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CN105489915B - 一种双离子型燃料单体电池的制备方法 - Google Patents

一种双离子型燃料单体电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种双离子型燃料单体电池的制备方法，在阳极基板上采用湿法喷涂法喷涂电解质形成阳极板，再将阳极板压实后于1300～1500℃热处理5～6小时，再将热处理后的阳极板置于充满保护气体的环境中，采用脉冲激光沉积法，在平行于阳极板宽度或长度的方向上，每间隔一定距离沉积造孔材料，并使造孔材料呈条状，冷却后再采用湿法喷涂法喷涂电解质，使造孔材料包覆其中，形成电解质层，之后再将阴极板叠加在电解质层上，之后将阳极板/电解质层/阴极板共同压实后于1300～1500℃热处理4～5小时，冷却后在阳极板和阴极板的外接触面上安装集流器。本发明方法，工艺简单。

Description

一种双离子型燃料单体电池的制备方法
技术领域
本发明涉及一种燃料单体电池的制备方法，特别涉及一种双离子型燃料单体电池的制备方法。
背景技术
根据水产生的场所不同，燃料电池可以分为以下三种类型：
a)氢离子型燃料电池：电池工作时，电解质只传递H+，水在阴极一侧生成，例如质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)就是这种类型。
b)氧离子型燃料电池：电池工作时，电解质只传递O2-，水在阳极一侧生成，例如固体氧化物燃料电池(SOFC)就是这种类型。
c)双离子型燃料电池：电池工作时，电解质同时传递H+和O2-，但是水既不在阴极也不在阳极侧生成，而是在电解质中生成。电解质靠近电极的两侧致密，中间层带空隙，H+和O2-在中间层汇合生成水，然后通过电解质中的空隙排出。
而双离子型燃料电池是近年来提出的一种新型燃料电池模型，其在发展过程中经历了两种阶段：(a)采用双组分导电介质做电解质：电解质有三层组成，靠近阳极的一侧是一层致密的组分A(例如Zirconia Yttrium co-doped Barium Cerate,BCZY)，靠近阴极一侧是一层致密的组分B(例如Yttrium doped Ceria,YDC)，中间层为组分A+B的多孔混合结构。每一种组分在特定的工作温度条件下只传导一种离子，例如组分A只负责传导H+，组分B只负责传导O2-，而中间层是H+和O2-汇合生产H2O的地方。这种设计能够有效地防止离子穿透电解质层到达另一侧电极(例如H+到达阴极或者O2-到达阳极)，能够确保燃料电池在双离子型条件下工作。但是双组分固相增加了电解质制备的难度，两种不同的组分由于热膨胀性不一样，在烧结过程中容易出现电解质层裂开以及过高的接触电阻。(b)单组分的电解质：电解质依旧由三层组成，靠近电极的两侧是致密的电解质层，中间是带多孔的电解质层，用来排水。但是这三层是由同一种组分组成，这就要求这种电解质材料(例如钙钛矿型复合氧化物)既能传导H+又能传导O2-。这种设计的好处是减少了制备过程中的工艺步骤和难度，烧结过程中电解质层的结构较稳定，但水蒸气的排放通道并没有特意固定设置，只是通过电解质材料本身颗粒之间自然形成的孔道来进行排放，但是电解质颗粒之间自然形成的多孔的微观通道其孔径较小，且排水路径弯曲，会产生较大的排水阻力，影响了电池性能。双离子型燃料电池是一种新型燃料电池设计，理论上具有性能优势，但是如何在制备过程中实现有利于电池内部水蒸气扩散的双离子型燃料电池，成为目前比较紧急的课题。
发明内容
本发明旨在提供一种可提高电池内部水蒸气扩散的双离子型燃料单体电池的制备方法。本发明通过以下方案实现：
一种双离子型燃料单体电池的制备方法，在阳极基板上采用湿法喷涂法喷涂电解质形成阳极板，再将阳极板压实后于1300～1500℃热处理5～6小时，再将热处理后的阳极板置于充满保护气体的环境中，采用脉冲激光沉积法，在平行于阳极板宽度或长度的方向上，每间隔一定距离沉积造孔材料，并使造孔材料呈条状，冷却后再采用湿法喷涂法制备电解质，使造孔材料包覆其中，形成电解质层，之后再将阴极板叠加在电解质层上，之后将阳极板/电解质层/阴极板共同压实后于1300～1500℃热处理4～5小时，冷却后在阳极板和阴极板的外接触面上安装集流器。
所述湿法喷涂法可采用现有技术，主要工艺为将致密层电解质材料(阳极侧为BCZY，阴极侧为YDC)与有机溶剂(例如乙醇)、分散剂(例如聚乙烯亚胺)、黏贴剂(例如聚乙烯醇)按一定比例配成溶液，溶质的质量分数为5～10％，溶液在300rpm以下的转速下球磨15～20h。球磨后的溶液通过仪器的喷嘴(例如可以选择喷嘴规格为RICHPEN,ES6,0.6mm)通过1～3bar的压力压出，喷射角度为垂直于基体(90℃)，喷嘴与基体距离为0.5～10cm，喷完后，基体在乙醇饱和的气氛下缓慢干燥24h以上以避免出现开裂。
