一种燃料电池及其制备方法与流程

1.本发明涉及到蓄电单元组装置的技术领域，尤其涉及到一种燃料电池及其制备方法。


背景技术：

2.火焰燃料电池是一种基于固体氧化物燃料电池的新型电池，他利用燃料的化学能和火焰的热量进行发电，具有清洁高效、结构简单和燃料来源广泛等优点，在能源转化、工业生产等领域有较好的应用前景。作为一种新型燃料电池，火焰燃料电池(flamefuelcell，简称ffc)将无室型sofc与富燃火焰相结合，火焰与阳极直接接触，为电池同时提供燃料和工作所需温度，而阴极则直接与环境空气相接触。与双室型固体氧化物燃料电池(dual-chamberssofc，简称dc-sofc)相比，ffc无需密封，所以电池制作更加简单，并且电池工作时没有爆炸的风险；而与利用选择催化性电极工作的单室型固体氧化物燃料电池(single-chambersofc，简称sc-sofc)相比，ffc由于阳极和阴极分别于燃料和空气直接接触，所以工作过程更加稳定可靠，此外，ffc为开放式，不需要腔室结构，故比传统sofc结构更简单，体积也更小，可以在更多环境条件下使用。而且富燃火焰在提供燃料的同时也提供热量，无需额外加热装置，从而使ffc的启动和停止所需时间更短。虽然ffc系统中部分燃料被用来在火焰中燃烧放热，没有被电池所利用，导致其发电效率略低于传统sofc，但是可以通过热电联产等组合来提高能量利用率，弥补ffc系统减小的发率。综合以上多种特点，ffc系统在工业生产和热电联产中有较好的应用前景。
3.综述有关的专利和文献，可以发现传统固体氧化物燃料电池，密封困难，启动时间较长
4.平板式及管式火焰燃料电池电池结构强度差，容易在电池运行过程中碎裂。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种燃料电池及其制备方法，用于解决上述技术问题。
6.一种燃料电池，包括：支撑体；所述支撑体内设有若干个通孔；
7.第一阳极层，所述第一阳极层的下侧位于所述支撑体的上表面；
8.第一电解质层，所述第一电解质层位于所述阳极层上表面，
9.第一阻隔层，所述第一阻隔层位于所述第一电解质层的上表面；
10.第一阴极层，所述第一阴极层位于所述第一阻隔层上表面；
11.火焰管道，所述火焰管道位于所述支撑体的一侧，所述火焰管道包括一主管和若干支管，一所述主管与若干所述支管相导通，每一所述支管分别与一所述通孔活动连接。
12.作为进一步的优选，还包括若干热电偶，若干所述热电偶分别安装每一所述通孔的两端以及中部。
13.作为进一步的优选，还包括阳极集流密封层和侧边电解质层；所述阳极集流密封层的上侧位于所述支撑体的下表面；所述侧边电解质层的一端与所述阳极集流密封层的外
周连接；所述侧边电解质层的另一端与所述第一电解质的外周连接；还包括若干热电偶，若干所述热电偶还安装在所述阳极集流密封层底部。
14.作为进一步的优选，还包括第二阳极层、第二电解质层、第二阻隔层和第二阴极层，所述第二阳极层的上侧位于所述支撑体的下表面；所述第二电解质层位于所述第二阳极层的下侧；所述第二电解质层的上端与所述第一电解质的下端连接，所述第二隔离层位于所述第二电解质层的下表面，所述第二阴极层的位于所述第二隔离层的下表面。
15.一种制备方法，包括上述任意一所述的燃料电池；
16.步骤s1：混合支撑体原料；将支撑体粉体原料中加入液体原料进行混合得到混合原料；其中,所述支撑体粉体原料为38.5％的氧化镍粉体、38.5％的氧化钇稳定氧化锆粉体，所述液体原料为3-％的造孔剂；所述液体原料为塑化剂15％、分散剂4％和消泡剂1％％；并采用挤出压型法，得到的混合原料制备阳极支撑层坯体，并在所述阳极支撑层坯体内开槽若干通孔结构；
17.步骤s2：制备支撑体：将阳极支撑层坯体进行干燥处理，然后进行800℃烧结，得到所述支撑体；
