一种高性能平板固体氧化物燃料单电池的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种高性能平板固体氧化物燃料单电池的制备方法，所述制备方法包括：将支撑电极膜片与电解质膜片叠加后在真空条件下热压形成第一复合膜片；将非支撑电极膜片与复型膜片叠加后热压形成第二复合膜片；将所述第一复合膜片的电解质一面与所述第二复合膜片的非支撑电极一面相接触地叠加后热压形成单电池素坯；以及将所述单电池素坯烧结以制成单电池，在所述烧结过程中所述复型膜片被燃尽；其中，所述支撑电极膜片形成阳极膜片且所述非支撑电极膜片形成阴极膜片，或者所述支撑电极膜片形成阴极膜片且所述非支撑电极膜片形成阳极膜片；所述复型膜片由在200～1450℃之间能够燃尽的物质组成。
【专利说明】一种高性能平板固体氧化物燃料单电池的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高性能平板固体氧化物燃料单电池的制备方法，所属领域为能源材料领域。
【背景技术】
[0002]固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell, SOFC)是一种可以直接将燃料化学能转化为电能的装置，具有能量转化效率高(综合效率高达85%以上)，燃料适应性广(可用燃料包括氢气，天然气，合成气，液体碳氢燃料)，无需贵金属催化剂和安全无污染等优点，在大型电站，分散式电源和家庭热电联供等领域具有广泛的应用前景。
[0003]SOFC按照其工作温度分类，可以分为高温(800-1000°C)，中高温(600-800)和低温(<600°C) SOFC三种。目前主流的SOFC运行温度一般在700-800°C之间，属于中高温范畴。高温工作不仅提高了 SOFC材料成本，而且还带来了稳定性问题，严重阻碍了其实际应用。将SOFC的操作温度降低，用价格低廉的不锈钢取代昂贵的陶瓷作为连接体材料，可以有效降低SOFC电堆的材料成本，此外低温化还可以降低多层陶瓷之间的热应力，减缓电极材料的老化速率，提高电堆输出功率的长期稳定性。所以SOFC低温化是目前国际上的研究趋势。
[0004]评价SOFC单电池性能的一个重要指标就是阻抗。在SOFC中，阻抗包括欧姆阻抗(Zohm)、极化阻抗和界面接触阻抗(Zinterface)，其中极化阻抗又分为阳极极化阻抗(Zanode)和阴极极化阻抗(Zcathode)。随着SOFC工作温度的降低，欧姆阻抗、极化阻抗和界面接触阻抗都显著增大，使得电池性能急剧下降。从某种程度上讲，低温SOFC的研究即是降低阻抗的研究。
[0005]欧姆阻抗的降低可以通过减薄电解质厚度或是采用新型电解质材料来满足。就目前的阳极支撑或是阴极支撑结构而言，电解质厚度已从传统的几百微米降低到了 5-15 μ m之间，欧姆阻抗得到了极大 降低。新型电解质材料譬如锶和镁掺杂的镓酸镧(即LSGM)，和钐或是钆掺杂的氧化铈(即SDC或是GDC)，在低温下也具备了足够的电导率。10微米厚的上述新型电解质在550°C下其总的欧姆阻抗也仅为0.1 Ω ?cm2。总体来讲，对于在550_600°C工作的S0FC，欧姆阻抗已不是制约其性能的关键因素。
[0006]可见，电池的电极极化阻抗和界面接触阻抗是限制其性能的主要因素。丝网印刷和溶液浸溃是目前制备电极的两种主要方法。与丝网印刷法相比，由溶液浸溃法所得到的电极活性组分成纳米分散状态，其性能往往要高出一个数量级，是目前低温SOFC主流的电极制备方法。以浸溃阳极为例，Ni/SDC浸溃复合阳极制备方法如下:将硝酸镍络合溶液通过毛细力浸溃到多孔电解质骨架中，经85°C干燥30min，700-850°C煅烧2h_10h后构成浸溃复合阳极。因Ni对H2具有优异的催化性能，所以Ni复合阳极往往具有很低的极化阻抗。LIU等报道的Ni/LSGM浸溃阳极在550°C时的极化阻抗仅为0.01 Ω.cm2，其数值完全可以忽略不计。