一种高输出功率密度的燃料电池系统及制备方法与流程
本发明属于绿色能源/电化学领域，涉及微管固体氧化物燃料电池系统，具体涉及一种高输出功率密度的燃料电池系统及制备方法。
背景技术：
固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell，简称sofc)具有高能量转换效率、全固态结构、无污染和多种燃料气体广泛适应性等优点，是一种不需要经过热循环过程将化学能直接转化成电能的高效、环保的能量转换系统。
固体氧化物燃料电池通常由阳极、电解质和阴极组成，电极(包括阳极和阴极)起着气体催化分解、电流传输的作用，薄的致密电解质层起着传导氧离子和质子，以及隔离燃料和氧化气体的作用。固体氧化物燃料电池可以表示为：阳极(燃料极)|电解质|阴极(空气极)。
固体氧化物燃料电池的支撑电极可以是阳极、阴极或电解质，支撑电极需要有一定的机械强度，因此需要一定的厚度。电解质需要避免与电极发生反应，必须结构致密，在电池系统中存在较大的欧姆内阻，所以电解质通常需要尽可能薄的厚度。因此，固体氧化物燃料电池的支撑电极通常为阳极或阴极。
对于理想的固体氧化物燃料电池，支撑电极具有非对称结构，如梯度孔构型。梯度孔结构在从远离电解质一侧的电极表面到靠近电解质表面的整个断面上电极孔隙率和孔径大小逐渐减少。这样，在靠近有效反应活性区附近的的电极孔隙率较低，可以存在更多的活性位置，而作为支撑体部分的电极孔隙率足够降低气体传输阻力，可以有效地减少由于气体传输导致的浓差极化现象。目前，梯度孔构型制备方法主要丝网印刷法、流延法、冷冻流延法和干压成型方法等，可以制备多层不同孔隙的电极结构。
固体氧化物燃料电池的构型主要可以分为平板式、管式、套管式和瓦楞式等，目前结构类型主要为平板式和管式。管式固体氧化物燃料电池(tubularsolidoxidefuelcell，简称t-sofc)具有电池工作面积较大，单电池之间不需要密封，可以采用低成本的金属作为电流收集材料等优点。由于管式固体氧化物燃料电池，管径和电流通道的长度决定了电池的内阻，较长的电流通道导致了电池功率和效率的降低，因此，缩小电池单元的尺寸(“小型化”)是一种有效的增强燃料电池性能的方式，即减小电池支撑管的直径。按照管式固体氧化物燃料电池支撑管直径的大小，将管式固体氧化物燃料电池分为第一代—大管式固体氧化物燃料电池(管径≥20mm)、第二代—小管式固体氧化物燃料电池(5mm＜管径＜20mm，和第三代—微管固体氧化物燃料电池(管径≤5mm)。大管式电池由多孔电极、电解质和连接体组成，支撑体电极多为挤压成型，电解质和连接体分别采用evd和等离子喷涂法在电极上沉积。小管式电池主要采用了低成本的挤出成型和浆料涂覆工艺制备。
微管固体氧化物燃料电池(microtubularsolidoxidefuelcell，简称mt-sofc)由于具有低的运行温度，优异的抗热循环性能，快速启动能力和更高的体积功率密度等优势，成为固体氧化物燃料电池的一种未来发展方向。微管固体氧化物燃料电池在汽车、通讯、航空航天器、船舰、哨所、灯塔、医院、学校、照明和广告等领域具有广泛的用途，市场前景广阔。
随着电池直径的减小和电池数量的增加，单位体积内电极活性面积显著地增长。然而，当电池尺寸小于0.1mm以后，用于传输燃料气的压力差也急剧地增加。因此，为了获得较高的体积功率密度，微管固体氧化物燃料电池直径一般在0.5mm～5.0mm之间。
目前，丝网印刷法、流延法、冷冻流延法和干压成型方法等仅能应用到制备方法简单的平板结构固体氧化物燃料电池，而且制备过程比较复杂、周期长，还不能制备管式(包括微管)固体氧化物燃料电池。
管式(包括微管)固体氧化物燃料电池的方法主要包括塑性坯料挤压成型、冷等静压成型、注浆成型、凝胶注模和浸渍涂敷等方法。这些方法都仅能制备具有均一孔隙分布的管式(包括微管)固体氧化物燃料电池的支撑电极，不能实现梯度孔隙结构支撑电极等制备，因此，限制了微管固体氧化物燃料电池的性能，输出功率密度尚不能满足市场应用的需求，严重制约着微管固体氧化物燃料电池的实用化。
为此，有研究者采用一种相转化—烧结的方法，正发展为制备非对称孔隙结构微管固体氧化物燃料电池的新工艺(谭小耀；赵自航；刘旭；陈宗蓬；王晨；张敏.微管式固体氧化物燃料电池非对称复合阳极及其制备方法.中国专利201210401826.x，2012)，通过非对称凝胶环境纺制工艺，获得了多孔电解质层支撑阳极薄层的双层非对称结构的微管固体氧化物燃料电池。然而，上述专利所述的电池系统存在3项主要缺点：(a)支撑体为电解质：为了保证整个电池系统的机械强度，电解质需要足够大的厚度，必然导致电池系统中存在很大的欧姆内阻，使得电池系统的输出功率密度降低；(b)电解质为多孔结构：多孔结构的电解质层必然难以实现隔离燃料和氧化气体的作用，使得电池系统的开路电压减小；(c)阳极的孔隙率未实现定量控制：定性的孔隙率必然导致燃料在阳极的堆积(未及时反应的燃料)或缺少(燃料耗尽)，使得电池系统的输出功率密度不稳定。
