本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及一種固體氧化物燃料電池基板及其制備方法。

背景技術(shù)：

固體氧化物燃料電池(sofc)是一種將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能的全固態(tài)發(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、燃料適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于固體氧化物燃料電池的工作溫度較高，通常為600至1000℃，這也限制了其廣泛應(yīng)用。隨著化石能源的日益緊缺以及人們對(duì)清潔高效便攜式電源的需求日益強(qiáng)烈，近年來固體氧化物燃料電池受到了人們的廣泛關(guān)注，其中，“低溫化”、“微型化”、“長(zhǎng)壽命”成為固體氧化物燃料電池發(fā)展趨勢(shì)。

目前，為了提高固體氧化物燃料電池的工作壽命，人們對(duì)陽(yáng)極、電解質(zhì)、陰極材料及制造工藝進(jìn)行了一系列研究。電池基板作為支撐電極與電解質(zhì)的載體，提供氣體及反應(yīng)產(chǎn)物通道以及電子導(dǎo)電通路，受到了人們的廣泛關(guān)注。優(yōu)良的固體氧化物燃料電池基板不僅熱膨脹系數(shù)要與電極及電解質(zhì)相匹配，而且還要強(qiáng)度高、韌性好，電性能、導(dǎo)熱性能優(yōu)良。

一種廣受關(guān)注的基板是采用多孔金屬陶瓷直接同時(shí)作為陽(yáng)極和支撐基板，如ni-ysz基板，然而這種多孔金屬陶瓷復(fù)合材料在反復(fù)熱循環(huán)與氧化還原反應(yīng)沖擊下易發(fā)生碎裂。為了提高燃料電池壽命，人們相繼開發(fā)了獨(dú)立的電極和基板。硅基板是最早應(yīng)用的基板材料之一，然而由于硅基板的熱膨脹系數(shù)較低，與ysz基電解質(zhì)及電極薄膜材料存在熱膨脹系數(shù)不匹配的問題，而導(dǎo)致以硅作基板的電池?zé)岱€(wěn)定性較差。陽(yáng)極化處理多孔氧化鋁基板（aao）也是一種較早研究的固體氧化物燃料電池基板材料，然而該多孔基板材料熱穩(wěn)定性較差，沉積到陽(yáng)極化處理多孔氧化鋁基板上的致密的電解質(zhì)薄膜層在熱循環(huán)中會(huì)發(fā)生退化。此外，對(duì)于以氧化鋯為基礎(chǔ)的ysz電解質(zhì)來說，通常采用多孔nio-ysz陽(yáng)極基板，然而nio-ysz在燃料電池的高溫反應(yīng)條件下，nio易還原為ni，引起體積反復(fù)變化，從而導(dǎo)致基板的失效。近年來，不少人致力于研究納米多孔金屬基板材料，納米多孔金屬材料基板（如納米多孔鎳基板）具有優(yōu)良的機(jī)械力學(xué)性能及導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，然而其熱膨脹系數(shù)通常與電極及電解質(zhì)材料相差極大，從而容易使電極或電解質(zhì)在熱循環(huán)中發(fā)生破裂或脫落失效。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種固體氧化物燃料電池復(fù)合基板及其制備工藝解決現(xiàn)有固體氧化物燃料電池基板的熱匹配性能差、熱穩(wěn)定性差、導(dǎo)熱性能差以及制備工藝復(fù)雜等技術(shù)問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下的技術(shù)方案：

一種固體氧化物燃料電池復(fù)合基板，包括多孔不銹鋼薄膜層、多孔陶瓷金屬過渡層和多孔陶瓷復(fù)合材料薄膜層；所述多孔陶瓷金屬過渡層包含鎳?yán)w維，所述鎳?yán)w維均勻分布在所述多孔陶瓷金屬過渡層中，并相互搭接形成高速導(dǎo)熱的網(wǎng)絡(luò)。鎳?yán)w維相互搭接形成高速導(dǎo)熱的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)結(jié)合多孔陶瓷結(jié)構(gòu)有利于調(diào)節(jié)過渡層的熱膨脹系數(shù)和大幅度提高過渡層的導(dǎo)熱性能，很好的解決了陶瓷復(fù)合材料薄膜層與不銹鋼薄膜層的匹配性問題。多孔不銹鋼薄膜層具有耐腐蝕性。