所述脉冲激光沉积法可采用在应用于其他材料制备时的现有技术，主要工艺为：基体的温度维持在300～400℃之间，靶位距离基体10～50cm，靶位上的造孔材料通过激光器(例如Lambda Physik 248nm KrF)的脉冲能量(1.0～1.5J/cm2)融化，并在真空气氛或惰性保护气氛下沉积到基体上。
进一步地，所述保护气体为氮气、惰性气体中的一种或其混合气体。
进一步的，所述呈条状的造孔材料之间的间隔距离为所述造孔材料的横截面最大直线距离的2倍以上。
所述呈条状的造孔材料采用横截面为圆形、矩形或椭圆形中的一种的材料。一般情况下，造孔材料采用聚酯材料。
为使氢离子与氧离子在均相电解质中的反应表面积达到最大，且考虑到造孔材料的收缩性，所述造孔材料采用横截面为圆形且直径为1.2～15μm的材料。
实际制作时，可根据设计需要，控制喷撒在阳极基板上的电解质厚度，这样可以最终达到造孔材料在电解质层中的位置，造孔材料的横截面的形状、尺寸可根据需要通过调节脉冲激光的扫描时间和角度来控制。
压实后的阳极板/电解质层/阴极板在1300～1500℃热处理过程中，电解质层内的造孔材料会分解挥发掉，从而在电解质层内形成若干个方向一致且相互平行、方向平行于固体电解质长度或宽度方向的通道。在制备过程中，考虑到造孔材料如聚酯材料具有一定的收缩性，经高温热处理后，电解质层内部形成的若干个通道的横截面相应方向上的尺寸一般为造孔材料横截面上与通道相对应方向上尺寸的0.8～0.9倍。
本发明的双离子型燃料单体电池的制备方法，工艺简单，通过热处理在电解质层内部形成若干个方向一致且相互平行、方向平行于固体电解质长度或宽度方向的通道，且限定了造孔材料横截面的形状、尺寸，从而限定了通道尺寸，通过本发明方法制备得到的双离子型燃料单体电池，在电池反应过程中产生的水蒸气可从电解质中特意设置的单独的通道扩散出去，不影响电极中H2和O2的浓度，能更好的实现氢气、氧气和水蒸气的独立管理，可提高电池性能，增加电池寿命。创新地将现有其它材料制备方法的脉冲激光沉积引入，可以快速地控制造孔材料的微观尺寸以及造孔材料在基体上的精确位置，有利于设计与实现高效复合多孔固态电解质。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于实施例之表述。
实施例1
一种双离子型燃料单体电池的制备方法，按常规工艺制备好阳极基板、阴极板，准备好电解质，其中，阳极材料为氧化镍(NiO)与掺杂锆钇的铈酸钡(BCZY)的混合物，阴极材料为镧锶钴铁(LSCF)与铈酸钡(BCZY)的混合物，电解质材料为铈酸钡(BCZY)；在阳极基板上采用湿法喷涂法喷涂电解质形成阳极板，再将阳极板压实后于1300℃热处理6小时；再将热处理后的阳极板置于充满氮气保护气体的环境中，采用现有的脉冲激光沉积法，在平行于阳极板宽度的方向上，每间隔2.5μm沉积聚酯材料，并使聚酯材料呈条状且其横截面为直径1.2μm的圆形，冷却后再采用现有的湿法喷涂法喷涂电解质，使聚酯材料包覆其中，形成电解质层，之后再将阴极板叠加在电解质层上，之后将阳极板/电解质层/阴极板共同压实后于1300℃热处理5小时，冷却后在阳极板和阴极板的外接触面上安装集流器。
压实后的阳极板/电解质层/阴极板在1300℃热处理过程中，电解质层内的聚酯材料会分解挥发掉，从而在电解质层内形成若干个方向一致且相互平行、方向平行于固体电解质长度或宽度方向的通道。经测量，经热处理后，电解质层内部形成的若干个通道的横截面直径为0.96μm。
通过上述方法制备得到的双离子型燃料单体电池，在电池反应过程中产生的水蒸气可从电解质中特意设置的单独的通道扩散出去，不影响电极中H2和O2的浓度，能更好的实现氢气、氧气和水蒸气的独立管理，可提高电池性能，增加电池寿命。
实施例2
一种双离子型燃料单体电池的制备方法，其制备方法与实施例1的双离子型燃料单体电池的制备方法相类似，其不同之处在于：
1、阳极板压实后于1400℃热处理5.5小时；
2、保护气体为惰性气体；
3、在平行于阳极板的电解质面的长度的方向上沉淀聚酯材料，聚酯材料的横截面为直径5μm的圆形，聚酯材料之间的间隔距离为15μm。
4、阳极板/电解质/阴极板共同压实后于1400℃热处理5.5小时。
通过上述方法制备得到的双离子型燃料单体电池，经测量，电解质层内部形成的若干个通道的横截面直径为4.15μm。
实施例3
一种双离子型燃料单体电池的制备方法，其制备方法与实施例1的双离子型燃料单体电池的制备方法相类似，其不同之处在于：
1、阳极板压实后于1500℃热处理5小时；
2、聚酯材料的横截面为直径12μm的圆形，聚酯材料之间的间隔距离为25μm；
3、阳极板/电解质/阴极板共同压实后于1500℃热处理5小时。
通过上述方法制备得到的双离子型燃料单体电池，经测量，电解质层内部形成的若干个通道的横截面直径为10.8μm。

