一种固体氧化物燃料电池电极及其制备方法和基于其的固体氧化物燃料电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池电极、制备方法及基于其的固体氧化物燃料电池。
【背景技术】
[0002]在能源和环境问题日益成为制约当今社会和经济发展的关键因素的大背景下，固体氧化物燃料电池作为一种能够直接将化学能转化为电能的能量转化装置，由于兼具能量转化效率高，燃料适用广泛等突出优点受到了人们的广泛关注。如日本Τ0Τ0株式会社在申请号为201180046923.5和201280016340.2的发明专利中分别提供了一种可提高综合能效，并防止过度的温度上升的固体氧化物燃料电池和能够稳定工作90000小时固体氧化物燃料电池;美国LG燃料电池系统公司在申请号为201280045198.4和201280045187.6的发明专利中对燃料电池的系统进行了优化。
[0003]然而固体氧化物燃料电池在其实用化过程中仍存在一些问题需要解决。如(1)现有固体氧化物燃料电池电极制备大多采用流延成型、丝网印刷等工艺，所制备多孔电极内部往往存在一定数量的闭孔区域。如图1所示，电极本体2’形成在电解质1’的表面上;然而电极的电化学反应主要集中在电极本体2’/反应气体两相界面，闭孔区域的存在将导致电极内部实际有效的电化学反应活化区域的减少和电化学反应区域分布不均匀的问题，这将进一步带来电极性能的下降和电池温度分布不均匀的问题。(2)采用传统流延成型和丝网印刷工艺制备的电极其孔呈无规分布、往往存在孔道狭小和分布不均匀等问题，不利于反应气体在整个电极内部的扩散和反应产物的及时排出，这也将进一步影响电极实际工作过程中性能的发挥。(3)传统电极制备方法中单层电极的厚度往往较厚，不利于根据固体氧化物燃料电池实际工作需求对其不同空间位置电极组分的调控，这也不利于高性能电极的开发。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足提供一种结构改进的固体氧化物燃料电池电极并同时提供该固体氧化物燃料电池电极的制备新方法。
[0005]本发明还进一步提供一种固体氧化物燃料电池。
[0006]为解决以上技术问题，本发明采取的一种技术方案如下:
一种固体氧化物燃料电池电极，其包括设于电解质层上、具有多孔结构的电极本体，特别是:在所述具有多孔结构的电极本体上还形成有多个气体通道，该气体通道具有第一延伸方向，且在该第一延伸方向上形成相对的第一端和第二端，第一端和第二端中的至少一个开口，以将气体通道与外界连通。
[0007]优选地，所述多个气体通道在电极本体上均匀分布。
[0008]优选地，所述第一延伸方向为电极本体的厚度方向，所述第一端远离电解质层，所述第二端靠近电解质层，第一端开口，第二端开口或封闭。
[0009]根据本发明的一个具体且优选方面，所述的气体通道还具有与第一延伸方向垂直的第二延伸方向，在第二延伸方向上形成相对的第三端和第四端，第三端和第四端均开口而与外界连通。
[0010]进一步优选地，所述多个气体通道并排且等间距布置，使电极本体形成长条状栅格结构。
[0011]在一个具体的实施方式中，所述的电极本体为方形，第二延伸方向与电极本体的一条边的延伸方向平行。
[0012]根据本发明的又一具体且优选方面，所述多个气体通道成排成列排布，使电极本体形成网格状栅格结构。
[0013]作为本发明的一种优选实施方式，所述气体通道自第一端向第二端的横截面积不变或逐渐变小。
[0014]根据本发明，气体通道在第一延伸方向上的横截面的宽度可以在0.1?100微米之间，优选在1?10微米之间。
[0015]根据本发明，所述电极本体的不同空间位置处的组分可以相同或不同，可根据电池应用实际需求来调整。
[0016]优选地，本发明的电极本体通过先利用3D打印机打印出电极前体，然后进行烧结得到。
[0017]根据本发明，所述电极可以是阳极，也可以是阴极，其可由本领域常用的一种或多种电极材料组成，没有特别限制。
[0018]本发明采取的又一技术方案是:一种上述的固体氧化物燃料电池电极的制备方法，该方法利用3D打印机来制备电极，具体包括如下步骤:
(1)根据要制备的电池电极的组分，来配制相应的电极浆料；
(2 )根据要制备的电极的结构制定打印程序，并输入到3D打印机中；
(3)设置3D打印机打印的参数:包括温度、打印层数，打印时间间隔；
(4)按照设定的打印程序和参数，以包含电解质层的材料作为打印基体，放入相应的电极浆料，进行3D打印，得到电极前体；
(5)将打印得到的电极前体进行烧结处理，即得所述固体氧化物燃料电池电极。
[0019]进一步地，步骤(1)可实施如下:将电极粉体和造孔剂置于球磨罐中，加入乙基纤维素的松油醇溶液作为粘合剂进行球磨处理即得电极浆料，其中造孔剂可以为淀粉、玉米粉、纳米碳材料中的一种或多种的组合、其添加质量一般为电极粉体质量的0.01%?40%;乙基纤维素的松油醇溶液中乙基纤维素的质量含量一般为3%?10%，乙基纤维素的松油醇溶液的加入量为电极粉体和造孔剂总质量的0.5?3倍。电极粉体根据要制备的电极材料来制定，当要制备的电极为阴极时，可以为单相阴极材料例如La0.5Sr().5Co().8Fe().203-fi(LSCF)或复合阴极材料例如LSCF-SDC( Sm0.2Ce0.8(h.9)。当要制备不同空间位置组分不同的电极时，可以配制多种电极浆料，在打印不同层时，放入3D打印机中进行打印。
[0020]进一步地，步骤(1)中，球磨的方法如下:先在200-350转/分钟下球磨5-180分钟使材料混合均匀，然后将转速提升至500-900转/分钟下球磨10-720分钟以降低球磨罐中粉体的颗粒度，最后在200-350转/分钟下球磨5-180分钟，即得电极浆料。
[0021]进一步地，可通过控制步骤(1)所制备的电极浆料的粘稠度来控制每次打印的厚度。优选地，控制每次打印的厚度为0.5?1微米。设置打印层数为15?25层，设定打印温度为30?70°C，设定打印时间间隔为10-60分钟。
[0022]优选地，步骤(4)中，所述包含电解质层的材料为电解质片、或由电解质层和与待制备的电极相反的电极层构成的支撑半电池。例如，当要制备的电极为阴极时，可以使用电解质片或阳极支撑半电池(阳极/电解质双层结构，打印时电解质层向上)；当要制备的电极为阳极时，可以使用电解质片或阴极支撑半电池(阴极/电解质双层结构，打印时电解质层向上)。
[0023]进一步地，步骤(5)中，所述烧结处理的烧结制度如下:首先以1°C/分钟?1.5°C/分钟的速度升温至400?600°C并保温5?240分钟，然后以2?8°C/分钟的速度升温至900?1350°C并保温30?480分钟，最后以2?8°C/分钟的速度降至室温。
[0024]本发明还涉及一种固体氧化物燃料电池，其包括上述的固体氧化物燃料电池电极。
[0025]进一步地，所述电池电极为阴极和/或阳极。
[0026]由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点:
本发明所提供的固体氧化物燃料电极除了电极本体所具有的孔隙外，还具有多个气体通道，通过这些气体通道可以调控优化气体在电极内部的扩散，进而有效缓解或避免固体氧化物燃料电池实际工作过程中普遍存在的反应位置分布不均及由此导致的温度场分布不均等问题;此外，气体通道的设置还有利于阳极处(氧离子导体固