進(jìn)一步的，所述多孔陶瓷復(fù)合材料薄膜層為lstn-ysz。lstn為lasrtini氧化物；ysz為釔穩(wěn)定的氧化鋯。

進(jìn)一步的，所述多孔陶瓷金屬過渡層由鎳?yán)w維和lstn-ysz陶瓷組成。當(dāng)多孔多孔陶瓷金屬過渡層中陶瓷材料的組分與多孔陶瓷復(fù)合材料薄膜層的組分相同時(shí)性能最佳。lstn有利于實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)，對(duì)固體燃料的反應(yīng)有促進(jìn)作用。

進(jìn)一步的，所述lstn為la0.2sr0.8ti0.9ni0.1o3-δ。

進(jìn)一步的，所述多孔陶瓷復(fù)合材料薄膜層的孔徑大小為200~500nm，孔隙率為10~30%；所述多孔陶瓷金屬過渡層的lstn-ysz陶瓷的孔徑大小為200~500nm，孔隙率為15~30%。

進(jìn)一步的，所述鎳?yán)w維占整個(gè)所述多孔陶瓷金屬過渡層體積分?jǐn)?shù)的15%~30%；所述鎳?yán)w維直徑為1~8μm，長(zhǎng)徑比為8~15。

進(jìn)一步的，所述多孔不銹鋼薄膜層厚度為300~600μm；所述多孔陶瓷金屬過渡層的厚度為20~50μm和所述多孔陶瓷復(fù)合材料薄膜層的厚度為30~50μm。

進(jìn)一步的，所述lstn-ysz中l(wèi)stn所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)50~75wt%；ysz所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25~50wt%。

一種固體氧化物燃料電池復(fù)合基板的制備工藝，主要包括以下步驟：

（1）將按重量比例稱取的不銹鋼粉末與淀粉混合均勻，再加入粘接劑、溶劑、增塑劑和分散劑，球磨混合均勻制備成流延漿料，采用流延成型工藝制備出不銹鋼薄膜生帶；

（2）將按重量比例稱取的lstn粉末與ysz粉末混合均勻；

（3）取部分步驟（2）所得的lstn-ysz混合粉末；再加入粘接劑、溶劑、增塑劑、分散劑球磨混合均勻制備出流延漿料，然后流延成型，制備陶瓷復(fù)合材料薄膜生帶；

（4）將剩余的步驟（2）所得的lstn-ysz混合粉末按比例與鎳?yán)w維混合均勻，加入適量粘接劑、溶劑、增塑劑、分散劑球磨混合均勻制備出流延漿料，然后流延成型，制備陶瓷金屬薄膜生帶；

（5）將陶瓷復(fù)合材料薄膜生帶、陶瓷金屬薄膜生帶和不銹鋼薄膜生帶疊壓，在干燥的h2保護(hù)氣氛下，在1050~1250℃的溫度下，燒結(jié)2~6h，然后隨爐冷卻。

進(jìn)一步的，步驟（1）包括質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80~90wt%的不銹鋼和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10~20wt%的淀粉。淀粉有利于形成氣孔。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明熱膨脹系數(shù)與電池組件匹配性好、熱穩(wěn)定性能優(yōu)良、導(dǎo)熱性能好、制備工藝簡(jiǎn)單。金屬與陶瓷相結(jié)合制備的固體氧化物燃料電池復(fù)合基板綜合了陶瓷與金屬的優(yōu)異性能。多孔不銹鋼層強(qiáng)度高、耐熱沖擊性能好；多孔陶瓷復(fù)合材料層與燃料電池陽(yáng)極材料熱匹配性能好。特別是本發(fā)明通過采用鎳?yán)w維形成的多孔陶瓷金屬過渡層，鎳?yán)w維既調(diào)節(jié)了過渡層的熱膨脹系數(shù)，很好的解決了陶瓷復(fù)合材料薄膜層與不銹鋼薄膜層的匹配性問題，同時(shí)在過渡層形成了相互搭接的高導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，大幅度提高了過渡層的導(dǎo)熱性能，從而整個(gè)固體氧化物燃料電池復(fù)合基板熱穩(wěn)定性、抗熱沖擊性能與導(dǎo)熱性能都得到優(yōu)化。采用流延成型工藝生產(chǎn)效率高，適合大批量生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1-多孔陶瓷復(fù)合材料薄膜層，2-多孔陶瓷金屬過渡層，3-多孔不銹鋼薄膜層。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

