一種制備大尺寸平板式金屬支撐型固體氧化物燃料電池的方法技術

本發明專利技術公開了一種制備大尺寸平板式金屬支撐型固體氧化物燃料電池的方法，所述方法是首先分別制備金屬支撐層、陽極層和電解質層素坯，然后依次自下至上疊置進行熱壓，接著進行高溫共燒結制得半電池，再采用絲網印刷或噴涂方法在半電池上沉積陰極漿料，最后在700～800℃空氣中燒結或原位燒結陰極。本發明專利技術方法，不僅成本低、可操作性強、可得到大尺寸高電性能且穩定的平板式金屬支撐型固體氧化物燃料電池，便于批量化連續生產，而且所制備的SOFC電池的各層之間結合緊密，各功能層厚度、孔隙率等可控，具有很好的應用前景。

【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種制備大尺寸平板式金屬支撐型固體氧化物燃料電池的方法，屬于固體燃料電池

技術介紹
固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種將氫氣、天然氣和生物質氣燃料的化學能直接轉化為電能的電化學裝置，具有燃料豐富、效率高、無污染、無噪聲、可熱電聯供等特點，可廣泛應用于大型電站、分布式電站、汽車輔助電源、家庭熱電聯供系統等。盡管SOFC具有許多卓越性能，但目前尚未走向大規模應用，其主要制約因素是成本和壽命問題。新型金屬支撐構造相對于傳統的電解質支撐或電極支撐構造而言，可以提高單電池機械強度，增加電池抗熱沖擊能力，降低SOFC系統成本，并有助于解決電堆密封和連接難題，因此近些年來金屬支撐SOFC在世界范圍內引起了廣泛關注，并逐漸成為SOFC研究領域內新的研究熱點。由于金屬材料的特點，使得金屬支撐型SOFC具有如下優點(I)與傳統陶瓷支撐型SOFC相比，金屬基體的高熱導率極大地降低SOFC的熱梯度及熱應力，提高了 SOFC的抗熱沖擊性；(2)金屬材料的高電子電導率有助于減小SOFC的歐姆電阻，提高其電性能；(3)廉價的金屬材料如不銹鋼等用來作為單電池支撐體，可大大降低SOFC的制備成本；(4)金屬材料易加工，有利于將支撐體加工成各種所需的形狀；(5)金屬支撐體良好的柔性及便于電堆組裝的密封與接觸，從而提高電堆運行的穩定性。中國專利CN200580019112. O公開了一種“固體氧化物燃料電池”，其由金屬支撐層、活性陽極層、電解質層、反應阻擋層、活性陰極層、過渡層、陰極集電層等七層結構組成的金屬支撐型固體氧化物燃料電池。由于結構復雜、工藝繁瑣，可能會導致電池制備過程控制難度大、成品率低，且由于大多采用高成本的噴涂法來制備各功能層，不利于商業化的推廣。中國專利申請CN 1960047A公開了一種多孔金屬支撐的低溫固體氧化物燃料電池的制備方法，采用多孔不銹鋼作為支撐體，在該支撐體上依次沉積陽極薄膜、電解質薄膜和反應阻擋層，然后在高溫下燒結，制備出半電池，再在電解質側沉積陰極活化層和陰極接觸層，最后在空氣中燒結，制成單電池；同時，該專利還在多孔金屬側選擇性地浸潰重整催化劑，提高了電池的燃料適用性。但是多孔不銹鋼基體的預先制作需要花費一定的成本，而且，由于該基體預先已經燒結，當其與陽極、電解質等功能層一起燒結時，比較難以解決收縮率匹配的問題，對制備大面積的電池帶來一定的難度。再者，采用依次沉積陽極、電解質和反應阻擋層的工藝勢必在各層的制備與干燥等方面花費較長的時間，限制了批量生產的效率。
技術實現思路
為了克服現有技術存在的上述不足，本專利技術的目的是提供一種制備具有良好電化學性能的大尺寸平板式金屬支撐型固體氧化物燃料電池的方法，以實現金屬支撐型固體氧化物燃料電池的規模化生產。為實現上述專利技術目的，本專利技術采用的技術方案如下一種制備大尺寸平板式金屬支撐型固體氧化物燃料電池的方法，包括如下步驟a)分別配制制備金屬支撐層、陽極層、電解質層的混合漿料；b)對步驟a)配制的3種混合漿料分別進行流延成型和干燥，分別制得金屬支撐層、陽極層和電解質層的素坯；·c)將步驟b)制得的金屬支撐層、陽極層和電解質層的素坯依次自下至上疊置，然后于60 85°C、4 15Mp條件下進行熱壓5 30分鐘；d)將步驟c)熱壓得到的復合素坯切割成所需尺寸后在惰性氣氛或惰性氣氛與還原氣氛形成的混合氣氛下、于1250 1400°C進行共燒結，制得半電池；e)采用絲網印刷或噴涂方法在半電池上沉積陰極漿料；f)在700 850°C空氣中燒結或原位燒結陰極后得到所述的大尺寸平板式金屬支撐型固體氧化物燃料電池。