电极支撑体结构及其制备方法、燃料电池单片、燃料电池和电解池与流程

1.本发明涉及一种电极支撑体结构及其制备方法、燃料电池单片、燃料电池和电解池，属于电池技术领域。


背景技术：

2.目前，燃料电池是将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置，其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成，燃料电极和氧化剂电极通常由导电的支撑体及其上设置的相应的电极功能层组成；譬如公布号cn111933956a披露的一种固体氧化物燃料电池电极材料及其制备方法中介绍的燃料电池电极的结构，支撑体一般采用廉价的金属材料制成的金属丝网制成，这种金属材料制成的金属丝网与电极功能层所用的材料的热膨胀系数的较大差异，导致金属丝网与电极功能层材料接触界面相容性较差，由此制成的电堆、发电系统在较高温度下长期运行稳定性较差，易发生故障；另外，采用还有采用fecral合金材料制成丝网来作为支撑体，但是这种合金材料由于在高温情况下容易生成三氧化二铝表面层，这种三氧化二铝表面层具有电阻率高，使得支撑体与电极功能材料相互难以产生电流，制成的电池堆阻率高、阻抗大。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种电极支撑体结构，它热稳定性好，导电能力强，进一步加强了由其制备的燃料电池的性能。
4.本发明解决上述技术问题采取的技术方案是：一种电极支撑体结构，包括：
5.含铝材料制成的支撑体，所述支撑体的至少一侧设有改性层，所述改性层包括由所述支撑体相应侧向外生长的纳米棒状结构的晶体，晶体的晶界间具有导电性能并掺杂处理的钙钛矿氧化物。
6.进一步，所述含铝材料为含铝的合金材料或含铝的磷酸盐材料。
7.进一步，所述支撑体包括第一支撑体层和第二支撑体，第二支撑体层设置在第一支撑体层的至少一侧上，所述第一支撑体层和第二支撑体层分别由含铝的合金材料和含铝的磷酸盐材料制成。
8.进一步，含铝的合金材料为fecral合金；
9.和/或含铝的磷酸盐材料为磷酸二氢铝或磷酸铝。
10.进一步，所述支撑体为至少一层。
11.进一步，所述支撑体上设有多个起结构增强并兼做通道的孔。
12.进一步，所述改性层是在支撑体的相应侧通过改性浆料经高温烧结或高温烧结和真空热处理得到。
13.进一步，所述改性浆料为lscf材料。
14.进一步，所述晶体的材料为γal2o3或αal2o3；
15.和/或所述钙钛矿氧化物为sr3al2o6。
16.进一步，为了增加其结构稳定性并增加电化学性能，所述钙钛矿氧化物中掺杂钽、铋、钌、锰、铟中的至少一种。
17.本发明还提供了一种电极支撑体结构的制备方法，方法的步骤中包括：
18.制备改性层用的改性浆料，将改性浆料构成的改性浆料涂覆在支撑体的相应侧；
19.涂覆改性浆料后的支撑体在700℃～900℃的温度环境下烧结。
20.进一步，为了进一步提高改性层的抗高温氧化性能，方法的步骤中还包括：
21.烧结后再在900℃～1100℃的温度环境下真空热处理。
22.本发明还提供了一种燃料电池单片，包括：
23.上述电极支撑体结构；
24.电极功能层，所述电极功能层设置在改性层的外侧；其中，
25.所述电极功能层为阳极功能层或阴极功能层。
26.本发明还提供了一种燃料电池，包括燃料电池单体，所述燃料电池单体包括：
27.两上述燃料电池单片；
28.置于两燃料电池电极单片的电极功能层之间的电解质层；其中，
29.置于电解质层的两侧的两电极功能层中，其中一个电极功能层为阳极功能层，另外一个电极功能层为阴极功能层。
30.进一步，所述电极功能层和所述电解质层之间还设有阻挡层。
31.本发明还提供了一种电解池，包括电极支撑体结构。
32.采用了上述技术方案后，在本发明中，将改性层设置在支撑体的表面上，改性层里的晶体由于是生产在支撑体上的晶体，起到了增加强度的作用，另外在晶体的晶界间形成具有导电性能并掺杂处理的钙钛矿氧化物，该钙钛矿氧化物具有很好的导电性能，从而避免了不含改性层的含铝材料制成的支撑体在和电极功能层在高温环境下进行结合时生成的三氧化二铝表面层带来的导电阻抗大的问题，提高了其热稳定性和导电能力。
附图说明
33.图1为本发明实施例一的电极支撑体结构的结构示意图；
34.图2为本发明实施例二的电极支撑体结构的结构示意图；
35.图3为本发明的燃料电池单片的结构示意图；
36.图4为本发明的燃料电池单体的结构示意图。