技术实现要素：
针对上述现有技术的不足与缺陷，本发明的目的在于提供一种高输出功率密度的燃料电池系统及制备方法，解决现有技术中电池系统的输出功率密度低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：
一种高输出功率密度的燃料电池系统，由内至外包括：进气道、阳极支撑体、电解质层和阴极，还包括阳极增强层，所述的阳极增强层位于阳极支撑体和电解质层之间；
所述的阳极支撑体为三层结构，由内至外依次包括阳极多孔均匀内层、阳极指状多孔层和阳极多孔均匀外层；
所述的进气道、阳极支撑体、阳极增强层、电解质层和阴极依次同轴接触布设。
本发明还具有如下技术特征：
所述的阳极多孔均匀内层的孔隙率为24％～34％；所述的阳极指状多孔层的孔隙率为37％～63％；阳极多孔均匀外层的孔隙率为18％～36％。
所述的阳极多孔均匀内层的厚度为18～33μm，所述的阳极指状多孔层的厚度为115～235μm，所述的阳极多孔均匀外层的厚度为12～42μm。
所述的阳极增强层的厚度为58～63μm，所述的电解质层的厚度为12μm，所述的阴极的厚度为30μm；所述的阳极增强层的孔隙率为28％～32％；所述的电解质层的孔隙率为2％；所述的阴极的孔隙率为30％。
本发明还给出一种如上所述的高输出功率密度的燃料电池系统的制备方法，其特征在于，该方法中，所述的阳极支撑体由阳极浆料制成，所述的阳极浆料，以重量份数计，由以下原料制成：阳极粉体材料为100份，溶剂n-甲基-2-吡咯烷酮为100～160份，粘结剂聚醚砜为1～3份，分散剂聚乙烯吡咯烷酮为20～40份，造孔剂淀粉或石墨为2～10份。
所述的阳极增强层由阳极增强层悬浮液制成；所述的电解质层由电解质层悬浮液制成；所述的阴极由阴极浆料制成。
该方法具体包括以下步骤；
步骤一：阳极支撑体的制备：
将阳极浆料置于真空除气器中，在真空泵的作用下，阳极浆料中的空气经真空泵排气管排除容器，容器真空度达到5×10-2bar～1×10-1bar，保持30～60分钟，充分除去阳极浆料中的空气；
将真空除气后的阳极浆料置于洗净烘干的不锈钢容器内，将一端封闭的阳极模具浸入真空除气后的阳极浆料中，稳定6～12秒，然后将阳极模具垂直提出，制得阳极前驱体；
将混凝剂置于阳极前驱体相转化反应器中，将阳极前驱体立即置于混凝剂中10～15分钟，使得阳极前驱体上的阳极浆料与混凝剂充分发生相转化反应，重复该过程4～10次，然后将阳极前驱体自混凝剂中垂直提出；
将充分相转化反应后的阳极前驱体在干燥空气中干燥12～24小时，形成干燥的阳极前驱体。将干燥的阳极前驱体以2～5℃·min-1速率升温至1000～1200℃，保温2～6小时烧结，获得阳极支撑体；
步骤二：阳极增强层的制备：
将阳极增强层悬浮液加入球磨机中，以30周/分钟的速率对阳极增强层悬浮液进行球磨，连续球磨24～48小时，使得阳极粉体材料在高分子溶液中充分分散，形成均匀、稳定的阳极增强层悬浮液；
将均匀、稳定的阳极增强层悬浮液置于阳极增强层浸渍成型制备器中，通过升降控制器的调节，将阳极浸入阳极增强层悬浮液中，稳定5秒，然后将阳极垂直提出，重复该过程4次，制得阳极|阳极增强层前驱体；
将制得的阳极|阳极增强层前驱体在干燥空气中干燥24小时，制得附着有阳极增强层的干燥的阳极|阳极增强层前驱体；
步骤三：电解质层的制备：
将电解质悬浮液加入球磨机中，以60周/分钟的速率对电解质悬浮液进行球磨，连续球磨24～48小时，形成均匀、稳定的电解质悬浮液；
将均匀、稳定的电解质悬浮液置于电解质层浸渍成型制备器中，通过升降控制器的调节，将阳极|阳极增强层前驱体浸入电解质悬浮液中，稳定5秒，然后将阳极|阳极增强层|电解质前驱体缓慢、垂直提出，重复该过程4次；
将浸渍成型后的阳极|阳极增强层|电解质前驱体在干燥空气中干燥24小时，形成干燥的阳极|阳极增强层|电解质前驱体。将阳极|阳极增强层|电解质前驱体以10～15℃·min-1速率升温至1400℃，保温2～4小时烧结，制得电解质层；
步骤四：阴极的制备：
用毛刷将阴极浆料采用刷涂工艺制备在阳极|阳极增强层|电解质外表面；
将阳极|阳极增强层|电解质|阴极前驱体以3～5℃·min-1速率升温至1100～1150℃，保温2～4小时烧结，制得阴极，获得高输出功率密度的燃料电池系统。
所述的阳极增强层悬浮液，以重量份数计，由以下原料制成：阳极粉体材料为100份，溶剂n-甲基-2-吡咯烷酮为100份，表面活性剂三乙醇胺为5份，分散剂聚乙烯吡咯烷酮为20份。
