本發(fā)明涉及固體燃料電池領域，尤其涉及一種低溫固體燃料電池的制備方法。

背景技術：

固體燃料電池是一種將燃料的化學能直接轉化成電能的全固態(tài)化學發(fā)電裝置，具有能源轉換效率高和對環(huán)境污染少的優(yōu)點，因此固體燃料電池是新能源領域重點發(fā)展的功能材料之一。針對固體燃料電池的研究已經有幾十年，使用最為普遍的固體燃料電池是氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，其工作溫度為800～1000℃，輸出功率密度為0.6～1w/cm²，在固定電站領域和移動電源領域已經得到部分應用，但由于受到高工作溫度的限制，這種高溫固體燃料電池很難得到更為廣泛的商業(yè)化應用。

近些年來，科研人員研發(fā)出了可在較低溫度(典型工作溫度為300～600℃)下輸出高功率的固體燃料電池，這種固體燃料電池被稱為低溫固體燃料電池或低溫固體氧化物燃料電池。例如：b.zhu等研發(fā)出了摻雜氧化鈰、鈣鈦礦陶瓷的低溫固體燃料電池，這種電池的試樣可在550℃下輸出0.8w/cm²的功率；s.tao等人研發(fā)出了由lifeo2與lifeo2復合而成的低溫固體燃料電池，在650℃下使用氫氣作為燃料時，這種電池的試樣可以獲得0.5s/cm的高離子電導率。目前，科研人員已經探明了這種低溫固體燃料電池的工作機理，其研究結果表明：獲得致密的具有納米或亞微米晶粒微觀結構的復合陶瓷層結構是保障這類低溫固體燃料電池高離子電導率和高功率性能的基礎。

在現(xiàn)有技術中，這種低溫固體燃料電池的制備方法尚不成熟。例如：吳艷等人發(fā)明了一種低溫固體燃料電池的快速成型方法，它是將赤鐵礦粉末壓制成陶瓷片，該陶瓷片包含陰極、中間層和陽極三層，在一定高溫下燒結后就可以形成電池片；朱斌等人采用類似方法將鈷鎳鋁和氧化鈰粉末直接混合壓制并燒結從而形成電池片，該電池片具有納米微觀結構，在300～600℃輸出功率可達0.3～1w/cm²?，F(xiàn)有的這些低溫固體燃料電池的制備方法均是采用將原料粉末壓制并燒結的方式制成電池片，不僅成品率差、制備效率低，而且所制得電池的內部微觀結構不易控，很難滿足工業(yè)生產和市場應用的需求。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有低溫固體燃料電池制備方法中存在的成品率差、制備效率低、所制得的電池內部微觀結構不易控等技術問題，本發(fā)明提供了一種低溫固體燃料電池的制備方法，不僅所制得的電池內部微觀結構容易控制，而且成品率好、制備效率高，能夠實現(xiàn)工業(yè)級生產。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種低溫固體燃料電池的制備方法，包括：以多孔泡沫金屬為基材，并在基材的表面由下向上依次制備底部涂層、中間涂層和頂部涂層，從而形成低溫固體燃料電池；其中，所述底部涂層和所述頂部涂層的涂層材料均采用低溫固體燃料電池電極材料，而所述中間涂層的涂層材料采用低溫固體燃料電池電解質材料。

優(yōu)選地，基材的表面先進行清洗和粗糙化處理，使表面粗糙度ra為5～80μm，然后再在該基材的表面由下向上依次制備底部涂層、中間涂層和頂部涂層。

優(yōu)選地，在基材的表面制備底部涂層包括以下步驟：將基材置于氣壓值為0.01～100mbar的低氣壓環(huán)境中，并利用等離子噴槍的等離子焰流對基材的表面進行加熱，等離子噴槍所使用的燃氣為氬氣、氦氣、氮氣、氫氣中的至少一種，燃氣的總流量為20～200nlpm；當基材的表面溫度達到300～1000℃后，調整等離子噴槍的功率為30～70kw，等離子噴槍與基材之間的距離為300～800mm，然后向等離子焰流中加入粉末狀低溫固體燃料電池電極材料，送粉速率為10～200g/min，粉末狀低溫固體燃料電池電極材料被加熱并被噴射到基材的表面形成底部涂層，直至底部涂層的厚度達到10～100μm，停止向等離子焰流中加入粉末狀低溫固體燃料電池電極材料，從而完成在基材的表面制備底部涂層。

