電極面相互垂直的電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池的製作方法

2023-05-29 14:29:41

專利名稱：電極面相互垂直的電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池。
背景技術：
單氣室固體燃料物燃料電池(簡稱為SC-S0FC)是一種全新結構的燃料電池，與傳 統的固體氧化物燃料電池(簡稱為S0FC)工作原理不同，它是利用電池陰陽極對工作氣體的 選擇催化性來工作的。電池的陰陽電極處於同一氣室，除了具有傳統的固體氧化物燃料電 池高效、環保等優點外，還具有結構簡單，對密封要求低，耐熱、耐機械衝擊性能好，容易實 現多種小規模的電池組設計等優點。近幾年來，已逐漸成為固體氧化物燃料電池領域的一 個研究熱點。現有單氣室固體燃料物燃料電池中一種很重要的結構就是電極分布在電解質同 一個平面上的同面型電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池。這種電池的最大的缺點就是 電解質的歐姆阻抗佔了電池阻抗很大的比例，極大的影響電池的輸出性能。為了減少歐姆 損失，通常採用兩種方法來減小電池的歐姆電阻，一種是減小兩電極之間的距離，縮短電流 的流通路徑，另一種是增加電解質的厚度，擴展電流的流通路徑。但是，這兩種方法都帶來 了一些問題。首先，對於這種結構的電池，電極間的距離很難達到微米量級，同時減小電極 的間距，一方面會增加短路的機會；另一方面也會減小電極對工作氣體的選擇催化性，降低 了電池開路電壓；其次，增加電解質的厚度，不但增大了電池的重量，也會導致了電解質的 有效面積，特別是側面面積不能充分利用，導致電解質材料的浪費。

發明內容
本發明為了解決現有電極分布在電解質同一面的共面單氣室固體氧化物燃料物 電池歐姆電阻大、輸出性能較低的問題，從而提供一種電極面相互垂直的電解質支撐單氣 室固體氧化物燃料電池。電極面相互垂直的電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池，它由電解質支撐體、 陽極和陰極組成，陽極和陰極分別固定在電解質支撐體相互垂直的兩個面上。本發明通過改變傳統同面電池陰極與陽極在電解質上的分布，縮短電極間電流流 動的路徑，從而減小了電解質的歐姆阻抗，達到了提高了電池的輸出性能的目的。


圖1是本發明具體實施方式
一的結構示意圖；圖2是具體實施方式
二中電解質支 撐體為梯形臺體的結構示意圖；圖3和圖4是具體實施方式
二中電解質支撐體為圓柱體的 結構示意圖；圖5是具體實施方式
一中在矩形電解質支撐體上形成串聯電池組的示意圖； 圖6是在具體實施方式
一中所述在矩形電解質支撐體上，使用同面結構和電極面相互垂直 結構形成串聯電池組的示意圖；圖7是具體實施方式
一中所述在梯形電解質支撐體上形成 串聯電池組的示意圖；圖8是具體實施方式
一中所述在梯形電解質支撐體上使用同面結構和電極面相互垂直結構形成串聯電池組的示意圖；圖9是具體實施方式
一中所述在圓柱形 電解質支撐體上形成串聯電池組的示意圖；圖10是本發明的電池的電流路徑示意圖；圖 11是傳統的同面型電解質支撐固體氧化物燃料電池做燃料電池的電流路徑示意圖；圖12 是現有同面型固體燃料物燃料電池和電極面相互垂直的單氣室固體氧化物燃料電池700°C 的阻抗譜；圖13為現有同面型固體燃料物燃料電池和電極面相互垂直的單氣室固體氧化 物燃料電池放電曲線圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、電極面相互垂直的電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池，它 由電解質支撐體、陽極和陰極組成，陽極和陰極分別固定在電解質支撐體相互垂直的兩個 面上。