具有阴极集流层的sofc单电池及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是一种具有阴极集流层的SOFC单电池。
【背景技术】
[0002]作为一种高效、洁净的能源利用方式，燃料电池技术已经在世界范围内引起了广泛的关注。随着现代文明的发展、工业化进程的加快和自然资源的日益匮乏，多年来人们一直努力寻找能源利用效率高且无污染的能源利用方式。固体氧化物燃料电池(Solid oxideFuel Cell, S0FC)是一种将燃料中的化学能通过电极反应直接转换为电能的固态能量转换装置。SOFC能量转化效率高，其热-电能量转化效率可高达85%，且具有洁净、无噪音、燃料来源广泛、模块化程度高、结构紧凑等特点。因此，SOFC在固定电站、移动电源、交通运输及军事等领域有着广泛的应用前景。SOFC技术的成功应用对于缓解能源危机、保护生态环境和保障国家安全等具有不可忽视的重大意义，从而得到北美、欧洲、日本和韩国等发达地区和国家的广泛关注。
[0003]单电池是组装电堆的基本单元，大量性能优良、质量可靠的大尺寸单电池能够保证电堆组装的成功。SOFC单电池片主要由电解质、阳极和阴极三个部分构成。目前最常见的SOFC有管式和平板式两种结构，而平板式SOFC单电池是当前技术的主要发展方向。平板式SOFC结构相对简单，其电极和电解质均为片层结构，可通过将电极和电解质叠压共烧制备而成，成型工艺简单，适合于批量化生产；电流在薄片电池中传导距离短，能量损失小，功率密度高；平板式SOFC工作温度为600°C?800°C，相对较低的工作温度使得金属连接体材料的应用成为可能，拓宽了材料的选择范围，降低了产品的制造成本。在SOFC工作环境下，阴极流道通入氧化性气体(通常为空气)，空气中的氧气在阴极催化剂作用下，吸附裂解并与输运来的电子结合，形成氧离子，如公式(I)所示。生成的氧离子通过致密的固态电解质迀移到达阳极。
[0004]O2 + 4e- = 202-(I)
单电池阴极一般采用LaSrMnO3 (LSM)，(LaSr) (CoFe)O3(LSCF)等钙钛矿型的陶瓷材料，均有高温电子导电性较低的问题。由于阴极处于高温氧化气氛中，因此如何高效收集和输运单电池阴极表面的电子，将成为一个现实的问题。有两种传统的方式来实现这一目的，其一是采用贵金属(如Pt)，但其成本太高，显然不适宜商品化的电堆设计和制造；其二是使用具有高温电子导电性的钙钛矿陶瓷材料，配制成导电浆料涂覆在阴极表面作为阴极集流层，这种方式也存在界面结合力差，易于在热循环状态出现陶瓷粉体与阴极表面剥离的现象。
【发明内容】
[0005]为了克服现有的上述的不足，本发明提供了一种具有阴极集流层的SOFC单电池。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种具有阴极集流层的SOFC单电池，包括阳极支撑体，阳极支撑体上依次设有阳极功能层、电解质层、阴极催化层和阴极集流层，阴极集流层材质为钙钛矿型陶瓷LCN。
[0007]根据本发明的另一个实施例，进一步包括阳极功能层由固体LCN颗粒构成。
[0008]根据本发明的另一个实施例，进一步包括LCN颗粒的制备方法以聚乙烯醇为高聚物，通过高聚物诱捕法得到LCN前驱体，将前驱体分别在800 0C煅烧3 h，得到所需颗粒尺寸为微米级别的粉体。
[0009]根据本发明的另一个实施例，进一步包括颗粒尺寸为0.1?0.5 μ m。
[0010]根据本发明的另一个实施例，进一步包括阳极功能层厚度为0.5mm?1_。
[0011]根据本发明的另一个实施例，进一步包括电解质层的厚度为5?10 μm。
[0012]根据本发明的另一个实施例，进一步包括阴极催化层的厚度为3?5 μπι。