作為一種優選方案，制備金屬支撐層的混合漿料的配方如下金屬粉體50質量份溶劑10 30質量份分散劑3 15質量份塑化劑2 16質量份粘結劑3 15質量份造孔齊LI20 60質m份。作為一種優選方案，制備陽極層的混合漿料的配方如下陽極粉體40質量份溶劑10 30質量份分散劑2 5質量份塑化劑I 5質量份粘結劑I 5質量份。作為一種優選方案，制備電解質層的混合漿料的配方如下電解質粉體60質量份溶劑20 40質量份分散劑I 5質量份塑化劑2 10質量份粘結劑3 15質量份。作為進一步優選方案，所述金屬粉體為不銹鋼粉體，所述不銹鋼粉體為316、409、410、441、430、Fe22Cr等不銹鋼粉體中的任意一種或幾種。作為進一步優選方案，所述陽極粉體選自NiO-YSZ (氧化釔穩定的氧化鋯)、NiO-SSZ (氧化鈧穩定的氧化鋯)、NiO-ScYSZ (氧化釔、氧化鈧共穩定的氧化鋯)、NiO_SDC (氧化釤摻雜的氧化鈰)、NiO-GDC (氧化釓摻雜的氧化鈰)中的任意一種或幾種。 作為進一步優選方案，所述電解質粉體選自YSZ (氧化釔穩定的氧化鋯)、SSZ (氧化鈧穩定的氧化鋯)、ScYSZ (氧化釔、氧化鈧共穩定的氧化鋯)、SDC (氧化釤摻雜的氧化鈰)、GDC (氧化釓摻雜的氧化鈰)中的任意一種或幾種。作為進一步優選方案，所述溶劑選自二甲苯、無水乙醇、丙酮、丁酮、乙酸丁酯中的任意一種或幾種；所述分散劑選自三乙醇胺、丙烯酸共聚物BYK、甲基戊醇、丙烯酸樹脂DM-55中的任意一種或幾種；所述塑化劑選自苯甲酸酯B-50、聚乙二醇、鄰苯二甲酸二丁酯中的任意一種或幾種；所述粘結劑選自聚乙烯醇縮丁醛、聚丙烯樹脂B-72、環氧樹脂中的任意一種或幾種；所述造孔劑選自石墨、淀粉、草酸銨、碳酸銨中的任意一種或幾種。作為進一步優選方案，步驟d)中所述的惰性氣氛為氮氣氛或氬氣氛；所述混合氣氛中含有還原氣氛的體積百分比為2% 10%。作為進一步優選方案，步驟e)中所述的陰極漿料由粉體LSM (氧化鍶摻雜的錳酸鑭)、LSCF (氧化銀和氧化鐵分別摻雜鑭位和鈷位的鈷酸鑭)、BSCF (氧化鋇和氧化鐵分別摻雜鑭位和鈷位的鈷酸鑭)、LBSM (氧化鍶和氧化鉍同時摻雜的錳酸鑭)、ESB-Ag (鉺摻雜的氧化鉍-銀)中的任意一種或幾種或其與電解質粉體的混合粉體組成。由本專利技術所述方法制備的電池結構自內至外依次為金屬支撐層、陽極層、電解質層和陰極層，所述金屬支撐層的厚度為100 1000 μ m,所述陽極層的厚度為15 50 μ m,所述電解質層的厚度為10 40 μ m,所述陰極層的厚度為10 50 μ m。與現有技術相比，本專利技術具有如下有益效果I)相對于傳統的陽極支撐型固體氧化物燃料電池，本專利技術的金屬支撐型固體氧化物燃料電池采用低成本不銹鋼粉體替代鎳、YSZ，材料成本低，以不銹鋼粉體作為支撐體，具有較好的高溫抗氧化性能，且其熱膨脹系數與傳統電解質材料YSZ相近，避免了高溫共燒結過程中因熱膨脹系數不匹配而導致的電解質開裂等缺陷；2)采用了合適的流延配方得到了穩定的不銹鋼粉體流延漿料，使得不銹鋼支撐體的流延成型成為可能，并且得到的流延膜具有一定強度，滿足與陽極流延膜、電解質流延膜共熱壓的要求；3)相對于現有的金屬支撐型固體氧化物燃料電池技術，本專利技術的大尺寸平板式金屬支撐型固體氧化物燃料電池制備方法工藝簡單，可實現連續、批量化生產，極大地降低了電池的制備成本；4)支撐體、陽極和電解質采用熱壓法結合在一起并通過高溫共燒結制備成半電池，容易控制各功能層厚度和界面結合強度，電池功率密度高，一致性好；5)得本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種制備大尺寸平板式金屬支撐型固體氧化物燃料電池的方法，其特征在于，包括如下步驟：a)分別配制制備金屬支撐層、陽極層、電解質層的混合漿料；b)對步驟a)配制的3種混合漿料分別進行流延成型和干燥，分別制得金屬支撐層、陽極層和電解質層的素坯；c)將步驟b)制得的金屬支撐層、陽極層和電解質層的素坯依次自下至上疊置，然后于60～85℃、4～15Mp條件下進行熱壓5～30分鐘；d)將步驟c)熱壓得到的復合素坯切割成所需尺寸后在惰性氣氛或惰性氣氛與還原氣氛形成的混合氣氛下、于1250～1400℃進行共燒結，制得半電池；e)采用絲網印刷或噴涂方法在半電池上沉積陰極漿料；f)在700～850℃空氣中燒結或原位燒結陰極后得到所述的大尺寸平板式金屬支撐型固體氧化物燃料電池。

