一种高性能固体氧化物燃料电池的多孔电极层及其电池和制备方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种具有多孔结构的电极层及其电池和制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)通常由阳极、电解质、阴极组成。阳极和阴极通过采用高效的催化剂和多孔结构，可以提供反应界面并催化氧化还原反应。SOFC的性能很大程度上取决于由气体、电极、电解质间形成的三相反应界面的多少，因而电极造孔方法至关重要。

传统Ni基阳极制备方法利用混合电解质材料、Ni氧化物形成的电极材料在成型烧制后，在还原气氛下将电极材料中的Ni氧化物还原引起体积变化，并产生微小气孔来实现造孔。此造孔方法孔隙率低，活性催化物质单一，且过多地混合氧化物材料，易影响强度，很大程度上影响了电池的整体性能。以此制备的阳极支撑型固体氧化物燃料电池，单片电池片厚度偏厚，造成材料浪费。

也有在阳极支撑体中加入有机造孔剂的方法，但形成的孔道弯曲，难以形成通孔，且因阳极厚度厚，造孔剂用量大，在烧除有机物的过程中易造成环境污染。

其他造孔方法如有机泡沫法、发泡法等形成的多孔材料孔径难以控制，且孔径一般偏大，比表面积小，基体强度极差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高性能固体氧化物燃料电池的多孔电极，采用相互连通的气体通道孔和微气孔的结构，在降低气阻、提高气体扩散速率的同时，具有很大的三相界面，从而显著降低极化电阻，提高电池性能。本发明的另一目的在于提供一种高性能固体氧化物燃料电池及其制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种高性能固体氧化物燃料电池的多孔电极层，由具有气孔的电极骨架层、以及附着于气孔内壁的活性电极物质构成；所述气孔为相互连通的气体通道孔和微气孔；所述气体通道孔贯穿电极骨架层，其孔径与电极层厚度一致，孔隙率为10～29％；所述微气孔的孔径为0.1～4μm，孔隙率为20～40％。

上述方案中，本发明所述电极骨架层的原料由氧化物、石墨粉、PMMA粉末组成；所述石墨粉、PMMA粉末的用量分别为氧化物的20～40wt％、4～12wt％；所述氧化物为钇稳定氧化锆(YSZ)、钪稳定氧化锆(SSZ)、铈酸钡(BCY)、锆酸钡(BZY)中的一种或其组合。

进一步地，本发明所述钇稳定氧化锆(YSZ)为(Y

进一步地，本发明所述活性电极物质的成分为以下材料中的一种或其组合：Sr

本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种高性能固体氧化物燃料电池，由电解质层、阳极层、阴极层构成；所述阳极层、阴极层的组成和结构为上述多孔电极层，且分别位于电解质层的两侧；所述电解质层为支撑体，其厚度为50～150μm；所述阳极层、阴极层的厚度相同，均为11～50μm。

进一步地，本发明电池所述电解质层的原料与所述电极骨架层原料所用氧化物相同。

本发明提供的上述高性能固体氧化物燃料电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照所述电解质层的原料，以去离子水和乙醇为溶剂、乳胶和聚乙醇烯为粘结剂，通过流延成型制备电解质层；

(2)按照所述电极骨架层的原料和组成，以去离子水和乙醇为溶剂、乳胶和聚乙醇烯为粘结剂，通过流延成型制备阳极电极骨架层、阴极电极骨架层；

(3)按照阳极电极骨架层-电解质层-阴极电极骨架层的顺序进行叠加，经真空包装后在55～85℃温度、40～100Mpa压强下进行一体压合，得到单电池生坯；

(4)所述单电池生坯在1300～1400℃温度下烧结后，将上下外表层打磨处理，通过负压浸渍法将阳极电极骨架层浸入含活性电极物质的阳极浸渍液中，将所述阴极电极骨架层浸入含活性电极物质的阴极浸渍液中，经浸渍-烘干-煅烧，最后在空气氛围下烧结，得到由电解质层、阳极层、阴极层构成的固体氧化物燃料电池单电池片。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明电极采用贯穿电极层的大孔与增加比表面的小孔结合的结构，气体扩散速度快，浓度差极小；并且比表面积高，三相界面丰富，从而显著提高了电池性能。单电池最大功率密度可达＞600mW/cm