本實施方式中的電池的製作工藝為一、將電解質粉裝入模具內，在l(T2000MPa 的壓強下壓製成方形坯體，並在1300°C 1500°C條件下燒結4h，即得到電解質支撐體1 ； 二、將配製好的陽極漿料均勻塗覆於電解質的支撐體的一個平面上，在1150°C 1350°C條 件下燒結2、h，再將配製好的陰極漿料均勻塗覆於電解質支撐體的另一個與陽極所在平面 垂直相交的平面上，在1000°C 1200°C條件下燒結2、h，即得到本實施方式所述的電池。本實施方式的結構更易於構造電池組，並且作為現有同面電池的有益補充，也可 與共面結構在同一個電解質支撐體上混用，從而達到充分利用電解質塊的表面積，構造結 構更簡單、緊湊的電池組的目的。
具體實施方式
二、本具體實施方式
與具體實施方式
一所述的電極面相互垂直的電 解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池的區別在於，電解質支撐體1為長方體、圓柱體或臺 體。本實施方式中的電解質支撐體1也可為梯形臺體，電極分布如圖2所示。針對不同的電解質支撐體1條件下，具體構造電池組有如下形式
結合圖5說明本實施方式，本實施方式在塊狀電解質支撐體1上沿著一個稜邊在其兩 側的兩個面上分別布置電池的陽極和陰極，形成一組單電池。通過耐高溫的導線4將前一 組單電池中的陰極與後一組單電池中的陽極連接，形成2至4個單電池的串聯電池組。結合圖6說明本實施方式，本實施方式在電解質支撐體1的表面上平行布置電池 的陽極和陰極形成1-4個同面型的單電池，同時利用電解質支撐體1的直角面，形成1至2 個電極面相互垂直的單電池，通過耐高溫的導線4將前一組單電池中的陰極與後一組單電 池中的陽極連接，形成2至6個單電池的串聯電池組。結合圖7說明本實施方式，本實施方式是在臺階形的電解質支撐體1上，沿著一個 稜邊布置電池的陽極和陰極，形成一組單電池。通過耐高溫的導線4將前一組單電池中的 陰極與後一組單電池中的陽極連接，形成串聯電池組。結合圖8說明本實施方式，本實施方式是在臺階形的電解質支撐體1的平面上平 行布置電池的陽極和陰極形成1-5個同面型單電池，同時利用電解質支撐體上的直角面形 成1-5個電極面相互垂直的單電池，通過耐高溫的導線4將前一組單電池中的陰極與後一 組單電池中的陽極連接，形成2-10個單電池的串聯電池組。結合圖9說明本實施方式，本實施方式是在圓柱形電解質支撐體1的兩個底面上，沿著稜邊，布置電池的陽極和陰極，形成一組單電池，通過耐高溫的導線4將前一組單電池 中的陰極與後一組單電池中的陽極連接，形成了電池組。
具體實施方式
三、結合圖廣9說明本具體實施方式
，本實施方式中與具體實施方 式一或二所述的電極面相互垂直的電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池的區別在於，陽 極2和陰極3的截面形狀為方形、圓形或圓環形。本實施方式可以滿足不同結構電池的需要。
具體實施方式
四、本具體實施方式
與具體實施方式
三所述的電極面相互垂直的 電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池的區別在於，電解質支撐體1的材質為摻雜量為 19Γ30% (摩爾)鹼土氧化物摻雜氧化鋯、摻雜量為1% 20% (摩爾)稀土氧化物摻雜氧化鋯、 摻雜量為1°/Γ50% (摩爾)鹼土氧化物摻雜氧化鈰或摻雜量為1°/Γ50% (摩爾)稀土氧化物摻 雜氧化鈰中的一種。
具體實施方式
五、本具體實施方式
與具體實施方式
四所述的電極面相互垂直的電 解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池的區別在於，鹼土氧化物摻雜氧化鋯或鹼土氧化物摻 雜氧化鈰中的鹼土氧化物均為氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶或氧化鋇中的一種。
具體實施方式
六、本具體實施方式
與具體實施方式
