[发明专利]一种阳极支撑的固体氧化物燃料电池、电池堆及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种阳极支撑的固体氧化物燃料电池及其制备方法，适用于管式SOFC电池堆，属于燃料电池材料领域。

背景技术

燃料电池作为一种新型发电技术，具有高效、清洁、安全可靠等诸多优点。固体氧化物燃料电池(SOFC)除了具有高效与环境友好等燃料电池的共同优点外，由于其全固态特性，使其设计更灵活，操作更方便、且更安全可靠。管式SOFC具有无需高温密封，抗热震能力强等优点，受到广泛的关注。由于SOFC单电池工作电压只有1V左右，在实际应用中需要利用连接体将单电池组装成电池堆以提高其输出电压和功率。其中平板式SOFC采用带有气槽的陶瓷或合金连接板，容易实现电流的收集。管式SOFC因其外侧为弧形结构，电流收集比较困难。美国西屋公司研发的一端封闭的阴极支撑管式电池，采用化学气相沉积法或者等离子喷涂法在电解质的一侧制备铬酸镧基陶瓷连接体，实现了管式电池之间的串并联，并达到了很高的电池堆寿命。但是美国西屋公司研发的上述电池结构制备成本太高，难以商业化。

美国Accumentric公司，中国科学院大连化学物理研究所等相继研究阳极支撑的管式SOFC，但关于其陶瓷连接体的制作尚未见到报导。由于管式SOFC沿轴向路径很长，电流若沿轴向取出势必导致极大的内部电阻引起的电压降的和能量损耗，因此研发能够缩短电流路径的连接体设计十分必要和迫切。因为SOFC工作温度高，一侧为还原气氛而另一侧为氧化气氛，所以对连接体材料的稳定性有很高的要求，所以有必要使用陶瓷材料作为连接体。同时连接体在氧化-还原双气氛下应具有较高的电子电导率，并且还要有足够的致密度以保证电池的电压。同时满足这些条件的材料是非常少的。常用的材料是掺杂的铬酸镧，但是掺杂的铬酸镧的主要缺点是烧结活性差，非常难以制备，因此不得不采用比较昂贵的制备方法(比如前述西屋公司采用等离子喷涂法)。因其成本高，一直难以商业化。

发明内容

本发明针对现有技术中管式固体氧化物燃料电池(SOFC)电流收集困难、电池结构不牢固、稳定性差、制备成本高等问题，提供了一种阳极支撑管式固体氧化物燃料单电池、电池堆及其制备方法。

本发明的阳极支撑管式固体氧化物燃料电池(SOFC)，包括一端封闭的阳极支撑管，所述阳极支撑管的外表面上设有条状陶瓷连接体层，所述条状陶瓷连接体层平行于阳极支撑管的管轴，自阳极支撑管的外侧面的封闭端延伸到开口端，且长度不长于阳极支撑管；所述阳极支撑管外表面上不设陶瓷连接体层的部分上设有致密电解质层，所述致密电解质层和条状陶瓷连接体层相互毗邻且完全覆盖阳极支撑管的外表面；所述阳极支撑管、致密电解质层和陶瓷连接体层共烧为一体；所述阳极支撑管外侧面的致密电解质层外还设有阴极层，且阴极层与陶瓷连接体层不相连。

所述阳极支撑管壁厚为0.6～1.2mm，电解质层膜厚为10～40μm，陶瓷连接体层膜厚为30～60μm。

进一步的，所述阳极支撑管包括起支撑作用的支撑层，所述支撑层外还覆盖有一层或多层电化学功能层。

所述起支撑作用的支撑层的材料为氧化镍和钇稳定的氧化锆(钇的摩尔掺杂量为3％～8％)的复合，所述复合材料中氧化镍的质量百分含量，如为40％～60％；所述一层或多层电化学功能层的材料为氧化镍和钪稳定的氧化锆(如Zr_0.89Sc_0.1Ce_0.01O₂)的复合、或氧化镍和钆掺杂的氧化铈(如Ce_0.8Gd_0.2O_1.9)的复合、或氧化镍和钐掺杂的氧化铈(如Ce_0.8Sm_0.2O_1.9)的复合。所述钪稳定的氧化锆、钆掺杂的氧化铈和钐掺杂的氧化铈均为现有技术中的常规材料，且各复合材料中氧化镍的质量百分含量，如为40％～60％。