一种自密封间接内重整固体氧化物燃料电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种自密封间接内重整固体氧化物燃料电池及其制备方法，属于燃料电池技术领域。该电池的制备步骤包括：对自密封间接内重整固体氧化物燃料电池进行结构功能一体化设计；用增材制造技术对连接体本体耐高温合金材料和重整多孔区耐高温合金与高活性催化剂的复合材料实现连接体重整板一体化成型；对成型后的连接体重整板去应力退火和平整化处理；采用等离子喷涂方法于电池支撑多孔区远离重整合成气流道一侧依次沉积阳极层、电解质层和阴极层。该方法通过区域铺粉技术实现连接体重整板异质合金梯度材料增材制造一体化成型，适用于新型复杂结构燃料电池的制备，该方法简单易操作，精度高，可获得高质量、高效率和寿命长的多功能燃料电池。长的多功能燃料电池。长的多功能燃料电池。

【技术实现步骤摘要】
一种自密封间接内重整固体氧化物燃料电池及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电池
，具体而言，涉及一种自密封间接内重整固体氧化物燃料电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换为电能的全固态反应装置，其基本结构单元主要包括阳极、阴极和电解质。最常见的固体氧化物燃料电池堆构型主要有平板式和圆管式两种，前者结构简单、便于模块化组装，且电流传导路径短使其具有更高的功率密度，但是这种电池堆存在密封面积大、高温密封困难和各组件之间热膨胀不匹配等不足。
[0003]此外，固体氧化物燃料电池因运行温度高可利用的燃料最为广泛，其不仅可以使用氢气，还可以使用甲烷、合成气、乙醇等碳氢燃料。当以碳氢燃料作为燃料时，通常需要将其重整为合成气才可进入电池阳极内部发生电化学反应。内重整虽然可以降低外重整设备的复杂性和成本，但是非常快的强吸热化学反应需要吸收大量的热量，这会在电池内部产生较大的温度梯度，由此形成的热应力很容易造成电池结构破坏并导致性能下降。而且碳氢燃料在高温阳极内部重整时极易发生裂解，形成积碳覆盖在阳极活性位点表面，造成电池性能大幅下降甚至导致电池堆提前失效。
[0004]因此，如何设计出多种功能的新型平板式固体氧化物燃料电池，有效解决电池密封和阳极积碳等问题是当前燃料电池领域研究人员共同面临的技术难题。另外，如何实现设计多功能固体氧化物燃料电池内部的复杂结构精细化成型，也是本领域技术人员亟需掌握的关键制备技术。
[0005]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的之一在于提供一种自密封间接内重整固体氧化物燃料电池的制备方法，该方法采用区域铺粉技术实现连接体重整板异质合金梯度材料增材制造一体化成型，可适用于新型结构复杂燃料电池的制备，并且，该方法简单易操作，精度高，能够获得较高质量的多功能燃料电池，延长其使用寿命。
[0007]本专利技术的目的之二在于提供一种由上述制备方法制备所得的碳氢燃料和重整合成气自密封的间接内重整固体氧化物燃料电池。
[0008]本申请可这样实现：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种自密封间接内重整固体氧化物燃料电池的制备方法，包括以下步骤：
[0010]S1：对自密封间接内重整固体氧化物燃料电池进行结构功能一体化设计，自密封内重整固体氧化物燃料电池包括连接体重整板和单电池；连接体重整板包括连接体本体，连接体本体的上表面和下表面分别设有电池支撑多孔区和氧化气流道，电池支撑多孔区的
下表面设有重整合成气流道，重整合成气流道与氧化气流道之间设有用于供重整燃料发生催化反应的重整多孔区，且重整多孔区与重整合成气流道以及氧化气流道之间以无泄漏的壁面隔开以实现重整燃料的密封；单电池包括阳极、电解质和阴极；
[0011]S2：采用增材制造技术制备连接体重整板，连接体重整板的制备包括：
[0012]Sa：连接体重整板A区域的制备：连接体重整板A区域为连接体本体中位于重整多孔区的下方的实心区域，制备时，在连接体重整板A区域的预设成型区铺设耐高温氧化合金粉末，采用增材制造工艺，经过熔化
‑
凝固过程逐层成型，完成连接体本体及氧化性气体流道的成型；
[0013]Sb：连接体重整板B区域的制备：连接体重整板B区域包括重整多孔区以及与重整多孔区相等高度的连接体本体实心区域，制备时，在连接体重整板A区域上表面，分别于连接体重整板B区域中的实心区域铺设耐高温氧化合金粉末以及于多孔区域铺设耐高温氧化合金与具有催化重整性能的材料组成的复合粉末，采用增材制造工艺，经过熔化
‑
凝固过程逐层成型，实现实心区域高温合金材料与多孔区域复合材料之间的梯度连接，完成连接体重整板B区域的异质材料一体成型；
[0014]Sc：连接体重整板C区域的制备：连接体重整板C区域包括连接体本体中位于重整多孔区的上方的实心区域以及电池支撑多孔区，制备时，在连接体重整板C区域的预设成型区铺设耐高温氧化合金粉末，采用增材制造工艺，经过熔化
‑
凝固过程逐层成型，完成连接体重整板C区域实心区域、电池支撑多孔区和重整合成气流道的成型；
[0015]S3：对成型后的连接体重整板进行去应力退火和平整化处理；
[0016]S4：采用等离子喷涂技术于电池支撑多孔区的远离重整合成气流道的一侧依次沉积阳极层、电解质层和阴极层，且电解质层完全覆盖阳极层和连接体本体上表面的所有区域，实现重整合成气路的自密封。