優(yōu)選地，在底部涂層的表面制備中間涂層包括以下步驟：待底部涂層制備完成后，繼續(xù)在氣壓值為0.01～100mbar的低氣壓環(huán)境中，利用等離子噴槍的等離子焰流對底部涂層的表面進行加熱，燃氣的總流量為50～300nlpm，等離子噴槍的功率為50～180kw，等離子噴槍與基材之間的距離為600～1100mm；向等離子焰流中加入粉末狀低溫固體燃料電池電解質材料，送粉速率為10～200g/min，粉末狀低溫固體燃料電池電解質材料被加熱并被噴射到底部涂層的表面形成中間涂層，直至中間涂層的厚度達到10～100μm，停止向等離子焰流中加入粉末狀低溫固體燃料電池電解質材料，從而完成在底部涂層的表面制備中間涂層。

優(yōu)選地，在中間涂層的表面制備頂部涂層包括以下步驟：待中間涂層制備完成后，繼續(xù)在氣壓值為0.01～100mbar的低氣壓環(huán)境中，利用等離子噴槍的等離子焰流對中間涂層的表面進行加熱，燃氣的總流量為20～200nlpm，等離子噴槍的功率為30～70kw，等離子噴槍與基材之間的距離為300～800mm；向等離子焰流中加入粉末狀低溫固體燃料電池電極材料，送粉速率為10～200g/min，粉末狀低溫固體燃料電池電極材料被加熱并被噴射到中間涂層的表面形成頂部涂層，直至頂部涂層的厚度達到10～100μm，停止向等離子焰流中加入粉末狀低溫固體燃料電池電極材料，從而完成在中間涂層的表面制備頂部涂層。

優(yōu)選地，所述的多孔泡沫金屬的孔隙率為5％～99％。

優(yōu)選地，所述的底部涂層的孔隙率為5％～50％，中間涂層的孔隙率為0.01％～5％，頂部涂層的孔隙率為5％～50％。

由上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，本發(fā)明提供的低溫固體燃料電池的制備方法以多孔泡沫金屬為基材，并在基材的表面由下向上依次連續(xù)制備底部涂層、中間涂層和頂部涂層，從而即可制得由基材、底部涂層、中間涂層、頂部涂層共同構成的低溫固體燃料電池。通過對涂層制備過程中的工藝參數(shù)進行調整可以實現(xiàn)對電池內部微觀結構的精準控制；而本發(fā)明提供的采用低氣壓等離子噴涂技術來制備底部涂層、中間涂層和頂部涂層的方法可以實現(xiàn)大面積涂層均勻制備，能夠提升電池質量和成品率，并可實現(xiàn)電池一次性成型，十分有利于實現(xiàn)工業(yè)級生產。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實施例所制備出的低溫固體燃料電池的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例所提供低溫固體燃料電池的制備方法的工藝示意圖。

具體實施方式

下面結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

下面對本發(fā)明所提供的低溫固體燃料電池的制備方法進行詳細描述。

一種低溫固體燃料電池的制備方法，包括：以多孔泡沫金屬為基材，并在基材的表面由下向上依次連續(xù)制備底部涂層、中間涂層和頂部涂層，從而形成低溫固體燃料電池。

具體地，該低溫固體燃料電池的制備方法可以包括以下具體實施方式：

(1)所述基材最好采用孔隙率為5％～99％的多孔泡沫金屬，這種基材能夠起到良好的支撐涂層、導電及實現(xiàn)氣體自由導通的作用?；牡谋砻嫦冗M行清洗和粗糙化處理，使表面粗糙度ra為5～80μm，這可以保證基材的表面與底部涂層之間具有良好的結合強度，然后再在該基材的表面由下向上依次制備底部涂層、中間涂層和頂部涂層。在實際應用中，基材的表面可以先采用酒精或其他有機溶劑進行清洗，晾干后在室溫下進行粗糙化處理(例如：可以采用高速硬質砂礫進行噴砂處理)，使基材的表面粗糙度ra為5～80μm。

