一种固体氧化物燃料电池的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种固体氧化物燃料电池的制备方法，固体燃料电池由阳极、阴极及电解质组成，其中阳极为NiO、8YSZ和石墨混合物组成的复合多孔结构，电解质为致密8Y‑ZrO2（8YSZ）离子导电层，阳极层和电解质层经低压的模压成型后，在100‑150℃下施加200‑400MPa压力压制成型，然后在1150‑1350℃C温度下共烧形成半电池，再通过丝网印刷涂覆阴极组成单电池。本发明专利技术能够有效提高8YSZ电解质的成型密度，进而在保证8YSZ电解质致密度的前提下降低共烧温度，提高单电池的电化学性能。

Preparation of a solid oxide fuel cell

The invention discloses a preparation method of solid oxide fuel cells, solid fuel cell comprises an anode, cathode and electrolyte composition, wherein the anode composite porous structure composed of NiO, 8YSZ and graphite mixture, dense 8Y electrolyte ZrO2 (8YSZ) ion conductive layer, anode layer and electrolyte layer by molding pressure after applying 200 400MPa pressure in 100 under 150 DEG C for molding, and then in the 1150 1350 DEG C temperature co fired half cell formed by screen printing, and then coated cathode composed of single cell. The invention can effectively improve the forming density of the 8YSZ electrolyte, and further reduce the co firing temperature and improve the electrochemical performance of the single cell on the premise of guaranteeing the density of the 8YSZ electrolyte.

