一种阳极支撑管状固体氧化物燃料电池制造技术

本发明专利技术阳极支撑的管状固体氧化物燃料电池，特征是采用多孔阳极为支撑体，支撑体内层管分成多个在底部相互连通的支管，中心支管上端与燃料输送管道相连接，内层管的外壁为相互毗邻的横截面形状为三角形或弧形的纵向沟槽；其中部分毗邻沟槽的外表面是连续的致密电解质层，其余相互毗邻沟槽的外表面是连续的致密电连接材料层，连续致密电解质层和连续致密电连接材料层相互连接将内层管的外表面完全覆盖，形成气密的中间层；致密电解质层外是多孔阴极层；外表面凸凹沟槽增加了有效反应面积，提高了体功率密度；中心支管既作燃料气输入管道，又可作为燃料重整反应器，省去了单独的燃料重整器，提高了支撑体管内空间的利用效率。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于燃料电池
，特别是涉及管状固体氧化物燃料电池。
技术介绍
现有阴极支撑管状固体氧化物燃料电池技术，最早由美国西屋(Westinghouse)开发，使用锶掺杂的锰酸镧(简写为SLMO)阴极材料，钇稳定的氧化锆(YSZ)电解质，Ni-YSZ金属陶瓷作为阳极材料，～40μm厚的致密电解质层采用电化学气相淀积(EVD)技术制备。荷兰《国际固体离子学》杂志(Solid State Ionics，135，2000，305-313)报道了西门子-西屋公司开发的一种扁管型固体氧化物燃料电池，其主要改进在于将阴极支撑体内管制成了具有支撑肋骨的结构。支撑肋骨一方面起到了增加电流流通截面的作用，降低了整个电池的内阻，同时可以降低阴极支撑体内管的壁厚，减小阴极的浓差极化；阴极支撑体内管的肋骨结构，将管内分成若干个相互连接的通道，可省去专用的输送空气的陶瓷管。但现有阴极支撑管状固体氧化物燃料电池技术，依然存在有明显的缺点或不足由于采用阴极支撑设计，阴极支撑体内管只能作为氧气(或空气)的气体通道，空间利用效率低，电池堆系统的体能量密度小；阴极支撑设计，反应能力强的阳极在外层，有相对大的反应活性面，而能力弱的阴极在内层，有相对小的反应活性面，因此，不利于管状固体氧化物燃料电池功率密度的提高；由于采用阴极支撑设计，阴极支撑体表面的致密电解质层只能采用制备温度较低的电化学气相淀积技术制备，成本高。
技术实现思路
本专利技术提出一种采用阳极支撑、可实现燃料在位重整、高阴极反应活性面积的管状固体氧化物燃料电池。这种阳极支撑管状固体氧化物燃料电池，截面为扁圆或矩形，管壁为由内层、中间层和外层构成的三层结构，其特征在于支撑体采用多孔阳极材料，阳极支撑体内层管1内有三个或更多相互连通的支管，各支管的上端开口，下端合并成一个单管2；位于内层管1中轴线上的中心支管3，其上端与燃料的输送管道相连接；内层管1的外壁为相互毗邻的横截面形状为三角形或弧形的纵向沟槽；其中部分毗邻沟槽的外表面是连续的致密电解质层4，其余相互毗邻沟槽的外表面是连续的致密电连接材料层5，连续致密电解质层4和连续致密电连接材料层5相互连接将阳极支撑体内层管1的外表面完全覆盖，形成气密的中间层；致密电解质层4的外面是多孔阴极层6。所述多孔阳极材料为金属陶瓷，其中的陶瓷材料包括固体氧化物燃料电池的电解质材料(如YSZ，钐掺杂的二氧化铈)，还包括Al2O3、MgO、TiO2，金属材料包括Ni、Fe、Cu、Mo、W、V。所述阳极支撑体内层管1内各支管的内壁上，可负载用于燃料重整反应的催化剂。与现有阴极支撑管状固体氧化物燃料电池相比，本专利技术阳极支撑管状固体氧化物燃料电池不仅保留了现有管状固体氧化物燃料电池的原有优点，还具有以下优点1)由于本专利技术采用阳极支撑设计，使阳极支撑体的内管，既作为燃料输送管道，又可兼做燃料重整反应器，实现了在位重整，提高了电池堆系统对空间的利用率，同时简化了电池堆的辅助系统；2)由于本专利技术采用阳极支撑设计，小面积的内层是反应能力强的阳极层，面积大的外层是反应能力弱的阴极层，有利于提高单电池的功率密度；3)内层管的外壁设计成相互毗邻的横截面形状为三角形或弧形的纵向沟槽，折线或曲线形状的外表面，增大了电池单位长度的电极反应面积，提高了电池的体功率密度。附图说明图1为内层管1内有7个支管的阳极支撑管状固体氧化物燃料电池的横截面结构示意图；其左上角为有多孔阴极层6和电解质层4的管壁结构放大图；其右下角为有电连接层5的管壁结构放大图；图2为由三个单电池(内层管为7个支管)组成电池堆时，各单电池之间接触面的位置配合关系示意图；图3为由三个单电池组成电池堆的结构及工作原理示意图。