(2)所述底部涂層的涂層材料和所述頂部涂層的涂層材料均采用低溫固體燃料電池電極材料(該低溫固體燃料電池電極材料可采用現(xiàn)有技術中的鎳鈷鋁氧化物、鎳鈷鋁鋰氧化物、鑭鍶鈷鐵氧化物等低溫固體燃料電池所使用的電極材料)，并且所述底部涂層和所述頂部涂層可采用相同的涂層材料，也可采用不同的涂層材料。所述中間涂層的涂層材料采用低溫固體燃料電池電解質材料(該低溫固體燃料電池電解質材料也可稱為異質結構功能材料，可采用現(xiàn)有技術中的氧化鈰、稀土摻雜氧化鈰、稀土氧化物混合礦物材料、稀土氧化物混合鈣鈦礦材料等低溫固體燃料電池所使用的電解質材料)。

(3)在基材的表面制備底部涂層可以采用現(xiàn)有技術中的涂層制備方法在基材的表面制備底部涂層，也可以采用以下步驟：將基材置于氣壓值為0.01～100mbar的低氣壓環(huán)境中，并利用等離子噴槍的等離子焰流對基材的表面進行預熱，等離子噴槍所使用的燃氣為氬氣、氦氣、氮氣、氫氣中的至少一種，燃氣的總流量為20～200nlpm；當基材的表面溫度達到300～1000℃后，調整等離子噴槍的功率為30～70kw，等離子噴槍與基材之間的距離為300～800mm，然后向等離子焰流中加入粉末狀低溫固體燃料電池電極材料，送粉速率為10～200g/min，粉末狀低溫固體燃料電池電極材料被加熱并被噴射到基材的表面形成底部涂層，直至底部涂層的厚度達到10～100μm，停止向等離子焰流中加入粉末狀低溫固體燃料電池電極材料，從而完成在基材的表面制備底部涂層。底部涂層的孔隙率可以為5％～50％，但最好為10％～30％，這既可以提供氣體導通的通道，也可以使涂層具有較高的內聚力。在實際應用中，最好將基材置于氣壓值為0.1～5mbar的低氣壓環(huán)境中，燃氣的總流量最好為80～180nlpm，等離子噴槍的功率最好為30～50kw，等離子噴槍與基材之間的距離最好為350～600mm，粉末狀低溫固體燃料電池電極材料最好具有團聚型結構并且粒徑目數(shù)最好為(-325)，送粉速率最好為50～150g/min，底部涂層的厚度最好為20～50μm，這可以保證涂層大面積均勻的制備，并且容易獲得所需的涂層孔隙率，同時還能夠保證涂層具有較強的內聚力和結合強度，而且涂層可以起到收集電子及電極催化作用。

(4)在底部涂層的表面制備中間涂層可以采用現(xiàn)有技術中的涂層制備方法在底部涂層的表面制備中間涂層，也可以采用以下步驟：待底部涂層制備完成后，繼續(xù)在氣壓值為0.01～100mbar的低氣壓環(huán)境中，利用等離子噴槍的等離子焰流對底部涂層的表面進行加熱，燃氣的總流量為50～300nlpm，等離子噴槍的功率為50～180kw，等離子噴槍與基材之間的距離為600～1100mm；向等離子焰流中加入粉末狀低溫固體燃料電池電解質材料，送粉速率為10～200g/min，粉末狀低溫固體燃料電池電解質材料被加熱并被噴射到底部涂層的表面形成中間涂層，直至中間涂層的厚度達到10～100μm，停止向等離子焰流中加入粉末狀低溫固體燃料電池電解質材料，從而完成在底部涂層的表面制備中間涂層。中間涂層的孔隙率可以為0.01％～5％，最好為0.1％～1％，這可以保證該涂層的氣密性及較高的內聚力。在實際應用中，燃氣的總流量最好為100～200nlpm，等離子噴槍的功率最好為60～80kw，等離子噴槍與基材之間的距離最好為800～1000mm，粉末狀低溫固體燃料電池電解質材料最好具有團聚型結構并且粒徑目數(shù)最好為(-325)，送粉速率最好為20～100g/min，中間涂層的厚度最好為10～50μm，這可以保證涂層大面積均勻的制備，并且容易獲得所需的涂層孔隙率，同時還能夠保證涂層具有較強的內聚力和結合強度，而且涂層可以起到電解質離子導電的作用。