浸溃阴极与浸溃阳极相似，区别在于阴极活性材料使用的不是Ni，而是包括Laa5Sra5CoO3, Laa6Sra4Coa8Fea2O3, Laa6Sra4FeO3, Baa5Sra5Coa8Fea2O3 和 Sma5Sra5CoO3 等?丐钛矿结构以及GaBaCo2O5, SmBaCo2O5, PrBaCo2O5和La2NiO4等双钙钛矿和层状钙钛矿结构的材料。Xia等人在SDC骨架里面浸溃SSC纳米颗粒，其在550°C下的极化阻抗为0.1 Ω -cm2,Zhan等人在LSGM骨架中浸溃SSC/SDC混合溶液，其极化阻抗在550°C仅为0.075 Ω.cm2,Han等人在LSGM骨架里面浸溃SBSCO所构成的复合阴极在550°C下极化阻抗甚至低至
0.035 Ω.cm2。
[0007]如果不考虑界面接触阻抗，仅考虑欧姆阻抗和极化阻抗，以10微米厚SDC (GDC)或是LSGM为电解质，550°C下的功率密度理论上可达1.5W/cm2。但实际上，这一性能很难实现。可见，低温SOFC总的阻抗中还包含一定数量的界面接触阻抗。顾名思义，界面接触阻抗与界面的结合程度有关，所以其大小与电池的制备工艺有很大关系。目前关于SOFC单电池的制备方法主要有三种:传统的两步烧结法，即首先将一种电极与电解质所构成的半电池预烧一次，然后在预烧后的电解质上丝网印刷上另一种电极成分，经过二次烧结后即可得到单电池或是单电池骨架。与共烧结相比，二次烧结后界面接触电阻往往也很大，特别是在低温情况下就更加明显；第二种制备方法是丝网印刷，即在“电极/电解质”复合生坯上丝网印刷另一种电极材料，最后一起共烧结得到单电池或是单电池骨架，国内上海交通大学和国际上宾夕法尼亚大学等研究人员人最初就是采用这种方法来制备单电池，该方法能在一定程度上降低界面接触阻抗，但是其工艺比较复杂，同时成品率很低。第三种制备方法是贴膜法，是指在“支撑电极/电解质”复合坯体上贴上另一种电极流延膜，这种贴法虽然能够制备出单电池，且成品率很高，但其界面接触的可靠性不能得到保证，不同电池之间的差异也很大，电池性能与其理论值也有较大差距。
【发明内容】
[0008]针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高性能固体氧化物燃料单电池的制备方法，以消除或降低电极与电解质之间的界面电阻，制备出性能优异的SOFC单电池。
[0009]在此，本发明提供一种高性能平板固体氧化物燃料单电池的制备方法，包括:将支撑电极膜片与电解质膜片叠加后在真空条件下热压形成第一复合膜片；将非支撑电极膜片与复型膜片叠加后热压形成第二复合膜片；将所述第一复合膜片的电解质一面与所述第二复合膜片的非支撑电极一面相接触地叠加后热压形成单电池素坯；以及将所述单电池素坯烧结以制成单电池，在所述烧结过程中所述复型膜片被燃尽；其中，所述支撑电极膜片形成阳极膜片且所述非支撑电极膜片形成阴极膜片，或者所述支撑电极膜片形成阴极膜片且所述非支撑电极膜片形成阳极膜片；所述复型膜片由在200?1450°C之间能够燃尽的物质组成。
[0010]本发明采用复型膜技术，能够实现“阳极、电解质和阴极”三部件共压和共烧结，从而有效消除或者降低电极与电解质之间的界面接触电阻，而且，将非支撑电极膜片与复型膜片叠加后热压形成复合膜片，可以防止在热压时因电解质被压入至电极中而导致的电解质隔膜作用失效。另外，在烧结过程中所述复型膜片被燃尽，因此不会对单电池产生影响。与传统的二次烧结法、丝网印刷法和贴膜法制备电极相比，本发明具有工艺简单、成品率高、重复性好和性能优异等优点。而且，与传统的二次烧结法相比较，一次烧结的能耗减半，制备时间减半，成本显著降低。因此，本发明适用于制备小电池或是大电池，尤其适用于制备大面积单电池，可做规模化生产。[0011]较佳地，所述支撑电极膜片、电解质膜片、非支撑电极膜片、和/或复型膜片可以采用流延法制备。
[0012]较佳地，所述支撑电极膜片的平板面积可以比所述非支撑电极膜片的平板面积大。这样可以在在阳极和阴极之间预留出电解质空间，起到隔绝阳极和阴极的作用，以方便后期电池的封装。