具体实施方式
37.本发明提供了一种电极支撑体结构及其制备方法、燃料电池单片和燃料电池，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都属于本发明保护的范围。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
38.为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对
本发明作进一步详细的说明。
39.实施例一
40.如图1所示，一种电极支撑体结构，包括：
41.含铝材料制成的支撑体1，支撑体1的两侧均设有改性层2，改性层2包括由支撑体1相应侧向外生长的纳米棒状结构的晶体，晶体的晶界间具有导电性能并掺杂处理的钙钛矿氧化物。
42.在本实施例中，含铝材料为含铝的合金材料或含铝的磷酸盐材料；进一步地，含铝的合金材料可以为fecral合金；fecral合金的机械强度高，热膨胀系数小、耐高温氧化，熔点高，热稳定性好；含铝的磷酸盐材料可以为磷酸二氢铝或磷酸铝；其中，可以在含铝的磷酸盐材料中掺有二氧化锆，以增强支撑体1的强度。
43.在本实施例中，支撑体1可以为多层复合结构。
44.在本实施例中，支撑体1上设有多个起结构增强并兼做通道的孔，当其由含铝的合金材料制成时，其可以是连续长丝或非连续丝制成的多孔合金网，合金网上的孔起结构增强并兼做通道，该通道用以流通氧化剂或燃料，丝的直径可以为0.02毫米～1.2毫米；当然，其还可以是直接由含铝的磷酸盐材料成型成的含有多孔的结构体构成。
45.在本实施例中，改性层2是在支撑体1的相应侧通过改性浆料经高温烧结或高温烧结和真空热处理得到。
46.具体地，改性浆料可以为lscf材料，具体为la
0.6
sr
0.4
co
0.2
fe
0.8
o3。
47.具体地，晶体的材料为γal2o3或αal2o3；
48.钙钛矿氧化物为sr3al2o6。
49.在本实施例中，为了增加其结构稳定性并增加电化学性能，所述钙钛矿氧化物中掺杂钽、铋、钌、锰、铟中的至少一种。
50.实施例二
51.本实施例的结构与实施例一基本相同，不同的是：支撑体1包括第一支撑体层11和第二支撑体12，在第一支撑体层11两侧上分别设置第二支撑体层12，第一支撑体层11和第二支撑体层12分别由含铝的合金材料和含铝的磷酸盐材料制成，具体结构如图2所示.
52.实施例三
53.一种实施例一或实施例二中的电极支撑体结构的制备方法，方法的步骤中包括：
54.制备改性层2用的改性浆料，将改性浆料涂覆在支撑体1的相应侧，再经过干燥、真空脱脂脱塑处理；涂覆的方法具体可以为采用丝网印刷、静电喷涂和浸渍等工艺；支撑体1在涂覆改性浆料前经过表面净化预氧化处理；
55.然后处理后的支撑体1放入高温炉中在700℃～900℃温度的大气环境下烧结3～5小时，使得支撑体1相应侧向外生长出纳米棒状结构的γal2o3晶体，γal2o3晶体的晶界间形成有导电功能的复合氧化物，复合氧化物主要为sr3al2o6钙钛矿氧化物，并掺杂有其他高价金属，即形成改性层2。
56.其中，改性浆料可以采用溶胶凝胶法制成，其制备具体可以为如下：
57.将ca2o3、sr(no3)2、co(no3)2、fe(no3)2、掺杂金属离子的硝酸溶液用去离子水配制成1mol/dm3的溶液，再加入柠檬酸，比例为1:1.5搅拌至硝酸完全溶解后再加入氨水调节ph值，ph值为6～8，在蒸发器中加热浓缩，直至发生自蔓延燃烧得到初级粉体，初级粉体经过
700℃左右热处理2.5～5小时，热处理后再按所需计量比混合球磨20～30小时，置于高温炉中1050～1200℃煅烧5小时，研磨得到粉体，研磨后的粉体加入乙醇、松油醇等分散剂和粘结剂后再经球磨制成改性浆料。
58.当然，为了进一步提高改性层的抗高温氧化性能，方法的步骤中还可以包括：
59.烧结后再在900℃～1100℃的温度环境下真空热处理0.5～1.5小时，使得改性层2中的γal2o3晶体转变为αal2o3晶体。
60.实施例四
61.如图3所示，一种燃料电池单片，包括：
62.实施例一或实施例二中的电极支撑体结构；
63.两电极功能层3，两电极功能层3分别设置在相应的改性层2的外侧；其中，
64.一电极功能层3为阳极功能层，另外一电极功能层3为阴极功能层。
65.在本实施例中，阳极功能层和阴极功能层的具体材料为现有技术，本实施例不做赘述。
66.实施例五
67.如图4所示，一种燃料电池，包括燃料电池单体，燃料电池单体包括：