四所述的電極面相互垂直的電 解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池的區別在於，稀土氧化物摻雜氧化鋯或稀土氧化物摻 雜氧化鈰中的稀土氧化物均為氧化鑭、氧化鈰、氧化鐠、氧化釹、氧化釤、氧化銪、氧化釓、氧 化鈥、氧化鉺、氧化鏑、氧化銩、氧化鐿、氧化釔或氧化鈧中的一種。
具體實施方式
七、本具體實施方式
與具體實施方式
一所述的電極面相互垂直的電 解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池的區別在於，陽極2的漿料按重量份數比由3 7份的 陽極原料和 、份的粘結劑製成。
具體實施方式
八、本具體實施方式
與具體實施方式
七所述的電極面相互垂直的電 解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池的區別在於，陽極原料為氧化亞鎳、氧化銅、氧化鈷或 氧化鐵中的一種；粘結劑按重量份數比由7、. 5份松油醇和3、. 5份乙基纖維素的製成。
具體實施方式
九、本具體實施方式
與具體實施方式
一所述的電極面相互垂直的電 解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池的區別在於，陰極3的漿料按重量份數比由4飛份的 陰極材料和6、份的粘結劑製成。
具體實施方式
十、本具體實施方式
與具體實施方式
九所述的電極面相互垂直的電 解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池的區別在於，陰極材料為複合氧化物，所述複合氧化 物的通式為ABO3或A2BO4,其中的A為鑭系稀土元素或鹼土元素，所述鑭系稀土為釔、鑭、鈰、 鐠、釹、釤、銪、釓、鏑、鈥、鉺、銩、鐿或鑥，鹼土為鈣、鍶或鋇；B為過渡金屬元素，所述過渡金 屬為錳、鐵、鈷、鎳、銅、鈦、釩或鋅，0為氧元素；粘結劑按重量份數比由7、. 5份的松油醇和 3、. 5的乙基纖維素的製成。以下通過具體試驗驗證本發明的效果
選用本發明製備的直角面型電解質支撐固體氧化物燃料電池(Α型電池)和傳統的同面 型電解質支撐固體氧化物燃料電池做燃料電池(B型電池)性能的對比型實驗。如圖10和 圖11中的電流(M)的示意圖可以清楚的看出電極排列在直角面上的結構明顯的縮短電極 之間電流流過的路徑，從而達到減小電池電解質的歐姆電阻的目的。本實驗中兩種電池所採用的電解質為YSZ，陽極為NiO+YSZ的複合陽極，陰極為
5LaQ.7Sr(1.3Mn03+SDC的複合陰極。具體的製備步驟同具體實施方式
一。製得的電解質立方支 撐體的長13. 8 mm，寬為10 mm，高為3 mm，陽極和陰極的長和寬都分別為13.8 mm，2 mm。A 型電池和B型電池唯一的區別就是在A型電池上，電極是對稱的分布在電解質垂直相交 的平面上，電極之間的間距S=J1+式=2 mm ；在B型電池上電極是分布在電解質支撐體的同一 個平面上，電極的間距g為2 mm。用Solartron SI 1287電化學界面和SI 1260阻抗譜分 析儀測試電池的性能。圖12為兩種電池在700 °C的阻抗譜，圖13為兩電池的輸出性能。 其中A型電池的阻抗譜和放電曲線用圓圈型曲線來表示，B型電池的阻抗譜和放電曲線用 方塊形曲線來表示。通過圖11和圖12可以看出B型電池在700 °C的電解質的歐姆阻抗 為9. 98 Ω cm2,電池的最大功率密度為22. 68 mWcm—2 ；而A型電池在700 0C的電解質的歐姆 阻抗僅為5. 57 Ω cm2,電池的最大功率密度也達到了 33. 67 mWcm_2，性能比B型電池提高了 48%，通過實驗結果充分表明了本發明中電極的排布在減小電解質的歐姆阻抗中起到了主 導作用。
權利要求
電極面相互垂直的電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池，它由電解質支撐體(1)、陽極(2)和陰極(3)組成，其特徵是陽極(2)和陰極(3)分別固定在電解質支撐體(1)相互垂直的兩個面上。