[0013]较佳地，所述非支撑电极膜片与所述复型膜片的厚度比可以为(I?3):10。
[0014]较佳地，所述支撑电极膜片和/或所述非支撑电极膜片可以是由电解质材料构成的多孔电解质骨架、由电极活性材料构成的多孔电极骨架、和由电解质材料与电极活性材料复合而成的多孔复合电极骨架中的任意一种。
[0015]较佳地，所述电解质材料可以为锶镁共掺杂的镓酸镧、掺杂氧化铋或其它铋系氧化物、钇稳定的氧化锆、钪稳定的氧化锆、掺杂氧化铈、硅(锗酸镧)、钙铁矿结构(Ba2In205)或其掺杂氧化物、和/或铺酸钡。
[0016]较佳地，所述在200?1450°C之间能够燃尽的物质可以是石墨、碳粉、淀粉或其它任何有机粉体。
[0017]较佳地，所述支撑电极膜片的厚度可以为ΙΟΟμπι?400μπι，孔隙率可以为30%?80%,优选为40%。
[0018]较佳地，所述非支撑电极膜片的厚度可以为5 μ m?100 μ m，孔隙率可以为30%?80%,优选为40%。
[0019]较佳地，所述热压可以是于50?90°C在1000?5000PSI的压力下热压5?25分钟。
[0020]较佳地，所述烧结可以是在1200?1500°C烧结2?24小时。
[0021]较佳地，所述支撑电极膜片、非支撑电极膜片、和/或复型膜片可以是由一层以上的各自的单层坯体叠加的结构。通过调节叠加的单层坯体的层数，可以有效控制各膜片的厚度，提闻广品成品率。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是根据本发明一实施形态的高性能平板SOFC单电池的制备流程示意图；
图2是根据本发明的实施例1的单电池的SEM微观结构图；
图3是根据本发明的实施例1的单电池的电化学阻抗谱图；
图4是根据本发明的实施例1的单电池的电化学性能图；
图5是根据本发明的实施例1的单电池和通过贴膜法得到的单电池的电化学性能对比
图；
图6是根据本发明的实施例2的单电池的电化学性能图；
图7是根据本发明的实施例3的单电池的电化学性能图。
【具体实施方式】
[0023]以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述附图和/或实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0024]本发明采用复型膜技术，目的在于实现“阳极/电解质/阴极”单电池的素坯共压和共烧结。
[0025]图1示出根据本发明一实施形态的高性能平板SOFC单电池的制备流程示意图。参照图1，说明本发明的制备方法。
[0026]首先，分别流延电解质膜片、支撑电极(阳极或阴极)膜片、非支撑电极(阴极或阳极)膜片和复型膜片。
[0027]电解质膜片可以是将电解质材料、分散剂、粘结剂、塑化剂和溶剂球磨混合后流延而制得。但应理解，电解质膜片的流延方法不限于此，只要是能得到致密电解质膜片的流延方法均包含在本发明中。其中所述电解质材料包括但不限于锶镁共掺杂的镓酸镧(LSGM)、掺杂氧化铋或其它铋系氧化物、钇稳定的氧化锆(YSZ)、钪稳定的氧化锆(SSZ)、掺杂氧化铈、硅(锗酸镧)、钙铁矿结构(Ba2In205)或其掺杂氧化物、和/或铈酸钡。
[0028]支撑电极膜片和/或非支撑电极膜片可以是仅由电解质材料、造孔剂、分散剂、粘结剂、塑化剂和溶剂球磨混合后流延而来的多孔电解质骨架；也可以是由电极活性材料(阳极活性材料或阴极活性材料)、造孔剂、分散剂、粘结剂、塑化剂和溶剂球磨混合后流延而来的多孔电极骨架；还可以是由电极活性材料(阳极活性材料或阴极活性材料)、电解质材料、造孔剂、分散剂、粘结剂、塑化剂和溶剂球磨混合后流延而来的多孔复合电极骨架。同样应理解，支撑电极膜片和/或非支撑电极膜片的流延方法不限于此，只要是能得到多孔支撑电极膜片和/或多孔非支撑电极膜片的流延方法均包含在本发明中。其中所述电解质材料包括但不限于锶镁共掺杂的镓酸镧(LSGM)、掺杂氧化铋或其它铋系氧化物、钇稳定的氧化锆(YSZ)、钪稳定的氧化锆(SSZ)、掺杂氧化铈、硅(锗酸镧)、钙铁矿结构(Ba2In205)或其掺杂氧化物、和/或铈酸钡。