[發明專利]一種SOFC電解質表面微凸結構的制備方法及其產品

有效

• 申請號: 201110276457.1
• 申請日: 2011-09-16
• 公開（公告）號: CN102412408A
• 公開（公告）日: 2012-04-11
• 發明（設計）人: 李長久;李成新;楊冠軍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 田洲

【技術領域】

本發明涉及材料加工和能源動力領域，特別涉及固體氧化物燃料電池電解質表面的結構。

【背景技術】

固體氧化物燃料電池(SOFC)具有發電效率高和環境友好的特點，而且可以直接采用氫氣、天然氣、生物質氣化氣等燃料氣體，因此受到廣泛關注。迄今研究表明可以制備出滿足電站運行要求的、功率輸出超過150kW的SOFC發電示范系統。然而，SOFC發電系統難以商業化應用的關鍵在于輸出功率密度較低與系統制造成本過高。

隨著電池結構優化與輸出功率密度水平的提高，陰極極化成為制約電池輸出性能的瓶頸。由于陰極的電化學反應只有發生在三相反應界面(氣相、電解質與電極接觸區域)，才能對電池的輸出產生貢獻，因此，對于一定的電解質和陰極材料，通過電解質/陰極界面結構設計增加有效三相反應界面長度，才能有效提高陰極性能。目前常用的方法是采用電解質與陰極材料混合制備復合陰極以提高三相反應界面長度。另一種方法是開發離子電導率和電子電導率均滿足電池性能要求的混合導體。然而，近幾十年以來尚未開發出與現有電解質體系相容性、熱膨脹性相匹配均較好，且電子與離子電導率均滿足要求的混合導體。因此，利用現有電解質材料和陰極材料，制備高性能復合陰極，是提高電池性能的關鍵。

目前復合陰極的制備，主要采用電解質顆粒與陰極顆粒混合后燒結的方法在電解質表面制備一層復合陰極層。這種復合陰極制備方法，能夠從一定程度上提高陰極性能，但提高程度有限。因為：(1)這種粉末混合方法，難以保證復合陰極中電解質顆粒與陰極顆粒分別互相聯通，復合陰極中存在許多被陰極顆粒阻隔的孤立電解質粒子和被電解質顆粒阻隔的孤立陰極顆粒，這不僅不會提高有效三相反應界面，反而阻礙電子與離子的傳輸通道。(2)這種方法在保證足夠孔隙率及其形貌要求的條件下，由于電解質顆粒與陰極顆粒熔點差異約1000℃，難以同時保證復合陰極中的電解質顆粒、陰極顆粒之間分別達到理想的化學結合。

因此，如何控制電解質表面微結構，從而控制電解質/陰極(或陽極)界面微結構，使復合陰極中電解質顆粒、陰極顆粒及其之間均有效連通，是構筑高性能復合陰極的基礎。

為此，本發明提出了在電解質與陰極或陽極接觸的表面，通過沉積陶瓷顆粒的方法來擴大電解質表面的表面積，在此微凸電解質表面制備的陰極或陽極可以顯著提高陰極或陽極中電解質與電極顆粒的接觸區域，從而提高有效反應區域，實現電極性能的提高。由于本方法涉及的微凸粒子是采用后續方法在電解質表面沉積制備的，因此，本發明可適用于包括平板和管狀SOFC在內的各種電池結構，有助于降低SOFC電極的極化、提高SOFC的輸出性能。

【發明內容】

本發明的目的在于提供一種SOFC電解質表面微凸結構的制備方法及其產品，該微凸結構是在已有電解質表面通過未融顆粒、或表面微熔顆粒或未完全熔化的半熔化顆粒沉積構筑的，通過這種方法可顯著擴大電解質表面的表面積，在此微凸電解質表面制備的陰極或陽極可以顯著提高陰極或陽極中電解質與電極顆粒的接觸區域，從而提高有效反應區域，實現電極性能的提高。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種SOFC電解質表面微凸結構的制備方法，包括以下步驟：

將陽極或陰極與電解質構成的半電池加熱至500-1000℃，采用氧乙炔火焰噴涂方法，將粒徑1-50μm的表層熔化而芯部未熔化的粒子沉積至電解質表面，粒子撞擊電解質基體后熔化部分沿電解質基體表面流動將固態芯部與電解質基體連接在一起形成電解質表面微凸結構；電解質為離子導體或質子導體，沉積粒子的導電率大于或等于電解質的導電率。

本發明進一步的改進在于：電解質及其沉積粒子為摻雜的氧化鋯基電解質或摻雜的氧化鈰基電解質。

本發明進一步的改進在于：氧乙炔火焰噴涂的工藝參數為：噴涂距離為10-50mm、乙炔流量為100-500L/h、乙炔壓力0.1-0.3MPa、壓縮空氣流量100-1500L/h、壓縮空氣壓力0.3-0.4MPa、氧氣壓力為0.3-0.5MPa、送粉速度0.5-5g/min、送粉氣流量5-15L/min、送粉氣壓力為0.3-0.4MPa。

本發明進一步的改進在于：所述沉積粒子的粒徑為1-50μm。

本發明進一步的改進在于：沉積粒子與沉積表面之間的結合率高于60％。

本發明進一步的改進在于：沉積粒子后的電解質表面積比沉積之前提高50％以上。

本發明進一步的改進在于：半電池的加熱溫度為500-1000℃。

一種SOFC電解質表面微凸結構的制備方法所制備的產品。