[发明专利]一种大尺寸管式固体氧化物燃料电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大尺寸管式固体氧化物燃料电池及其制备方法，属于燃料 电池制造技术领域。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是将化学能直接转化为电能的高效全固态电 化学能量转换装置，被认为是继磷酸型燃料电池(PAFC)和熔融碳酸盐燃料电 池(MCFC)之后的第三代发电装置。固体氧化物燃料电池以其全固态结构，无 腐蚀、无泄漏，高效率，可模块化设计，和燃料适用范围广等优点，以及适于 热电联产(效率可达70％-80％)的特点，成为燃料电池技术中的热点和重点。 固体氧化物燃料电池主要有平板式和管式两种结构，与平板式固体氧化物燃料 电池相比，管式固体氧化物燃料电池的优点是密封容易，抗热震能力强，对负 载反应迅速，规模容易放大，是一种可能最早实现商业化的结构形式。

管式固体氧化物燃料电池的成型工艺是控制其成本的关键。目前，国际上 管式固体氧化物燃料电池主要以阴极作为支撑体，采用挤出法成型，电解质和 阳极采用EVD或等离子喷涂(plasma Spraying)的方法成型，其使用的设备 复杂，工艺要求高，制造成本高。

西安交通大学的李长久等人于2003年申请了专利“一种管式高温固体氧化 物燃料电池的制备方法”，公开号CN1438722A；该项现有技术介绍了一种高温 管式固体氧化物燃料电池的制备方法，金属陶瓷支撑管通过喷涂成型或注浆烧 结并结合后处理的方法制备，金属陶瓷支撑管外通过喷涂的方法制备出燃料电 池的阳极层、电解质层和阴极层。但是该方法制备的电解质层不够致密，需对 喷涂后的电解质层进行致密化处理；因此，该发明并没有使管式固体氧化物燃 料电池的制备工艺得到简化，制作成本依然比较高。

中国科学院上海硅酸盐研究所王绍荣等人于2005年申请了专利“浸渍成型 管式固体氧化物燃料电池的方法”，公开号为CN1700494A；该发明介绍了利 用单一的浸渍法来成型管式固体氧化物燃料电池的技术；其管式固体氧化物燃 料电池以金属陶瓷为支撑体，在其外侧连续浸渍电解质层和阴极层，阳极/电解 质实现了共烧结，简化了成型工艺，降低了成本。

但是该发明是先预烧阳极再浸渍电解质，然后电解质与阳极共烧结，使得 共烧温度较高，阳极孔隙率较低；该发明设计的三层电池结构因为阳极需要同 时兼顾机械强度，不能充分突出电化学性能方面的优势，因而限制了电池性能； 此外，该发明也没有解决大尺寸管式固体氧化物燃料电池在烧结过程中的弯曲 变形等问题；因此该发明仅适于制备小尺寸的管式固体氧化物燃料电池。目前， 大尺寸管式固体氧化物燃料电池的制备是研究的热点问题。急需解决高性能电 池的低成本制备技术。

发明内容

本发明针对上述存在的问题，提出一种简单实用而且具有良好电化学性能 的大尺寸管式固体氧化物燃料电池及其制备方法；实现了阳极/电解质的共浸 渍、共烧结，降低了共烧结温度，提高了电池性能；通过向素坯管中填充可燃 烧有机物，解决了大尺寸管式固体氧化物燃料电池在烧结过程中的弯曲变形等 问题。

为实现以上目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

大尺寸管式固体氧化物燃料电池，由3-5层功能层组成，即在传统的由内 到外依次为支撑阳极层，固体电解质层，活性阴极层的基础上，在支撑阳极层 与固体电解质层之间增加活性阳极层和/或在活性阴极层外增加收电阴极层来 提高电池的性能。通过其中，支撑阳极选自NiO-YSZ、NiO-SSZ、NiO-GDC、 NiO-SDC中的一种或者几种，支撑阳极层厚度500-2000μm，提供足够的强 度和电导率；

活性阳极选自NiO-YSZ、NiO-SSZ、NiO-GDC、NiO-SDC中的一种或者 几种，活性阳极层厚度10-30μm，活性阴极选自LSM、LSCF、BSCF、LBSM 中的一种或者几种与电解质的混合粉体，活性阴极层厚度10-30μm，活性阳极 层和活性阴极层通过增加三相界面的长度来改善电化学性能；固体电解质选自 YSZ、SSZ、GDC、SDC中的一种或者几种，电解质层厚度5-30μm，提供氧 离子导电性并分隔燃料气和氧化气；收电阴极选自LSM、LSCF、BSCF、LBSM 中的一种或者几种，收电阴极层厚度20-80μm，提供足够的电子电导率；这些 功能层均采用单一的浸渍法来完成；且管式固体氧化物燃料电池长度≥100mm， 外径≥8mm，达到实用化尺寸。一种大尺寸管式固体氧化物燃料电池单电池的 截面示意图如图1所示。