[0017]在可选的实施方式中，结构功能一体化设计内容包括：连接体重整板的空间结构，重整多孔区、电池支撑多孔区、连接体本体上表面以及氧化气流道的表面微观特征，电池功能层的堆叠，重整多孔区催化剂材料和氧化气流道高温导电阻铬防护涂层的设计。
[0018]在可选的实施方式中，增材制造技术采用选区激光熔化技术、选区电子束熔化技术或粘结剂喷射增材制造技术；
[0019]优选地，采用选区激光熔化方式技术，其中：
[0020]所述连接体重整板的各区域中的实心部分的工艺条件包括：激光功率为200
‑
250W，扫描速度为1000
‑
1150mm/s，扫描间距为0.05
‑
0.1mm，光斑大小为30
‑
80μm，激光波长为900
‑
1070nm；
[0021]所述连接体重整板B区域中的重整多孔区的工艺条件包括：激光功率为150
‑
190W，扫描速度为750
‑
900mm/s，扫描间距为0.1
‑
0.2mm，光斑大小为30
‑
80μm，激光波长为900
‑
1070nm；
[0022]所述连接体重整板C区域中的电池支撑多孔区的工艺条件包括：激光功率为80
‑
100W，扫描速度为500
‑
700mm/s，扫描间距为0.12
‑
0.15mm，光斑大小为30
‑
80μm，激光波长为900
‑
1070nm。
[0023]在可选的实施方式中，去应力退火和平整化处理是在真空热处理炉中进行。
[0024]在可选的实施方式中，退火温度为500
‑
900℃，和/或，退火时间为4
‑
6小时。
[0025]在可选的实施方式中，在S3与S4之间，还包括：对连接体重整板的上表面和下表面进行预处理，以获得等离子喷涂沉积要求的新鲜清洁粗化表面。
[0026]在可选的实施方式中，预处理包括喷砂和激光清洗中的至少一种。
[0027]在可选的实施方式中，S4中，采用真空等离子喷涂方式制备电解质层。
[0028]在可选的实施方式中，还包括S5：采用等离子喷涂方式在连接体重整板的具有氧化气流道的一侧的表面沉积高温导电阻铬防护涂层。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自密封间接内重整固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1：对自密封间接内重整固体氧化物燃料电池进行结构功能一体化设计，所述自密封内重整固体氧化物燃料电池包括连接体重整板和单电池；所述连接体重整板包括连接体本体，所述连接体本体的上表面和下表面分别设有电池支撑多孔区和氧化气流道，所述电池支撑多孔区的下表面设有重整合成气流道，所述重整合成气流道与所述氧化气流道之间设有用于供重整燃料发生催化反应的重整多孔区，且所述重整多孔区与所述重整合成气流道以及所述氧化气流道之间以无泄漏的壁面隔开以实现重整燃料的自密封；所述单电池包括阳极、电解质和阴极；S2：采用增材制造技术制备所述连接体重整板，所述连接体重整板的制备包括：Sa：连接体重整板A区域的制备：所述连接体重整板A区域为连接体本体中位于所述重整多孔区的下方的实心区域，制备时，在连接体重整板A区域的预设成型区铺设耐高温氧化合金粉末，采用增材制造工艺，经过熔化
‑
凝固过程逐层成型，完成连接体本体及氧化性气体流道的成型；Sb：连接体重整板B区域的制备：所述连接体重整板B区域包括重整多孔区以及与所述重整多孔区相等高度的连接体本体实心区域，制备时，在连接体重整板A区域上表面，分别于连接体重整板B区域中的实心区域铺设耐高温氧化合金粉末以及于多孔区域铺设耐高温氧化合金与具有催化重整性能的材料组成的复合粉末，采用增材制造工艺，经过熔化
‑
凝固过程逐层成型，实现实心区域高温合金材料与多孔区域复合材料之间的梯度连接，完成连接体重整板B区域的异质材料一体成型；Sc：连接体重整板C区域的制备：所述连接体重整板C区域包括连接体本体中位于所述重整多孔区的上方的实心区域以及电池支撑多孔区，制备时，在连接体重整板C区域的预设成型区铺设耐高温氧化合金粉末，采用增材制造工艺，经过熔化
‑
凝固过程逐层成型，完成连接体重整板C区域实心区域、电池支撑多孔区和重整合成气流道的成型；S3：对成型后的所述连接体重整板进行去应力退火和平整化处理；S4：采用等离子喷涂技术于所述电池支撑多孔区的远离所述重整合成气流道的一侧依次沉积阳极层、电解质层和阴极层，且电解质层完全覆盖阳极层和连接体本体上表面的所有区域，实现重整合成气路的自密封。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，结构功能一体化设计内容包括：连接体重整板的空间结构，重整多孔区、电池支撑多孔区、连接体本体上表面以及氧化气流道的表面特征，电池功能层的堆叠，重整多孔区催化剂材料和氧化气流道高温导电阻铬涂层的设计。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，增材制造技术采用选区激光熔化技术、选区电子束熔化技术或粘结剂喷射增材制造技术；优选地，采用选区激光熔化技术，其中：所述连接体重整板的各区域中的实心部分的工艺条件包括：激光功率为200
‑
250W，扫描速度为1000
‑
1150mm/s，扫描间距为0.05
‑
0.1mm，光斑大小为30
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：文魁，刘敏，刘太楷，宋琛，董东东，毛杰，邓春明，邓畅光，周克崧，
申请(专利权)人：广东省科学院新材料研究所，
类型：发明
国别省市：