所述的电解质层悬浮液，以重量份数计，由以下原料制成：电解质层粉体材料为100份，溶剂2-丁酮为160份，表面活性剂三乙醇胺为5份，粘结剂聚乙烯醇缩丁醛为12份，增塑剂邻苯二甲酸二丁酯为4份，润滑剂聚乙二醇为3份。
所述的阴极浆料，以重量份数计，由以下原料制成：阳极粉体材料为100份，溶剂丙酮为60份，分散剂为100份。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(ⅰ)本发明的电池系统的三层阳极支撑体与阳极增强层协同作用，既能保障燃料有效快速输运，减少气体传输阻力的浓差极化，又能有效地改善有效反应活性区的活性点，将阳极支撑体输送的燃料快速反应，实现燃料“零库存”，协同提高电池系统的输出功率密度。
(ⅱ)本发明的阳极浆料能够通过浸渍法获得三层结构的阳极支撑体，并且使得三层结构的阳极支撑体的孔隙率可以得到定量控制。三层结构的阳极支撑体能保障燃料有效快速输运，减少气体传输阻力的浓差极化。
(ⅲ)本发明的阳极支撑体的孔隙率可以得到定量控制，进一步保障燃料有效快速输运，减少气体传输阻力的浓差极化，可以降低电池系统的界面极化电阻(rp)，提高电池系统的输出功率密度。
(ⅳ)本发明的阳极增强层能有效地改善有效反应活性区的活性点，将阳极支撑体输送的燃料快速反应，实现燃料“零库存”。
(ⅴ)本发明的电池系统的电解质层非常致密，没有任何贯通的裂缝、开孔或其他可见的缺陷，电池系统的开路电压接近能斯特方程计算的理论值。电解质层厚度很薄，可以降低电池系统的欧姆内阻(rω)，使得电池系统的输出功率密度得到提升。
附图说明
图1是本发明燃料电池系统的剖面结构示意图。
图2是本发明燃料电池系统的外部结构示意图。
图中各个标号的含义为：1-进气道、2-阳极支撑体，3-电解质层，4-阴极，5-阳极增强层，6-阳极多孔均匀内层，7-阳极指状多孔层，8-阳极多孔均匀外层。
以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
本发明中，阳极支撑体和阳极增强层是电池系统的支撑体，燃料气体h2由支撑体内部进入阳极内层，由内层的微小多孔输运进入指状多孔结构，到达阳极增强层；阳极增强层是电池系统的电化学反应区域，阳极增强层的晶格氧离子俘获输运到达的质子，释放出电子e-，扩散到达阳极增强层与电解质层的界面，失去质子的h+与由阴极通过电解质层输运到达的o2-结合发生氧化反应，生成反应产物h2o。
电解质层是电池系统的隔离层，用于隔离两侧气氛h2和o2的直接接触，并以旋转跃迁方式进行传导离子o2-的输运。
阴极是电池系统的传导离子o2-生成层，氧分子解离并带电，通过电解质层为阳极增强层提供反应的传导离子o2-。
本发明的燃料电池系统工作原理如下：
氧气分子o2在阴极的外表面吸附，在阴极解离，氧气分子o2还原成氧离子o2-；氧离子o2-在气压差的驱动下扩散或输运到达阴极与电解质层的界面，在化学势差的驱动下输运通过电解质层，到达电解质层与阳极增强层的界面；同时，电解质层隔离燃料h2和氧气分子o2直接发生化学反应；氧离子o2-在化学势差的驱动下扩散或输运到达阳极增强层，阳极增强层与阳极的界面的质子h-在化学势差的驱动下扩散或输运到达阳极增强层，氧离子o2-和质子h-在阳极增强层发生化学结合反应生成水分子h2o(气态)。燃料氢气分子h2在气压差的驱动下扩散或输运到达阳极的内表面，氢气分子h2经过阳极多孔均匀内层的输运到达阳极指状多孔层。在扩散或输运过程中，氢气分子h2被吸附解离为质子h-，并释放电子e-。质子h-在化学势差的驱动下扩散或输运到达阳极多孔均匀外层，电子e-通过外电路到达阴极的外表面。同时，水分子h2o(气态)经过阳极输运排出电池系统。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种高输出功率密度的燃料电池系统，由内至外包括：进气道1、阳极支撑体2、电解质层3和阴极4，还包括阳极增强层5，所述的阳极增强层5位于阳极支撑体2和电解质层3之间；
所述的阳极支撑体2为三层结构，由内至外依次包括阳极多孔均匀内层6、阳极指状多孔层7和阳极多孔均匀外层8；
所述的进气道1、阳极支撑体2、阳极增强层5、电解质层3和阴极4依次同轴接触布设。
本实施例的高输出功率密度的燃料电池系统的制备方法，其中，所述的阳极支撑体由阳极浆料制成，所述的阳极增强层由阳极增强层悬浮液制成；所述的电解质层由电解质层悬浮液制成；所述的阴极由阴极浆料制成。
具体包括以下步骤：
步骤一：阳极支撑体的制备：
将阳极浆料置于真空除气器中，在真空泵的作用下，阳极浆料中的空气经真空泵排气管排除容器，容器真空度达到5×10-2bar～1×10-1bar，保持30～60分钟，充分除去阳极浆料中的空气；
将真空除气后的阳极浆料置于洗净烘干的不锈钢容器内，将一端封闭的阳极模具浸入真空除气后的阳极浆料中，稳定10秒，然后将阳极模具垂直提出，制得阳极前驱体；
