[发明专利]一种浸渍电极用平板式金属支撑型固体氧化物燃料电池结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种浸渍电极用平板式金属支撑型固体氧化物燃料电池结构，属于固体氧化物燃料电池技术领域。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将氢气、天然气和生物质气燃料的化学能直接转化为电能的电化学装置，具有燃料丰富、效率高、无污染、无噪声、可热电联供等特点，可广泛应用于大型电站、分布式电站、汽车辅助电源、家庭热电联供系统等。尽管SOFC具有许多卓越性能，但目前尚未走向大规模应用，其主要制约因素是成本和寿命问题。新型金属支撑构造相对于传统的电解质支撑或电极支撑构造而言，可以提高单电池机械强度，增加电池抗热冲击能力，降低SOFC系统成本，并有助于解决电堆密封和连接难题，因此近些年来金属支撑SOFC在世界范围内引起了广泛关注，并逐渐成为SOFC研究领域内新的研究热点。

但金属支撑SOFC的制备，尤其是电极的制备还存在很多问题：

1、阳极问题：传统的金属支撑SOFC采用金属支撑体/阳极/电解质/阴极的结构，在电池的高温共烧结制备或长期运行过程中，阳极金属颗粒Ni会发生粗化，同时还会与合金元素Fe、Cr之间发生互扩散。这不仅降低了阳极的催化性能，同时还会导致支撑体的热膨胀系数发生改变、长期稳定性下降、导电性能下降、抗氧化性能降低等问题。在阳极与金属支撑体之间加一层扩散阻挡层可以防止合金元素和阳极金属颗粒之间的互扩散，但会导致制备工艺的复杂和电池性能的下降，此外，扩散阻挡层并不能解决阳极Ni颗粒的粗化问题。

2、阴极问题：传统阴极材料如LSM、LSCF等需要在1000～1200℃的空气气氛下烧结以获得较好的电化学性能，而在如此高温下，不锈钢支撑体的氧化将会变得非常严重。还原气氛下烧结可以有效避免金属支撑体的氧化，但LSM、LSCF等在高温还原气氛下会发生分解，导致性能的降低。一方面用等离子喷涂或脉冲激光沉积等方法制备阴极可以解决这一问题，但这些方法工艺复杂且成本高；另一方面也可以用低温空气中烧结或原位烧结阴极的方法，但这种方法往往需要高活性的阴极材料，这会给阴极粉体的制备带来特殊要求，且高活性的阴极材料会影响电池的长期稳定性。

Michael C.Tucker等人公开了一种以不锈钢为支撑体的管式金属支撑SOFC的五层结构，从内到外分别为多孔不锈钢支撑体层/多孔YSZ中间层/致密YSZ电解质层/多孔YSZ中间层/多孔不锈钢电流收集体层，然后在内部多孔YSZ层中浸渍金属Ni得到电池阳极、在外部多孔YSZ层中浸渍LSM得到电池阴极。该方法有效地避免了电池高温烧结过程中Ni的粗化及其与合金元素之间的互扩散，同时还解决了LSM阴极低温制备的难题。但该五层结构不是通过一次高温共烧结得到，而是采用等静压、气溶胶喷雾沉积、胶体沉积等方法经历两次高温烧结得到，结构复杂且工艺繁琐。同时该结构用于管式SOFC，相对平板式而言，管式SOFC成本高、工艺复杂、功率密度低（参见Journal of Power Sources，171(2007)：477–482）。

中国专利申请200810129800.8公开了一种金属支撑SOFC的结构，包括多孔金属支撑体/阴极功能层/电解质/多孔阳极前驱层，其中阴极功能层可有可无，多孔阳极前驱层既可以采用共烧结，也可以在其它层先烧结好之后再在致密电解质表面上形成。该专利同时还对浸渍的材料进行了描述。在该专利中，完成后的金属支撑体在电池阴极侧，暴露在高温空气一侧，容易被氧化，这会给电池的长期稳定性带来较大影响；同时阳极层如果是在其它各层烧结后再制作的话，则比较繁琐，同时带来结合强度差的问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种结构简单且便于实现的浸渍电极用平板式金属支撑型固体氧化物燃料电池结构，以解决传统金属支撑SOFC电极的制备难题。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种浸渍电极用平板式金属支撑型固体氧化物燃料电池结构，自内至外依次为多孔金属支撑层、致密电解质层、多孔阴极前驱层，且所述多孔金属支撑层与致密电解质层及多孔阴极前驱层共烧结成一体结构。

作为一种优选方案，所述的多孔金属支撑层是具有过渡结构的金属支撑层，即，在远离电解质侧为多孔金属层，而在靠近电解质侧为多孔金属-陶瓷的复合层；且复合层中的金属比例为0-50wt%(包括零点)，复合层的厚度为20～100μm，孔隙率为30～70%，孔径为1～20μm。