[发明专利]一种低温固体燃料电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体燃料电池领域，尤其涉及一种低温固体燃料电池的制备方法。

背景技术

固体燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化成电能的全固态化学发电装置，具有能源转换效率高和对环境污染少的优点，因此固体燃料电池是新能源领域重点发展的功能材料之一。针对固体燃料电池的研究已经有几十年，使用最为普遍的固体燃料电池是氧化钇稳定的氧化锆，其工作温度为800～1000℃，输出功率密度为0.6～1W/cm²，在固定电站领域和移动电源领域已经得到部分应用，但由于受到高工作温度的限制，这种高温固体燃料电池很难得到更为广泛的商业化应用。

近些年来，科研人员研发出了可在较低温度(典型工作温度为300～600℃)下输出高功率的固体燃料电池，这种固体燃料电池被称为低温固体燃料电池或低温固体氧化物燃料电池。例如：B.Zhu等研发出了掺杂氧化铈、钙钛矿陶瓷的低温固体燃料电池，这种电池的试样可在550℃下输出0.8W/cm²的功率；S.Tao等人研发出了由LiFeO₂与LiFeO₂复合而成的低温固体燃料电池，在650℃下使用氢气作为燃料时，这种电池的试样可以获得0.5S/cm的高离子电导率。目前，科研人员已经探明了这种低温固体燃料电池的工作机理，其研究结果表明：获得致密的具有纳米或亚微米晶粒微观结构的复合陶瓷层结构是保障这类低温固体燃料电池高离子电导率和高功率性能的基础。

在现有技术中，这种低温固体燃料电池的制备方法尚不成熟。例如：吴艳等人发明了一种低温固体燃料电池的快速成型方法，它是将赤铁矿粉末压制成陶瓷片，该陶瓷片包含阴极、中间层和阳极三层，在一定高温下烧结后就可以形成电池片；朱斌等人采用类似方法将钴镍铝和氧化铈粉末直接混合压制并烧结从而形成电池片，该电池片具有纳米微观结构，在300～600℃输出功率可达0.3～1W/cm²。现有的这些低温固体燃料电池的制备方法均是采用将原料粉末压制并烧结的方式制成电池片，不仅成品率差、制备效率低，而且所制得电池的内部微观结构不易控，很难满足工业生产和市场应用的需求。

发明内容

为了解决现有低温固体燃料电池制备方法中存在的成品率差、制备效率低、所制得的电池内部微观结构不易控等技术问题，本发明提供了一种低温固体燃料电池的制备方法，不仅所制得的电池内部微观结构容易控制，而且成品率好、制备效率高，能够实现工业级生产。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种低温固体燃料电池的制备方法，包括：以多孔泡沫金属为基材，并在基材的表面由下向上依次制备底部涂层、中间涂层和顶部涂层，从而形成低温固体燃料电池；其中，所述底部涂层和所述顶部涂层的涂层材料均采用低温固体燃料电池电极材料，而所述中间涂层的涂层材料采用低温固体燃料电池电解质材料。

优选地，基材的表面先进行清洗和粗糙化处理，使表面粗糙度Ra为5～80μm，然后再在该基材的表面由下向上依次制备底部涂层、中间涂层和顶部涂层。

优选地，在基材的表面制备底部涂层包括以下步骤：将基材置于气压值为0.01～100mbar的低气压环境中，并利用等离子喷枪的等离子焰流对基材的表面进行加热，等离子喷枪所使用的燃气为氩气、氦气、氮气、氢气中的至少一种，燃气的总流量为20～200NLPM；当基材的表面温度达到300～1000℃后，调整等离子喷枪的功率为30～70kW，等离子喷枪与基材之间的距离为300～800mm，然后向等离子焰流中加入粉末状低温固体燃料电池电极材料，送粉速率为10～200g/min，粉末状低温固体燃料电池电极材料被加热并被喷射到基材的表面形成底部涂层，直至底部涂层的厚度达到10～100μm，停止向等离子焰流中加入粉末状低温固体燃料电池电极材料，从而完成在基材的表面制备底部涂层。

优选地，在底部涂层的表面制备中间涂层包括以下步骤：待底部涂层制备完成后，继续在气压值为0.01～100mbar的低气压环境中，利用等离子喷枪的等离子焰流对底部涂层的表面进行加热，燃气的总流量为50～300NLPM，等离子喷枪的功率为50～180kW，等离子喷枪与基材之间的距离为600～1100mm；向等离子焰流中加入粉末状低温固体燃料电池电解质材料，送粉速率为10～200g/min，粉末状低温固体燃料电池电解质材料被加热并被喷射到底部涂层的表面形成中间涂层，直至中间涂层的厚度达到10～100μm，停止向等离子焰流中加入粉末状低温固体燃料电池电解质材料，从而完成在底部涂层的表面制备中间涂层。