将混凝剂置于阳极前驱体相转化反应器中，将阳极前驱体立即置于混凝剂中10分钟，使得阳极前驱体上的阳极浆料与混凝剂充分发生相转化反应，重复该过程6次，然后将阳极前驱体自混凝剂中缓慢垂直提出；
将充分相转化反应后的阳极前驱体在干燥空气中干燥12～24小时，形成干燥的阳极前驱体。将干燥的阳极前驱体以2～5℃·min-1速率升温至1000～1200℃，保温2～6小时烧结，获得阳极支撑体。
步骤二：阳极增强层的制备：
将阳极增强层悬浮液加入球磨机中，以30周/分钟的速率对阳极增强层悬浮液进行球磨，连续球磨24～48小时，使得阳极粉体材料在高分子溶液中充分分散，形成均匀、稳定的阳极增强层悬浮液；
将均匀、稳定的阳极增强层悬浮液置于阳极增强层浸渍成型制备器中，通过升降控制器的调节，将阳极浸入阳极增强层悬浮液中，稳定5秒，然后将阳极垂直提出，重复该过程4次，制得阳极|阳极增强层前驱体；
将制得的阳极|阳极增强层前驱体在干燥空气中干燥24小时，制得附着有阳极增强层的干燥的阳极|阳极增强层前驱体。
步骤三：电解质层的制备：
将电解质悬浮液加入球磨机中，以60周/分钟的速率对电解质悬浮液进行球磨，连续球磨24～48小时，形成均匀、稳定的电解质悬浮液；
将均匀、稳定的电解质悬浮液置于电解质层浸渍成型制备器中，通过升降控制器的调节，将阳极|阳极增强层前驱体浸入电解质悬浮液中，稳定5秒，然后将阳极|阳极增强层|电解质前驱体缓慢、垂直提出，重复该过程4次；
将浸渍成型后的阳极|阳极增强层|电解质前驱体在干燥空气中干燥24小时，形成干燥的阳极|阳极增强层|电解质前驱体。将阳极|阳极增强层|电解质前驱体以10～15℃·min-1速率升温至1400℃，保温2～4小时烧结，制得电解质层。
步骤四：阴极的制备：
用毛刷将阴极浆料采用刷涂工艺制备在阳极|阳极增强层|电解质外表面；
将阳极|阳极增强层|电解质|阴极前驱体以3～5℃·min-1速率升温至1100～1150℃，保温2～4小时烧结，制得阴极，获得高输出功率密度的燃料电池系统。
其中：
阳极浆料，以重量份数计，由以下原料制成：阳极粉体材料为100份，溶剂n-甲基-2-吡咯烷酮为130份，粘结剂聚醚砜为1份，分散剂聚乙烯吡咯烷酮为33份，造孔剂淀粉或石墨为6份。
阳极增强层悬浮液，以重量份数计，由以下原料制成：阳极粉体材料为100份，溶剂n-甲基-2-吡咯烷酮为100份，表面活性剂三乙醇胺为5份，分散剂聚乙烯吡咯烷酮为20份。
电解质层悬浮液，以重量份数计，由以下原料制成：电解质层粉体材料为100份，溶剂2-丁酮为160份，表面活性剂三乙醇胺为5份，粘结剂聚乙烯醇缩丁醛为12份，增塑剂邻苯二甲酸二丁酯为4份，润滑剂聚乙二醇为3份。
阴极浆料，以重量份数计，由以下原料制成：阳极粉体材料为100份，溶剂丙酮为60份，分散剂偶氮二甲酰胺为100份。
阳极粉体材料为氧化镍与钡稳定钇镱掺杂氧化铈氧化锆、氧化钇稳定氧化锆、钐掺杂氧化铈或钆掺杂氧化铈陶瓷电解质的混合物，二者的重量比为55:45，粉体粒径为0.5～5μm。
混凝剂为无水乙醇。
粘结剂为聚醚砜，数均分子量为3万。
分散剂为聚乙烯吡咯烷酮，数均分子量为20万，密度：1.144g/cm3。
粘结剂聚乙烯醇缩丁醛，数均分子量为3万～5万。密度1.08g/cm3。
润滑剂聚乙二醇，数均分子量为6000。
淀粉选自木薯淀粉和马铃薯淀粉中的一种，石墨的密度为2.25g/cm3。
本实施例制备的燃料电池系统中，阳极支撑体多孔均匀内层6的厚度为20μm，孔隙率为30％；阳极指状多孔层7的厚度为160μm，孔隙率为50％；阳极多孔均匀外层8的厚度为20μm，孔隙率为30％；阳极增强层5的厚度为60μm，孔隙率为30％；电解质3的厚度为12μm，孔隙率为2％；阴极4的厚度为30μm，孔隙率为30％。
本实施例制备的燃料电池系统，以加湿(h2o气浓度约3v％)纯氢(纯度为99.99％)作为燃料，空气作为氧化剂，在750℃和600℃时，峰值功率密度分别为1.05w·cm2和0.70w·cm2，开路电压分别为0.98v和1.02v，欧姆电阻(rω)分别为0.10ωcm2和0.30ωcm2，界面极化电阻(rp)分别为0.03ωcm2和0.21ωcm2。
实施例2：阳极支撑体厚度增加
本实施例给出一种高输出功率密度的燃料电池系统，该系统结构与实施例1基本相同。
本实施例的高输出功率密度的燃料电池系统的制备方法与实施例1基本相同，区别仅在于步骤一不同。
步骤一：阳极支撑体的制备：
将阳极浆料置于真空除气器中，在真空泵的作用下，阳极浆料中的空气经真空泵排气管排除容器，容器真空度达到5×10-2bar～1×10-1bar，保持30～60分钟，充分除去阳极浆料中的空气；