【技術特征摘要】
1.一種制備大尺寸平板式金屬支撐型固體氧化物燃料電池的方法，其特征在于，包括如下步驟 a)分別配制制備金屬支撐層、陽極層、電解質層的混合漿料； b)對步驟a)配制的3種混合漿料分別進行流延成型和干燥，分別制得金屬支撐層、陽極層和電解質層的素坯； c)將步驟b)制得的金屬支撐層、陽極層和電解質層的素坯依次自下至上疊置，然后于60 85°C、4 15Mp條件下進行熱壓5 30分鐘； d)將步驟c)熱壓得到的復合素坯切割成所需尺寸后在惰性氣氛或惰性氣氛與還原氣氛形成的混合氣氛下、于1250 1400°C進行共燒結，制得半電池； e)采用絲網印刷或噴涂方法在半電池上沉積陰極漿料； f)在700 850°C空氣中燒結或原位燒結陰極后得到所述的大尺寸平板式金屬支撐型固體氧化物燃料電池。2.根據權利要求I所述的制備大尺寸平板式金屬支撐型固體氧化物燃料電池的方法，其特征在于，制備金屬支撐層的混合漿料的配方如下金屬粉體50質量份溶劑10 30質量份分散劑3 15質量份塑化劑2 16質量份粘結劑3 15質量份造孔劑20 60質量份； 制備陽極層的混合漿料的配方如下陽極粉體40質量份溶劑10 30質量份分散劑2 5質量份塑化劑I 5質量份粘結劑I 5質量份； 制備電解質層的混合漿料的配方如下電解質粉體60質量份溶劑20 40質量份分散劑I 5質量份塑化劑2 10質量份粘結劑3 15質量份。3.根據權利要求2所述的制備大尺寸平板式金屬支撐型固體氧化物燃料電池的方法，其特征在于所述金屬粉體為不銹鋼粉體。4.根據權利要求2所述的制備大尺寸平板式金屬支撐型固體氧化物燃料電池的方法，其特征在于所述陽極粉體選自NiO-YSZ (氧化釔穩定的氧化鋯)、NiO-SSZ (氧化鈧穩定的氧化...

【專利技術屬性】
技術研發人員：周玉存，王紹榮，占忠亮，袁春，劉雪嬌，孟燮，吳昊，
申請(專利權)人：中國科學院上海硅酸鹽研究所，
類型：發明
國別省市：