[发明专利]一种冰冻流延制备固体氧化物燃料电池金属支撑体工艺

说明书

一种冰冻流延制备固体氧化物燃料电池金属支撑体工艺，采用冷冻流延技术制备一种梯度多孔金属支撑体材料，通过浆料配制，冰冻流延，冷冻干燥，烧结，还原五个步骤制备，这种材料的孔径分布沿厚度方向呈连续性变化，具有高比表面积、高比强度，更重要的是其与阳极功能层结合强度较高。

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种冰冻流延制备固体氧化物燃料电池金属支撑体工艺。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种将H_2、CH₄、天然气等燃料气体中的化学能通过电化学反应转化成电能的装置。传统的SOFC多以陶瓷或者金属陶瓷作为支撑体。陶瓷材料不易机械加工，抗热震性能和焊接性能较差，不利于SOFC电堆的组装。随着SOFC中低温的发展，一种以金属代替陶瓷作为支撑体的SOFC应运而生，这种金属支撑固体氧化物燃料电池(MS-SOFC) 同时实现了电解质薄膜化、电池强度改善、材料成本降低的三重目的。与其他构型的SOFC相比，MS-SOFC有其独特的优势：（1）成本低，金属材料成本远低于金属陶瓷复合材料；（2）快速启动，金属良好的导热性，能减小电池内部的温度梯度，实现快速启动，使之可以应用于移动领域；（3）可加工型，相比陶瓷，金属材料更具有加工性，这将使SOFC加工难度大大降低；（4）便于密封，利用金属材料成熟的密封技术，可以避免SOFC难以密封的问题。

MS-SOFC金属支撑体的作用一方面是提供电池的结构支撑，另一方面是传输燃料气体和传导电流。因此金属支撑体必须具备一定的孔隙率，用来传输气体和产生的水蒸气。和金属陶瓷阳极一样，金属支撑体孔隙率要达到30~35%，这样才能降低燃料气体传输带来的极化。目前，制备多孔金属支撑体的工艺主要是对固相金属进行烧结。这种方法是将金属粉末松装于模具中进行无压烧结，通过粉末颗粒的相互粘结获得多孔金属支撑体。这种方法制备的多孔支撑体孔隙率比较低（孔隙率分布在31.9%~37.9%），一般需要添加造孔剂，但孔径比较小，孔的形状不能控制。制备多孔金属支撑体还可以采用金属氧化物还原烧结法。将金属氧化物在空气中烧结，获得多孔的金属氧化物支撑体，然后再还原气氛中且低于金属熔点的温度下进行还原，从而获得多孔的金属支撑体。该方法的缺点是不能控制孔的大小和分布，而且对反应的温度和时间需要精确控制。

MS-SOFC阳极由两部分组成，靠近电解质的部分为阳极功能层，微观形貌为细小均匀的网络多孔结构；远离电解质的部分称为金属支撑体，其微观形貌孔隙粗大。这种微观结构导致，MS-SOFC在金属支撑体和功能层界面的结合强度较低，在长期运行过程中，界面处容易开裂，导致电池稳定性差。因此，金属支撑体微观结构的精确控制对其制备工艺提出了更高要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种冰冻流延制备固体氧化物燃料电池金属支撑体工艺，采用冷冻流延技术制备一种梯度多孔金属支撑体材料，这种材料的孔径分布沿厚度方向呈连续性变化，具有高比表面积、高比强度，更重要的是其与阳极功能层结合强度较高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一一种冰冻流延制备固体氧化物燃料电池金属支撑体工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1）浆料配制：

以水为溶剂，将30~50%丙烯酸乳液加入水中分散，并加入20～30g鱼油作为分散剂，在球磨机中球磨12h，随后加入20~40g邻苯二甲酸丁苄酯（BBP），20~40g聚烷基乙二醇（PAG），继续球磨12h，再加入20～30g鱼油作为分散剂，10~20g PVB和B98作为粘结剂，并加入可还原的金属氧化物粉末（NiO，Fe₂O₃，Fe₃O₄，CuO）100~300g继续球磨12h，制成流延浆料；

2）冰冻流延：