[发明专利]一种中温SOFC平板阳极支撑型单电池阳极结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种中温SOFC平板式阳极支撑型单电池阳极结构及其制备方法，属新能源材料及器件的制备技术领域。

背景技术

固体氧化物燃料电池(简称SOFC)是一种新型的能源转化效率最高的能源转换装置，将燃料的化学能转化成电能，其热电联供可达80％以上，由于其燃料的可多样性，使得其具有巨大的商业价值和发展前景。中温SOFC由于其操作温度较高温SOFC低，为SOFC的发展方向，是目前商业化开发的热点。中温SOFC是一种阳极支撑型的电池组成，按照电池的形状设计，可将电池分为两大类即管式和平板式，管式单电池在组堆时易于密封，平板式具有更大的能量密度，大多数的研究与开发都集中在平板式电池方面。

阳极支撑型单电池是以电池阳极为支撑，电解质可以薄膜化，以提高电池性能和降低工作温度。目前中温SOFC的工作温度为650～850℃，电解质的厚度与电池的导电率成指数关系，即电解质薄膜化后，电池的电导率成指数关系增大。电池的工作原理为在一定温度下阴极将氧气催化为O^2-(通过接受外电路的电子)，该氧离子通过电解质薄膜，因为电解质薄膜为一种晶格氧空位的晶体如YSZ(氧化钇掺杂的氧化锆)、GDC(氧化钆掺杂的氧化铈)等，以该晶格氧空位为路径，唯有氧离子可以通过该薄层进入到电池阳极，阳极的反应为氧离子与氢或一氧化碳反应生成水和二氧化碳及电子，该电子由阳极中的电子导电相引出到外电路发电，与阴极相接形成外电路。阳极是由离子导电相、电子导电相及气相三部分组成，离子导电相如YSZ、GDC等，电子导电相如NiO、CuO等(因为阳极还原后该物质成为金属Ni或者金属Cu)，气相(气孔)由烧结时加入造孔剂而产生，气孔是为了将阳极侧的燃料引入阳极内部进行反应。通过陶瓷材料的烧结电解质层与阳极的功能层紧密结合，与电解质层紧密结合的这一层我们称之为阳极功能层，厚度一般为10～30μm，阳极的电化学反应都集中在该层中，为了具有更加多的三相界面线，需要将该层的陶瓷粉体颗粒细化，同时造孔剂颗粒细小，这样烧结后形成的阳极功能层有更加长的三相界面长度，即有效的电化学反应区，降低阳极的极化阻抗。与阳极功能层紧密结合的两侧层分别为电解质薄层和阳极支撑层，阳极支撑层是电池的支撑部分，该层厚度设计为300～1000μm，如果太厚不利于气体的扩散，产生加大的浓差极化，阳极性能下降，且原料用量也大；如果太薄，电池机械强度太低，不利于组堆。阳极支撑层的设计是气孔比较大，由于其比较厚，为了减少气体浓差极化，增大孔隙率和孔径大小；将电子顺利快速传导出去是阳极的另外一种要求，因此该层中氧化镍的含量较高。为了提高该层的电子电导率及电池强度，应采用适当粒度的NiO和YSZ粒度。单电池的衰减主要来自电池的阳极或阴极，本研究着重电池阳极的性能衰减，降低电池衰减率是一项非常复杂的研究工作，所涉及的方面非常之多。

低衰减率和性能稳定是一种产品商业化前必须解决的难题，为此国内外各大公司及研究单位和院校在降低衰减率方面做的非常多的工作和研究如美国的Bloom Engery、澳大利亚CLCF公司、日本京瓷等，我国中科院宁波材料所、中科院上海硅酸盐研究所、华中科技大学等。对于如何降低衰减率的方法和措施做法各不相同，本文提出了一种比较简单易行，工业化容易实施的方法，同时采用水系双层流延技术及共烧结技术制备SOFC单电池阳极，该阳极通过进一步制备可获得平板式阳极支撑型SOFC单电池，并进行了微结构和长期稳定性的表征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低衰减率中温SOFC平板式阳极支撑型单电池阳极结构及其制备方法。该电池阳极结构简单、有效，且易于工业化实施，相应的该阳极结构的制备方法也是可以工业化的方法，大批量制备稳定、一致化性能高。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种中温SOFC平板式阳极支撑型单电池阳极结构，包括阳极功能层和与所述阳极功能层紧密结合的阳极支撑层；

其中，所述阳极功能层由质量配比为(45～55):(55～45)的NiO粉体和YSZ粉体掺入占NiO粉体和YSZ粉体总量3～6wt％的造孔剂后烧结制得；所述阳极支撑层由质量配比为(50～60):(50～40)的NiO粉体和YSZ粉体掺入占NiO粉体和YSZ粉体总量5～9wt％的造孔剂后烧结制得；YSZ表示氧化钇稳定的氧化锆。