[发明专利]一种固体氧化物燃料电池双层阳极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池阳极的制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种直接把化学能转变为电能的电化学装置，具有高效、环保、燃料来源广泛等优点。SOFC主要由阳极、阴极和电解质三个基本组元构成，是全固态的陶瓷结构。整个电池在组装过程中需要通过高温烧结实现电池组元陶瓷化和各个组元之间的紧密结合。这就需要通过材料选择、组元参数设计和制备工艺优化来保证电池组元和组元之间不发生开裂、变形和脱落等问题。

按照电池支撑体的成分不同，SOFC主要可以分为阳极支撑型SOFC和电解质支撑型SOFC，其中阳极支撑型SOFC中阳极的制备方法主要是干压法、流延法；而电解质支撑的阳极主要是丝网印刷和浆料涂覆法。电解质支撑SOFC的优点是机械强度高，电极可以按照需要在电解质上进行任意排布，结构设计多样。例如在单气室固体氧化物燃料电池(SC-SOFC)中的同面电池，必须使用电解质支撑结构，因为它需要在一个电解质的同一面上同时制备电池的阳极和阴极，这显然是阳极支撑电池无法实现的。在SOFC的实际应用中，除了需要考虑电池的机械强度以外，还需要根据电池的工作条件不同对电池的电极的厚度还有特别的要求。例如在使用CH₄和O₂的混合气体为燃料的固体氧化物燃料电池，需要阳极的厚度可以达到几百个微米防止电池阳极的三相反应区被混合气氛中的氧气迅速氧化，导致电池电压的快速震荡和衰退(Fuel cells 2014,14(1),76-82)。但目前电解质支撑SOFC的阳极厚度一般都小于100μm，这主要是因为电解质支撑SOFC中的阳极都是由含有大量有机物的浆料制备而成。阳极薄的时候，需要的阳极浆料较少，在高温烧结的过程中，浆料中有机物挥发的路径较短，有机物容易从阳极薄层中直接逃逸，保证了阳极自身的完整；相反，厚的阳极就需要厚的阳极浆料，在电极高温烧结的过程中，大量浆料存在就会使得阳极底层中的有机物挥发路径很长，逃逸阻力过大，被困在阳极胚体中发生膨胀，同时周围的有机物也会逐渐进入该膨胀空间中；随着温度的升高，膨胀的有机物蓄积的能量越来越大，对阳极胚体的冲击力增大，当冲击力达到阳极胚体的耐受极限时，有机物便冲破逃逸出去，最终导致了阳极的表面出现变形或者开裂。

发明内容

本发明是要解决目前浆料涂覆法制备SOFC厚阳极中出现的阳极开裂、脱落的问题，从而提供一种固体氧化物燃料电池双层阳极的制备方法。

本发明固体氧化物燃料电池双层阳极的制备方法按下列步骤实现：

一、将固体氧化物电解质粉体装入模具内，在室温下将电解质粉体压制成厚度为0.05～3mm的坯体，然后在1000～1400℃的高温下烧结1～10h，得到电解质支撑体；

二、按质量比为0.25～9:1将氧化亚镍与固体氧化物电解质混合后研磨，研磨后的粉体分成初始粉体a和初始粉体b；

三、向初始粉体a中加入造孔剂，混合均匀得到混合粉体，将混合粉体置于钢制模具中，在室温下将混合粉体压制成厚度为0.05～3mm的阳极坯体，将阳极坯体在900～1500℃条件下烧结1～10h，得到干压后的多孔阳极块体；

四、向初始粉体b中加入粘结剂，制备得到阳极浆料，然后将阳极浆料涂覆到电解质支撑体上，涂覆的阳极浆料层厚度为0.005～0.05mm，得到涂覆有浆料的阳极坯体；

五、将步骤三得到的干压后的多孔阳极块体放置于涂覆有浆料的阳极坯体的阳极浆料层上，最后在900～1500℃的高温下共烧结1～10h，得到固体氧化物燃料电池双层阳极。

本发明将浆料涂覆法和干压法相结合制备固体氧化物燃料电池双层阳极，先通过浆料涂覆法制备薄层阳极，再在薄层阳极上制备干压法厚阳极，最后通过共烧结获得所需阳极。这种方法既避免了浆料制备阳极中的变形、开裂问题，又保留了浆料涂覆制备电极结构多样的特点，同时还提高了电池的输出性能的稳定性。

综上，本发明固体氧化物燃料电池双层阳极的制备方法包含以下有益效果：

1、本发明将浆料涂覆法和干压法结合制备固体氧化物燃料电池双层阳极，SOFC阳极的厚度可达0.1～3mm，解决了单一浆料涂覆法在制备厚阳极时高温烧结过程中的变形、开裂和脱落问题；

2、本发明将浆料涂覆法和干压法结合制备固体氧化物燃料电池双层阳极，依然保留了浆料涂覆法在制备电极中能够根据需要自由排布，结构设计多样的优点；

3、本发明将浆料涂覆法和干压法结合制备固体氧化物燃料电池双层阳极，利用干压法制备的阳极结构合理，有利于提高电池输出性能的稳定性；