[發(fā)明專利]一種陰極支撐的管式固體氧化物燃料電池的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910046969.1
• 申請日: 2009-03-04
• 公開（公告）號: CN101577340A
• 公開（公告）日: 2009-11-11
• 發(fā)明（設計）人: 趙春花;王紹榮;劉仁柱;王振榮;錢繼勤;聶懷文
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領域

本發(fā)明屬于固體氧化物燃料電池制造技術(shù)領域，特別涉及陰極支撐管式固 體氧化物燃料電池的制備方法。

背景技術(shù)

固體氧化物燃料電池(SOFC)是將燃料中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學 裝置，具有高效率、低污染、無噪聲等特點，它可以為民用、商業(yè)、軍事和交 通運輸?shù)忍峁└哔|(zhì)量的電源。這一技術(shù)的成功應用對于緩解能源危機、滿足對 電力數(shù)量和質(zhì)量的需求、保護生態(tài)環(huán)境和國家安全都具有重大的意義。

當前，SOFC最重要的兩種結(jié)構(gòu)類型為管型和平板型。管式SOFC的主要 特點是不涉及高溫密封這一技術(shù)難題，且管式結(jié)構(gòu)具有較強的抗應力特征，易 于實現(xiàn)冷熱循環(huán)，因此越來越受到廣泛的重視。按支撐方式，管式電池又分為 陰極支撐和陽極支撐兩種。相對于陽極支撐的管式SOFC，陰極支撐的管式 SOFC(Cathode-supported?tubular?SOFC，CTSOFC)在氧化還原過程中引起 的體積膨脹與收縮小，因此電池的穩(wěn)定性高；CTSOFC的最外層為陽極，處在 還原性氣氛下，利用導電的鎳氈很容易將單電池組成電堆。因此，CTSOFC被 普遍認為是最早可以實現(xiàn)商業(yè)化的結(jié)構(gòu)類型。這也是西門子-西屋電力 (Siemens?Westinghouse?Powder，SWP)公司首選陰極支撐結(jié)構(gòu)的原因。 SWP公司通過實例驗證了陰極支撐管型SOFC電堆系統(tǒng)在技術(shù)上完全可替代火 力電站的可能性，開發(fā)的電堆系統(tǒng)運行長達八年以上，經(jīng)過室溫至1000℃數(shù) 百次熱循環(huán)，性能無明顯衰減。

成本是限制CTSOFC商業(yè)化的關鍵問題，以目前國際上管式電池單管制備 最為先進和成熟的SWP公司為例，單管制備步驟如下[J.Power?Sources，131 (2004)，79-85]：以摻雜LaMnO₃為基體的陰極支撐體通過擠出法成型，燒結(jié) 后用電化學氣相沉積法(EVD)在陰極外層制備40μm厚的致密YSZ(Yttria stabilized?zirconia)電解質(zhì)；通過兩步操作在電解質(zhì)外面沉積100-150μm厚 的Ni/YSZ金屬陶瓷陽極，首先將含Ni漿料涂覆在電解質(zhì)外面，然后通過EVD 方法讓YSZ在含Ni顆粒周圍生長。從上面可以看出，SWP公司電池單管制作 過程非常復雜，特別是電解質(zhì)和陽極的成型過程，需要昂貴的儀器，因此成本 非常高。盡管SWP公司電池堆在技術(shù)上已經(jīng)達到了非常高的水平，但其高昂的 成本無法商業(yè)化。如何降低陰極支撐管式電池的制作成本是目前迫切需要解決 的問題。

降低電池成本的目標可以通過低成本的成型工藝和共燒結(jié)方法來實現(xiàn)。在 共燒結(jié)方法方面，需要克服電解質(zhì)膜致密化的困難。陰極和電解質(zhì)材料在高溫 下會發(fā)生化學反應，以常見的陰極材料LSM和電解質(zhì)材料YSZ為例，兩者在 1250℃以上共燒會生成高電阻相La₂Zr₂O₇或者SrZrO₃，而YSZ一般需要 1300℃以上燒結(jié)溫度才可以實現(xiàn)致密化。解決問題的關鍵一方面是采用A位 缺位的LSM，它可在一定程度上提高與YSZ的相容性。另一方面，電解質(zhì)的致 密化既與電解質(zhì)自身燒結(jié)活性有關，同時支撐體的收縮率也對電解質(zhì)致密化起 很大作用。以陰極作為支撐體的電池，因陰極厚度遠大于電解質(zhì)層，在燒結(jié)過 程中，陰極的收縮決定了電池單管的收縮。陰極具有較大的收縮可以帶動電解 質(zhì)在較低的溫度下實現(xiàn)致密化。因此，制作具有較大收縮率的陰極支撐體有可 能實現(xiàn)陰極和電解質(zhì)的共燒結(jié)。

本發(fā)明將一種新穎的成型方法用于陰極支撐管式電池素坯的制作，通過陰 極/電解質(zhì)/陽極共燒結(jié)的方式，在多孔陰極支撐體上在較低溫度下實現(xiàn)了電解 質(zhì)的致密化，而沒有引起電解質(zhì)與陰極發(fā)生反應。這種方法工藝簡單，對陰極 支撐管式SOFC規(guī)模化生產(chǎn)具有廣闊的市場前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)缺陷，提供一種CTSOFCs的制備方法。

本發(fā)明提供了一種CTSOFCs的制備方法，該成型方法工藝簡單，制造成本 低廉包括各功能層漿料的配制、素坯的成型、燒結(jié)等過程，其特征在于：

(1)各功能層漿料配制：漿料的配制經(jīng)兩步球磨得到，首先將各功能層粉體 中加入有機溶劑、分散劑、造孔劑球磨混合1-2h；然后加入粘結(jié)劑、增塑劑繼 續(xù)球磨混合2-3h，抽真空處理后，得到各功能層漿料。