[发明专利]多层水系流延制备具有阳极功能层中温SOFC单电池的方法

说明书

本发明公开了一种多层水系流延制备具有阳极功能层中温SOFC单电池的方法，包括以下步骤：A、制备阳极层素坯膜片；B、制备阳极功能层素坯膜片；C、制备电解质素坯膜片；D、将阳极层素坯膜片、阳极功能层素坯膜片和电解质素坯膜片进行排塑和高温烧结；本发明采用多层水系流延工艺，避免了使用热压叠层工艺获得SOFC半电池，从而减少了采用热压叠层工艺中出现的因受力不均匀而发生变形，导致在高温烧结过程中，由于生坯中产生的应力，而最终出现半电池破开裂等现象。

技术领域

本发明涉及电池制作技术领域，具体为多层水系流延制备具有阳极功能层中温SOFC单电池的方法。

背景技术

燃料电池中最有应用前景之一的是固体氧化物燃料电池(SOFC)。SOFC是当今研究非常热门和前沿的新能源技术，由于其不受卡诺循环使其热电联供可达80％以上，是当今能源转换效率最高的一种转化方式，由燃料的化学能直接转化成电能，同时燃料的可多样性，使得其成为具有极大商业价值和发展潜力的能源。

为了实现SOFC的商业化，降低燃料电池的工作温度(600-800℃)势在必行。在中温固体氧化物燃料电池中，电解质的厚度必须降至10到30μm，并采用电极支撑的结构。现在倾向认为阳极支撑的结构更为可取，因为它允许烧结温度高于1300℃，以利于电解质层的致密化。因此，对阳极的微结构提出了更高的要求。一方面，阳极支撑体的电极极化和催化活性要高，保持较高的孔隙率；另一方面，阳极与电解质层的接触紧密，为了能在阳极支撑体上制备致密的电解质膜，需要阳极的孔隙均匀且细小。而传统的制备方法得到的阳极中Ni分布不均匀，晶粒大小不一，孔隙大小不均匀，阳极性能较差且在支撑体上制备致密的电解质薄膜很困难。因此，改善阳极的微结构对于提高电池性能至关重要。

同时，在阳极支撑型中温SOFC中，电池的界面电阻以及阳极的性能成为影响单电池性能的重要因素。因此提出了具有双层结构的阳极，即在多孔阳极基底上制备具有精细微观结构的阳极功能层，其中多孔阳极基底能够有利于燃料气体扩散到活性反应区，多余气体通过阳极排出，并减少阳极的浓差极化；而精细结构的阳极功能层有利于扩大阳极的三相反应界面，并减少阳极的活化极化，最终提高单电池的性能。

制备阳极功能层的方法主要包括干压法、浆料喷涂法、电泳沉积法和流延成型法等。水系流延成型法是一种简单环保并利于商业化的技术，被用于制备高致密的电解质薄膜。它也可以被用来制备具有精细结构的阳极功能层；其中，干压成型对坯体生产有困难，模具磨损大、加工复杂、成本高，其次加压只能上下加压，压力分布不均匀，致密度不均匀，收缩不均匀，会产生开裂、分层等现象。化学气相沉积法：污染环境，会排放出有害气体，沉积速率比较低，具有高的制备成本；非水系流延成型法：使用了大量有毒的有机溶剂以及添加剂等，对人体及环境都会造成一定的危害。热压叠层工艺：难以控制热压过程中的物质流动，例如对于含有三维结构的多层生坯叠片，往往会因为受力不均匀发生变形。需要精确控制热压成型的温度、保温时间、压力大小、保压时间；此外，本发明所制备的阳极、阳极功能层以及阴极为多孔结构，电解质为致密结构，各层间结合非常紧密。相比于阳极层，阳极功能层结构更为精细，孔隙和晶粒更加细小，与电解质层接触更为紧密。在氢气/空气气氛中，700℃～800℃下，具有阳极功能层的单电池开路电压均接近1.1V，与根据能斯特方程式计算出来的理论值相符合，说明电池在封接过程中或电解质上没有气体泄漏，在700℃、750℃、800℃下测试具有阳极功能层的单电池，其最大功率密度分别为：0.30W/cm²、0.55W/cm²和0.8W/cm²。

发明内容

本发明的目的在于提供多层水系流延制备具有阳极功能层中温SOFC单电池的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：多层水系流延制备具有阳极功能层中温SOFC单电池的方法，包括以下步骤：