2.根據權利要求1所述的電極面相互垂直的電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池， 其特徵在於，所述電解質支撐體(1)為長方體、圓柱體或臺體。
3.根據權利要求1或2所述的電極面相互垂直的電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電 池，其特徵在於，陽極(2)和陰極(3)的截面形狀為方形、圓形或圓環形。
4.根據權利要求3所述的電極面相互垂直的電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池， 其特徵在於，電解質支撐體(1)的材質為摻雜量為19Γ30% (摩爾)鹼土氧化物摻雜氧化鋯、 摻雜量為1% 20% (摩爾)稀土氧化物摻雜氧化鋯、摻雜量為1°/Γ50% (摩爾)鹼土氧化物摻雜 氧化鈰或摻雜量為19Γ50% (摩爾)稀土氧化物摻雜氧化鈰中的一種。
5.根據權利要求4所述的電極面相互垂直的電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池， 其特徵在於，所述鹼土氧化物摻雜氧化鋯或鹼土氧化物摻雜氧化鈰中的鹼土氧化物均為氧 化鎂、氧化鈣、氧化鍶或氧化鋇中的一種。
6.根據權利要求4所述的電極面相互垂直的電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池， 其特徵在於，稀土氧化物摻雜氧化鋯或稀土氧化物摻雜氧化鈰中的稀土氧化物均為氧化 鑭、氧化鈰、氧化鐠、氧化釹、氧化釤、氧化銪、氧化釓、氧化鈥、氧化鉺、氧化鏑、氧化銩、氧化 鐿、氧化釔或氧化鈧中的一種。
7.根據權利要求1所述的電極面相互垂直的電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池， 其特徵在於，陽極(2)的漿料按重量份數比由3 7份的陽極原料和 、份的粘結劑製成。
8.根據權利要求7所述的電極面相互垂直的電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池， 其特徵在於，陽極原料為氧化亞鎳、氧化銅、氧化鈷或氧化鐵中的一種；粘結劑按重量份數 比由7 9. 5份松油醇和3 0. 5份乙基纖維素的製成。
9.根據權利要求1所述的電極面相互垂直的電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池， 其特徵在於，陰極(3)的漿料按重量份數比由4飛份的陰極材料和6、份的粘結劑製成。
10.根據權利要求9所述的電極面相互垂直的電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電 池，其特徵在於，陰極材料為複合氧化物，所述複合氧化物的通式為ABO3或A2BO4,其中的A 為鑭系稀土元素或鹼土元素，所述鑭系稀土為釔、鑭、鈰、鐠、釹、釤、銪、釓、鏑、鈥、鉺、銩、鐿 或鑥，鹼土為鈣、鍶或鋇；B為過渡金屬元素，所述過渡金屬為錳、鐵、鈷、鎳、銅、鈦、釩或鋅， 0為氧元素；粘結劑按重量份數比由 、. 5份的松油醇和3、. 5的乙基纖維素的製成。全文摘要
電極面相互垂直的電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池，涉及一種電解質支撐單氣室固體氧化物燃料電池，它解決了現有電極分布在電解質同一面的同面型單氣室固體氧化物燃料物電池歐姆電阻大、輸出性能較低的問題。它的陽極和陰極分別固定在電解質支撐體相互垂直的兩個面上。本發明適用於各種採用燃料電池供電的場合。
文檔編號H01M8/10GK101894962SQ20101024032
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月30日 優先權日2010年7月30日
發明者呂喆, 潘偉平, 王志紅, 蘇文輝, 魏波, 黃喜強 申請人:哈爾濱工業大學