所述阳极活性材料包括但不限于NiO，所述阴极活性材料包括但不限于 Latl 8Srtl 2MnO3, La0 5Sr0 5CoO3, Latl 6Sra4Coci 8Feci 2O3, Latl 6Srtl 4FeO3,Baa5Sra5Coa8Fea2O3和Sma5Sra5CoO3, Laa9SraiNiO锰酸盐、钴酸盐、铁酸盐和镍酸盐等钙钛矿结构以及GaBaCo2O5, SmBaCo2O5, PrBaCo2O5和La2NiO4等双钙钛矿和层状钙钛矿结构的材料。
[0029]又，支撑电极膜片和/或非支撑电极膜片的厚度可以通过流延刀高、浆料粘稠度来调节。其中支撑电极膜片的厚度范围在100 μ m?400 μ m之间可调，非支撑电极膜片的厚度范围在5 μ m?100 μ m之间可调。支撑电极膜片和/或非支撑电极膜片的孔隙率可以通过造孔剂种类、数量和单电池烧结收缩率来调节，例如可在30%?80%间可调，优选为40%。
[0030]复型膜片可以是将在200?1450°C之间能够燃尽的物质与一定的添加剂混合流延而制得。借助于此，在下述的热压过程中，复型膜片能够保持，而在下述的烧结过程中，复型膜片能够燃尽。其中所述在200?1450°C之间能够燃尽的物质包括但不限于石墨、碳粉或是淀粉等。同样应理解，只要是能够得到复型膜片的流延方法均包含在本发明中。
[0031]然后，如下所述，分别将支撑电极膜片与电解质膜片叠加后在真空条件下热压形成第一复合膜片，将非支撑电极膜片与复型膜片叠加后热压形成第二复合膜片。其中，可以是支撑电极膜片形成阳极膜片且非支撑电极膜片形成阴极膜片，也可以是支撑电极膜片形成阴极膜片且非支撑电极膜片形成阳极膜片。而且，在本发明中，可以是支撑电极膜片的平板面积比非支撑电极膜片的平板面积大，从而在阳极和阴极之间预留出电解质空间，起到隔绝阳极和阴极的作用，以方便后期电池的封装。因此，在制得支撑电极膜片和非支撑电极膜片后，可以先将它们切割成一大一小的结构，再进行下述步骤。[0032]首先，如图1中的“第一步”所示，根据支撑电极对厚度的要求，将多片支撑电极膜片和电解质膜片叠加，在真空条件下于50?90°C在1000?5000PSI的压力下热压5?25分钟形成第一复合膜片。图中示出将4片支撑电极膜片叠加，但其只作为示例示出，在本发明中，叠加的片数根据支撑电极对厚度的要求而决定，例如可以是2?10片。通过叠层热压，可以有效控制各层的厚度，提高产品成品率。
[0033]接着，如图1中的“第二步”所示，将厚度比为(I?3):10的非支撑电极膜片与复型膜片叠加后于50?90°C在1000?5000PSI的压力下热压5?25分钟形成第二复合膜片。借助于此，非支撑电极膜片被压入复型膜片中，且它们的上表面在同一平面上。其中，复型膜片可以是根据其厚度要求而将一片以上的复型膜片叠加热压而成，同样地，非支撑电极膜片也可以是根据其厚度要求而将一片以上的非支撑电极膜片叠加热压而成。通过叠层热压，可以有效控制各层的厚度，提高产品成品率。
[0034]接着，如图1中的“第三步”所示，将第一复合膜片的电解质一面与第二复合膜片的非支撑电极一面相接触地叠加后于50?90°C在1000?5000PSI的压力下热压5?25分钟形成单电池素坯。然后将单电池素坯在1200?1500°C烧结2?24小时以制成单电池。在烧结过程中，复型膜片被燃尽，从而形成阳极(大侧)/电解质/阴极(小侧)或者阴极(大侧)/电解质/阳极(小侧)的结构。
[0035]如图1中的“对比步骤”所示，如果不采用复型膜，将“阳极/电解质/阴极”单电池素坯直接共压，则电解质会被压入进电极中，直接导致电解质的隔膜作用失效。
[0036]因此，与现有技术相比，本发明具有如下优点:
(1)与传统的二次烧结法、丝网印刷法和贴膜法制备电极相比，本发明的制备方法具有工艺简单、成品率高、重复性好和性能优异等优点；