将真空除气后的阳极浆料置于洗净烘干的不锈钢容器内，将一端封闭的阳极模具浸入真空除气后的阳极浆料中，稳定15秒，然后将阳极模具垂直提出，制得阳极前驱体；
将混凝剂置于阳极前驱体相转化反应器中，将阳极前驱体立即置于混凝剂中12分钟，使得阳极前驱体上的阳极浆料与混凝剂充分发生相转化反应，重复该过程10次，然后将阳极前驱体自混凝剂中缓慢垂直提出；
将充分相转化反应后的阳极前驱体在干燥空气中干燥12～24小时，形成干燥的阳极前驱体。将干燥的阳极前驱体以2～5℃·min-1速率升温至1000～1200℃，保温2～6小时烧结，获得阳极支撑体。
步骤二：阳极增强层的制备：与实施例1的步骤二相同。
步骤三：电解质层的制备：与实施例1的步骤三相同。
步骤四：阴极的制备：与实施例1的步骤四相同。
其中：
阳极浆料与实施例1的阳极浆料相同。
阳极增强层悬浮液与实施例1的阳极增强层悬浮液相同。
电解质层悬浮液与实施例1的电解质层悬浮液相同。
阴极浆料与实施例1的阴极浆料相同。
本实施例中采用的原料与实施例1中采用的原料均相同。
本实施例制备的燃料电池系统中，阳极支撑体多孔均匀内层6的厚度为33μm，孔隙率为28％；阳极指状多孔层7的厚度为235μm，孔隙率为48％；阳极多孔均匀外层8的厚度为42μm，孔隙率为30％；阳极增强层5的厚度为60μm，孔隙率为30％；电解质3的厚度为12μm，孔隙率为2％；阴极4的厚度为30μm，孔隙率为30％。
本实施例制备的燃料电池系统，以加湿(h2o气浓度约3v％)纯氢(纯度为99.99％)作为燃料，空气作为氧化剂，在750℃和600℃时，峰值功率密度分别为1.00w·cm2和0.64w·cm2，开路电压分别为0.98v和1.02v，欧姆电阻(rω)分别为0.10ωcm2和0.30ωcm2，界面极化电阻(rp)分别为0.10ωcm2和0.40ωcm2。
实施例3：阳极支撑体厚度减少
本实施例给出一种高输出功率密度的燃料电池系统，该系统结构与实施例1基本相同。
本实施例的高输出功率密度的燃料电池系统的制备方法与实施例1基本相同，区别仅在于步骤一不同。
步骤一：阳极支撑体的制备：
将阳极浆料置于真空除气器中，在真空泵的作用下，阳极浆料中的空气经真空泵排气管排除容器，容器真空度达到5×10-2bar～1×10-1bar，保持30～60分钟，充分除去阳极浆料中的空气；
将真空除气后的阳极浆料置于洗净烘干的不锈钢容器内，将一端封闭的阳极模具浸入真空除气后的阳极浆料中，稳定10秒，然后将阳极模具垂直提出，制得阳极前驱体；
将混凝剂置于阳极前驱体相转化反应器中，将阳极前驱体立即置于混凝剂中10分钟，使得阳极前驱体上的阳极浆料与混凝剂充分发生相转化反应，重复该过程4次，然后将阳极前驱体自混凝剂中缓慢垂直提出；
将充分相转化反应后的阳极前驱体在干燥空气中干燥12～24小时，形成干燥的阳极前驱体。将干燥的阳极前驱体以2～5℃·min-1速率升温至1000～1200℃，保温2～6小时烧结，获得阳极支撑体。
步骤二：阳极增强层的制备：与实施例1的步骤二相同。
步骤三：电解质层的制备：与实施例1的步骤三相同。
步骤四：阴极的制备：与实施例1的步骤四相同。
其中：
阳极浆料与实施例1的阳极浆料相同。
阳极增强层悬浮液与实施例1的阳极增强层悬浮液相同。
电解质层悬浮液与实施例1的电解质层悬浮液相同。
阴极浆料与实施例1的阴极浆料相同。
本实施例中采用的原料与实施例1中采用的原料均相同。
本实施例制备的燃料电池系统中，阳极支撑体多孔均匀内层6的厚度为18μm，孔隙率为33％；阳极指状多孔层7的厚度为115μm，孔隙率为50％；阳极多孔均匀外层8的厚度为12μm，孔隙率为30％；阳极增强层5的厚度为60μm，孔隙率为30％；电解质3的厚度为12μm，孔隙率为2％；阴极4的厚度为30μm，孔隙率为30％。
本实施例制备的燃料电池系统，以加湿(h2o气浓度约3v％)纯氢(纯度为99.99％)作为燃料，空气作为氧化剂，在750℃和600℃时，峰值功率密度分别为1.01w·cm2和0.65w·cm2，开路电压分别为0.98v和1.02v，欧姆电阻(rω)分别为0.10ωcm2和0.30ωcm2，界面极化电阻(rp)分别为0.03ωcm2和0.20ωcm2。
实施例4：
本实施例给出一种高输出功率密度的燃料电池系统，该系统结构与实施例1基本相同。
本实施例的高输出功率密度的燃料电池系统的制备方法与实施例1基本相同：
步骤一：阳极支撑体的制备：与实施例1的步骤一相同。
步骤二：阳极增强层的制备：与实施例1的步骤二相同。
步骤三：电解质层的制备：与实施例1的步骤三相同。
步骤四：阴极的制备：与实施例1的步骤四相同。
其中：
阳极增强层悬浮液与实施例1的阳极增强层悬浮液相同。
电解质层悬浮液与实施例1的电解质层悬浮液相同。
阴极浆料与实施例1的阴极浆料相同。