18.步骤s4：制备第一阳极层：在所述支撑体的上表面设置第一阳极层材料，并在800-1000℃烧结2h后得到所述第一阳极层。
19.步骤s5：制备第一电解质层，在所述第一阳极层上表面设置氧化钇稳定氧化锆，并在在不低于1300℃高温烧结2-5h后得到所述第一电解质层；
20.步骤s6：制备第一隔离层，在所述第一电解质层上表面设置氧化钇稳定氧化锆，并在在1200-1300℃高温烧结2-5h后得到所述第一电解质层；
21.步骤s6：制备第一阴极层，在所述第一隔离层上表面设置锶、铁掺杂钴酸镧，并在在800-1000℃高温下烧结1h后得到所述第一电解质层；完成单电池的制备；
22.步骤s7：火焰管道的安装，将每一支管的输出端分别活动地安装在所述单电池的一通孔内；
23.步骤s8：安装热电偶，在所述单电池内的每一通孔的两端和通孔中间放置热电偶。
24.作为进一步的优选，所述步骤s4,还包括步骤s41:制备阳极集流密封层，在所述支撑体下表面设置阳极集流密封层材料，然后与所述第一阳极层材料和所述支撑体在800-1000℃烧结2h。
25.一种阳极集流密封层浆料的制备方法，步骤s7还包括步骤s71：火焰管道的安装，火焰管道安装在所述阳极集流密封层外表面。
26.作为进一步的优选，所述步骤s4,还包括步骤s41:制备第二阳极层，在所述支撑体下表面设置第二阳极层材料，然后与所述第一阳极层材料和所述支撑体在800-1000℃烧结2h。
27.作为进一步的优选，所述步骤s5包括：
28.步骤s51，制备第二电解质层，在所述第二阳极层的下表面设置氧化钇稳定氧化锆，且所述第一电解质层的上端与所述第二电解质层的下端相连，并在1300℃与所述第一阳电解质材料和所述支撑体烧结4h达到致密。
29.作为进一步的优选，所述步骤s6包括：
30.步骤s61，制备第二阻隔层，在所述第二电解质层下表面设置氧化钆掺杂氧化铈，
然后与设置在所述第一电解质层上表面的氧化钆掺杂氧化铈以及所述支撑体在800-1000℃烧结2h。
31.上述技术方案具有如下优点或有益效果：
32.(1)本发明相较于固体氧化物燃料电池，其结构多样，适用于不同环境中，结果简单，启动快。
33.(2)本发明相较于平板型及管式火焰燃料电池，平管式火焰燃料电池结构强度更高，不易碎裂。
附图说明
34.图1是氧化物燃料电池的结构示意图；
35.图2是实施例1燃料电池的结构示意图；
36.图3是火焰管道与燃料电池装配结构一；
37.图4是火焰管道与燃料电池装配结构二；
38.图5是实施例二对称结构平管型火焰燃料电池的结构示意图。
39.图中：1、第一阳极层；2、第一电解质层；3、第一阻隔层；4、第一阴极层；5、通孔；6、火焰管道；7、主管；8、支管；9、热电偶；10、阳极集流密封层；11、侧边电解质层；12、第二阳极层；13、第二电解质层；14、第二阻隔层；15、第二阴极层。
具体实施方式
40.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
42.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
43.结合图1-5所示，一种燃料电池，包括支撑体；所述支撑体内设有若干个通孔5；
44.第一阳极层1，所述第一阳极层1的下侧位于所述支撑体的上表面；
45.第一电解质层2，所述第一电解质层2位于所述阳极层上表面，
46.第一阻隔层3，所述第一阻隔层3位于所述第一电解质层2的上表面；
47.第一阴极层4，所述第一阴极层4位于所述第一阻隔层3上表面；
48.火焰管道6，所述火焰管道6位于所述支撑体的一侧，所述火焰管道6包括一主管7和若干支管8，一所述主管7与若干所述支管8相导通，每一所述支管8分别与一所述通孔5活动连接。
