CN1215593C - 一种管状高温固体氧化物燃料电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管状高温固体氧化物燃料电池(T-SOFC)的制备方法，该方法制备的T-SOFC的结构为金属陶瓷支撑型固体氧化物燃料电池，金属陶瓷支撑管通过喷涂成型或注浆烧结成型并结合后处理的方法制备，金属陶瓷支撑管外至少再通过喷涂的方法制备出燃料电池的阳极层、电解质层和阴极层。为了提高电解质层的气密性，需对喷涂后的电解质层再进行致密化处理。采用本发明的方法制备的管状高温固体氧化物燃料电池，可简化固体氧化物燃料电池的制造工艺，降低固体氧化物燃料电池的制造成本，并使其在结构上具备管状固体氧化物燃料电池的无需高温密封、电池组装简单易于实现大功率化等优点；其性能上兼具板状固体氧化物燃料电池高输出电流密度和功率密度的特点。

Description

一种管状高温固体氧化物燃料电池的制备方法
一、技术领域
本发明属于能源、材料加工和电力领域，涉及一种固体氧化物燃料电池的制备方法，特别涉及一种管状高温固体氧化物燃料电池的制备方法。
二、背景技术
众所周知，燃料电池是一种将燃料的化学能直接转换成电能的发电装置。其中固体氧化物燃料电池(SOFC)被认为是继磷酸型燃料电池(PAFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)之后的第三代发电装置。固体氧化物燃料电池单电池的发电效率可达约50％，与汽轮机联合循环发电，发电效率可达70％，如果再合理的利用余热，其热效率能够达到80％以上。
目前，国际上开发的固体氧化物燃料电池(SOFC)的制备方法中，支撑管大多采用烧结成型的方法，阳极和阴极多采用丝网印刷的方法。而电解质的成型方法主要有美国西屋公司采用的电化学气相沉积的法(electrochemicalvapor deposition)与日本三菱重工采用的低压等离子热喷涂法(vacuumplasma spray)成型方法等，但尚存在制造设备复杂，工艺要求高，制造成本高等不足。
三、发明内容
本发明的目的在于，提供一种简化固体氧化物燃料电池(SOFC)制造工艺并降低固体氧化物燃料电池(SOFC)制造成本的管状高温固体氧化物燃料电池单电池的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是，该管状高温固体氧化物燃料电池的制备方法，按以下方法制备：
1)制备燃料电池的金属陶瓷支撑管
首先在可溶性或可熔性基体上制备一定厚度的支撑层，然后对可溶性或可熔性基体的通过溶解或熔解或腐蚀的方法加以去除，该支撑管在燃料电池工作状态时支撑层为金属陶瓷结构；材料采用金属和陶瓷基复合材料，成形方法采用喷涂法或注浆烧结法；
2)在燃料电池的支撑层外采用热喷涂方法依次制备阳极层、电解质层、阴极层和阴极汇流层；其中电解质层采用大气等离子喷涂方法制备，并对喷涂态的电解质层进行致密化处理。
本发明的其它一些特点是：
所述的支撑管的材料采用可还原性的金属氧化物和陶瓷基复合材料，在成形后立即进行支撑层的后处理，或者在制备了燃料电池的其它部分或全部结构层之后进行支撑层的后处理。
在制备除电解质层外的各结构层时，其热喷涂方法选自火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂、超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂、超音速电弧喷涂、冷喷涂中的一种或几种。
致密化处理所采用的方法选自金属无机盐溶液法或纳米颗粒悬浮液法或金属无机盐溶液和纳米颗粒相结合的方法。
所述的经过致密化处理的电解质层进行烧结处理。
通过本发明的方法制备的管状高温固体氧化物燃料电池，可降低固体氧化物燃料电池(SOFC)的制造成本，简化固体氧化物燃料电池(SOFC)的制造工艺，并使其在结构上具备管状固体氧化物燃料电池(SOFC)的无需高温密封、电池组装简单易于实现大功率化等优点；使其在性能上兼具板状固体氧化物燃料电池(SOFC)高输出电流密度和功率密度的特点。
四、附图说明
图1是依本发明的方法制备的管状高温固体氧化物燃料电池单电池结构剖面示意图。
五、具体实施方式
为了更清楚的理解本发明，以下结合附图和发明人给出的具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，图1是依本发明的方法制备的管状高温固体氧化物燃料电池单电池结构剖面示意图。此单电池1的结构为一端开口，一端封闭的管状结构。其最内层为燃料电池的支撑层2，在有效发电长度内，其支撑层外依次为燃料电池的阳极层3、电解质层4、阴极层5和阴极汇流层6。