(2)本发明成功实现了“阳极、电解质和阴极”三部件共压和共烧结，有效消除或者是降低了电极与电解质之间的界面接触电阻；
(3 )本发明适用于制备小电池或是大电池，尤其适用于制备大面积单电池，可做规模化生产；
(4)与传统的二次烧结法相比较，本发明的一次烧结的能耗减半，制备时间减半，成本显著降低；
(5)在本发明中，通过叠层热压，可以有效控制各层的厚度，产品成品率高。
[0037]以上所述仅为制备流程，但上述流程适用于制备不同的电池结构。即，根据支撑电极膜片和/或非支撑电极膜片的构成不同，可以形成不同的电池结构。以下举例说明四种电池结构，但应理解它们仅作为示例，而不局限于这四种结构。
[0038]电池结构I 多孔电解质/致密电解质/多孔电解质”结构
在此结构中，电极配方与电解质配方区别在于:电极配方额外包含一定数量的造孔剂。致密电解质与多孔电解质中电解质材料可以是相同材料，也可以是不同材料。由上述方法制备出来的并非完整的单电池，而只是单电池骨架，通过在两边分别浸溃阳极和阴极活性成分，最终可以得到完整的单电池。
[0039]电池结构II 阳极(阴极)支撑体/致密电解质/多孔电解质”结构
在此结构中，电极配方与电解质配方区别在于:电极配方额外包含一定数量的造孔剂。致密电解质与多孔电解质中电解质材料可以是相同材料，也可以是不同材料。此阳极(阴极)支撑体可以是单纯的阳极(阴极)支撑体，也可以是附带有活性层的支撑体。区别仅仅在于流延膜片成分不一样。由上述方法制备出来的并非完整的单电池，而只是半电池，通过在多孔电解质中浸溃阳极或是阴极活性成分构成阳极或是阴极，最终可以得到完整的单电池。
[0040]电池结构III 阳极(阴极)支撑体/致密电解质/多孔阴极(阳极)”结构 此结构中的多孔阴极(阳极)指代区别于电解质材料的阴极材料(阳极材料)。所述阴极
材料(阳极材料)可以是单纯的阴极材料(阳极材料)，也可以是阴极(阳极)与电解质材料复合而成的复合电极。此阳极(阴极)支撑体可以是单纯的阳极(阴极)支撑体，也可以是附带有活性层的支撑体。区别仅仅在于流延膜片成分不一样。由上述方法制备出来的并非完整的单电池，而只是半电池，通过在多孔阴极(阳极)中浸溃电解质材料可以构成阴极或是阳极，最终可以得到完整的单电池。
[0041]电池结构IV 阳极(阴极)支撑体/致密电解质/阴极(阳极)”结构
此结构中的阴极(阳极)指代区别于电解质材料的阴极材料(阳极材料)。所述阴极(阳极)材料可以是单纯的阴极(阳极材料)，也可以是阴极(阳极)与电解质材料复合而成的复合电极。此阳极(阴极)支撑体可以是单纯的支撑体，也可以使附带有活性层的支撑体。此阴极(阳极)可以是单层结构，也可以是附带活性层的双层结构，或者是多层结构。区别仅仅在于流延膜片成分不一样。
[0042]下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的各参数也仅是合适范围中的一个示例，即、本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
[0043]实施例1
电池结构I 多孔电解质/致密电解质/多孔电解质”结构
称取适量商业化粉体LSGM (镧锶镓镁)，以酒精和丁酮为溶剂，加入适量的添加剂，配成适合流延的浆料，流延得到LSGM电解质坯体；称取适量商业化粉体LSGM (镧锶镓镁)、造孔齐U，以酒精和丁酮为溶剂，加入适量的添加剂，配成适合流延的浆料，流延得到LSGM多孔电极坯体；称取适量高温可燃性粉体碳粉，以酒精和丁酮为溶剂，加入适量的添加剂，配成适合流延的浆料，流延得到复型膜坯体。将3层多孔电极坯体与一层LSGM电解质坯体叠加、热压后得到“多孔电解质/致密电解质”支撑体。将2层复型膜片叠加、热压后得到具有一定厚度的复型膜片。将一层多孔电解质素坯与上述具有一定厚度的复型膜叠加、热压后得到负载有电极的复型膜片。将支撑体与负载有电极的复型膜叠加、热压后得到完整的单电池素坯。将单电池素坯放入高温炉中在1400°C之间烧结4小时，得到单电池骨架。在上述单电池骨架一边分别浸溃Ni (NO3)3，然后热处理得到阳极；在上述单电池骨架另一边浸溃由Sm(NO3)3, Sr(NO3)3, Co (NO3)3和Ba (NO3) 3混合溶液构成的SBSCO阴极材料，然后热处理得到阴极。