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物燃料电池的制备方法
本专利技术属于固体氧化物燃料电池
，具体涉及一种固体氧化物燃料电池的制备方法。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC)是采用固体氧化物电解质为隔膜，通过电化学反应将燃料的化学能直接转换为电能的一种发电技术。在所有的燃料电池中，固体氧化物燃料电池是已发现的由燃料化学能直接转化为电能的最有效的装置。SOFC的应用相当广泛，几乎涵盖所有传统电力市场，包括住宅用、商业用、工业用/现场型发电机，以及公共事业用发电厂等，甚至还可应用于便携式电源、移动电源、偏远地区用电及高品质电源等，其中以静置型的商业用电源、工业用热电联供系统及小型电源市场前景较为看好。目前广泛使用的性能比较好的SOFC阳极材料主要是Ni/8YSZ（氧化钇稳定的氧化锆）金属陶瓷。由于SOFC阳极需要提供燃料气体的运输通道，故阳极结构应为多孔疏松；并且阳极中的Ni粒子在高温下容易烧结团聚，且异常长大，这会降低SOFC的三相界面长度，所以应降低阳极的烧结温度。然而阳极和8YSZ电解质处于共烧，降低阳极的烧结温度势必会影响电解质的致密度，从而影响电解质的离子传导。为了保证电解质的致密度，通常阳极和电解质的共烧温度需达到1400oC以上。因此，在保证8YSZ电解质致密度的前提下若能降低共烧温度，就能有效提高阳极性能，同时节省大量能耗。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种固体氧化物燃料电池的制备方法，旨在提供一种新的半电池生坯成型方法，有效提高8YSZ电解质的成型密度，进而在保证8YSZ电解质致密度的前提下降低共烧温度，提高单电池的电化学性能。为了实现上述的技术目的，本专利技术的技术方案为：一种固体氧化物燃料电池的制备方法，其包括以下步骤：1）按质量比4:6:1称取NiO、8YSZ和石墨为阳极原料，以乙醇为研磨介质，将阳极原料混合并充分研磨24小时后干燥制成阳极粉；2）称取一定量的阳极粉放入模具中压平，作为半电池的阳极层；3）称取一定量的8YSZ纳米粉体，加入其重量10-30%的去离子水，于研钵中充分研磨均匀制得电解质原料，然后将电解质原料均匀地覆盖在步骤2）所述的模具中的半电池阳极层上方；4）在100℃-150℃温度下施加200-400Mpa压力压制成型，保压20-40分钟，得到半电池生坯；5）将上述半电池生坯置于马弗炉中，于1150-1350℃温度下烧结3.5-4小时，然后自然冷却至室温，得到半电池；6）将上述半电池用丝网印刷的方式涂上阴极，并置于马弗炉中于1050-1100℃烧结2-2.5h得到单电池，即所述固体氧化物燃料电池。进一步，所述步骤2）称取的阳极粉与步骤3）称取的8YSZ纳米粉体的质量比为0.25-0.3∶0.02。优选的，所述步骤2）称取的阳极粉与步骤3）称取的8YSZ纳米粉体的质量比为0.3∶0.02。所述步骤2），对阳极粉施加50MPa的压力将其压平。所述步骤3），8YSZ纳米粉体的粒径为20nm。所述步骤6），阴极材料由LSCF和8YSZ按质量比为7:3组成。所述步骤6）得到的固体氧化物燃料电池，其阳极的厚度为500-800μm，阴极的厚度为50-80μm，电解质的厚度为20-30μm。本专利技术采用以上技术方案，固体燃料电池由阳极、阴极及电解质组成，其中阳极为NiO、8YSZ和石墨混合物组成的复合多孔结构，电解质为致密8Y-ZrO2（8YSZ）离子导电层，阳极层和电解质层经低压的模压成型后，在100-150℃下施加200-400MPa压力压制成型，然后在1150-1350℃温度下共烧形成半电池，再通过丝网印刷涂覆阴极组成单电池。研究发现，生坯密度对8YSZ电解质的烧结特性和电学性能有极大的影响，因此提高8YSZ电解质的生坯密度，对制备高性能SOFC电池具有很大的促进作用。本专利技术通过在8YSZ纳米粉体中加入一定比例的去离子水，在设定温度和压力下成型，可以得到成型密度很高的8YSZ电解质层生坯。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：（1）通过本专利技术方法获得8YSZ生坯密度达到70%以上，其在1200℃下烧结后的致密度与传统1400℃下致密度相当。和电解质共烧的阳极在1200℃下烧结后，晶粒尺寸大大降低，且无烧结团聚现象。（2）电解质层生坯密度的提高使阳极/电解质共烧温度范围大大拓宽，提高了生产工艺的灵活度。（3）常规的阳极/电解质共烧温度为1400oC，通过本专利技术方法改进后，可以大大降低生产过程中烧结所需的能耗，提高产品竞争力。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步的阐述：图1是实施例2得到的8YSZ电解质烧结1200℃后的扫描电镜图；图2是实施例2得到的阳极烧结1200℃后的扫描电镜图。具体实施方式一种固体氧化物燃料电池的制备方法，其包括以下步骤：1）按质量比4:6:1称取NiO、8YSZ和石墨为阳极原料，以乙醇为研磨介质，将阳极原料混合并充分研磨24小时后干燥制成阳极粉；2）称取一定量的阳极粉放入模具中，施加50MPa的压力将其压平，作为半电池的阳极层；3）称取一定量的粒径为20nm的8YSZ纳米粉体，加入其重量10-30%的去离子水，于研钵中充分研磨均匀制得电解质原料，然后将电解质原料均匀地覆盖在步骤2）所述的模具中的半电池阳极层上方；其中，步骤2）称取的阳极粉与步骤3）称取的8YSZ纳米粉体的质量比为0.25-0.3∶0.02。4）在100℃-150℃温度下施加200-400Mpa压力压制成型，保压20-40分钟，得到半电池生坯；5）将上述半电池生坯置于马弗炉中，于1150-1350℃温度下烧结3.5-4小时，然后自然冷却至室温，得到半电池；6）将上述半电池用丝网印刷的方式涂上阴极，阴极材料由LSCF和8YSZ按质量比为7:3组成，并置于马弗炉中于1050-1100℃烧结2-2.5h得到单电池，即所述固体氧化物燃料电池。本专利技术得到的固体氧化物燃料电池，其阳极的厚度为500-800μm，阴极的厚度为50-80μm，电解质的厚度为20-30μm。实施例1一种固体氧化物燃料电池的制备方法,包括以下步骤：1）按质量比4:6:1称取NiO、8YSZ和石墨为阳极原料，以乙醇为研磨介质，将阳极原料混合并充分研磨24小时后干燥制成阳极粉；2）称取0.3g的阳极粉放入模具中用50MPa压力压平，作为半电池的阳极层；3）称取0.02g的8YSZ纳米粉体（粒径20nm），加入其重量10%的去离子水，于研钵中充分研磨均匀得到电解质原料，然后将研磨后的电解质原料均匀地覆盖在步骤2）模具中阳极层的上方，于100℃下施加200Mpa压力压制成型，保压20分钟，得到半电池生坯；与此同时，0.25g的8YSZ粉体，加入其重量10%的去离子水，以同样温度和压力模压得到8YSZ电解质生坯；用电子天平准确称量坯体质量，用游标卡尺和千分尺分别测量其直径和厚度，然后用质量体积之比计算得出其密度（即电解质生坯密度）为71.2%；4）将上述半电池生坯和8YSZ电解质生坯置于马弗炉中，于1150℃下烧结4h，然后自然冷却至室温，即可得到半电池和8YSZ电解质，其中8YSZ电解质致密度达到97.1%；5）将烧结后的半电池用丝网印刷的方式涂上阴极，阴极材料由LSCF和8YSZ按质量比为7:3组成，并置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：1）按质量比4:6:1称取NiO、8YSZ和石墨为阳极原料，以乙醇为研磨介质，将阳极原料混合并充分研磨后干燥制成阳极粉；2）称取一定量的阳极粉放入模具中压平，作为半电池的阳极层；3）称取一定量的8YSZ纳米粉体，加入其重量10‑30%的去离子水，于研钵中充分研磨均匀制得电解质原料，然后将电解质原料均匀地覆盖在步骤2）所述的模具中的半电池阳极层上方；4）在100℃‑150℃温度下施加200‑400Mpa压力压制成型，保压20‑40分钟，得到半电池生坯；5）将上述半电池生坯置于马弗炉中，于1150‑1350℃温度下烧结3.5‑4小时，然后自然冷却至室温，得到半电池；6）将上述半电池用丝网印刷的方式涂上阴极，并置于马弗炉中于1050‑1100℃烧结2‑2.5h得到单电池，即所述固体氧化物燃料电池。

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：1）按质量比4:6:1称取NiO、8YSZ和石墨为阳极原料，以乙醇为研磨介质，将阳极原料混合并充分研磨后干燥制成阳极粉；2）称取一定量的阳极粉放入模具中压平，作为半电池的阳极层；3）称取一定量的8YSZ纳米粉体，加入其重量10-30%的去离子水，于研钵中充分研磨均匀制得电解质原料，然后将电解质原料均匀地覆盖在步骤2）所述的模具中的半电池阳极层上方；4）在100℃-150℃温度下施加200-400Mpa压力压制成型，保压20-40分钟，得到半电池生坯；5）将上述半电池生坯置于马弗炉中，于1150-1350℃温度下烧结3.5-4小时，然后自然冷却至室温，得到半电池；6）将上述半电池用丝网印刷的方式涂上阴极，并置于马弗炉中于1050-1100℃烧结2-2.5h得到单电池，即所述固体氧化物燃料电池。2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：林枞，詹迎旭，巫芳婷，詹红兵，余兴，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35