上述单电池的支撑层2为多孔的金属陶瓷结构，其厚度为0.2-4mm。单电池的支撑层在轴向方向上的径向厚度可以不变，也可以依据电池工作时电流密度的特点呈梯度变化。该支撑层采用金属陶瓷管作为支撑层。所谓采用金属陶瓷管作为支撑层，是指在燃料电池工作状态时支撑层为金属陶瓷结构。在成型燃料电池时，其支撑层材料采用金属和陶瓷基复合材料或者是可还原性的金属氧化物和陶瓷基复合材料通过喷涂成型或注浆烧结成型。成型后的支撑层如果需要进行后处理可以立即进行后处理，或者是在制备了燃料电池的其它部分或全部结构层之后进行后处理；
上述单电池的阳极层3为多孔金属陶瓷结构，金属陶瓷中金属的体积百分含量为20-70％，阳极层3可以是包括火焰喷涂、大气等离子喷涂、电弧喷涂或超音速等离子喷涂等在内的目前所有的可以制备涂层的喷涂方法。
上述单电池的电解质层4为致密层，为了提高单电池效率，其厚度小于100微米，电解质层4采用非低压等离子喷涂方法制备，为了提高热喷涂电解质层的气密性和电池的输出特性，需对电解质层进行致密化处理。对电解质涂层进行致密化处理时采用的方法包括采用金属无机盐溶液或者是纳米颗粒悬浮液或者是金属无机盐溶液和纳米颗粒相结合的方法对电解质涂层进行致密化处理，经过上述处理后的涂层还可以再经过烧结处理工艺进行进一步致密化处理。
上述单电池的阴极层5轴向长度大于100mm，但不能超过电解质层的轴向长度，其气孔率可以依据所采用的不同阴极材料的离子电导率与电子电导率的不同而变化，一般小于30％。阴极层5可以是包括火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂、超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂、超音速电弧喷涂、冷喷涂等在内的目前所有的可以制备涂层的喷涂方法。
上述单电池的阴极汇流层6是否存在以及其存在形式可以依据单电池阴极的导电能力而确定，其可以依据单电池的电流密度和阴极5与阴极汇流层6的导电能力在单电池阴极层的径向和轴向上可全部覆盖阴极层，或者部分覆盖阴极层。阴极汇流层在径向和轴向方向上的厚度可以依据电流密度的特点，不均匀分布。其制备方法可以采用喷涂方法，也可以采用screen-printing或tape-casting的方法制备。
本发明的管状高温固体氧化物燃料电池的制备方法，方法的一关键工艺就是通过廉价的非低压等离子喷涂结合对涂层的致密化工艺来制备致密的电解质涂层。
以下是发明人给出的实施例，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
以重量百分比为50％的金属Ni粉和Al2O3陶瓷粉末为喷涂材料，采用火焰喷涂的方法在可溶性物质表面制备厚度为1mm的Ni与Al2O3金属陶瓷管，喷涂后，去除喷涂制备的金属陶瓷管可溶性内衬，然后再采用重量百分比为50％的金属Ni粉和YSZ(8mol％Y2O3)陶瓷粉末，采用大气等离子喷涂工艺在金属陶瓷支撑管上制备约50um的阳极层，在阳极层上再采用大气等离子喷涂方法喷涂约50um的YSZ电解质层，为了提高电解质层的气密性，采用钇与锆的摩尔比与电解质相同的硝酸钇和硝酸锆致密化溶液，对电解质层进行致密化处理，致密化处理后的涂层需经400℃以上的热处理，使得致密化溶液分解后形成氧化钇稳定的氧化锆颗粒来填充电解质层的孔隙，以达到制备致密电解质层的目的。经反复对电解质层致密化处理后，在电解质层外再以La0.8Sr0.2MnO3为材料，通过火焰或大气等离子喷涂制备燃料电池的阴极层。
实施例2
与实施例1不同点是仅为对电解质层的致密化方法，如实施例1所述步骤当采用大气等离子喷涂完YSZ电解质层后，在钇与锆的摩尔比与电解质相同的硝酸钇和硝酸锆溶液中加入小于50纳米的YSZ纳米粉末悬浮液或者锆元素与钇元素一定摩尔比的溶胶或者凝胶，以对电解质层进行致密化处理，致密化后需对电解质层进行热处理以去除溶剂，使得YSZ颗粒填充在电解质层的孔隙内达到对电解质层致密化的目的。
实施例3
与实施例1的不同点仅为支撑管的制备方法不同，本实施例采用重量百分比为50％的金属氧化物NiO粉和Al2O3陶瓷粉末为材料，采用注浆成型结合烧结工艺制备陶瓷管，然后在金属陶瓷管上制备阳极层、电解质层和阴极层。
实施例4
与实施例3的不同点仅为对电解质层的致密化方法。当采用大气等离子喷涂制备YSZ电解质层后，采用实施例2所述的纳米颗粒悬浮液致密化的方法对电解质层进行致密化处理。

