[发明专利]一种固体氧化物燃料电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池的制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是采用固体氧化物电解质为隔膜，通过电化学反应将燃料的化学能直接转换为电能的一种发电技术。在所有的燃料电池中，固体氧化物燃料电池是已发现的由燃料化学能直接转化为电能的最有效的装置。SOFC的应用相当广泛，几乎涵盖所有传统电力市场，包括住宅用、商业用、工业用/现场型发电机，以及公共事业用发电厂等，甚至还可应用于便携式电源、移动电源、偏远地区用电及高品质电源等，其中以静置型的商业用电源、工业用热电联供系统及小型电源市场前景较为看好。

目前广泛使用的性能比较好的SOFC阳极材料主要是Ni/8YSZ（ 氧化钇稳定的氧化锆）金属陶瓷。由于SOFC阳极需要提供燃料气体的运输通道，故阳极结构应为多孔疏松；并且阳极中的Ni粒子在高温下容易烧结团聚，且异常长大，这会降低SOFC的三相界面长度，所以应降低阳极的烧结温度。然而阳极和8YSZ电解质处于共烧，降低阳极的烧结温度势必会影响电解质的致密度，从而影响电解质的离子传导。为了保证电解质的致密度，通常阳极和电解质的共烧温度需达到1400^oC以上。因此，在保证8YSZ电解质致密度的前提下若能降低共烧温度，就能有效提高阳极性能，同时节省大量能耗。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种固体氧化物燃料电池的制备方法，旨在提供一种新的半电池生坯成型方法，有效提高8YSZ电解质的成型密度，进而在保证8YSZ电解质致密度的前提下降低共烧温度，提高单电池的电化学性能。

为了实现上述的技术目的，本发明的技术方案为：

一种固体氧化物燃料电池的制备方法，其包括以下步骤：

1）按质量比4:6:1称取NiO、8YSZ和石墨为阳极原料，以乙醇为研磨介质，将阳极原料混合并充分研磨24小时后干燥制成阳极粉；

2）称取一定量的阳极粉放入模具中压平，作为半电池的阳极层；

3）称取一定量的8YSZ纳米粉体，加入其重量10-30%的去离子水，于研钵中充分研磨均匀制得电解质原料，然后将电解质原料均匀地覆盖在步骤2）所述的模具中的半电池阳极层上方；

4）在100℃-150℃温度下施加200-400Mpa压力压制成型，保压20-40分钟，得到半电池生坯；

5）将上述半电池生坯置于马弗炉中，于1150-1350℃温度下烧结3.5-4小时，然后自然冷却至室温，得到半电池；

6）将上述半电池用丝网印刷的方式涂上阴极，并置于马弗炉中于1050-1100℃烧结2-2.5h得到单电池，即所述固体氧化物燃料电池。

进一步，所述步骤2）称取的阳极粉与步骤3）称取的8YSZ纳米粉体的质量比为0.25-0.3∶0.02。

优选的，所述步骤2）称取的阳极粉与步骤3）称取的8YSZ纳米粉体的质量比为0.3∶0.02。

所述步骤2），对阳极粉施加50MPa的压力将其压平。

所述步骤3），8YSZ纳米粉体的粒径为20nm。

所述步骤6），阴极材料由LSCF和8YSZ按质量比为7:3组成。

所述步骤6）得到的固体氧化物燃料电池，其阳极的厚度为500-800μm，阴极的厚度为50-80μm，电解质的厚度为20-30μm。

本发明采用以上技术方案，固体燃料电池由阳极、阴极及电解质组成，其中阳极为NiO、8YSZ和石墨混合物组成的复合多孔结构，电解质为致密8Y-ZrO2（8YSZ）离子导电层，阳极层和电解质层经低压的模压成型后，在100-150℃下施加200-400MPa压力压制成型，然后在1150-1350℃温度下共烧形成半电池，再通过丝网印刷涂覆阴极组成单电池。

研究发现，生坯密度对8YSZ电解质的烧结特性和电学性能有极大的影响，因此提高8YSZ电解质的生坯密度，对制备高性能SOFC电池具有很大的促进作用。本发明通过在8YSZ纳米粉体中加入一定比例的去离子水，在设定温度和压力下成型，可以得到成型密度很高的8YSZ电解质层生坯。与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）通过本发明方法获得8YSZ生坯密度达到70%以上，其在1200℃下烧结后的致密度与传统1400℃下致密度相当。和电解质共烧的阳极在1200℃下烧结后，晶粒尺寸大大降低，且无烧结团聚现象。

（2）电解质层生坯密度的提高使阳极/电解质共烧温度范围大大拓宽，提高了生产工艺的灵活度。