專利名稱：一種管狀固體氧化物燃料電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于能源、材料加工，涉及一種固體氧化物燃料電池的制備方 法，特別涉及一種管狀固體氧化物燃料電池的制備方法。通過簡化管狀固 體氧化物燃料電池的制造工藝，降低制造成本，推動固體氧化物燃料電池 的發(fā)展。
背景技術(shù)：
燃料電池被人們稱為繼水力、火力、核能技術(shù)之后的第四類新型發(fā)電 技術(shù)，是一種不經(jīng)過外部燃燒直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能的高效綠色發(fā)電裝 置，不受卡諾循環(huán)的限制，燃料的利用率很高。其單電池的發(fā)電效率可達約 50%，與汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，發(fā)電效率可達70%，如果再合理的利用余 熱，其熱效率能夠達到80%以上。
當前，固體氧化物燃料電池通常采用的結(jié)構(gòu)類型有管型和平板型兩種。 管型SOFC電池最早由美國西屋電氣公司(Westinghouse Electric Crop.)研 制，它由一端封閉的管狀單電池以串、并聯(lián)方式連接而成。每個單電池從 內(nèi)到外由多孔CaO穩(wěn)定的Zr02 (簡稱CSZ)支撐管、LSM空氣電極、YSZ 固體電解質(zhì)薄膜和Ni-YSZ金屬陶瓷陽極組成。CSZ多孔管起支撐作用并允 許空氣自由通過到達空氣電極。LSM空氣電極，YSZ電解質(zhì)膜和Ni-YSZ 陶瓷陽極通常采用電化學沉積(EVD)、噴涂等方法制備經(jīng)高溫燒結(jié)而成。 后來Westinghouse電氣公司直接用LSM陰極支撐，而不用CSZ支撐。管 式SOFC的主要特點是電池單元間組裝相對簡單，不涉及高溫密封這一技
術(shù)難題，比較容易通過電池單元之間并聯(lián)和串聯(lián)組合成大規(guī)模電池系統(tǒng)。
但是管式SOFC電池單元制備工藝相當復(fù)雜，通常需要采用電化學沉積法、 等離于熱噴涂法制備YSZ電解質(zhì)膜和雙極連接體，制備技術(shù)和工藝相當復(fù) 雜，原料利用率低，造價很高。
陽極支撐的管狀固體氧化物燃料電池跟陰極支撐或者電解質(zhì)支撐的管 狀固體氧化物燃料電池相比較，具有以下優(yōu)點因為在陽極支撐管中能形 成連續(xù)的氣孔分布，所以燃料供應(yīng)不受限制；由于導電性好，所以電流平 穩(wěn)；而且該燃料電池的生產(chǎn)成本低。 發(fā)明內(nèi)容-
本發(fā)明的目的在于，提供一種簡化固體氧化物燃料電池制造工藝并降 低固體氧化物燃料電池制造成本的管狀固體氧化物燃料電池單電池的制備方法。
本發(fā)明提供了一種管狀固體氧化物燃料電池的制備方法，包括陽極支 撐管的制備、陽極支撐管的表面修飾、電解質(zhì)層的制備、陰極層的制備， 其特征在于
——陽極支撐管采用可還原性的金屬氧化物和陶瓷基復(fù)合材料通過塑 性擠壓成型；
——通過真空一浸涂的方法制備燃料電池的致密電解質(zhì)層。 本發(fā)明管狀固體氧化物燃料電池的制備方法中，所述陽極支撐管用漿
料包括3040vol％金屬氧化物、10 50vol％的造孔劑、和余量的燃料電池電 解質(zhì)粉末混合物；并將以混合物總量計的15 30wt％。的蒸餾水、5 20wtW的 有機粘合劑、3 10wf％的增塑劑和1 7wt％的分散劑加入到混合物中。本發(fā)明管狀固體氧化物燃料電池的制備方法中，所述陽極支撐管的表 面修飾包括浸涂、噴涂、或真空-浸涂。
本發(fā)明管狀固體氧化物燃料電池的制備方法中，所述制備電解質(zhì)層用
漿料，包括5 20w^/。的電解質(zhì)粉末，5~10%0的分散劑、1 596o的粘合劑， 余量的去離子水。
本發(fā)明管狀固體氧化物燃料電池的制備方法中，其中制備陰極采用刷 涂的方法。
具體地說，本發(fā)明管狀固體氧化物燃料電池單電池結(jié)構(gòu)以陽極管為支 撐體，陽極管表面涂覆電解質(zhì)層，電解質(zhì)表面刷涂陰極形成單電池。陽極 支撐管采用塑性擠壓的方法制備，利用真空-浸涂的方法在修飾過的陽極支 撐體表面制備致密的電解質(zhì)層，經(jīng)過高溫燒結(jié)后，在致密電解質(zhì)層表面刷 涂上陰極層形成整個的單電池。
所述的固體氧化物燃料電池，陽極支撐管塑性擠壓成型，制備陽極支 撐體所用材料包括固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料(如YSZ，釓摻雜的 二氧化鈰)，以及可還原性的金屬氧化物。采用真空練泥技術(shù)，混煉陽極支 撐體用混合料，用擠壓機成型陽極支撐體。
當制造陽極支撐的管狀固體氧化物燃料電池時，影響生產(chǎn)效率及生產(chǎn) 成本的最重要因素是將電解質(zhì)層涂覆到陽極支撐管表面上的方法。本發(fā)明 采用的真空-浸涂方法，該方法操作簡單，并且受陽極形狀的影響比較小， 也不需要特殊價格昂貴的設(shè)備。
所述的固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)層采用真空-浸涂的方法制備。電 解質(zhì)層要跟陽極結(jié)合牢固，且薄而致密，來降低電極和電解質(zhì)之間的界面