本实施例中采用的原料与实施例1中采用的原料均相同。
本实施例与实施例1的区别仅仅在于，阳极浆料与实施例1的阳极浆料不同。本实施例中的阳极浆料，以重量份数计，由以下原料制成：阳极粉体材料为100份，溶剂n-甲基-2-吡咯烷酮为160份，粘结剂聚醚砜为3份，分散剂聚乙烯吡咯烷酮为40份，造孔剂淀粉或石墨为10份。
本实施例制备的燃料电池系统中，阳极支撑体多孔均匀内层6的厚度为15μm，孔隙率为34％；阳极指状多孔层7的厚度为125μm，孔隙率为63％；阳极多孔均匀外层8的厚度为14μm，孔隙率为36％；阳极增强层5的厚度为58μm，孔隙率为32％；电解质3的厚度为12μm，孔隙率为2％；阴极4的厚度为30μm，孔隙率为30％。
本实施例制备的燃料电池系统，以加湿(h2o气浓度约3v％)纯氢(纯度为99.99％)作为燃料，空气作为氧化剂，在750℃和600℃时，峰值功率密度分别为0.92w·cm2和0.58w·cm2，开路电压分别为0.96v和1.00v，欧姆电阻(rω)分别为0.10ωcm2和0.30ωcm2，界面极化电阻(rp)分别为0.06ωcm2和0.27ωcm2。
实施例5：
本实施例给出一种高输出功率密度的燃料电池系统，该系统结构与实施例1基本相同。
本实施例的高输出功率密度的燃料电池系统的制备方法与实施例1基本相同：
步骤一：阳极支撑体的制备：与实施例1的步骤一相同。
步骤二：阳极增强层的制备：与实施例1的步骤二相同。
步骤三：电解质层的制备：与实施例1的步骤三相同。
步骤四：阴极的制备：与实施例1的步骤四相同。
其中：
阳极增强层悬浮液与实施例1的阳极增强层悬浮液相同。
电解质层悬浮液与实施例1的电解质层悬浮液相同。
阴极浆料与实施例1的阴极浆料相同。
本实施例中采用的原料与实施例1中采用的原料均相同。
本实施例与实施例1的区别仅仅在于，阳极浆料与实施例1的阳极浆料不同。本实施例中的阳极浆料，以重量份数计，由以下原料制成：阳极粉体材料为100份，溶剂n-甲基-2-吡咯烷酮为100份，粘结剂聚醚砜为1份，分散剂聚乙烯吡咯烷酮为20份，造孔剂淀粉或石墨为2份。
本实施例制备的燃料电池系统中，阳极支撑体多孔均匀内层6的厚度为26μm，孔隙率为24％；阳极指状多孔层7的厚度为180μm，孔隙率为37％；阳极多孔均匀外层8的厚度为26μm，孔隙率为18％；阳极增强层5的厚度为63μm，孔隙率为28％；电解质3的厚度为12μm，孔隙率为2％；阴极4的厚度为30μm，孔隙率为30％。
本实施例制备的燃料电池系统，以加湿(h2o气浓度约3v％)纯氢(纯度为99.99％)作为燃料，空气作为氧化剂，在750℃和600℃时，峰值功率密度分别为0.95w·cm2和0.60w·cm2，开路电压分别为0.98v和1.01v，欧姆电阻(rω)分别为0.10ωcm2和0.30ωcm2，界面极化电阻(rp)分别为0.12ωcm2和0.38ωcm2。
实施例6：阳极支撑体孔隙率增加
本实施例给出一种高输出功率密度的燃料电池系统，该系统结构与实施例1基本相同。
本实施例的高输出功率密度的燃料电池系统的制备方法与实施例1基本相同，区别在于步骤一不同。
步骤一：阳极支撑体的制备：
将阳极浆料置于真空除气器中，在真空泵的作用下，阳极浆料中的空气经真空泵排气管排除容器，容器真空度达到5×10-2bar～1×10-1bar，保持30～60分钟，充分除去阳极浆料中的空气；
将真空除气后的阳极浆料置于洗净烘干的不锈钢容器内，将一端封闭的阳极模具浸入真空除气后的阳极浆料中，稳定12秒，然后将阳极模具垂直提出，制得阳极前驱体；
将混凝剂置于阳极前驱体相转化反应器中，将阳极前驱体立即置于混凝剂中15分钟，使得阳极前驱体上的阳极浆料与混凝剂充分发生相转化反应，重复该过程9次，然后将阳极前驱体自混凝剂中缓慢垂直提出；
将充分相转化反应后的阳极前驱体在干燥空气中干燥12～24小时，形成干燥的阳极前驱体。将干燥的阳极前驱体以2～5℃·min-1速率升温至1000～1200℃，保温2～6小时烧结，获得阳极支撑体。
步骤二：阳极增强层的制备：与实施例1的步骤二相同。
步骤三：电解质层的制备：与实施例1的步骤三相同。
步骤四：阴极的制备：与实施例1的步骤四相同。
其中：
阳极增强层悬浮液与实施例1的阳极增强层悬浮液相同。
电解质层悬浮液与实施例1的电解质层悬浮液相同。
阴极浆料与实施例1的阴极浆料相同。
本实施例中采用的原料与实施例1中采用的原料均相同。
本实施例与实施例1的区别还在于，阳极浆料与实施例1的阳极浆料不同。阳极浆料与实施例4的阳极浆料相同。
本实施例制备的燃料电池系统中，阳极支撑体多孔均匀内层6的厚度为18μm，孔隙率为34％；阳极指状多孔层7的厚度为155μm，孔隙率为63％；阳极多孔均匀外层8的厚度为15μm，孔隙率为36％；阳极增强层5的厚度为58μm，孔隙率为32％；电解质3的厚度为12μm，孔隙率为2％；阴极4的厚度为30μm，孔隙率为30％。
