本發(fā)明涉及燃料電池領域，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)是一種將儲存在燃料中的化學能通過電化學反應直接轉(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、燃料適應性強等優(yōu)點。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用。隨著化石能源的日益緊缺以及人們對清潔高效便攜式電源的需求日益強烈，近年來固體氧化物燃料電池受到了人們的廣泛關注，其中，“低溫化”、“微型化”、“長壽命”成為固體氧化物燃料電池發(fā)展趨勢。
目前，為了提高固體氧化物燃料電池的工作壽命，人們對陽極、電解質(zhì)、陰極材料及制造工藝進行了一系列研究。電池基板作為支撐電極與電解質(zhì)的載體，提供氣體及反應產(chǎn)物通道以及電子導電通路，受到了人們的廣泛關注。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，而且還要強度高、韌性好，電性能、導熱性能優(yōu)良。
一種廣受關注的基板是采用多孔金屬陶瓷直接同時作為陽極和支撐基板，如ni-ysz基板，然而這種多孔金屬陶瓷復合材料在反復熱循環(huán)與氧化還原反應沖擊下易發(fā)生碎裂。為了提高燃料電池壽命，人們相繼開發(fā)了獨立的電極和基板。硅基板是最早應用的基板材料之一，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，而導致以硅作基板的電池熱穩(wěn)定性較差。陽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)中會發(fā)生退化。此外，對于以氧化鋯為基礎的ysz電解質(zhì)來說，通常采用多孔nio-ysz陽極基板，然而nio-ysz在燃料電池的高溫反應條件下，nio易還原為ni，引起體積反復變化，從而導致基板的失效。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)良的機械力學性能及導電導熱性能，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、導熱性能差以及制備工藝復雜等技術(shù)問題。
為了實現(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合材料薄膜層；所述多孔陶瓷金屬過渡層包含鎳纖維，所述鎳纖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熱的網(wǎng)絡。鎳纖維相互搭接形成高速導熱的網(wǎng)絡結(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熱性能，很好的解決了陶瓷復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。
進一步的，所述多孔陶瓷復合材料薄膜層為lstn-ysz。lstn為lasrtini氧化物；ysz為釔穩(wěn)定的氧化鋯。
進一步的，所述多孔陶瓷金屬過渡層由鎳纖維和lstn-ysz陶瓷組成。當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合材料薄膜層的組分相同時性能最佳。lstn有利于實現(xiàn)低溫燒結(jié)，對固體燃料的反應有促進作用。
進一步的，所述lstn為la0.2sr0.8ti0.9ni0.1o3-δ。
進一步的，所述多孔陶瓷復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%。
進一步的，所述鎳纖維占整個所述多孔陶瓷金屬過渡層體積分數(shù)的15%~30%；所述鎳纖維直徑為1~8μm，長徑比為8~15。
進一步的，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和所述多孔陶瓷復合材料薄膜層的厚度為30~50μm。
進一步的，所述lstn-ysz中l(wèi)stn所占質(zhì)量分數(shù)50~75wt%；ysz所占質(zhì)量分數(shù)為25~50wt%。
一種固體氧化物燃料電池復合基板的制備工藝，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纖維混合均勻，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保護氣氛下，在1050~1250℃的溫度下，燒結(jié)2~6h，然后隨爐冷卻。
進一步的，步驟（1）包括質(zhì)量分數(shù)為80~90wt%的不銹鋼和質(zhì)量分數(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、導熱性能好、制備工藝簡單。金屬與陶瓷相結(jié)合制備的固體氧化物燃料電池復合基板綜合了陶瓷與金屬的優(yōu)異性能。多孔不銹鋼層強度高、耐熱沖擊性能好；多孔陶瓷復合材料層與燃料電池陽極材料熱匹配性能好。特別是本發(fā)明通過采用鎳纖維形成的多孔陶瓷金屬過渡層，鎳纖維既調(diào)節(jié)了過渡層的熱膨脹系數(shù)，很好的解決了陶瓷復合材料薄膜層與不銹鋼薄膜層的匹配性問題，同時在過渡層形成了相互搭接的高導熱網(wǎng)絡，大幅度提高了過渡層的導熱性能，從而整個固體氧化物燃料電池復合基板熱穩(wěn)定性、抗熱沖擊性能與導熱性能都得到優(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。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步地詳細描述。
實施例1
一種固體氧化物燃料電池復合基板的制備工藝，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進行真空脫泡，將脫泡后的漿料在流延機上流延成型，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進行真空脫泡，將脫泡后的漿料在流延機上流延成型，制備厚度為60μm陶瓷復合材料薄膜生帶。
（3）分別稱取50glstn粉末、50gysz粉末混合均勻，將直徑~8μm、長徑比為10-12的42g鎳纖維（體積分數(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進行真空脫泡，將脫泡后的漿料在流延機上流延成型，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）將制備的復合板進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合材料薄膜層組成的固體氧化物燃料電池復合基板。
實施例2
一種固體氧化物燃料電池復合基板的制備工藝，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進行真空脫泡，將脫泡后的漿料在流延機上流延成型，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進行真空脫泡，將脫泡后的漿料在流延機上流延成型，制備厚度為50μm陶瓷復合材料薄膜生帶。
（3）分別稱取60glstn粉末、40gyst粉末混合均勻，將直徑~5μm、長徑比為10-15的鎳纖維28g（體積分數(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進行真空脫泡，將脫泡后的漿料在流延機上流延成型為生坯，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）將制備的復合板進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合材料薄膜層組成的固體氧化物燃料電池復合基板。
實施例3
一種固體氧化物燃料電池復合基板的制備工藝，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進行真空脫泡，將脫泡后的漿料在流延機上流延成型，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進行真空脫泡，將脫泡后的漿料在流延機上流延成型，制備出厚度為30μm陶瓷復合材料薄膜生帶。
（3）分別稱取75glstn粉末、25gysz粉末混合均勻，將直徑~1μm、長徑比為8-10的鎳纖維21g（體積分數(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進行真空脫泡，將脫泡后的漿料在流延機上流延成型，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）將制備的復合板進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合材料薄膜層組成的本發(fā)明固體氧化物燃料電池復合基板。
實施例1-3得到的固體氧化物燃料電池復合基板如圖1所示，包括多孔不銹鋼薄膜層3、多孔陶瓷金屬過渡層2和多孔陶瓷復合材料薄膜層1，鎳纖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熱的網(wǎng)絡。其中多孔陶瓷復合材料薄膜層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%。
以上實施例僅僅是對本發(fā)明的具體實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，本領域技術(shù)人員在現(xiàn)有技術(shù)的基礎上還可做多種修改和變化，在不脫離本發(fā)明設計精神的前提下，本領域普通工程技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變型和改進，例如將陶瓷成分進行替換、先沖切疊壓后的生帶再燒結(jié)成基板等，均應落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。