(2)本发明采用不同造孔剂混合造孔，使多孔电极内部孔结构得到控制；并且所使用的PMMA粉末和石墨粉对环境友好。

(3)本发明以电解质层为支撑，烧制过程中电解质两侧对称，不易产生应力集中，产品合格率高。单电池片厚度可薄至120μm，耗材少，且强度高(150～289MPa)，在降低生产成本的同时有效提高了应用范围。

(4)本发明的电极活性物质通过浸渍附着，浸渍物质可根据还原性气体种类灵活变动，适应性强。

附图说明

下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述：

图1是本发明实施例单电池片的结构示意图。

图中：电解质层1，阳极层2，阴极层3，气体通道孔4，微气孔5

具体实施方式

图1所示为本发明一种高性能固体氧化物燃料电池的实施例，由电解质层1、阳极层2、阴极层3构成；如图1所示，阳极层2、阴极层3分别位于电解质层1的两侧；电解质层1为支撑体，其厚度为50～150μm；阳极层2、阴极层3的厚度相同，均为11～50μm。

本发明实施例中，阳极层2、阴极层3的组成和结构为多孔电极层，即由具有气孔的电极骨架层、以及附着于气孔内壁的活性电极物质构成。如图1所示，气孔为相互连通的气体通道孔4和微气孔5；气体通道孔4贯穿电极骨架层，其孔径与电极层厚度一致，孔隙率为10～29％；微气孔5的孔径为0.1～4μm，孔隙率为20～40％。

本发明各实施例的高性能燃料电池，其多孔电极层、电解质层的结构参数如表1所示。

表1本发明各实施例高性能燃料电池其多孔电极层、电解质层的结构参数

本发明实施例中，电极骨架层的原料由氧化物、石墨粉、PMMA粉末组成；其中石墨粉、PMMA粉末的用量分别为氧化物的20～40wt％、4～12wt％；氧化物为钇稳定氧化锆(YSZ)、钪稳定氧化锆(SSZ)、铈酸钡(BCY)、锆酸钡(BZY)中的一种或其组合。电解质层的原料与电极骨架层原料所用氧化物相同。活性电极物质的成分为以下材料中的一种或其组合：Sr

本发明各实施例石墨粉和PMMA粉末的粒径参数如表2所示，原料物质组成如表3所示。

表2本发明各实施例石墨粉和PMMA粉末的粒径参数

表3本发明各实施例的原料物质组成

本发实施例上述高性能固体氧化物燃料电池的制备方法，其步骤如下：

(1)按照表3所示电解质层的原料，以去离子水和乙醇为溶剂、乳胶和聚乙醇烯为粘结剂，通过流延成型制备电解质层(流延烘干温度为55～60℃)；

(2)按照表2、3所示电极骨架层的原料和组成，以去离子水和乙醇为溶剂、乳胶和聚乙醇烯为粘结剂，通过流延成型制备阳极电极骨架层、阴极电极骨架层(流延烘干温度为55～60℃)；各实施例流延成型制浆工艺参数如表4所示；

(3)按照阳极电极骨架层-电解质层-阴极电极骨架层的顺序进行叠加，经真空包装后在55～85℃温度、40～100Mpa压强下进行一体压合，得到单电池生坯；

(4)上述单电池生坯在1300～1400℃温度下烧结后，将上下外表层打磨掉1～5μm，去除表皮闭孔，并提升平整度；然后通过负压浸渍法(负压0.01～0.05MPa、浸渍10～30min)，将阳极电极骨架层浸入表3所示含活性电极物质的阳极浸渍液中，将阴极电极骨架层浸入表3所示含活性电极物质的阴极浸渍液中，经浸渍(5～12次)-烘干(100～200℃)-煅烧(400～500℃)，最后在空气氛围下烧结(500～1000℃，保温1～4h)，得到由电解质层1、阳极层2、阴极层3构成的固体氧化物燃料电池单电池片。

本发明各实施例制备方法工艺参数如表5所示。

表4本发明各实施例流延成型制浆工艺参数

wt％为相对氧化物质量百分比

表5本发明各实施例制备方法工艺参数

本发明各实施例制得的单电池片的性能指标如表6所示：

表6本发明各实施例制得的单电池片的性能指标