[0013]根据本发明的另一个实施例，进一步包括制造阴极集流层的SOFC单电池的方法是利用丝网印刷法制备LCN阴极集流层，层厚为3?5 μπι，得到的涂层结构比较均匀，通过控制烧结温度、保温时间和颗粒尺寸，可以实现LCN颗粒层与阴极催化层良好的界面结合，从而改善SOFC单电池阴极表面电子导电性较差的问题，通过调节浆料中有机添加物的含量，以及增加浆料中的造孔剂，可以实现阴极集流层孔隙率的优化，使之处于35%?40%，从而保证空气流道的畅通。
[0014]根据本发明的另一个实施例，进一步包括制造阴极集流层的SOFC单电池的方法是利用溶胶-凝胶法制备LCN阴极集流层，在制备LCN的溶胶凝胶的过程中，可以选用的原料为La (NO3) 3.6Η20，Co (NO3) 2.6Η20和Ni (NO3) 2.6Η20，加入去离子水和无水乙醇配置成反应溶液，加入冰醋酸、乙酰丙酮、盐酸、或者二乙醇胺作为抑制剂，以缓解硝酸盐的强烈水解，制备出稳定透明的溶胶，可以通过旋涂，喷涂和浸渍方法将稳定透明的溶胶体系涂覆至单电池阴极的表面，凝胶膜经过烧结，最终得到所需性能的多孔LCN阴极集流层。
[0015]本发明的有益效果是，本电池在其阴极表面形成质量稳定可靠的阴极电流收集层，以高效完成单电池阴极的电流收集功能，从而提高电堆的综合性能和使用寿命。
【附图说明】
[0016]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0017]图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中涉及阴极集流材料LaCoa 6Nia403_s的电子导电性随温度的变化曲线； 图3是LCN阴极集流层的多孔结构图。
[0018]图中1.阳极支撑体，2.阳极功能层，3.电解质层，4.阴极催化层，5.阴极集流层。
【具体实施方式】
[0019]如图1是本发明的结构示意图，一种具有阴极集流层的SOFC单电池，包括阳极支撑体1，阳极支撑体I上依次设有阳极功能层2、电解质层3、阴极催化层4和阴极集流层5，阴极集流层5材质为钙钛矿型陶瓷LCN，阳极功能层2由固体LCN颗粒构成，LCN颗粒的制备方法以聚乙烯醇为高聚物，通过高聚物诱捕法得到LCN前驱体，将前驱体分别在800° C煅烧3h，得到所需颗粒尺寸为微米级别的粉体，颗粒尺寸为0.1?0.5 μ m，阳极功能层2厚度为0.5mm?1mm，电解质层3的厚度为5?10 μ m，阴极催化层4的厚度为3?5 μ m，阴极集流层的SOFC单电池的制造方法为利用丝网印刷法制备LCN阴极集流层5，层厚为3?5 μ m，得到的涂层结构比较均匀，通过控制烧结温度、保温时间和颗粒尺寸，可以实现LCN颗粒层与阴极催化层良好的界面结合，从而改善SOFC单电池阴极表面电子导电性较差的问题，通过调节浆料中有机添加物的含量，以及增加浆料中的造孔剂，可以实现阴极集流层孔隙率的优化，使之处于35%?40%，从而保证空气流道的畅通，阴极集流层的SOFC单电池的制造方法还可以是利用溶胶-凝胶法制备LCN阴极集流层5，在制备LCN的溶胶凝胶的过程中，可以选用的原料为La (NO3) 3.6Η20，Co (NO3) 2.6Η20和Ni (NO3) 2.6Η20，加入去离子水和无水乙醇配置成反应溶液，加入冰醋酸、乙酰丙酮、盐酸、或者二乙醇胺作为抑制剂，以缓解硝酸盐的强烈水解，制备出稳定透明的溶胶，可以通过旋涂，喷涂和浸渍方法将稳定透明的溶胶体系涂覆至单电池阴极的表面，凝胶膜经过烧结，最终得到所需性能的多孔LCN阴极集流层。
[0020]图2是本发明中涉及阴极集流材料LaCoci 6Nitl 4CVs的电子导电性随温度的变化曲，。在中温SOFC运行温度(600 0C- 800°C)，其本征导电率高达1300 S cnT1，完全满足作为阴极界面集流材料的要求。