[發明專利]一種梯度結構和孔隙陽極及制備方法和電池

有效

• 申請號: 202111034259.4
• 申請日: 2021-09-03
• 公開（公告）號: CN113948732B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 趙金保;張彥杰;寇聰聰
• 申請（專利權）人: 嘉庚創新實驗室
• 主分類號: H01M8/0245
• 分類號: H01M8/0245;H01M8/023;H01M8/0236;H01M8/10
• 代理公司: 廈門市首創君合專利事務所有限公司 35204
• 代理人: 張松亭;陳丹艷

本發明公開了一種梯度結構和孔隙陽極及制備方法和電池。所述陽極依次設置為外層、過渡層和內層；所述外層分布有纖維孔，所述過渡層中分布有纖維孔、球孔以及二者連通的孔，所述內層中分布有球孔；所述纖維孔的孔徑小于所述球孔，所述外層、過渡層、內層的孔隙率依次減小。采用該梯度結構和孔隙陽極的固體氧化物燃料電池，在保證單電池有足夠的機械強度的同時，利用梯度結構和孔隙陽極有效降低電池濃差極化，從而優化電池性能。同時，本發明提出一種采用非水基流延脫膜和高溫共燒結相結合的技術制備梯度結構和孔隙陽極的固體氧化物燃料電池的方法，有利于固體氧化物燃料電池技術的應用和產業化發展。

技術領域

本發明屬于固體氧化物燃料電池技術領域，具體涉及一種梯度結構和孔隙陽極及其制備方法和電池。

背景技術

隨著世界范圍內的研究與開發集中于低排放，可持續且具有成本效益的新能源，燃料電池成為一種有潛力的研究方向。固體氧化物燃料電池，燃料電池是電化學裝置，可通過燃料氧化高效地將化學能轉化為電能，同時減少氧化劑的量。

相比于其他類型燃料電池，固體氧化物燃料電池(SOFC)具有高能量轉換效率、燃料靈活性、高質量廢熱、全固態結構、高功率密度、低溫室氣體排放、低噪音和環境影響等諸多優點。SOFC由電極(陽極和陰極)和電解質組成。陽極接收燃料，陰極接收氧化劑，而電解質則允許氧化物離子或質子通過。SOFC通常在高溫(600℃)下工作，與傳統火力發電廠的整體效率不超過35％相比，它的發電效率超過60％，是發電效率最高的燃料電池。此外，SOFC的燃料靈活性特別是大多數碳質燃料內部重整的能力以及熱電聯產的前景使其成為新能源研究領域的重要研究方向。

SOFC是一種通過電化學催化反應將化學能(主要是氫)直接轉化為電能的裝置。與大多數其他種類的燃料電池不同，SOFC不需要昂貴的催化劑。SOFC采用固體氧化物作為電解質。固體氧化物高溫下具有傳遞氧離子的能力，在電池中起傳遞氧離子和分離空氣、燃料的作用，在陰極上氧分子得到電子被還原成氧離子。氧離子在電位差和氧濃度差驅動力的作用下，通過電解質中的氧空位定向躍遷，遷移到陽極三相界面處與燃料發生氧化反應。

SOFC可以采用陽極支撐，電解質支撐和陰極支撐，采用哪種方式取決于將哪一層用作機械支撐。在電解質支撐的SOFC中，電解質是最厚的成分(150μm)，而陽極和陰極非常薄(約50μm)，導致較高的阻抗。因此，目前的大多數研究工作都集中于高工作溫度下的電解質支撐的SOFC的應用。在電極支撐的SOFC中，陰極或陽極這兩個電極之一是最厚的組件(約1mm)和支撐結構。這降低了阻抗，使設計更適合在較低溫度下運行。該系統稱為“中溫固體氧化物燃料電池”(IT-SOFC)。與陽極支撐的SOFC相比，陰極支撐的SOFC具有多種優勢，例如低成本的陰極支撐材料，并且在使用烴類燃料運行時，較薄的陽極可防止碳沉積。然而，陰極與電解質和陽極的燒結溫度有很大區別，很難在陰極的基礎上制備電解質和陽極，所以目前主要的研究都集中于陽極支撐的SOFC。但是，陽極支撐的SOFC需要較厚的陽極，陽極多孔電極中需要傳輸氫氣和水蒸氣，而較厚的陽極不利于氣體的傳輸，從而會產生較大的濃差極化，導致電池性能下降。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足之處，提供了一種梯度結構和孔隙陽極及其制備方法和電池，解決了上述背景技術中陽極支撐SOFC存在的問題。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案之一是：提供了一種梯度結構和孔隙陽極，依次設置為外層、過渡層和內層；所述外層分布有纖維孔且部分纖維孔延伸至外層表面，所述過渡層分布有纖維孔、球孔以及二者連通的孔，所述內層分布有球孔；所述外層、過渡層、內層的孔隙率依次遞減。

在本發明一較佳實施例中，所述纖維孔的孔徑為5-15μm，所述球孔的孔徑為10-60μm，所述外層、過渡層、內層的孔隙率依次為35％-45％、25％-35％、15％-25％。

在本發明一較佳實施例中，所述外層的厚度為150-350μm；所述過渡層的厚度為50-250μm；所述內層的厚度為200-400μm。