阅读说明：本技术 一种硼燃料电池及制造方法 (Boron fuel cell and manufacturing method thereof ) 是由 温术来 李向红 孙亮 赵寰宇 范家斌 诺力格尔 李鹏斐 于 2018-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种硼燃料电池及制造方法,硼燃料电池包括依次层叠连接的多孔阴极板(2)、阴极催化剂层(3)、固态氧化物电解质层(4)、阳极催化剂层(5)和多孔阳极板(6),所述的固态氧化物电解质层(4)为硼酸盐和固态氧化物混合的双电解质层。与现有技术相比,本发明采用高能量密度的硼单质为燃料,结合燃料电池的高转化率,可达到较高的能量输出；采用硼酸盐和固态氧化物结合的双电解质,可提高电解质和燃料硼粉的有效结合面积,提高转化效率。(The invention relates to a boron fuel cell and a manufacturing method thereof, wherein the boron fuel cell comprises a porous cathode plate (2), a cathode catalyst layer (3), a solid oxide electrolyte layer (4), an anode catalyst layer (5) and a porous anode plate (6) which are sequentially connected in a stacked mode, and the solid oxide electrolyte layer (4) is a double electrolyte layer formed by mixing borate and solid oxide. Compared with the prior art, the invention adopts the boron simple substance with high energy density as the fuel, and can achieve higher energy output by combining with the high conversion rate of the fuel cell; the double electrolytes formed by combining borate and solid oxide can improve the effective combining area of the electrolytes and fuel boron powder and improve the conversion efficiency.)

一种硼燃料电池及制造方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，尤其是涉及一种硼燃料电池及制造方法。

背景技术

燃料电池是将燃料中化学能转化为电能的装置，主要的优点是具有高转化效率，可达50-80％，理论上可达100％，主要用于交通领域、固定式发电站和便携式电源领域，目前以燃料电池为核心动力源的汽车已研发出来。燃料电池的能量输出除了与其转化效率有关，更取决于选用燃料的能量密度。相同转化效率的燃料电池，燃料的能量密度越大，其能量输出则越大。燃料电池的燃料来源十分广泛，主要包括碳类，醇类及氢气等，其中氢气的能量密度最大，可达142MJ/kg，但氢气的可燃范围4-75％，***范围18-59％，安全可靠性较差，目前还没有找到一种可广为接受的解决方法，限制了这种高能量密度燃料的应用。碳类燃料主要包括石墨、炭黑、煤炭等，这种燃料安全可靠性高，但是能量密度低，如煤炭的能量密度只有16.8MJ/kg左右。醇类物质的能量密度比煤炭略高，如甲醇能量密度为21.6MJ/kg左右，乙醇的能量密度则为29.7MJ/kg左右。而硼的能量密度为58.28MJ/kg，是能量密度仅次于氢气的非金属单质，是固体贫氧推进剂研究领域最有前途的高能金属燃料组分之一，是含硼贫氧推进剂的主要能量来源，但是其作为燃料在燃料电池领域却没有得到应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种硼燃料电池及制造方法，充分利用燃料电池高转化效率以获得高功率输出。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种硼燃料电池，包括依次层叠连接的多孔阴极板、阴极催化剂层、固态氧化物电解质层、阳极催化剂层和多孔阳极板，所述的固态氧化物电解质层为硼酸盐和固态氧化物混合的双电解质层。

还包括多孔阴极板外侧的阴极集流网和多孔阳极板外侧的阳极集流网。

所述的多孔阴极板、阴极催化剂层、固态氧化物电解质层、阳极催化剂层和多孔阳极板位于陶瓷管内部。

所述的多孔阳极板为多孔NiO-YSZ平板。

所述的多孔阴极板为多孔La_0.85Sr_0.15MnO₃平板。

还包括与多孔阴极板连接的阴极引线和与多孔阳极板连接的阳极引线。

所述的多孔阳极板上，采用离子束气相沉积或电子束气相沉积的方法沉积YSZ形成电解质层，其组织结构为柱状。

所述的硼酸盐中含有硼酸钠、硼酸钾和三氧化二铝。

所述的硼酸盐组分如下：硼酸钠46-62wt％，硼酸钾18-32wt％，三氧化二铝6-36wt％。

一种所述的硼燃料电池的制造方法，包括以下步骤：

1)将多孔阴极板、阴极催化剂层、固态氧化物电解质层、阳极催化剂层和多孔阳极板依次叠放于陶瓷管内，并分别在多孔阴极板和多孔阳极板外侧安放极集流网和阳极集流网，引出阴极引线和阳极引线；

