[发明专利]固体氧化物燃料电池的半电池、燃料电池及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池的半电池、固体氧化物燃料电池及其制作方法。具体而言，本发明属于金属氧化物陶瓷薄膜技术领域，更具体的涉及采用喷雾和流延相结合制备固体氧化物燃料电池的半电池和固体氧化物燃料电池。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种全固态结构的燃料电池，以具有离子导电性的金属氧化物陶瓷薄膜作为电解质在600℃-1000℃的较高的温度下工作。固体氧化物燃料电池具有全固态，更高能量效率和对煤气、天然气、混合器等多种燃料气体广泛适应性等突出优点，既适合作为大型固定发电厂，又适合作为医院、商场、集体宿舍和边远山区的小型发电装置，还可以用于辅助电源作为车辆轮船的驱动系统。

固体氧化物燃料电池单电池呈三明治结构，又称阳极电解质阴极多层结构（Positive-pole，Electrolyte and Negative-pole），主要由致密的电解质、多孔的阳极和阴极组成。阳极和阴极主要提供燃料反应的场所，对电极上发生的化学反应催化并且传导电流。阴极和阳极本身在燃料电池使用过程中不被损耗和腐蚀。燃料电池要求电极微观结构具有导电相联通而且反应活化界面面积大的特点，同时需要电解质与电极热匹配性好，通常在电极与电解质层之间加入一层电极功能层。

电解质主要作用是在阳极和阴极之间传输带电离子，从而平衡外电路的电子传输最终完成电池回路，同时电解质还起着分隔燃料气和氧化气的作用。燃料电池要求电解质层气密性好并且导电率高，微观上无裂缝和气孔；为了减少电解质电阻，固体氧化物燃料电池采用10微米～50微米电解质薄膜。电解质和电极接触界面要求无分层接触良好。电解质和电极的微观结构对燃料电池的性能有决定性的影响，发展固体氧化物燃料电池的一个关键挑战是采用合适的制备方法以获得符合燃料电池要求的电解质电极微观结构。

作为形成薄膜的方法，存在离子镀膜法、等离子喷涂、物理气相沉积法等物理方法，但是这些方法所使用的设备昂贵、成本高，并且离子镀膜法和物理气相沉积法的成膜速率较低，难以形成规模化大生产。

此外，还存在化学气相沉积法、电化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、喷雾热解法等化学方法，但是其中化学气相沉积法、电化学气相沉积法所使用的设备昂贵、成本高，并且反应温度较高,有腐蚀性气体放出。溶胶-凝胶法、喷雾热解法虽然成本较低，但是溶胶-凝胶法工艺过程参数多，干燥过程中易形成裂纹，涂层薄，生产效率低；喷雾热解法中反应的盐具有腐蚀性，通常必须进行热处理。

此外，作为成本较低的陶瓷成型方法，还存在电泳沉积法、流延法、丝网印刷法、注浆/压滤成型法、离心浇铸法等方法。但是电泳沉积法的厚度均匀性不太好；流延法丝和网印刷法易出现裂纹；注浆/压滤成型法的生产效率低，较易形成裂纹；离心浇铸法反应温度较高，有腐蚀性气体放出。

因此，综合生产工艺、成本和成膜速率等因素，流延法和喷雾法是受到较多关注的薄膜制备方法。

流延法生产工艺简单，生产周期短，成本较低，适合制备大面积薄层平板状陶瓷材料，具有成本低适合制备多层复合结构材料的特点；但传统的流延法通常适用于25～2000μm的薄膜制备，难以制备20微米及以下致密电解质薄膜。喷雾法工艺易于控制、成本低、成膜面积大，适合制备20微米以下薄膜，适合于工业生产；但在现有的燃料电池制备工艺中，喷雾方法通常需要以金属盐类作为前驱物，将需要的金属盐类前驱物按比例混合，经过喷雾后烧结，使前驱物反应获得陶瓷膜；同时现有的喷雾方法容易出现开裂、脱层、剥落等缺陷。单一使用传统的流延法和喷雾法制备燃料电池，工艺步骤复杂，成本高成品率低，限制了固体氧化物燃料电池的推广和应用。

中国专利申请公开CN101515651A公开了一种固体氧化物燃料电池的制备方法，其采用喷雾和流延相结合制备固体氧化物燃料电池。具体而言，其包括以下工艺步骤：将阳极功能层喷雾浆料在载气的带动下喷到衬底上获得阳极功能层生坯；将阳极浆料流延在阳极功能层生坯上，干燥后褪去衬底，获得功能层-阳极生坯；将用金属氧化物粉体制备的电解质喷雾浆料，在载气的带动下喷到功能层-阳极生坯上，得到三层结构生坯；将制备的三层结构生坯烧结获得阳极半电池；在半电池的电解质层上制备阴极获得燃料电池单电池。

但是，使用该方法获得的电解质层表面不平整有很多突起和球状团聚，并且电解质层有孔洞和裂缝，致密性不好。