[发明专利]一种阴极支撑的管式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制造技术领域，特别涉及阴极支撑管式固 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)是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学 装置，具有高效率、低污染、无噪声等特点，它可以为民用、商业、军事和交 通运输等提供高质量的电源。这一技术的成功应用对于缓解能源危机、满足对 电力数量和质量的需求、保护生态环境和国家安全都具有重大的意义。

当前，SOFC最重要的两种结构类型为管型和平板型。管式SOFC的主要 特点是不涉及高温密封这一技术难题，且管式结构具有较强的抗应力特征，易 于实现冷热循环，因此越来越受到广泛的重视。按支撑方式，管式电池又分为 阴极支撑和阳极支撑两种。相对于阳极支撑的管式SOFC，阴极支撑的管式 SOFC(Cathode-supported tubular SOFC，CTSOFC)在氧化还原过程中引起 的体积膨胀与收缩小，因此电池的稳定性高；CTSOFC的最外层为阳极，处在 还原性气氛下，利用导电的镍毡很容易将单电池组成电堆。因此，CTSOFC被 普遍认为是最早可以实现商业化的结构类型。这也是西门子-西屋电力 (Siemens Westinghouse Powder，SWP)公司首选阴极支撑结构的原因。 SWP公司通过实例验证了阴极支撑管型SOFC电堆系统在技术上完全可替代火 力电站的可能性，开发的电堆系统运行长达八年以上，经过室温至1000℃数 百次热循环，性能无明显衰减。

成本是限制CTSOFC商业化的关键问题，以目前国际上管式电池单管制备 最为先进和成熟的SWP公司为例，单管制备步骤如下[J.Power Sources，131 (2004)，79-85]：以掺杂LaMnO₃为基体的阴极支撑体通过挤出法成型，烧结 后用电化学气相沉积法(EVD)在阴极外层制备40μm厚的致密YSZ(Yttria stabilized zirconia)电解质；通过两步操作在电解质外面沉积100-150μm厚 的Ni/YSZ金属陶瓷阳极，首先将含Ni浆料涂覆在电解质外面，然后通过EVD 方法让YSZ在含Ni颗粒周围生长。从上面可以看出，SWP公司电池单管制作 过程非常复杂，特别是电解质和阳极的成型过程，需要昂贵的仪器，因此成本 非常高。尽管SWP公司电池堆在技术上已经达到了非常高的水平，但其高昂的 成本无法商业化。如何降低阴极支撑管式电池的制作成本是目前迫切需要解决 的问题。

降低电池成本的目标可以通过低成本的成型工艺和共烧结方法来实现。在 共烧结方法方面，需要克服电解质膜致密化的困难。阴极和电解质材料在高温 下会发生化学反应，以常见的阴极材料LSM和电解质材料YSZ为例，两者在 1250℃以上共烧会生成高电阻相La₂Zr₂O₇或者SrZrO₃，而YSZ一般需要 1300℃以上烧结温度才可以实现致密化。解决问题的关键一方面是采用A位 缺位的LSM，它可在一定程度上提高与YSZ的相容性。另一方面，电解质的致 密化既与电解质自身烧结活性有关，同时支撑体的收缩率也对电解质致密化起 很大作用。以阴极作为支撑体的电池，因阴极厚度远大于电解质层，在烧结过 程中，阴极的收缩决定了电池单管的收缩。阴极具有较大的收缩可以带动电解 质在较低的温度下实现致密化。因此，制作具有较大收缩率的阴极支撑体有可 能实现阴极和电解质的共烧结。

本发明将一种新颖的成型方法用于阴极支撑管式电池素坯的制作，通过阴 极/电解质/阳极共烧结的方式，在多孔阴极支撑体上在较低温度下实现了电解 质的致密化，而没有引起电解质与阴极发生反应。这种方法工艺简单，对阴极 支撑管式SOFC规模化生产具有广阔的市场前景。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提供一种CTSOFCs的制备方法。

本发明提供了一种CTSOFCs的制备方法，该成型方法工艺简单，制造成本 低廉包括各功能层浆料的配制、素坯的成型、烧结等过程，其特征在于：

(1)各功能层浆料配制：浆料的配制经两步球磨得到，首先将各功能层粉体 中加入有机溶剂、分散剂、造孔剂球磨混合1-2h；然后加入粘结剂、增塑剂继 续球磨混合2-3h，抽真空处理后，得到各功能层浆料。