图4为内层管1内有3个支管的阳极支撑管状固体氧化物燃料电池的横截面结构示意图；图中符号“X”和“·”表示燃料的流动方向，“X”表示由纸外向纸内，“·”表示由纸内向纸外；实心箭头指示燃料气的流动方向，空心箭头指示氧气的流动方向。具体实施例方式实施例1本实施例为一种阳极支撑体内层管1内有七个支管的管状固体氧化物燃料单电池，阳极材料采用Ni-YSZ金属陶瓷，电解质采用YSZ，阴极材料采用La0.65Sr0.3MnO3-δ，电连接材料采用La0.8Sr0.2CrO3。制作过程如下采用真空炼泥技术，以纤维素(MC)为粘合助剂，混炼60wt％NiO+YSZ陶瓷混合泥料，用挤压机成型出阳极支撑体内层管1生坯的上段，内有七个支管，中心支管3的周围对称分布有6根支管，长度为600mm，各支管间的隔离墙厚度为～0.8mm，中心支管3的内径为4mm，外壁由外凸的半圆棱和内凹的半圆沟槽相间、相切连接而成，凸、凹半圆的直径均为1mm，内层管1的公称截面为矩形，尺寸为18×11(mm)；所谓内层管1的公称截面，是指外壁沟槽的中位线所围成的截面；与内层管1的公称截面相对应，内层管1的公称壁厚为1.5mm；干燥内层管1生坯的上段到一定程度，使之具有后操作所需要的机械强度后，用60wt％NiO+YSZ混合固体粉含量为60wt％的水基浆料，用凝胶浇铸成型法封闭支撑体内层管1的下端、成型下段的单管2，7个支管在此相互连通；至此，得到完整的支撑体内层管1生坯。本实施例内层管1的外表面结构为直径1mm的半圆沟槽；直径也可以不等，还可以是其他形状的沟槽，例如内层管1横截面的外轮廓线为封闭折线、或由不同的弧组成的封闭曲线。在阳极支撑体内层管1干燥后，采用悬浮粒子浆料浸渍涂膜技术，制备中间层的致密电解质膜4和致密的电连接材料膜5；为此，以聚丙烯酸(PAA)为分散助剂，分别制备出固含量为10vol％的水基YSZ悬浮粒子浆料，和固含量为55vol％的水基电连接材料La0.8Sr0.2CrO3悬浮粒子浆料。在阳极支撑体内管1的三个外表面上制备YSZ电解质膜4首先将留作制备致密电连接材料膜层的面用石蜡封盖，然后浸渍涂布电解质层4的生膜，此后，将电解质层4的生膜在1500℃、空气条件下烧结5小时；经过三次“石蜡封盖-涂膜-烧结”的重复操作后，得到厚度30±10μm的致密电解质膜层4；在支撑体内管1剩下的一个表面上制备致密电连接材料膜层5先将已有的致密电解质膜4用石蜡封盖，然后用悬浮粒子浆料浸渍法制备出电连接材料层5的生膜，其后，在1600℃、空气条件下烧结5小时；经过三次“涂膜-烧结”重复操作后，得到厚度200±10μm的致密电连接材料膜层5；致密电解质膜层4和致密电连接材料膜层5将阳极支撑体内层管1的外表面完全覆盖，形成气密的中间层。本实施例中采取了先制备中间层的致密电解质膜4，后制备致密电连接材料膜5；也可以先制备致密电连接材料膜5，后制备致密电解质膜4。致密La0.8Sr0.2CrO3电连接材料膜5的厚度比致密电解质层4的厚度大170μm(200μm-30μm)，目的是避免电池堆相邻单电池的阴极相互接触。采用喷浆涂膜法在中间层致密的电解质膜4的外表面制备多孔的阴极层6，在实施喷涂以前，先用石蜡将电连接材料膜5封盖起来，阴极层6的生膜涂好后，将其在1200℃、空气条件下烧结2小时，得到厚度～60μm的多孔的阴极层6；至此，一根有效长度为500mm的阳极支撑的管状固体氧化物燃料电池制备完毕。将按上述方法制备的三根有效长度为500mm的管状本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阳极支撑管状固体氧化物燃料电池，截面为扁圆或矩形，管壁为由内层、中间层和外层构成的三层结构，其特征在于支撑体采用多孔阳极材料，阳极支撑体内层管１内有三个或更多相互连通的支管，各支管的上端开口，下端合并成一个单管２；位于内层管１中轴线上的中心支管３，其上端与燃料的输送管道相连接；内层管１的外壁为相互毗邻的横截面形状为三角形或弧形的纵向沟槽；其中部分毗邻沟槽的外表面是连续的致密电解质层４，其余相互毗邻沟槽的外表面是连续的致密电连接材料层５，连续致密电解质层４和连续致密电连接材料层５相互连接将阳极支撑体内层管１的外表面完全覆盖，形成气密的中间层；致密电解质层４的外面是多孔阴极层６。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孟广耀，高建峰，刘杏芹，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]