[发明专利]三层构型的不锈钢支撑的氧化物燃料电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体燃料电池，具体涉及一种不锈钢支撑的固体氧化物燃料电池及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种高效清洁的新型能量转换装置，其各种关键材料、制备工艺的研发以及相应的电池构型和电池堆设计等已受到全世界科研工作者和科研机构的普遍关注。一般来说，SOFC单电池的构型主要包括电解质支撑(ESC)、阳极支撑(ASC)和阴极支撑(CSC)三种。而对于这三种构型的单电池来说，其支撑体在成分上都是一些脆性的陶瓷或金属陶瓷材料，同时也都或多或少的包含一些贵金属材料。考虑到一些金属材料所具有的低成本、高电导率、高强度和易加工特性，金属支撑构型电池(MSC)的研发已受到科研工作者们越来越多的关注。

2007年5月，上海交通大学的屠恒勇等人申请了专利“多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池的制备方法”(公开号CN1960047)和“多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池的结构”(公开号CN1960048)。这两篇专利介绍了一种包括由下而上的多孔不锈钢支撑体及重整催化剂、多孔阳极薄膜、致密固体电解质、反应阻挡层、阴极活化层和阴极接触层的多孔金属支撑的低温SOFC结构及其具体制备步骤。具体步骤为：(1)采用多孔不锈钢作为支撑体，在多孔不锈钢支撑体上依次沉积多孔阳极薄膜、致密固体电解质薄膜和反应阻挡层，以此作为半电池，在还原气氛或者惰性气氛下烧结；(2)烧结完成冷却后，在固体电解质薄膜上继续沉积阴极活化层和阴极接触层，在空气气氛下烧结，成为单电池；(3)在多孔不锈钢支撑体中浸渍重整催化剂，得到燃料电池，各种燃料气体通过多孔不锈钢支撑体，重整成富含氢气的阳极气体进入阳极，进行电化学反应。这样制得的电池结构稳定，阳极的电催化性能得到提高；整个电池温度的热均匀性得到改善，进而电池的性能和寿命得到提高；整个系统结构更加紧凑，效率更高。2009年10月，华中科技大学的李箭等人也申请了名为“一种金属支撑型固体氧化物燃料电池的制备方法”的专利，公开号为CN101562255。该发明包括：(1)制备流延浆料步骤；(2)流延成型步骤；(3)制备半电池步骤；(4)高温烧结步骤；(5)制备单电池步骤；(6)还原步骤。该发明所选材料来源广泛，制备工艺简单，成本较低，制备技术可用于大面积金属支撑型SOFC的制备。

不过，这些金属支撑构型的SOFC在结构上都至少需要包括四层，即金属支撑体层，阳极层，电解质层和阴极层。在不锈钢支撑体与电解质薄膜之间，依靠阳极功能层来催化电化学反应，电池的整体结构及制备工艺复杂。同时，在制备过程中需要将含镍的阳极功能层与含铬的金属支撑体进行高温共烧，还有可能形成NiCr₂O₄等绝缘层，降低电池的电荷传导效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种不需要额外阳极功能层的三层结构的不锈钢支撑的固体氧化物燃料电池及其制备方法，以简化电池结构，降低制备工艺的复杂性和制备成本，并避免制备过程中可能发生的不利反应。

在本发明的的一些实施方案中，不锈钢支撑固体氧化物燃料电池包含阳极、致密的电解质薄膜以及阴极三层结构，所述阳极是多孔不锈钢支撑体(内含通过湿化学浸渍法引入的对阳极反应有催化活性的催化剂)，其中在所述多孔不锈钢支撑体内形成孔隙的不锈钢的表面上含有可以催化固体氧化物燃料电池阳极电化学反应的催化剂，其中不锈钢支撑体的厚度为0.1mm至3mm，优选0.2mm至1.5mm，更优选0.4mm至1.0mm，最优选0.5mm至0.8mm；孔隙率为10％至60％，优选20％至45％，更优选25％至40％，最优选30％至35％；而致密电解质薄膜的厚度为2μm至80μm，优选5μm至50μm，更优选10μm至30μm，最优选15μm至20μm。其特征在于，整个电池结构中不包含专门的阳极功能层和其它诸如反应阻挡层之类的辅助结构，不锈钢支撑体在经特定的催化剂浸渍修饰后，同时扮演电池支撑体和阳极功能区的角色。

在本发明的一些实施方案中，所述三层结构的不锈钢支撑的固体氧化物燃料电池的制备方法，包括用共压共烧工艺制备包含多孔不锈钢支撑体和致密电解质层的双层片，用离子浸渍法向多孔不锈钢支撑体中添加催化剂颗粒，形成半电池，以及在其上涂敷阴极粉体并烧结从而形成阴极，以完成单电池的制备。其中，涂敷阴极的方法包括丝网印刷法、喷雾沉积等，优选丝网印刷法。