属过渡层的LSTN-YSZ陶瓷的孔径大小为200~500nm，孔隙率为15~30%。
以上实施例仅仅是对本发明的具体实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，本领域技术人员在现有技术的基础上还可做多种修改和变化，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，例如将陶瓷成分进行替换、先冲切叠压后的生带再烧结成基板等，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种固体氧化物燃料电池复合基板，其特征在于，包括多孔不锈钢薄膜层、多孔陶瓷金属过渡层和多孔陶瓷复合材料薄膜层；所述多孔陶瓷金属过渡层包含镍纤维，所述镍纤维均匀分布在所述多孔陶瓷金属过渡层中，并相互搭接形成高速导热的网络；所述镍纤维占整个所述多孔陶瓷金属过渡层体积分数的15％～30％；所述多孔陶瓷复合材料薄膜层为La0.2Sr0.8Ti0.9Ni0.1O3-δ-YSZ；所述多孔陶瓷金属过渡层由镍纤维和La0.2Sr0.8Ti0.9Ni0.1O3-δ-YSZ陶瓷组成；所述La0.2Sr0.8Ti0.9Ni0.1O3-δ-YSZ中La0.2Sr0.8Ti0.9Ni0.1O3-δ所占质量分数50～75wt％；YSZ所占质量分数为25～50wt％。
2.根据权利要求1所述固体氧化物燃料电池复合基板，其特征在于，所述多孔陶瓷复合材料薄膜层的孔径大小为200～500nm，孔隙率为10～30％；所述多孔陶瓷金属过渡层的La0.2Sr0.8Ti0.9Ni0.1O3-δ-YSZ陶瓷的孔径大小为200～500nm，孔隙率为15～30％。
3.根据权利要求1所述固体氧化物燃料电池复合基板，其特征在于，所述镍纤维直径为1～8μm，长径比为8～15。
4.根据权利要求1所述固体氧化物燃料电池复合基板，其特征在于，所述多孔不锈钢薄膜层厚度为300～600μm；所述多孔陶瓷金属过渡层的厚度为20～50μm和所述多孔陶瓷复合材料薄膜层的厚度为30～50μm。
5.根据权利要求1-4任一项所述固体氧化物燃料电池复合基板的制备工艺，其特征在于，主要包括以下步骤：
(1)将按重量比例称取的不锈钢粉末与淀粉混合均匀，再加入粘接剂、溶剂、增塑剂和分散剂，球磨混合均匀制备成流延浆料，采用流延成型工艺制备出不锈钢薄膜生带；
(2)将按重量比例称取的La0.2Sr0.8Ti0.9Ni0.1O3-δ粉末与YSZ粉末混合均匀；
(3)取部分步骤(2)所得的La0.2Sr0.8Ti0.9Ni0.1O3-δ-YSZ混合粉末；再加入粘接剂、溶剂、增塑剂、分散剂球磨混合均匀制备出流延浆料，然后流延成型，制备陶瓷复合材料薄膜生带；
(4)将剩余的步骤(2)所得的La0.2Sr0.8Ti0.9Ni0.1O3-δ-YSZ混合粉末按比例与镍纤维混合均匀，加入适量粘接剂、溶剂、增塑剂、分散剂球磨混合均匀制备出流延浆料，然后流延成型，制备陶瓷金属薄膜生带；
(5)将陶瓷复合材料薄膜生带、陶瓷金属薄膜生带和不锈钢薄膜生带叠压，在干燥的H2保护气氛下，在1050～1250℃的温度下，烧结2～6h，然后随炉冷却。
6.根据权利要求5所述固体氧化物燃料电池复合基板的制备工艺，其特征在于，步骤(1)包括质量分数为80～90wt％的不锈钢和质量分数为10～20wt％的淀粉。
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