[0044]由上述制备方法得到的单电池微观结构图如图2所示。图3为其电化学阻抗谱图。图4为其电化学性能图。图5将用复型膜技术得到的单电池性能与贴膜法得到的单电池性能做了对比。从图2可以看出，由上述复型膜技术可以成功得到“多孔LSGM/致密LSGM/多孔LSGM”三明治结构，其中电解质厚度8_9 μ m,支撑电极400 μ m左右，另一侧电极厚度大概也在40 μ m左右。对于LSGM而言，其在550°C时的电导率一般在0.01 S/cm, 8-9 μ m的电解质理论上对应的欧姆阻抗为0.08-0.09Qcm2。从图3中可以看出，由上述复型膜技术得到的单电池其欧姆阻抗在550°C时为0.1 Ω cm2，基本上与理论欧姆阻抗值相当，余下
0.01-0.02 Ω Cm2的阻抗值即便完全是界面接触阻抗，其数值也可以忽略不计。由此可见，通过将“阳极、电解质和阴极”三部件共压和共烧结，有效消除了电极与电解质之间的界面接触电阻。图4为其功率密度图，该单电池在550°C时的性能达到了 1.8W/cm2。图5将由复型膜技术与贴膜法得到的单电池性能做了对比，其中A代表的是复型膜法，B代表的是贴膜法，由该图可知，由复型膜技术得到的单电池的性能显著高于由贴膜法得到的单电池的性倉泛。
[0045]实施例2
电池结构II 阴极支撑体/致密电解质/阳极”结构
称取适量商业化粉体LSM (锶掺杂的锰酸镧)和NiO，以酒精和丁酮为溶剂，加入适量的添加剂，配成适合流延的浆料，流延得到LSM/NiO阴极支撑电极坯体；称取适量商业化粉体8YSZ (8%钇全稳定的氧化锆)，以酒精和丁酮为溶剂，加入适量的添加剂，配成适合流延的浆料，流延得到8YSZ电解质坯体；称取适量商业化粉体8YSZ (8%钇全稳定的氧化锆)和NiO,以酒精和丁酮为溶剂，加入适量的添加剂，配成适合流延的浆料，流延得到阳极素坯；称取适量高温可燃性粉体碳粉，以酒精和丁酮为溶剂，加入适量的添加剂，配成适合流延的浆料，流延得到复型膜坯体。将3层支撑体电极坯体和一层电解质素坯叠加、热压后得到“阴极支撑体/电解质”支撑体素坯。将2层复型膜片叠加、热压后得到具有一定厚度的复型膜片。将一层阳极素坯与上述具有一定厚度的复型膜叠加、热压后得到负载有阳极的复型膜片。将支撑体与负载有阳极的复型膜叠加、热压后得到完整的单电池素坯。将单电池素坯放入高温炉中在1250°C之间烧结4小时，得到单电池。图6为其电化学性能图，由该图可知，该单电池在850°C时的性能达到了 0.63W/cm2。
[0046]实施例3
电池结构III 阳极支撑体/致密电解质/多孔电解质”结构
称取适量商业化粉体8YSZ (8%钇全稳定的氧化锆)和NiO，以酒精和丁酮为溶剂，加入适量的添加剂，配成适合流延的浆料，流延得到YSZ/NiO支撑体电极坯体；称取适量商业化粉体8YSZ (8%钇全稳定的氧化锆)，以酒精和丁酮为溶剂，加入适量的添加剂，配成适合流延的浆料，流延得到8YSZ电解质坯体；称取适量商业化粉体SSZ (10%钪全稳定的氧化锆)、造孔剂，以酒精和丁酮为溶剂，加入适量的添加剂，配成适合流延的浆料，流延得到多孔电解质坯体；称取适量高温可燃性粉体碳粉，以酒精和丁酮为溶剂，加入适量的添加剂，配成适合流延的浆料，流延得到复型膜坯体。将3层支撑体电极坯体和一层电解质素坯叠加、热压后得到“阳极支撑体/电解质”支撑体素坯。将2层复型膜片叠加、热压后得到具有一定厚度的复型膜片。将一层多孔电解质素坯与上述具有一定厚度的复型膜叠加、热压后得到负载有多孔电解质材料的复型膜片。将支撑体与负载有多孔电解材料的复型膜叠加、热压后得到完整的单电池素坯。将单电池素坯放入高温炉中在1400°C之间烧结4小时，得到半电池。在半电池的多孔电解质骨架中浸溃Sma5Sra5CoO3阴极活性材料，热处理后得到完整的单电池。图7为其电化学性能图，由该图可知，该单电池在850°C时的性能达到了 1.1W/ 2
