[发明专利]一种管式固体氧化物燃料电池/电解池类块体致密陶瓷连接体及其制备方法

说明书

本发明属于固体氧化物燃料电池/电解池技术领域，涉及管式固体氧化物燃料电池用陶瓷连接体，具体涉及一种管式固体氧化物燃料电池/电解池类块体致密陶瓷连接体及其制备方法。本发明在管式固体氧化物燃料电池/电解池的多孔燃料电极之间分别制备在还原气氛下具有高电子导电率的内层陶瓷连接体及在氧化气氛下具有高电子导电率的外层陶瓷连接体，双层陶瓷连接体将相邻的两节电池串联，再向涂层内浸渗金属离子盐溶液，干燥后经热处理使得浸渗后的盐分解为相应的氧化物，以促进涂层内的贯通孔隙通过烧结后而愈合。本发明通过双层连接体设计以及浸渗和热处理工艺获得高致密类块体连接体涂层，不仅具有高的气密性，而且具有高的电导率和稳定性。

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池/电解池技术领域，涉及管式固体氧化物燃料电池用陶瓷连接体，具体涉及一种管式固体氧化物燃料电池/电解池类块体致密陶瓷连接体及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池/电解池是重要的能源转换装置，在高效发电、电解水制氢、CO₂电解等领域具有重要的应用。其中，相比于板状结构电池，管式固体氧化物燃料电池/电解池由于具有无需高温密封、热应力较小、且单电池组装简单、易实现大功率化等特点而成为迄今为止最接近商业化应用的电池结构。比如，美国西屋电气公司，日本三菱重工等均成功开发了管状结构电池。此外，1993年公开的日本专利JP5166517A、2003年公开的中国发明专利CN03114562.0以及2020年公开的中国发明CN 201911136632.X均涉及到陶瓷支撑或金属陶瓷支撑管上串联多节单电池构成高电压小电流输出的单管电池结构。在此类结构设计中，相邻两节电池间需要靠具有电子导电性的连接体进行串联连接。然而，这些连接体工作条件苛刻，其中一侧处于具有高还原性的燃料气氛中，另一侧则处于具有高氧化性的空气或氧气气氛中，导致此类连接体不仅需要在上述气氛中保持结构和成分的稳定性，而且需要高的致密性隔绝气体的泄漏，还需要高的电子电导率以减少电池的内阻。然而，具有串联结构的管式电池结构复杂，单一的高温烧结成型工艺难以满足其工艺要求，且如何制备致密连接体成为制约串联结构管式电池的重要问题之一。同时，在日本三菱重工(JP5166517A)及中国发明专利(CN03114562.0)公开的电池管中均提到了采用等离子喷涂技术制备连接体的方案，在中国发明专利201911136632.X中则公开了采用基于基体预热的方式制备连接体涂层的方案。然而，基于等离子喷涂的技术沉积的陶瓷涂层通常存在大量的未结合界面，垂直裂纹，以及孔隙，三者相互串联结合形成贯通的气体通道，使得涂层的气密性较差，在应用于管式电池连接体时会存在气体泄漏的问题。而且，涂层的层间未结合界面，垂直裂纹等因素会导致涂层的电导率较低，用于连接体时将为电池带来较大的欧姆阻抗，进而限制电池的性能。而尽管采用基体预热可以有效增加涂层的层间界面结合，但是涂层内通常会存在因较大的内应力，进而产生较大的垂直裂纹，同样无法使涂层做到完全致密。而且，对大型长管电池的预热加热比较困难，加热过程中电池的膨胀将会影响电池的制备精度。再者，对于传统的涂层，如果采用高温烧结直接处理，因受到基体收缩的限制，如需获得致密结构通常所需要的处理温度要高于相应块体的烧结温度，但过高的烧结温度通常不利于电池其他功能层的制备，且容易引起电池整体结构的变形和开裂。

因此，针对等离子喷管式固体氧化物燃料电池/电解池陶瓷连接体存在气体泄露率高，涂层导电性差，涂层无法满足服役需求的问题，有必要开发一种新想制备方法来生产基于等离子喷涂的类块体致密陶瓷连接体。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于等离子喷涂的管式固体氧化物燃料电池/电解池类块体致密陶瓷连接体的制备方法，该连接体采用双层复合结构设计，通过涂层后处理过程获得高致密结构，并显著提升涂层的气密性和电导率，从而提升电池的性能及稳定性。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明公开了一种管式固体氧化物燃料电池/电解池类块体致密陶瓷连接体的制备方法，所述方法包括以下步骤：