一種固體氧化物燃料電池復(fù)合基板的制備工藝，主要包括以下步驟：

（1）將粒徑為~10μm的434l不銹鋼粉末80g與20g的淀粉混合均勻，然后向混合均勻的粉體中，加入聚乙烯醇縮丁醛15g、無水乙醇溶液90g、聚乙二醇8g、三油酸甘油酯4g等球磨混合48h，制備得到流延漿料，將流延漿料利用真空脫泡機(jī)進(jìn)行真空脫泡，將脫泡后的漿料在流延機(jī)上流延成型，制備出厚度為600μm不銹鋼薄膜生帶。

（2）分別稱取50glstn粉末、50gysz粉末混合均勻，加入聚乙烯醇縮丁醛16g、無水乙醇溶液90g、聚乙二醇8g、三油酸甘油酯5g等球磨混合48h，制備出流延漿料，將流延漿料利用真空脫泡機(jī)進(jìn)行真空脫泡，將脫泡后的漿料在流延機(jī)上流延成型，制備厚度為60μm陶瓷復(fù)合材料薄膜生帶。

（3）分別稱取50glstn粉末、50gysz粉末混合均勻，將直徑~8μm、長(zhǎng)徑比為10-12的42g鎳?yán)w維（體積分?jǐn)?shù)為30%）與上述陶瓷粉末混合均勻，然后向混合均勻的粉體中分別加入聚乙烯醇縮丁醛21g、無水乙醇溶液118g、聚乙二醇11g、三油酸甘油酯6g等球磨混合48h，將流延漿料利用真空脫泡機(jī)進(jìn)行真空脫泡，將脫泡后的漿料在流延機(jī)上流延成型，制備厚度為50μm的陶瓷金屬薄膜生帶。

（4）將陶瓷復(fù)合材料薄膜生帶、金屬陶瓷薄膜生帶與不銹鋼薄膜生帶疊壓，在干燥的h2保護(hù)氣氛下，在1050℃的溫度下，燒結(jié)6h，然后隨爐冷卻。

（5）將制備的復(fù)合板進(jìn)行表面拋光并切割成需要的尺寸即得由多孔不銹鋼薄膜層、多孔陶瓷金屬過渡層和多孔陶瓷復(fù)合材料薄膜層組成的固體氧化物燃料電池復(fù)合基板。

實(shí)施例2

一種固體氧化物燃料電池復(fù)合基板的制備工藝，主要包括以下步驟：

（1）將粒徑為~8μm的434l不銹鋼粉末85g與15g的淀粉混合均勻，然后向混合均勻的粉體中，加入聚乙烯醇縮丁醛13g、無水乙醇溶液88g、聚乙二醇9g、三油酸甘油酯4g等球磨混合48h，制備得到流延漿料，將流延漿料利用真空脫泡機(jī)進(jìn)行真空脫泡，將脫泡后的漿料在流延機(jī)上流延成型，制備出厚度為500μm不銹鋼薄膜生帶。

（2）分別稱取60glstn粉末、40gyst粉末混合均勻，然后向混合均勻的粉體中分別加入聚乙烯醇縮丁醛15g、無水乙醇溶液90g、聚乙二醇8g、三油酸甘油酯4g球磨混合48h，將流延漿料利用真空脫泡機(jī)進(jìn)行真空脫泡，將脫泡后的漿料在流延機(jī)上流延成型，制備厚度為50μm陶瓷復(fù)合材料薄膜生帶。

