[发明专利]一种固体氧化物燃料电池的多孔阳极支撑体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池的制备方法，特别涉及一种固体氧化物燃料电池的多孔阳极支撑体的制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)属于第三代燃料电池，是一种直接将燃料的化学能转化成电能的全固态的新型化学发电装置。在各类燃料电池中，SOFC具有独特的优点：①全固态结构，没有电解液的泄露问题，便于结构规模化设计和放大；②适宜热电联供，能量利用效率高达85%以上；③燃料气适用范围广；等等。因此，SOFC在大、中、小型发电站，移动式、便携式电源，以及军事、航空航天等领域有着广阔的应用前景。

在各种SOFC发电装置中，单体电池是最基本的原件，其结构和性能直接关系到发电系统的整体结构和性能。SOFC单体电池有三种基本结构：电解质自支撑型、阴极支撑型和阳极支撑型，其中阳极支撑型SOFC具有容易制备、电池性能高等优点而被普遍采用。阳极支撑型SOFC是由多孔阳极(燃料电极)支撑体、致密电解质膜和多孔阴极(氧化剂电极)组成的三明治结构，其中多孔阳极支撑体的制备是阳极支撑型SOFC制备的最关键技术之一。

在阳极支撑型SOFC中，阳极支撑体的主要作用和为发挥这些作用而对阳极支撑体的要求有以下几个方面：①支撑电解质膜的作用，为此需要阳极支撑体具有足够的机械强度，因此它必须具有一定的厚度；②搜集并传递阳极电荷的作用，为此需要阳极支撑体具有足够的电子导电率；③提供电池阳极反应区的作用，为此需要阳极支撑体具有足够的孔隙率和三相反应区(气相、离子导电相和电子导电相)。SOFC阳极材料一般采用金属镍(Ni)和钇稳定化氧化锆(YSZ)复合的金属陶瓷材料。其中金属镍起到电子导电的作用，而YSZ起到离子导电的作用。为便于气体扩散和增加三相反应区，阳极支撑体必须是多孔的。

对于阳极支撑型的SOFC来说，阳极支撑体的形状决定了SOFC电池单体(或单电池)的形状，具体可以是平板形、管形、锥管形或其他更复杂的形状。目前普遍采用的制备阳极支撑体的工艺有传统的流延法、挤出法、注浆成型法等。流延法和挤出法一般用于大批量制备平板形和直管形的阳极，不适合制备形状复杂的制品；注浆成型法虽然可以制备各种复杂形状，但用于制备SOFC阳极支撑体时，存在两种粉体的均匀混合浆料难以制备等问题。

为使SOFC发电系统的设计灵活，以适用于各种应用领域，特别是小型化应用，需要制备小而形状复杂的SOFC元件——多孔阳极支撑体。热压铸成型法是特种陶瓷生产应用较为广泛的一种成型工艺，其基本原理是利用石蜡受热熔化和遇冷凝固的特点，将无可塑性的瘠性陶瓷粉料与热石蜡液均匀混合形成可流动的浆料，在一定压力下注入金属模具中成型，待蜡浆冷却凝固后脱模，得到成型好的坯体。坯体经适当修整，埋入吸附剂中加热进行脱蜡处理，然后再烧结成最终制品。该工艺具有以下优点：①可成型形状复杂的陶瓷制品，尺寸精度高，几乎不需要后续加工；②成型时间短，生产效率高；③相比其它陶瓷成型工艺，生产成本低，对生产设备和操作环境要求不高；④对原料适用性强，如氧化物、非氧化物、复合原料及各种矿物原料均可适用。

但是传统的热压铸成型法一般用来制造致密的氧化铝电子陶瓷器件，采用该工艺制备多孔陶瓷，特别是用来制备多孔的SOFC阳极支撑体，还未见报道。采用热压铸成型法制备多孔的阳极支撑体会遇到以下问题：①如何对原始的阳极复合陶瓷粉料进行预处理使其分布均匀以适用于SOFC阳极支撑体的制备；②如何获得SOFC阳极支撑体所需要的多孔结构，包括孔隙率、孔径大小及其分布等；③采用何种吸附剂以适合Ni-基SOFC阳极的制备；④脱蜡烧结后的阳极支撑体由于石蜡的熔化、蒸发，表面变得不平整，如何处理使其表面变得更加均匀、平整以适合电解质膜的制备。

发明内容

为了克服现有的固体氧化物燃料电池的多孔阳极支撑体的制备方法的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种固体氧化物燃料电池的多孔阳极支撑体的制备方法，可以实现形状复杂的多孔阳极支撑体的制备，而且不存在两种粉体的均匀混合浆料难以制备的问题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种固体氧化物燃料电池的多孔阳极支撑体的制备方法，包括以下步骤：

（1）陶瓷粉体预处理：将氧化镍和8mol%氧化钇稳定的氧化锆陶瓷粉体分别在900～1200°C下预烧2～4h；按1：1～1.5：1的质量比称取预烧后的氧化镍和8mol%氧化钇稳定的氧化锆陶瓷粉体，并加入球形石墨作为造孔剂，球磨均匀后充分烘干，得到预处理后的陶瓷粉体；