(5)在中間涂層的表面制備頂部涂層可以采用現(xiàn)有技術中的涂層制備方法在中間涂層的表面制備頂部涂層，也可以采用以下步驟：待中間涂層制備完成后，繼續(xù)在氣壓值為0.01～100mbar的低氣壓環(huán)境中，利用等離子噴槍的等離子焰流對中間涂層的表面進行加熱，燃氣的總流量為20～200nlpm，等離子噴槍的功率為30～70kw，等離子噴槍與基材之間的距離為300～800mm；向等離子焰流中加入粉末狀低溫固體燃料電池電極材料，送粉速率為10～200g/min，粉末狀低溫固體燃料電池電極材料被加熱并被噴射到中間涂層的表面形成頂部涂層，直至頂部涂層的厚度達到10～100μm，停止向等離子焰流中加入粉末狀低溫固體燃料電池電極材料，從而完成在中間涂層的表面制備頂部涂層。頂部涂層的孔隙率可以為5％～50％，最好為10％～50％，這既可以提供氣體導通的通道，也可以使涂層具有較高的內聚力。在實際應用中，最好將中間涂層置于氣壓值為0.1～5mbar的低氣壓環(huán)境中，燃氣的總流量最好為80～180nlpm，等離子噴槍的功率最好為40～50kw，等離子噴槍與基材之間的距離最好為350～600mm，粉末狀低溫固體燃料電池電極材料最好具有團聚型結構并且粒徑目數(shù)最好為(-325)，送粉速率最好為50～150g/min，頂部涂層的厚度最好為20～50μm，這可以保證涂層大面積均勻的制備，并且容易獲得所需的涂層孔隙率，同時還能夠保證涂層具有較強的內聚力和結合強度，而涂層可以起到收集電子及電極催化作用。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的低溫固體燃料電池的制備方法至少具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明提供的低溫固體燃料電池的制備方法可以在多孔泡沫金屬的表面連續(xù)制備底部涂層、中間涂層和頂部涂層，制備過程中無需停止等離子噴槍或更換材料，該低溫固體燃料電池可一次性成型，這十分有利于實現(xiàn)工業(yè)級生產。

(2)本發(fā)明提供的低溫固體燃料電池的制備方法采用低氣壓等離子噴涂技術可以實現(xiàn)大面積涂層均勻制備，能夠提升電池質量和成品率。

(3)本發(fā)明提供的低溫固體燃料電池的制備方法可以通過調節(jié)環(huán)境氣壓值、燃氣總流量、等離子噴槍的功率、等離子噴槍與基材之間的距離、送粉速率等噴涂工藝參數(shù)實現(xiàn)對涂層微觀結構的控制(例如：可以包括實現(xiàn)致密型和疏松型涂層制備)，而且所制備的涂層能夠實現(xiàn)微米級甚至納米級微觀結構均勻性，這能夠大幅提高低溫固體燃料電池顯微結構的控制精度。

(4)本發(fā)明提供的低溫固體燃料電池的制備方法可以采用電極材料和電解質材料同時送粉的方式，這可以使電極材料和電解質材料的粉末在等離子焰流中自然混合，而且粉末混合比例易控可調，所制備的涂層具有微米級甚至納米級微觀結構均勻性，具有極強的工藝可調節(jié)性。