49.进一步，作为一种较佳的实施方式，还包括若干热电偶9，若干所述热电偶9分别安装每一所述通孔5的两端以及中部。
50.进一步，还包括阳极集流密封层10和侧边电解质层11；所述阳极集流密封层10的
上侧位于所述支撑体的下表面；所述侧边电解质层11的一端与所述阳极集流密封层10的外周连接；所述侧边电解质层11的另一端与所述第一电解质的外周连接；还包括若干热电偶9，若干所述热电偶9还安装在所述阳极集流密封层10底部。
51.进一步，作为一种较佳的实施方式还包括第二阳极层12、第二电解质层15、第二阻隔层14和第二阴极层13，所述第二阳极层12的上侧位于所述支撑体的下表面；所述第二电解质层15位于所述第二阳极层12的下侧；所述第二电解质层15的上端与所述第一电解质的下端连接，所述第二隔离层位于所述第二电解质层15的下表面，所述第二阴极层13的位于所述第二隔离层的下表面。
52.一种制备方法，包括上述中任意的燃料电池，
53.包括以下步骤：步骤s1：混合支撑体原料；将支撑体粉体原料中加入液体原料进行混合得到混合原料；其中,所述支撑体粉体原料为38.5％的氧化镍粉体、38.5％的氧化钇稳定氧化锆粉体，所述液体原料为3％的造孔剂；所述液体原料为塑化剂15％、分散剂4％和消泡剂1％；并采用挤出压型法，得到的混合原料制备阳极支撑层坯体，并在所述阳极支撑层坯体内开槽若干通孔5结构；
54.步骤s2：制备支撑体：将阳极支撑层坯体进行干燥处理，然后进行800℃烧结，得到所述支撑体；
55.步骤s4：制备第一阳极层1：在所述支撑体的上表面设置第一阳极层1材料，并在800-1000℃烧结2h后得到所述第一阳极层1。
56.步骤s5：制备第一电解质层2，在所述第一阳极层1上表面设置氧化钇稳定氧化锆，并在在不低于1300℃高温烧结2-5h后得到所述第一电解质层2；
57.步骤s6：制备第一隔离层，在所述第一电解质层2上表面设置氧化钇稳定氧化锆，并在在1200-1300℃高温烧结2-5h后得到所述第一电解质层2；
58.步骤s6：制备第一阴极层4，在所述第一隔离层上表面设置锶、铁掺杂钴酸镧，并在在800-1000℃高温下烧结1h后得到所述第一电解质层2；完成单电池的制备；
59.步骤s7：火焰管道6的安装，将每一支管8的输出端分别活动地安装在所述单电池的一通孔5内；
60.步骤s8：安装热电偶9，在所述单电池内的每一通孔5的两端和通孔5中间放置热电偶9。
61.进一步，作为一种较佳的实施方式，所述步骤s4,还包括步骤s41:制备阳极集流密封层10，在所述支撑体下表面设置阳极集流密封层10材料，然后与所述第一阳极层1材料和所述支撑体在800-1000℃烧结2h。
62.进一步，作为一种较佳的实施方式，步骤s7还包括步骤s71：火焰管道6的安装，火焰管道6安装在所述阳极集流密封层10外表面。
63.进一步，作为一种较佳的实施方式，所述步骤s4,还包括步骤s41:制备第二阳极层12，在所述支撑体下表面设置第二阳极层12材料，然后与所述第一阳极层1材料和所述支撑体在800-1000℃烧结2h。
64.进一步，作为一种较佳的实施方式，所述步骤s5包括：
65.步骤s51，制备第二电解质层15，在所述第二阳极层12的下表面设置氧化钇稳定氧化锆，且所述第一电解质层2的上端与所述第二电解质层15的下端相连，并在1300℃与所述
第一阳电解质材料和所述支撑体烧结4h达到致密。
66.进一步，作为一种较佳的实施方式，所述步骤s6包括：
67.步骤s61，制备第二阻隔层14，在所述第二电解质层15下表面设置氧化钆掺杂氧化铈，然后与设置在所述第一电解质层2上表面的氧化钆掺杂氧化铈以及所述支撑体在800-1000℃烧结2h。
68.结合图1-4所示；实施例一：平管式单阴极火焰燃料电池将支撑体粉体原料中加入液体原料进行混合，得到混合料；