Claims (5)

1.一种双离子型燃料单体电池的制备方法，其特征在于：在阳极基板上采用湿法喷涂法喷涂电解质形成阳极板，再将阳极板压实后于1300～1500℃热处理5～6小时，再将热处理后的阳极板置于充满保护气体的环境中，采用脉冲激光沉积法，在平行于阳极板宽度或长度的方向上，每间隔一定距离沉积造孔材料，并使造孔材料呈条状，冷却后再采用湿法喷涂法喷涂电解质，使造孔材料包覆其中，形成电解质层，之后再将阴极板叠加在电解质层上，之后将阳极板/电解质层/阴极板共同压实后于1300～1500℃热处理4～5小时，冷却后在阳极板和阴极板的外接触面上安装集流器。
2.如权利要求1所述的双离子型燃料单体电池的制备方法，其特征在于：所述保护气体为氮气、惰性气体中的一种或其混合气体。
3.如权利要求1所述的双离子型燃料单体电池的制备方法，其特征在于：所述呈条状的造孔材料之间的间隔距离为所述造孔材料的横截面最大直线距离的2倍以上。
4.如权利要求1～3任一所述的双离子型燃料单体电池的制备方法，其特征在于：所述呈条状的造孔材料采用横截面为圆形、矩形或椭圆形中的一种的材料。
5.如权利要求4所述的双离子型燃料单体电池的制备方法，其特征在于：所述造孔材料采用横截面为圆形且直径为1.2～15μm的材料。
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