本实施例制备的燃料电池系统，以加湿(h2o气浓度约3v％)纯氢(纯度为99.99％)作为燃料，空气作为氧化剂，在750℃和600℃时，峰值功率密度分别为0.94w·cm2和0.59w·cm2，开路电压分别为0.96v和1.00v，欧姆电阻(rω)分别为0.10ωcm2和0.30ωcm2，界面极化电阻(rp)分别为0.08ωcm2和0.29ωcm2。
实施例7：阳极支撑体孔隙率减少
本实施例给出一种高输出功率密度的燃料电池系统，该系统结构与实施例1基本相同。
本实施例的高输出功率密度的燃料电池系统的制备方法与实施例1基本相同，区别在于步骤一不同。
步骤一：阳极支撑体的制备：
将阳极浆料置于真空除气器中，在真空泵的作用下，阳极浆料中的空气经真空泵排气管排除容器，容器真空度达到5×10-2bar～1×10-1bar，保持30～60分钟，充分除去阳极浆料中的空气；
将真空除气后的阳极浆料置于洗净烘干的不锈钢容器内，将一端封闭的阳极模具浸入真空除气后的阳极浆料中，稳定6秒，然后将阳极模具垂直提出，制得阳极前驱体；
将混凝剂置于阳极前驱体相转化反应器中，将阳极前驱体立即置于混凝剂中15分钟，使得阳极前驱体上的阳极浆料与混凝剂充分发生相转化反应，重复该过程5次，然后将阳极前驱体自混凝剂中缓慢垂直提出；
将充分相转化反应后的阳极前驱体在干燥空气中干燥12～24小时，形成干燥的阳极前驱体。将干燥的阳极前驱体以2～5℃·min-1速率升温至1000～1200℃，保温2～6小时烧结，获得阳极支撑体。
步骤二：阳极增强层的制备：与实施例1的步骤二相同。
步骤三：电解质层的制备：与实施例1的步骤三相同。
步骤四：阴极的制备：与实施例1的步骤四相同。
其中：
阳极增强层悬浮液与实施例1的阳极增强层悬浮液相同。
电解质层悬浮液与实施例1的电解质层悬浮液相同。
阴极浆料与实施例1的阴极浆料相同。
本实施例中采用的原料与实施例1中采用的原料均相同。
本实施例与实施例1的区别还在于，阳极浆料与实施例1的阳极浆料不同。阳极浆料与实施例5的阳极浆料相同。
本实施例制备的燃料电池系统中，阳极支撑体多孔均匀内层6的厚度为22μm，孔隙率为24％；阳极指状多孔层7的厚度为168μm，孔隙率为37％；阳极多孔均匀外层8的厚度为24μm，孔隙率为18％；阳极增强层5的厚度为63μm，孔隙率为28％；电解质3的厚度为12μm，孔隙率为2％；阴极4的厚度为30μm，孔隙率为30％。
本实施例制备的燃料电池系统，以加湿(h2o气浓度约3v％)纯氢(纯度为99.99％)作为燃料，空气作为氧化剂，在750℃和600℃时，峰值功率密度分别为0.95w·cm2和0.60w·cm2，开路电压分别为0.98v和1.01v，欧姆电阻(rω)分别为0.10ωcm2和0.30ωcm2，界面极化电阻(rp)分别为0.11ωcm2和0.36ωcm2。
从上述实施例1至实施例7可知：(a)适度的阳极支撑体厚度，可以大幅降低燃料电池系统的界面极化电阻(rp)。(b)适度的阳极支撑体厚度，可以较大提高燃料电池系统的输出功率密度。(c)恰当的阳极层孔隙率，可以大幅降低燃料电池系统的界面极化电阻(rp)。(d)恰当的阳极层孔隙率，可以大幅提高燃料电池系统的输出功率密度。(e)在相同的阳极浆料条件下，阳极支撑体的厚度越大(包括阳极多孔均匀内层、阳极指状多孔层和阳极多孔均匀外层)，燃料电池系统的界面极化电阻(rp)越大。(f)在基本相同的阳极支撑体(包括阳极多孔均匀内层、阳极指状多孔层和阳极多孔均匀外层)厚度条件下，阳极支撑体的孔隙率太大或太小，燃料电池系统的界面极化电阻(rp)都会变大。
对比例1：无阳极增强层
本对比例给出一种燃料电池系统，该系统结构与实施例1不同，区别仅在于本对比例的燃料电池系统中无阳极增强层。
本实施例的高输出功率密度的燃料电池系统的制备方法与实施例1基本相同，区别仅在于无阳极增强层的制备过程。
步骤一：阳极支撑体的制备：与实施例1的步骤一相同。
步骤二：电解质层的制备：与实施例1的步骤三相同。
步骤三：阴极的制备：与实施例1的步骤四相同。
其中：
阳极浆料与实施例1的阳极浆料相同。
电解质层悬浮液与实施例1的电解质层悬浮液相同。
阴极浆料与实施例1的阴极浆料相同。
本对比例中采用的原料与实施例1中采用的原料均相同。
本实施例制备的燃料电池系统中，阳极支撑体多孔均匀内层6的厚度为20μm，孔隙率为30％；阳极指状多孔层7的厚度为160μm，孔隙率为50％；阳极多孔均匀外层8的厚度为20μm，孔隙率为30％；电解质3的厚度为12μm，孔隙率为2％；阴极4的厚度为30μm，孔隙率为30％。
