[發明專利]金屬支撐型氧化物燃料電池半電池的制備方法

有效

• 申請號: 202010009980.7
• 申請日: 2020-01-06
• 公開（公告）號: CN111276705B
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發明（設計）人: 朱騰龍;倪維婕;馬衛華;鐘秦
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86;H01M8/1213
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 劉海霞

本發明公開了一種金屬支撐型氧化物燃料電池半電池的制備方法。所述的金屬支撐型固體氧化物燃料電池半電池具有Ni?Fe||Ni?YSZ||YSZ結構，采用NiO和Fe₂O₃粉體作為原料，成型后在空氣中高溫燒結制備Fe₂O₃?NiO金屬氧化物支撐體基體；然后在基體上制備NiO?YSZ陽極層，并在空氣中煅燒；然后在還原性氣氛中高溫還原，獲得Ni?Fe金屬支撐體和Ni?YSZ陽極，實現基底和陽極同步收縮；最后在Ni?YSZ表面沉積YSZ電解質，在還原性氣氛下于1250±10℃煅燒，實現基體和電解質的同步收縮，獲得致密YSZ電解質和高強度、平整的金屬支撐半電池。

技術領域

本發明屬于燃料電池技術領域，涉及一種金屬支撐型氧化物燃料電池半電池的制備方法。

背景技術

燃料電池是一種直接將燃料中的化學能高效、環境友好地轉化成電能的電化學發電裝置，相比于傳統發電及電源技術，燃料電池在發電效率(～45-60％)、噪音控制和車用續航里程方面具有非常明顯的優勢。其中，固體氧化物燃料電池(SOFC)在高溫下工作(600～1000℃)，可以直接采用氫氣、合成氣、天然氣、液化石油氣、甲醇、乙醇等多種燃料高效發電。SOFC采用全固態和模塊化設計，在小型便攜式電源、車用增程電源、家用熱電聯供以及分布式發電系統等領域具有廣闊的應用前景。

制備高性能和高穩定性的單電池是實現SOFC電池堆構建以及發電系統集成的重要基礎。傳統陶瓷基的SOFC單電池具有強度低、封接難、成本高等缺點，嚴重阻礙了SOFC的商業化進程。采用金屬材料作為SOFC單電池的支撐體，可以降低成本、實現快速啟動和高效封裝，并可以顯著提高單電池機械強度，有望在中低溫(600～800℃)下實現高性能運行。因此，金屬支撐型固體氧化物燃料電池(MS-SOFC)是當前的研發熱點。

金屬支撐電池一般采用“金屬支撐體||陽極||電解質||陰極”的結構，支撐體材料包括300/400系列不銹鋼、哈氏合金以及Ni-Fe合金等，電解質一般為YSZ(氧化釔穩定氧化鋯)和GDC/SDC(氧化釓/氧化釤摻雜氧化鈰)，陽極普遍采用Ni-YSZ/GDC金屬陶瓷復合材料。由于金屬支撐體無法在空氣氣氛中高溫煅燒，MS-SOFC單電池至今仍面臨著制備工藝復雜、成本較高等技術瓶頸。目前，金屬支撐體和氧化物陶瓷電解質之間的燒結收縮率不匹配是金屬支撐型單電池發展的主要挑戰，制備金屬支撐SOFC致密電解質有如下幾種途徑：

(1)先進成膜工藝，首先制備金屬支撐體，然后采用化學沉積、電化學沉積等方法制備致密電解質。優點是金屬支撐體強度高，成型好，平整度高；缺點是技術工藝復雜且成本高、生產效率低(Tucker M C.Progress in metal-supported solid oxide fuelcells:A review[J].Journal of Power Sources,2010,195(15):4570-4582.)。

(2)傳統濕法陶瓷工藝，將支撐體的氧化物粉體與電解質在氧化氣氛中共燒結，然后再將氧化物支撐體還原為金屬。但是在還原過程中，由于金屬氧化物支撐體有巨大的收縮形變，極易導致電池變形和電解質開裂(Cho H J,KimK J,Park Y M,et al.Flexiblesolid oxide fuel cells supported on thin and porous metal[J].InternationalJournal of Hydrogen Energy,2016,41(22):9577-9584.)。

(3)傳統濕法陶瓷工藝，將支撐體的金屬粉體與電解質在還原氣氛中共燒結。但是金屬支撐體在還原氣氛中高溫煅燒收縮率遠高于電解質，導致電池變形，電解質開裂脫落，很難實現規模化制備(Y.Zhou,H.Wu,T.Luo,et al.,A Nanostructured Architecture forReduced-Temperature Solid Oxide Fuel Cells[J].Advanced Energy Materials,2015,5(11).)。