[发明专利]一种高强度超薄阳极支撑型固体氧化物燃料电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池的制备方法。 

背景技术

燃料电池是将化学能直接转化为电能的电化学能量转化装置。从原理上讲，燃料电池不受卡诺循环限制，与传统热机相比，具有能量转化效率高(可达50％～60％)和环境友好(即很低的NO_x、SO₂和噪音排放)等优点。早在内燃机问世之前(1842年)，英国的William Grove就展示了世界上第一台以稀硫酸为电解质，H₂、O₂为燃料的电化学电能转化装置。然而到本世纪50年代之前，由于电极过程动力学理论的落后以及在19世纪后期内燃机这种相对简单的能量转化装置的问世和迅速发展，燃料电池的发展一直处于停滞状态。到本世纪中叶，在宇航工业发展的推动下，常温氢氧燃料电池技术有了长足的发展。由于当时这类燃料电池系统造价昂贵，只在航天、军事等特殊场合应用。近年来，由于矿物资源的日趋贫乏和保护生态环境日益受到重视，人们迫切希望发展高效的既可节省有限矿物资源同时又可减少CO₂排放的环境友好发电技术。燃料电池发电技术正好满足以上要求，重新受到人们的重视。燃料电池从第一代碱性燃料电池(AFC)开始已经发展到今天的第五代离子膜燃料电池(PEMFC)。除了AFC电池外，第二代磷酸电池(PAFC)，第三代熔融碳酸盐电池(MCFC)，第四代固体氧化物电池(SOFC)和第五代PEMFC电池各有其优点，目前都正在向商业化发展。和其它燃料电池不同，在SOFC中，采用固体氧化物氧离子(O^2-)导体(如最常用的Y₂O₃稳定的氧化锆，简称YSZ)作电解质起传递O^2-和分离空气、燃料的双重作用。这类氧化物由于掺杂了不同价态的金属离子，为了保持整体的电中性，晶格内产生大量的氧空位。在高温下(＞750℃)，这类掺杂氧化物具有足够高的O^2-离子导电性能。由于采用这种高温氧化物固体电解质，和其它类型的燃料电池相比，SOFC具有许多显著优点。比如，由于是全固体的电池结构，避免了使用液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题；高的工作温度(900～1000℃)，使电极反应过程相当迅速，无须采用贵金属电极，因而电池成本大大下降；同时高温工 作电池排出的高质量余热可充分利用，既可用于取暖也可与蒸汽轮机联用循环发电，能量综合利用效率可从单纯60％电效率提高到80％以上。最突出的优点是燃料适用范围广，不仅可以用H₂、CO等燃料，而且可直接用天然气、煤气化气和其它碳氢化合物作为燃料。虽然早在1937年Baur和Preis研制出第一台固体氧化物燃料电池演示实验装置，然而到了80年代初固体氧化物燃料电池才迅速发展起来。目前大多数SOFC的研制开发工作均在发达国家的科研机构或大公司研究所里进行，其中美国、欧洲和日本在SOFC的研究方面进展最为迅速，居世界领先水平。从事平板式SOFC研制的有德国Jülich、日本富士公司，澳大利亚陶瓷燃料电池有限公司(CFCL)及丹麦的Ris国家实验室等。德国Jülich目前研制的平板式SOFC电池功率已超过10kW。Ris的工业联合体Topsoe Fuel Cell和Wrtsil于2006年9月报道了4kWe的SOFC电池堆，电池堆运行了2000小时，有效运行时间大于80％，衰减率在1％/1000h。以中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院大连化学物理研究所、中国科学技术大学、吉林大学、清华大学等单位为代表，相续开展了固体氧化物燃料电池研究。前能够应用于SOFC的制备工艺主要包括高温烧结、气相沉积、真空等离子喷涂、流延法、丝网印刷、溶胶凝胶法和溅射等方法。 

美国专利公开号为US5589017和US5788788的申请案公开了一种通过多层流延法制备半电池结构；再在半电池上涂上阴极得到固体氧化物燃料电池的单电池。 

国际专利公开号为WO0052780和美国专利公开号US2003211381、US6589680、US2001029231的申请案等公开了一种通过流延法制备电解质支撑，在电解质支撑体上分别涂上阳极和阴极即得到SOFC的单电池。 

美国专利公开号为US2003186101和欧洲专利公开号为EP1353394的申请案公开了一种通过光刻腐蚀法制备多孔YSZ阳极支撑，再使用电化学沉积法制备正负极，制得氧化物燃料电池的单电池。