[发明专利]一种金属支撑固体氧化物燃料电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池，尤其涉及一种金属支撑固体氧化物燃料电池及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）以氢气、天然气、城市煤气、液化气、生物质气化气等为燃料，将燃料化学能直接转化为电能。由于SOFC具有燃料丰富、清洁高效、可热电联供等特点，可广泛应用于大型电站、分布式电站、家庭热电联供器等，被认为是未来电站的变革性技术。SOFC单电池由致密陶瓷电解质和多孔阴阳两电极构成，传统电池构造采用较厚的电解质或者阴极为支撑体，电池运行温度一般在900-1000^oC。目前，大多数研究工作都采用1-2mm厚的金属陶瓷阳极为衬底，电解质薄膜一般在10微米左右，电池工作温度700-800^oC。但是，金属-陶瓷衬底的固有脆性及其带来的密封难题严重影响了电池功率输出的可靠性、耐久性及其热循环性能，而且衬底使用了大量昂贵的稀有金属氧化物，成本较高，这些都成为SOFC发电技术走向商业应用的障碍。随着电池工作温度的降低，合金材料的广泛使用逐渐成为可能。合金不仅可以用作单电池间的致密连接材料和系统的结构组装材料，而且还可以充当单电池的多孔结构衬底。与传统电极或者电解质支撑构造相比，金属支撑SOFC具有高机械强度、高抗热震性、低成本和易于电池堆封接等优势。

Fe-Cr合金的热膨胀系数与氧化锆或者氧化铈电解质相近，故而成为常用的金属支撑体材料。Villarreal等以FeCr合金为基底，利用传统陶瓷工艺包括流延和悬浮液喷涂技术制备金属支撑SOFC的多层结构，并在还原性气氛下1350^oC烧结实现电解质膜致密化，电池在800^oC和900^oC分别获得了100mW/cm²和200mW/cm²的最大输出功率。然而，阳极中金属镍在高温还原性气氛下团聚和粗化现象极为明显，镍颗粒长大至10微米，阳极有效三相线（即金属镍-氧化锆-气相交汇区域）密度显著下降，严重制约了阳极对燃料的催化氧化活性和电池的电学输出性能，此外，阳极与合金衬底在高温处理和电池高温运行时若直接接触，金属原子如Ni、Fe、Cr等会相互扩散，这不仅会降低阳极层的催化活性，而且会增加合金衬底的热膨胀系数并改变其抗氧化性和机械性能（参见Electrochemical and Solid-State Letters, 6(9)(2003): A178-A179）。

在合金衬底与阳极之间引入微米厚的多孔陶瓷膜隔层如氧化铈、Gd₂O₃掺杂CeO₂（GDC）或者La_0.6Sr_0.2Ca_0.2CrO₃，金属原子的互扩散行为可以得到有效抑制，比如，以多孔La_0.6Sr_0.2Ca_0.2CrO₃为阻隔层，金属支撑SOFC单电池800^oC最大输出功率达400mW/cm²，而且前1000小时的功率衰竭不到1%。但增加阻挡层会导致制备工艺的复杂和电池性能的下降，此外，扩散阻挡层并不能解决电池长期运行过程中阳极Ni颗粒的粗化问题（参见 ECS Transactions, 7 (1) (2007) 771–780）。