阻抗、增長三相反應(yīng)界面。在制備電解質(zhì)層之前，對陽極支撐體進行修飾
處理是很重要的，包括對陽極支撐管的預(yù)焙燒(600 100°C)、對陽極表面 的修飾處理。
所述的管狀固體氧化物燃料電池制備電解質(zhì)之前，對陽極表面的修飾 用金屬陶瓷材料，包括不同粒度、不同含量的固體氧化物燃料電池電解質(zhì) 和可還原性金屬氧化物混合物。
所述的管狀固體氧化物燃料電池陰極層的制備，采用在電解質(zhì)表面刷 涂以纖維素(MC)為粘合助劑的陰極漿料。
本發(fā)明所述的陽極支撐管狀固體氧化物燃料電池的制備方法，使用于 各種管狀的固體氧化物燃料電池，包括圓管、扁管以及錐管狀的固體氧化 物燃料電池的制備。
圖1是構(gòu)成本發(fā)明的電解質(zhì)YSZ的SEM圖； 圖2是本發(fā)明單燃料電池的剖面SEM圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明做進一步地詳細說明，但本發(fā)明要求 保護的范圍并不限于實施方式表示的范圍。 實施例1
將NiO粉體、YSZ粉體(8%mol 丫203穩(wěn)定的Zr02,NiO/YSZ摩爾比 1:1)、分散劑、粘結(jié)劑和溶劑，混合均勻后，采用真空練泥技術(shù)，充分混 練，用擠壓機擠壓成型陽極管。室溫干燥，在1100。C焙燒處理后，采用浸 涂的方法在陽極支撐體外表面涂敷與陽極支撐體相同材料、相同組成的粉 體，粉體粒徑0.5-1.5 um。干燥后，在修飾層上，采用真空-浸涂法制備YSZ 電解質(zhì)膜，將所得的管在1450°C燒結(jié)2個小時，得到Y(jié)SZ電解質(zhì)膜的致 密層，厚度約為10um。
采用刷涂的方法制備(Lao.8Sr。.2Mn03) LSM/YSZ混合粉末的漿料、以 及含Lao.6Src.4Coa2Feo.803粉末的漿料涂在電解質(zhì)上，焙燒后獲得整個管狀的 單元固體氧化物燃料電池。
實施例2
與實施例1不同的是僅為陽極支撐管表面的修飾處理方法，進行兩層 修飾，第一層涂敷跟陽極支撐體相同材料、相同比例的粉體(NiO/YSZ摩 爾比1:1)，粉體的粒徑為0.5-1.5 um，干燥后，再涂敷另一層NiO/YSZ 粉體(重量比3 : 7)，粉體的粒徑為0.1-0.5 u m，厚度為1-5 u m。
以氫氣為燃料氣，空氣為氧化劑，在600-80(TC進行電池性能測試，開 路電壓在相同溫度下比實施例1的電池略有提高，最大輸出功率提高30%。
實施例3
與實施例2不同的是僅為固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料為釤摻雜 的二氧化鈰(SDC)，所采用的陰極材料為Smo.5Sro.5Co03。
權(quán)利要求
1. 一種管狀固體氧化物燃料電池的制備方法，包括陽極支撐管的制備、陽極支撐管的表面修飾、電解質(zhì)層的制備、陰極層的制備，其特征在于——陽極支撐管采用可還原性的金屬氧化物和陶瓷基復(fù)合材料通過塑性擠壓成型；——通過真空-浸涂的方法制備燃料電池的致密電解質(zhì)層。
2、 按照權(quán)利要求1所述的管狀固體氧化物燃料電池的制備方法，其特 征在于所述陽極支撐管用漿料包括30^60volW金屬氧化物、10 50volX的 造孔劑、和余量的燃料電池電解質(zhì)粉末混合物；并將以混合物總量計的 15 30wta/。的蒸餾水、5 20wtc/。的有機粘合劑、3-10wtr。的增塑劑和l~7wt% 的分散劑加入到混合物中。
3、 按照權(quán)利要求1所述的管狀固體氧化物燃料電池的制備方法，其特 征在于所述陽極支撐管的表面修飾包括浸涂、噴涂、或真空-浸涂。
4、 按照權(quán)利要求1所述的管狀固體氧化物燃料電池的制備方法，其特 征在于所述制備電解質(zhì)層用漿料，包括5 20wtW的電解質(zhì)粉末，5~10%o 的分散劑、1~5%0的粘合劑，余量的去離子水。
5、 按照權(quán)利要求1所述的管狀固體氧化物燃料電池的制備方法，其特 征在于其中制備陰極采用刷涂的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種管狀固體氧化物燃料電池(SOFC)的制備方法，該方法制備的管狀SOFC結(jié)構(gòu)為陽極支撐型固體氧化物燃料電池。陽極支撐管通過塑性擠壓法成型，采用真空-浸涂的方法在陽極支撐管外制備出燃料電池的致密電解質(zhì)層，再在致密電解質(zhì)層表面，通過刷涂的方法制備出燃料電池的多孔陰極。為了提高電解質(zhì)層的致密性，陽極支撐管需要先進行表面修飾處理。采用本發(fā)明的方法制備管狀固體氧化物燃料電池，可簡化固體氧化物燃料電池的制造工藝，大幅度降低固體氧化物燃料電池的制造成本，推動固體氧化物燃料電池的發(fā)展。
文檔編號H01M8/10GK101207218SQ20061013494
公開日2008年6月25日 申請日期2006年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月22日
發(fā)明者鈾 叢, 張麗敏, 楊維慎, 程謨杰 申請人:中國科學院大連化學物理研究所