68.两实施例四中的燃料电池单片；
69.置于两燃料电池电极单片的电极功能层3之间的电解质层4；其中，
70.置于电解质层4的两侧的两电极功能层3中，其中一个电极功能层3为阳极功能层，另外一个电极功能层3为阴极功能层。
71.电极功能层3和电解质层4之间还设有阻挡层5。阻挡层5可由ce2o3材料制成，阻挡层5的作用主要是为了阻止长时间高温运行中电极功能层与电解质的反应，起到缓冲作用。
72.在本实施例中，电解质层4采用的材料可为氧离子导体型或质子导体型，电解质层4所采用的材料以及阻挡层5所采用的材料均可采用现有技术中的材料，本实施例不做赘述。
73.实施例六
74.一种电解池，包括实施例一或实施例二中的电极支撑体结构。
75.以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种电极支撑体结构，其特征在于，包括：含铝材料制成的支撑体(1)，所述支撑体(1)的至少一侧设有改性层(2)，所述改性层(2)包括由所述支撑体(1)相应侧向外生长的纳米棒状结构的晶体，晶体的晶界间具有导电性能并掺杂处理的钙钛矿氧化物。2.根据权利要求1所述的电极支撑体结构，其特征在于，所述含铝材料为含铝的合金材料或含铝的磷酸盐材料。3.根据权利要求2所述的电极支撑体结构，其特征在于，所述支撑体(1)包括第一支撑体层(11)和第二支撑体(12)，第二支撑体层(12)设置在第一支撑体层(11)的至少一侧上，所述第一支撑体层(11)和第二支撑体层(12)分别由含铝的合金材料和含铝的磷酸盐材料制成。4.根据权利要求2所述的电极支撑体结构，其特征在于，含铝的合金材料为fecral合金；和/或含铝的磷酸盐材料为磷酸二氢铝或磷酸铝。5.根据权利要求1所述的电极支撑体结构，其特征在于，所述支撑体(1)为至少一层。6.根据权利要求1所述的电极支撑体结构，其特征在于，所述支撑体(1)上设有多个起结构增强并兼做通道的孔。7.根据权利要求1所述的电极支撑体结构，其特征在于，所述改性层(2)是在支撑体(1)的相应侧通过改性浆料经高温烧结或高温烧结和真空热处理得到。8.根据权利要求7所述的电极支撑体结构，其特征在于，所述改性浆料为lscf材料。9.根据权利要求1所述的电极支撑体结构，其特征在于，所述晶体的材料为γal2o3或αal2o3；和/或所述钙钛矿氧化物为sr3al2o6。10.根据权利要求1所述的电极支撑体结构，其特征在于，所述钙钛矿氧化物中掺杂钽、铋、钌、锰、铟中的至少一种。11.一种如权利要求1至10中任一项所述的电极支撑体结构的制备方法，其特征在于方法的步骤中包括：制备改性层(2)用的改性浆料，将改性浆料涂覆在支撑体(1)的相应侧；涂覆改性浆料后的支撑体(1)在700℃～900℃的温度环境下烧结。12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，方法的步骤中还包括：烧结后再在900℃～1100℃的温度环境下真空热处理。13.一种燃料电池单片，其特征在于，包括：如权利要求1至10所述的电极支撑体结构；电极功能层(3)，所述电极功能层(3)设置在改性层(2)的外侧；其中，所述电极功能层(3)为阳极功能层或阴极功能层。14.一种燃料电池，其特征在于，包括燃料电池单体，所述燃料电池单体包括：两如权利要求11所述的燃料电池单片；
置于两燃料电池电极单片的电极功能层(3)之间的电解质层(4)；其中，置于电解质层(4)的两侧的两电极功能层(3)中，其中一个电极功能层(3)为阳极功能层，另外一个电极功能层(3)为阴极功能层。15.根据权利要求14所述的燃料电池，其特征在于，所述电极功能层(3)和所述电解质层(4)之间还设有阻挡层(5)。16.一种电解池，其特征在于，包括如权利要求1至10中任一项所述的电极支撑体结构。

技术总结
本发明公开了一种电极支撑体结构及其制备方法、燃料电池单片、燃料电池和电解池，电极支撑体结构包括：含铝材料制成的支撑体，所述支撑体的至少一侧设有改性层，所述改性层包括由所述支撑体相应侧向外生长的纳米棒状结构的晶体，晶体的晶界间具有导电性能并掺杂处理的钙钛矿氧化物。它热稳定性好，导电能力强，进一步加强了由其制备的燃料电池的性能。一步加强了由其制备的燃料电池的性能。一步加强了由其制备的燃料电池的性能。


技术研发人员：巢建平 巢弘骅
受保护的技术使用者：常州科宇塑料机械有限公司
技术研发日：2023.07.31
技术公布日：2023/9/9