Claims (5)

1.一种管状高温固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，按以下方法制备：
1)制备燃料电池的金属陶瓷支撑管
首先在可溶性或可熔性基体上制备一定厚度的支撑层，然后对可溶性或可熔性基体的通过溶解或熔解或腐蚀的方法加以去除，该支撑管在燃料电池工作状态时支撑层为金属陶瓷结构；材料采用金属和陶瓷基复合材料，成形方法采用喷涂法或注浆烧结法；
2)在燃料电池的支撑层外采用热喷涂方法依次制备阳极层、电解质层、阴极层和阴极汇流层；其中电解质层采用大气等离子喷涂方法制备，并对喷涂态的电解质层进行致密化处理。
2.如权利要求1所述的管状高温固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，所述的支撑管的材料采用可还原性的金属氧化物和陶瓷基复合材料，支撑管在成形后立即进行支撑层的后处理，或者在制备了燃料电池的其它部分或全部结构层之后进行支撑层的后处理。
3.如权利要求1所述的管状高温固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，在制备除电解质层外的各结构层时，其热喷涂方法选自火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂、超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂、超音速电弧喷涂、冷喷涂中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的管状高温固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，所述的致密化处理所采用的方法选自金属无机盐溶液法或纳米颗粒悬浮液法或金属无机盐溶液和纳米颗粒相结合的方法。
5.如权利要求1所述的管状高温固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，所述的经过致密化处理的电解质层进行烧结处理。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN100403591C (zh) * 2003-10-20 2008-07-16 中国科学院过程工程研究所 列管式固体氧化物电解质高温气体电解装置的结构
CN1312795C (zh) * 2004-12-06 2007-04-25 华中科技大学 固体氧化物燃料电池三合一电极的制作方法
CN100359739C (zh) * 2005-08-15 2008-01-02 西安交通大学 一种固体氧化物燃料电池电解质层的制造方法
CN100365859C (zh) * 2006-03-21 2008-01-30 西安交通大学 一种管状高温固体氧化物燃料电池单管电池组的结构
CN100448088C (zh) * 2007-01-29 2008-12-31 山东大学 一种自支撑型固体氧化物燃料电池的制备方法
CN101252192B (zh) * 2008-03-27 2010-06-16 上海交通大学 直接醇燃料电池用管状阴极的制备方法
EP2734486A1 (en) 2011-07-22 2014-05-28 Danmarks Tekniske Universitet A method for the densification of ceramic layers, especially ceramic layers within solid oxide cell (soc) technology, and products obtained by the method
CN103600409B (zh) * 2013-11-22 2015-12-30 山东理工大学 用于共纺丝的四环孔喷丝模具
CN103887550B (zh) * 2014-04-15 2016-03-16 哈尔滨工业大学 污泥作为燃料固体氧化物燃料电池的制备方法
CN109326811B (zh) * 2018-10-15 2020-12-11 苏州华清京昆新能源科技有限公司 一种阳极包覆型阳极支撑电池及其制备方法以及流延刀片
CN110224146B (zh) * 2019-05-23 2021-02-26 湖北大学 一种燃料电池电解质低温在线致密化方法
CN111416133B (zh) * 2020-03-31 2021-03-26 西安交通大学 一端自密封陶瓷扁管支撑型电池/电解池及电池堆结构
CN113694930B (zh) * 2020-05-07 2023-04-07 中国科学院大连化学物理研究所 一种催化剂、制备方法和应用
CN112928314A (zh) * 2021-01-23 2021-06-08 西安石油大学 一种固体氧化物燃料电池的制备方法
CN114012358B (zh) * 2021-10-26 2024-01-05 江苏金泰科精密科技有限公司 一种储能系统用连接导体材料的制备方法

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