本对比例制备的燃料电池系统，以加湿(h2o气浓度约3v％)纯氢(纯度为99.99％)作为燃料，空气作为氧化剂，在750℃和600℃时，峰值功率密度分别为0.90w·cm2和0.56w·cm2，开路电压分别为0.96v和1.00v，欧姆电阻(rω)分别为0.10ωcm2和0.30ωcm2，界面极化电阻(rp)分别为0.03ωcm2和0.20ωcm2。
对比例2：阳极支撑体为两层结构
本对比例给出一种燃料电池系统，该系统结构与实施例1不同，区别仅在于本对比例的燃料电池系统中阳极支撑体为两层结构，即只有阳极多孔均匀内层和阳极指状多孔层。
本实施例的高输出功率密度的燃料电池系统的制备方法与实施例1基本相同，区别仅在于步骤一中的阳极浆料不同。
步骤一：阳极支撑体的制备：与实施例1的步骤一基本相同。
步骤二：阳极增强层的制备：与实施例1的步骤二相同。
步骤三：电解质层的制备：与实施例1的步骤三相同。
步骤四：阴极的制备：与实施例1的步骤四相同。
其中：
阳极增强层悬浮液与实施例1的阳极增强层悬浮液相同。
电解质层悬浮液与实施例1的电解质层悬浮液相同。
阴极浆料与实施例1的阴极浆料相同。
本对比例中采用的原料与实施例1中采用的原料均相同。
本对比例中的阳极浆料，以重量份数计，由以下原料制成：阳极粉体材料为100份，溶剂n-甲基-2-吡咯烷酮为110份，粘结剂聚醚砜为2份，分散剂聚乙烯吡咯烷酮为25份，造孔剂淀粉或石墨为2份。
本对比例制备的燃料电池系统中，阳极支撑体多孔均匀内层6的厚度为22μm，孔隙率为26％；阳极指状多孔层7的厚度为172μm，孔隙率为33％；阳极增强层5的厚度为60μm，孔隙率为30％；电解质3的厚度为12μm，孔隙率为2％；阴极4的厚度为30μm，孔隙率为30％。
本对比例制备的燃料电池系统，以加湿(h2o气浓度约3v％)纯氢(纯度为99.99％)作为燃料，空气作为氧化剂，在750℃和600℃时，峰值功率密度分别为0.96w·cm2和0.61w·cm2，开路电压分别为0.98v和1.00v，欧姆电阻(rω)分别为0.10ωcm2和0.30ωcm2，界面极化电阻(rp)分别为0.11ωcm2和0.36ωcm2。
对比例3：阳极支撑体为两层结构且无阳极增强层
本对比例给出一种燃料电池系统，该系统结构与实施例1不同，区别仅在于本对比例的燃料电池系统中阳极支撑体为两层结构，即只有阳极多孔均匀内层和阳极指状多孔层，并且无阳极增强层。
本实施例的高输出功率密度的燃料电池系统的制备方法与实施例1基本相同，区别在于步骤一中的阳极浆料不同，并且无阳极增强层的制备过程。
步骤一：阳极支撑体的制备：与实施例1的步骤一基本相同。
步骤二：电解质层的制备：与实施例1的步骤三相同。
步骤三：阴极的制备：与实施例1的步骤四相同。
其中：
电解质层悬浮液与实施例1的电解质层悬浮液相同。
阴极浆料与实施例1的阴极浆料相同。
本对比例中采用的原料与实施例1中采用的原料均相同。
本对比例中的阳极浆料与对比例2相同。
本对比例制备的燃料电池系统中，阳极支撑体多孔均匀内层6的厚度为22μm，孔隙率为26％；阳极指状多孔层7的厚度为172μm，孔隙率为33％；电解质3的厚度为12μm，孔隙率为2％；阴极4的厚度为30μm，孔隙率为30％。
本对比例制备的燃料电池系统，以加湿(h2o气浓度约3v％)纯氢(纯度为99.99％)作为燃料，空气作为氧化剂，在750℃和600℃时，峰值功率密度分别为0.82w·cm2和0.51w·cm2，开路电压分别为0.97v和1.00v，欧姆电阻(rω)分别为0.10ωcm2和0.30ωcm2，界面极化电阻(rp)分别为0.12ωcm2和0.37ωcm2。
从上述实施例1与对比例1至3可知：(a)在相同的阳极支撑体(包括阳极多孔均匀内层、阳极指状多孔层和阳极多孔均匀外层)厚度和孔隙率条件下，阳极增强层可以大幅提高燃料电池系统的输出功率密度。(b)在相同的阳极支撑体(包括阳极多孔均匀内层、阳极指状多孔层和阳极多孔均匀外层)厚度和孔隙率条件下，阳极增强层没有增加燃料电池系统的界面极化电阻(rp)。(c)在相同的阳极支撑体(包括阳极多孔均匀内层和阳极指状多孔层)厚度和孔隙率条件下，阳极增强层可以大幅提高燃料电池系统的输出功率密度。(d)在相同的阳极支撑体(包括阳极多孔均匀内层和阳极指状多孔层)厚度和孔隙率条件下，阳极增强层没有增加燃料电池系统的界面极化电阻(rp)。(e)在相同的电解质和阴极厚度和孔隙率条件下，三层结构阳极支撑体可以较大提高燃料电池系统的输出功率密度。(f)在相同的电解质和阴极厚度和孔隙率条件下，三层结构阳极支撑体可以保障燃料有效快速输运，减少气体传输阻力的浓差极化，大幅降低燃料电池系统的界面极化电阻(rp)。
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