cm ο
[0047]产业应用性:本发明能有效消除或降低电极与电解质之间的界面接触电阻，制备出性能优异的SOFC单电池，且本发明方法具有工艺简单、可操作性强、成品率高和可规模化生产等优点，可以应用于低温SOFC的制备领域。
【权利要求】
1.一种高性能平板固体氧化物燃料单电池的制备方法，其特征在于，包括: 将支撑电极膜片与电解质膜片叠加后在真空条件下热压形成第一复合膜片； 将非支撑电极膜片与复型膜片叠加后热压形成第二复合膜片； 将所述第一复合膜片的电解质一面与所述第二复合膜片的非支撑电极一面相接触地叠加后热压形成单电池素还；以及 将所述单电池素坯烧结以制成单电池，在所述烧结过程中所述复型膜片被燃尽； 其中，所述支撑电极膜片形成阳极膜片且所述非支撑电极膜片形成阴极膜片，或者所述支撑电极膜片形成阴极膜片且所述非支撑电极膜片形成阳极膜片； 所述复型膜片由在200?1450°C之间能够燃尽的物质组成。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述支撑电极膜片、电解质膜片、非支撑电极膜片、和/或复型膜片采用流延法制备。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述支撑电极膜片的平板面积比所述非支撑电极膜片的平板面积大。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述非支撑电极膜片与所述复型膜片的厚度比为(I?3):10。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述支撑电极膜片和/或所述非支撑电极膜片是由电解质材料构成的多孔电解质骨架、由电极活性材料构成的多孔电极骨架、和由电解质材料与电极活性材料复合而成的多孔复合电极骨架中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述电解质材料为锶镁共掺杂的镓酸镧、钇稳定的氧化锆、钪稳定的氧化锆、掺杂氧化铋或其它铋系氧化物、掺杂氧化铈、硅(锗酸镧)、钙铁矿结构(Ba2In205)或其掺杂氧化物、和/或铈酸钡。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在200?1450°C之间能够燃尽的物质包括石墨、碳粉、淀粉或其它任何有机粉体。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述支撑电极膜片的厚度为100 μ m?400 μ m,孔隙率为30%?80%。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述非支撑电极膜片的厚度为5 μ m?100 μ m，孔隙率为30%?80%。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述热压是于50?90°C在1000?5000PSI的压力下热压5?25分钟。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述烧结是在1200?1500。。烧结2?24小时。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述支撑电极膜片、非支撑电极膜片、和/或复型膜片是由一层以上的各自的单层坯体叠加的结构。
【文档编号】H01M8/02GK103474687SQ201310410860
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】韩达, 王绍荣, 占忠亮, 袁春, 周真一, 李军良, 刘亚迪, 骆婷 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所