綜上可見，本發(fā)明提供的方法能夠實現(xiàn)低溫固體燃料電池的高效制備，并且可對涂層厚度、顯微結構實現(xiàn)均勻精確控制，制備的電池成品率高、內部結構易控，因此能夠實現(xiàn)低溫固體燃料電池的工業(yè)級生產。

為了更加清晰地展現(xiàn)出本發(fā)明所提供的技術方案及所產生的技術效果，下面以具體實施例對本發(fā)明實施例所提供的低溫固體燃料電池的制備方法進行詳細描述。

實施例1

如圖1和圖2所示，一種低溫固體燃料電池的制備方法，以多孔泡沫金屬為基材1，并在基材1的表面由下向上依次連續(xù)制備底部涂層2、中間涂層3和頂部涂層4，從而即可形成低溫固體燃料電池。該制備方法的具體步驟如下：

步驟a、以孔隙率為5％～99％的多孔泡沫金屬為基材1，并采用酒精或其他有機溶劑對基材1的表面進行清洗，晾干后在室溫下采用高速硬質砂礫進行噴砂處理，使基材1的表面粗糙度ra為5～80μm。

步驟b、將步驟a處理后的基材1置于氣壓值為0.01～100mbar的低氣壓環(huán)境中，并利用等離子噴槍5的等離子焰流6對基材1的表面進行加熱，等離子噴槍5所使用的燃氣為氬氣、氦氣、氮氣、氫氣中的至少一種，燃氣的總流量為20～200nlpm；當基材1的表面溫度達到300～1000℃后，調整等離子噴槍5的功率為30～70kw，等離子噴槍5與基材1之間的距離為300～800mm，然后通過等離子噴槍5的第一送粉管7向等離子焰流6中加入粉末狀低溫固體燃料電池電極材料8，送粉速率為10～200g/min，粉末狀低溫固體燃料電池電極材料8被加熱并被噴射到基材1的表面形成底部涂層2，直至底部涂層2的厚度達到10～100μm，停止向等離子焰流6中加入粉末狀低溫固體燃料電池電極材料1，從而在基材1的表面制備孔隙率為5％～50％的底部涂層2。

步驟c、待步驟b中的底部涂層2制備完成后，繼續(xù)在氣壓值為0.01～100mbar的低氣壓環(huán)境中，利用等離子噴槍5的等離子焰流6對底部涂層2的表面進行加熱，燃氣的總流量為50～300nlpm，等離子噴槍5的功率為50～180kw，等離子噴槍5與基材1之間的距離為600～1100mm；通過等離子噴槍5的第二送粉管9向等離子焰流6中加入粉末狀低溫固體燃料電池電解質材料10，送粉速率為10～200g/min，粉末狀低溫固體燃料電池電解質材料10被加熱并被噴射到底部涂層2的表面形成中間涂層3，直至中間涂層2的厚度達到10～100μm，停止向等離子焰流6中加入粉末狀低溫固體燃料電池電解質材料10，從而在底部涂層2的表面制備孔隙率為0.01％～5％的中間涂層3。

步驟d、待步驟c中的中間涂層3制備完成后，繼續(xù)在氣壓值為0.01～100mbar的低氣壓環(huán)境中，利用等離子噴槍5的等離子焰流6對中間涂層3的表面進行加熱，燃氣的總流量為20～200nlpm，等離子噴槍5的功率為30～70kw，等離子噴槍5與基材1之間的距離為300～800mm；通過等離子噴槍5的第一送粉管7向等離子焰流6中加入粉末狀低溫固體燃料電池電極材料8，送粉速率為10～200g/min，粉末狀低溫固體燃料電池電極材料8被加熱并被噴射到中間涂層3的表面形成頂部涂層4，直至頂部涂層4的厚度達到10～100μm，停止向等離子焰流6中加入粉末狀低溫固體燃料電池電極材料8，從而在中間涂層3的表面制備孔隙率為5％～50％的頂部涂層4，即制備出低溫固體燃料電池。

綜上可見，本發(fā)明實施例不僅所制得的電池內部微觀結構容易控制，而且成品率好、制備效率高，能夠實現(xiàn)工業(yè)級生產。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。