[發明專利]一種U型中空纖維固體氧化物燃料電池的制備方法

有效

• 申請號: 201110227092.3
• 申請日: 2011-08-09
• 公開（公告）號: CN102306817A
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發明（設計）人: 王海輝;周笛雄;彭舒軍;魏嫣瑩
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 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

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，涉及能源化學電源固體氧化物燃料電池領域，具體涉及一種U型中空纖維固體氧化物燃料電池的制備方法。

背景技術

固體氧化物燃料電池（簡稱：SOFC）是一種新型的發電裝置，它能將化學能直接轉化成電能，具有能量轉換效率高、環境污染小、燃料的適應性強等優點，正日益受到廣泛研究和開發。傳統的SOFC結構主要有平板狀、管狀、瓦楞狀等，其中，中空纖維型SOFC與傳統的平板形、管狀、瓦楞狀相比，由于單位體積內的有效接觸面積大、壁薄，導致其具有體積功率密度大、高傳輸速率、易組裝成大規模電池堆、抗熱沖擊性能較強、啟動時間短、電流收集容易等優點，是未來工業應用中最具潛力和前景的一種SOFC形態。

目前常見的中空纖維SOFC多為直型，然而，在溫度變化過程中，直型中空纖維SOFC仍存在一些問題。例如常溫下，直型中空纖維SOFC的兩端同時被固定在外管上，在升溫或降溫的過程中，中空纖維的伸縮變化將增大其所受機械應力，甚至導致中空纖維電池的破損。目前通常在直型中空纖維SOFC的兩端使用兩個軟接頭以避免這種溫度變化引起的電池伸縮形變甚至破損，雖然這種軟接頭有助于直型中空纖維SOFC在實驗室測試中避免溫度變化引起的伸縮破損，但仍無法應用在工業化時的高溫高壓環境。所以，直型中空纖維電池應用于大規模的工業使用仍有一段距離。

發明內容

本發明的目的在于克服現有直型中空纖維SOFC在應用時的缺陷，提供一種高機械強度、易于高溫密封的U型中空纖維SOFC的制備方法。本發明的U型中空纖維SOFC的雙腳端可以通過高溫密封膠固定在剛玉管上，其U型端則可以在溫度升降的過程中自由伸縮，不受任何物理限制，在根本上解決了高溫密封問題，并可以避免在溫度變化中電池伸縮引起的破損。

本發明目的通過如下技術方案來實現：

一種U型中空纖維固體氧化物燃料電池的制備方法，包括如下步驟：

（1）將聚乙烯吡咯烷酮溶解在N-甲基吡咯烷酮中，加入聚醚砜，攪拌至溶解，加入陽極材料粉體，攪拌10~20h，得到混合均勻的紡織液；向紡織設備的水槽中注入去離子水，將紡織液注入紡織設備的反應罐中，抽真空0.5~2h后，在壓強為80~120kPa的N₂驅動下，紡織液通過噴絲頭成型并進入水槽中，在去離子水中放置24~72h得到管狀的中空纖維固體氧化物燃料電池陽極生胚；

所述聚乙烯吡咯烷酮、N-甲基吡咯烷酮和聚醚砜的質量比為1:（20~50）:（6~20），所述陽極材料粉體與聚乙烯吡咯烷酮、N-甲基吡咯烷酮和聚醚砜三者的質量之和的比值為1:（0.5~2）；

（2）將步驟（1）得到的管狀的中空纖維陽極生胚按10~20cm剪切，干燥12~36h，在馬弗爐中以0.3~1℃/min的升溫速率將爐溫升至900~1000℃后煅燒2h，冷卻后再在管式爐中用吊式燒結法于1200~1300℃煅燒1~4h，得到U型中空纖維固體氧化物陽極支撐體；

（3）將電解質粉體加入到有機溶劑中，球磨15~30h得到電解質漿料，將步驟（2）得到的U型中空纖維固體氧化物陽極支撐體浸涂到電解質漿料中，重復浸涂5~10次，每次浸涂時間為5~20s，每次浸涂后在空氣中自然干燥，浸涂結束，晾干后在600~700℃煅燒1~3h，再以1~3℃/min的升溫速率將溫度升至1400~1500℃，燒結3~5?h，冷卻，得到致密的U型中空纖維固體氧化物燃料電池電解質層；

（4）將復合陰極粉體加入有機溶劑中，球磨15~30h得到陰極刷涂液，將陰極刷涂液均勻刷涂在步驟（3）得到的U型中空纖維固體氧化物燃料電池電解質層上，重復刷涂3~6次，每次刷涂后在空氣中自然干燥20~40s，刷涂結束，于空氣中自然干燥，得到復合陰極層；

（5）將陰極集流粉體加入有機溶劑中，球磨15~30h得到陰極集流液，再將陰極集流液均勻刷涂在步驟（4）得到的復合陰極層上，重復刷涂3~6次，每次刷涂后在空氣中自然干燥20~40s，刷涂結束，于800~1100℃煅燒1~3h，冷卻，得到U型中空纖維固體氧化物燃料電池。

本發明步驟（1）中，所述陽極材料粉體為氧化鎳和電解質粉體的混合物，所述電解質粉體在混合物中的質量百分含量為40~60%；所述電解質粉體為釔穩定的氧化鋯、釓摻雜的氧化鈰或鑭鎵基鈣鈦礦型氧化物。

本發明步驟（2）中，所述干燥為懸掛干燥，即在重力條件下，在干燥空氣中自然干燥。