69.所述的阳极支撑体粉体原料的组份及其含量如下：
70.氧化镍粉体
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38.5％
71.氧化钇稳定氧化锆粉体
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38.5％
72.造孔剂
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3％
73.所述液体原料的组份及其含量如下：
74.塑化剂
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15％
75.分散剂
ꢀꢀ
4％
76.消泡剂
ꢀꢀ
1％
77.采用挤出压型法，利用步骤(1)得到的混合原料制备平管型阳极支撑坯体，800℃烧结。
78.支撑体上制备第一阳极层1和阳极集流密封层10，第一阳极层1位于支撑体上表面，阳极集流密封层10位于支撑体下表面，1000℃烧结2h。
79.制备ysz电解质层，第一电解质层2位于第一阳极层1表面，侧边电解质层11位于阳极集流密封层10四周表面，第一电解质层2与侧边电解质层11相连，1300℃高温烧结4h。
80.制备gdc阻隔层，阻隔层位于第一电解质层2表面，1300℃烧结2h。
81.制备lscf阴极层，阴极层位于阻隔层表面，800℃烧结1h后即为单电池。
82.第一种非对称结构平管型火焰燃料电池装配方式：在阳极集流密封层10面通火焰燃料气，在集流层中间及两端放置热电偶9。通过热电偶9对温度的检测，调节燃料气和空气的通入比例，从而把温度控制在750-950℃；
83.第二种非对称结构平管型火焰燃料电池装配方式：将火焰燃料气通入端放置在电池通孔5端口，在孔洞两端和中间放置热电偶9，检测温度变化，调节燃料气和空气通入比例，把温度控制在750-950℃；
84.第三种非对称结构平管型火焰燃料电池装配方式：将火焰燃料气管道伸进电池孔洞中间处，在孔洞两端和中间放置热电偶9，检测温度变化，调节燃料气和空气通入比例，把温度控制在750-950℃。
85.燃料气和空气比例如下：
86.甲烷
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68％
87.空气
ꢀꢀ
32％
88.结合图3-5所示，实施例二：支撑体制备同实施例1中步骤1和步骤2相同；
89.制备阳极层，洗净烘干的支撑体上制备阳极层，第一阳极层1位于支撑体上表面，第二阳极层12位于支撑体下表面，1000℃烧结2h。
90.制备电解质层，第一电解质层2制备于第一阳极层1表面，第二电解质层15制备于
第二阳极层12表面，第一电解质层2与第二电解质层15相连，1300℃烧结4h达到致密。
91.制备阻隔层，第一阻隔层3位于第一电解质层2表面，第二阻隔层14位于第二电解质层15表面，第一阻隔层3与第二阻隔层14不相连，1300℃烧结2h。
92.制备阴极层，第一阴极层4位于第一阻隔层3表面，第二阴极层13位于第二阻隔层14表面，第一阴极层4与第二阴极层13不相连，800℃烧结1h后即为全电池。
93.第一种对称结构平管型火焰燃料电池装配方式：将火焰燃料气通入端放置在电池通孔5端口，在孔洞两端和中间放置热电偶9，检测温度变化，调节燃料气和空气通入比例，把温度控制在750-950℃。
94.第二种对称结构平管型火焰燃料电池装配方式：将火焰燃料气管道伸进电池孔洞中间处，在孔洞两端和中间放置热电偶9，检测温度变化，调节燃料气和空气通入比例，把温度控制在750-950℃。
95.燃料气和空气比例如下：甲烷占比68％，空气占比32％。以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。