（3）分別稱取60glstn粉末、40gyst粉末混合均勻，將直徑~5μm、長(zhǎng)徑比為10-15的鎳?yán)w維28g（體積分?jǐn)?shù)為20%）與上述陶瓷粉末混合均勻，然后向混合均勻的粉體中分別加入聚乙烯醇縮丁醛21g、無水乙醇溶液120g、聚乙二醇14g、三油酸甘油酯7g等球磨混合48h，制備出流延漿料，將流延漿料利用真空脫泡機(jī)進(jìn)行真空脫泡，將脫泡后的漿料在流延機(jī)上流延成型為生坯，制備厚度為45μm的陶瓷金屬薄膜生帶。

（4）將陶瓷復(fù)合材料薄膜生帶、金屬陶瓷薄膜生帶與不銹鋼薄膜生帶疊壓，在干燥的h2保護(hù)氣氛下，在1200℃的溫度下，燒結(jié)4h，然后隨爐冷卻。

（5）將制備的復(fù)合板進(jìn)行表面拋光并切割成需要的尺寸即得由多孔不銹鋼薄膜層、多孔陶瓷金屬過渡層和多孔陶瓷復(fù)合材料薄膜層組成的固體氧化物燃料電池復(fù)合基板。

實(shí)施例3

一種固體氧化物燃料電池復(fù)合基板的制備工藝，主要包括以下步驟：

（1）將粒徑為~5μm的434l不銹鋼粉末90g與10g的淀粉混合均勻，然后向混合均勻的粉體中，加入聚乙烯醇縮丁醛15g、無水乙醇溶液90g、聚乙二醇8g、三油酸甘油酯4g等球磨混合48h，制備得到流延漿料，將流延漿料利用真空脫泡機(jī)進(jìn)行真空脫泡，將脫泡后的漿料在流延機(jī)上流延成型，制備出厚度為300μm不銹鋼薄膜生帶。

（2）分別稱取75glstn粉末、25gysz粉末混合均勻，加入聚乙烯醇縮丁醛16g、無水乙醇溶液90g、聚乙二醇8g、三油酸甘油酯5g等球磨混合48h，制備出流延漿料，將流延漿料利用真空脫泡機(jī)進(jìn)行真空脫泡，將脫泡后的漿料在流延機(jī)上流延成型，制備出厚度為30μm陶瓷復(fù)合材料薄膜生帶。

（3）分別稱取75glstn粉末、25gysz粉末混合均勻，將直徑~1μm、長(zhǎng)徑比為8-10的鎳?yán)w維21g（體積分?jǐn)?shù)為15%）與上述陶瓷粉末混合均勻，然后向混合均勻的粉體中分別加入聚乙烯醇縮丁醛21g、無水乙醇溶液118g、聚乙二醇11g、三油酸甘油酯6g等球磨混合48h，將流延漿料利用真空脫泡機(jī)進(jìn)行真空脫泡，將脫泡后的漿料在流延機(jī)上流延成型，制備出厚度為25μm陶瓷金屬薄膜生帶。

（4）將陶瓷復(fù)合材料薄膜生帶、金屬陶瓷薄膜生帶與不銹鋼薄膜生帶疊壓，在干燥的h2保護(hù)氣氛下，在1250℃的溫度下，燒結(jié)2h，然后隨爐冷卻。

（5）將制備的復(fù)合板進(jìn)行表面拋光并切割成需要的尺寸即得由多孔不銹鋼薄膜層、多孔陶瓷金屬過渡層和多孔陶瓷復(fù)合材料薄膜層組成的本發(fā)明固體氧化物燃料電池復(fù)合基板。

實(shí)施例1-3得到的固體氧化物燃料電池復(fù)合基板如圖1所示，包括多孔不銹鋼薄膜層3、多孔陶瓷金屬過渡層2和多孔陶瓷復(fù)合材料薄膜層1，鎳?yán)w維均勻分布在多孔陶瓷金屬過渡層2中，并相互搭接形成高速導(dǎo)熱的網(wǎng)絡(luò)。其中多孔陶瓷復(fù)合材料薄膜層1的孔徑大小為200~500nm，孔隙率為10~30%；多孔陶瓷金屬過渡層的lstn-ysz陶瓷的孔徑大小為200~500nm，孔隙率為15~30%。

以上實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上還可做多種修改和變化，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通工程技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變型和改進(jìn)，例如將陶瓷成分進(jìn)行替換、先沖切疊壓后的生帶再燒結(jié)成基板等，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。