[发明专利]单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）是新一代能源技术。它可以直接把燃料的化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制，大大提高了能量转化效率。SOFC由阳极、电解质和阴极组成。目前，SOFC研究的热点和重点问题是如何降低电池的运行温度，同时还能保证较高的功率输出。为降低运行温度，阳极支撑型薄膜SOFC的概念被提出。采用此结构的SOFC，电解质以薄膜的形式依附于阳极支撑体上，可大大降低电解质的欧姆电阻，将电池的运行温度降低200℃以上。如何获得阳极/电解质膜二合一成为制备阳极制成型SOFC的关键技术。目前，已有的关于注浆法在SOFC制备方面的专利和报道如下：专利号为ZL99108725.9的中国发明专利公开了采用石膏模注浆法制备氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）电解质薄管的方法；专利号为ZL00118916.6的中国发明专利公开了一种真空辅助的石膏模注浆制备YSZ电解质膜管的技术，真空辅助可提高管坯体的密度，便于后期的烧结致密并提高膜管的机械强度；专利号为ZL03109621.2的中国发明专利公开了利用石膏模注浆制备锰酸镧（LSM）自支撑管的方法。以上的注浆法都属于传统方法，即通过注浆只能得到单层管状坯体，如YSZ管或LSM管，之后对坯体进行烧结，获得SOFC的单一组件如电解质管或者阴极管，要构成SOFC的单电池，还必须制备阳极/电解质/阴极三层结构的其他两部分，如在电解质管的基础上进一步制备阳极和阴极，或在LSM支撑管基础上制备电解质薄膜和阳极，然后再经过烧结才能获得完整的阳极/电解质/阴极三合一电池组件。以ZL99108725.9中的方法为例，在注浆－烧结获得YSZ管之后，需要在管内外壁分别制备阳极和阴极，由于阴极和阳极的烧结温度不同，因此还需要烧结两次方能完成电池的制备流程。因此，整个流程中包括注浆、YSZ管预烧结、阳极涂布、阳极烧结、阴极涂布、阳极/YSZ管/阴极共烧结。整个工艺流程中包括注浆、两次电极涂布和三次烧结过程，制备工艺复杂。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有传统注浆工艺中，单次注浆仅能制备得到SOFC的阳极、电解质或者阴极，导致SOFC的制备工艺复杂的问题，本发明提供了一种单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法。

本发明单次注浆制备固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构的方法是通过以下步骤实现的：一、浆料的制备：将NiO粉末与固体电解质粉末按质量比为（0.2~5）:1的比例混合，然后再加入阿拉伯树胶和水，再球磨0.25~24h得浆料，其中，阿拉伯树胶的质量是NiO粉末与固体电解质粉末总质量的1%~20%，水的质量是NiO粉末与固体电解质粉末总质量的0.3~5倍，NiO粉末的粒径为1～50微米，固体电解质粉末的粒径为50～800nm；二、阳极/电解质双层结构的制备：将步骤一得到的浆料注入仅底部为石膏的平底模具中，静置5~15h得坯体，再将坯体置于1000~1500℃的温度下保温烧结3~8h，即得到固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构。

本发明提出一种新型的注浆技术，突破了传统注浆技术通过一次注浆仅能获得单层坯体的限制，通过单次注浆制备得到了固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构。首先在浆料中加入阿拉伯树胶作为分散剂，球磨后得到NiO粉末与固体电解质粉末分散均匀的浆料，然后利用浆料中固体颗粒的沉降速度不同，沉降速度快的组分（NiO）先沉积（为阳极层），沉降速度慢的组分（固体电解质）后沉积（为电解质层），通过一次注浆便可获得阳极/电解质膜二合一的双层坯体（下层是NiO/固体电解质阳极支撑体，最上层是固体电解质薄膜），阳极和电解质膜之间界限分明，再经高温（1000~1500℃）烧结之后得到多孔的阳极支撑体和致密的电解质薄膜层结合良好的阳极/电解质双层结构，可用于制作单体固体氧化物燃料电池SOFC。

本发明步骤一的NiO粉末在与固体电解质粉末混合前，可以在600~1100℃的温度下预烧2~5h。对NiO粉末进行预烧，可以调整NiO粉末的粒径，使之与固体电解质粉末的沉降速度差异变大，更有利于得到成分分布特征明显、分层良好的坯体，再经高温烧结得到双层结构更为明显、性能更佳的固体氧化物燃料电池阳极/电解质双层结构。

本发明步骤二中使用仅底部为石膏的平底模具，使浆料中的水仅被底面的石膏所吸收，则浆料中的水分在垂至于底面的方向上向模具底面运动，同时使沉降速率快的NiO粉末的沉降速率加快，有利于得到成分分布特征明显、分层良好的坯体。