[发明专利]一种固体氧化物燃料电池梯度孔隙率阳极及燃料电池

说明书

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池梯度孔隙率阳极及燃料电池，包括自上到下依次连接的阳极功能层、阳极过渡层及阳极支撑层，其中，阳极过渡层的开口孔隙率大于等于阳极功能层的开口孔隙率，阳极过渡层的开口孔隙率小于等于阳极支撑层的开口孔隙率；沿水平方向，阳极功能层的孔隙率、阳极过渡层的孔隙率及阳极支撑层的孔隙率均梯度递减；或者阳极功能层的孔隙率、阳极过渡层的孔隙率及阳极支撑层的孔隙率均梯度递增，该阳极具有较低的活化极化、浓差极化及欧姆极化损失的特点，该燃料电池具有高输出电性能及高强度的特点。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，涉及一种固体氧化物燃料电池梯度孔隙率阳极及燃料电池。

背景技术

固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等众多优点，在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。近年来，阳极支撑型固体氧化物燃料电池受到广泛关注，其加厚的阳极支撑层可以有效吸收产生在电解质及附近区域的热量，其电解质可以做的相对较薄，有效降低氧离子传递产生的热量，从而降低了固体氧化物燃料电池的工作温度，因此备受研究者青睐。

多孔阳极作为阳极支撑型固体氧化物燃料电池的关键部件，对电池性能影响极大。其各项微观结构参数中，孔隙率不仅对电池的各项电压损失有重要影响，同时也影响电池的强度。若多孔阳极孔隙率较高，阳极气体的传质阻力较小，电池的浓差极化损失较小；但电极的活化比表面积和离子电导率较小，电池的活化极化损失和欧姆极化损失较大；高孔隙率电极的强度性能也较差，对电池的应用和使用寿命有重要影响。相反地，若多孔阳极孔隙率较低，电池的强度性能得以提高；电池的活化极化和欧姆极化损失也相对较小；但气体传质阻力较大，浓差极化损失较大，电池的输出电压和输出功率密度受到影响。因此期望通过开发改进阳极的微观结构，可以同时降低电池的活化极化、浓差极化和欧姆极化，提高电池电性能的同时改进电池的强度性能。

CN102265438A公开了一种固体氧化物燃料电池阳极，由梯度多孔金属或金属合金基底和多孔电极组成。梯度多孔金属或金属合金基底至少由高度多孔的下层和孔较少的上层组成，高度多孔的下层促进气体传递，上层小孔及更平滑的上表面促进了电极层的附着。然而，该结构对多孔电极的结构优化没有提及。

美国专利2004/0058228A1所公开的固体氧化物燃料电池阳极主要由高孔隙率的多孔基质和低孔隙率的电极层组成。多孔基质可由多个子层组成，其孔隙率沿着电极厚度方向梯度变化，从多孔基质到电极层，孔隙率梯度减小。多孔基质具有较大的孔隙率，有利于气体传输，降低浓差极化；电极层具有较小的孔隙率，有利于增加三相反应的位置，提高电池的输出电性能。但梯度孔隙阳极结构的多孔基质孔隙率通常较高(60％-80％)，且其厚度为阳极的主要厚度，因此严重影响了电池的强度和使用寿命。

CN101217197公开了一种固体氧化物燃料电池梯度阳极的制备方法。该方法采用电子束物理气相沉积法轰击NiO和YSZ锭料在基板上沉积，通过控制轰击NiO和YSZ锭料的电子束电流密度和轰击时间，得到梯度阳极结构的涂层。该阳极的孔隙率沿着涂层的厚度方向梯度变化，在基板侧孔隙率约为35％，有利于气体的传输，在靠近电解质侧孔隙率约为15％，有利于获得致密的电解质涂层。该方法得到的梯度阳极结构强度较高，电极层与电解质层热匹配性较好，但孔隙率水平整体偏低，浓差极化损失较大，输出电性能受到严重的影响。

CN101378132A所公开的用于电化学和电子装置的水平梯度结构主要由支撑层和梯度层组成，梯度层的每一层至少部分地与支撑层接触，其各项性质如层组成、孔隙率、电导率等水平于支撑层在总的层区域内行成梯度。该水平梯度结构可以定向的提高电池的电化学活性，平衡电池中的温度分布，实现局部最优化。然而，对于阳极支撑型固体氧化物燃料电池而言，阳极支撑层厚度占据整个电池的主要厚度，因此该水平梯度结构在阳极支撑型固体氧化物燃料电池中不具优势。

发明内容