2)在阳极集流网外侧放置硼粉层，硼粉层外放置硼酸盐层，完成燃料电池的组装；

3)将组装完成的硼燃料电池放入加热炉内，加热并保温，使硼盐层熔融并向硼粉层浸渗，透过多孔阳极板的孔洞到达固态氧化物电解质层，在阳极催化剂层作用下，硼单质失去电子，形成硼离子，失去的电子由外部电路到达多孔阴极板，而此时空气中的氧气穿过多孔阴极板，被阴极催化剂层催化后接受电子，形成氧离子，氧离子穿透固态氧化物电解质层到达多孔阳极板与硼离子反应，生成氧化硼。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)采用高能量密度的硼单质为燃料，结合燃料电池的高转化率，可达到较高的能量输出。

(2)采用硼酸盐和固态氧化物结合的双电解质，可提高电解质和燃料硼粉的有效结合面积，提高转化效率。

(3)在多孔阳极板上采用等离子束气相沉积或者电子束气相沉积的方法沉积YSZ形成电解质层，其组织结构为柱状，为氧离子传递形成垂直于极板的定向通道，可降低氧离子的传递时间，提高整个硼燃料电池的工作效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

附图标记：

1-阴极集流网；2-多孔阴极板；3-阴极催化剂层；4-固态氧化物电解质层；5-阳极催化剂层；6-多孔阳极板；7-阳极集流网；8-阳极引线；9-硼酸盐层；10-硼粉层；11-陶瓷管；12-阴极引线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，一种硼燃料电池，包括依次层叠连接的阴极集流网1、多孔阴极板2、阴极催化剂层3、固态氧化物电解质层4、阳极催化剂层5、多孔阳极板6、阳极集流网7，其中固态氧化物电解质层4为硼酸盐和固态氧化物混合的双电解质层。

电池制作方法如下：

1)多孔阴极板2、阴极催化剂层3、固态氧化物电解质4、阳极催化剂层5及多孔阳极板6为固态氧化剂燃料电池，放置于陶瓷管11内。放置时，多孔阴极板2侧向外，多孔阳极板6侧向内，并在多孔阴极板1外侧安放阴极集流网1，并引出阴极引线12，同时在多孔阳极板6外侧安放集流网7，并引出阳极引线8；

2)在阳极集流网7外放置硼粉层10，硼粉层10外放置硼酸盐层9，完成硼燃料电池的安装。

3)将组装完成的硼燃料电池放入加热炉内，加热到预定温度，保温10-30分钟，使硼盐层9处于熔融状态，这是由于重力和毛细作用，熔融的硼盐层9会向硼粉层10浸渗，达到多孔阳极层，透过阳极层孔洞到达固态电解质层。在阳极催化剂作用下，硼单质失去电子，形成硼离子，失去的电子由外部电路达到多孔阴极层，而此时空气中的氧气穿过多孔阴极层，被阴极催化剂层催化后接受电子，形成氧离子，氧离子穿透固态氧化物电解质层达到多孔阳极层与硼离子反应，生成氧化硼。

本实施例中，硼粉为单质硼粉，可采用无定型硼粉和结晶硼粉，优选无定型硼粉。这是由于无定型硼粉结构无序，内部存在大量缺陷，因此热稳定性能差，易于发生反应，有助于提升硼燃料电池性能，而结晶状态完好的硼粉内部缺陷少，硼粉热稳定性高，不利于反应的进行。

硼粉粒径控制在6-52μm之间，粒径过大则反应不完全，导致反应效率降低，造成燃料浪费，另外由于粒径过大，硼颗粒比表面积小，活性降低，因此不利于反应进行，电池性能下降。硼粉粒径过小则导致硼粉比表面积提高，活性加大，反应速度加快，不利于反应控制，同时由于硼粉过小引起的活性加大表面容易出现氧化物，在硼粉表面形成保护层，隔绝硼粉与外界接触，导致反应变慢。

硼盐层主要为硼酸钠、硼酸钾和三氧化二铝，其中硼酸钠46-62wt％，硼酸钾18-32wt％，三氧化二铝6-36％；三氧化二铝起到稀释剂的作用，避免硼酸盐浓度过高，因此含量控制在6-36％之间。硼酸钠和硼酸钾匹配比例影响二者混合物的熔点，控制二者匹配比例，有助于调整混合物熔点，将电池反应温度控制在合理范围之间。如果电池反应温度过高，导致电池反应过快，难以控制；如果电池反应温度过低，则反应不易进行，电池效率下降。另外反应温度过低，则影响固态电解质传输载荷的能力。因此需调整二者匹配比例，将电池反应温度控制在650-1100℃之间。

固态氧化物电池阳极为多孔NiO-YSZ平板，在多孔阳极平板上采用等离子束物理气相沉积或者电子束物理气相沉积的方法沉积Y2O3掺杂的ZrO2(YSZ)形成2-280微米厚度的电解质层，阴极为La0.85Sr0.15MnO3平板，其中以电子束物理气相沉积工艺参数为例：将多孔阳极板放入电子束物理沉积设备的腔体中，然后抽真空，真空度为0.01-0.1Pa，将温度升高至700-900℃，通电流为1.0-2.0A，为沉积表层均匀，将样品以转速5-30rpm，沉积过程结束后，将样品冷却到室温，取出样品。等离子束物理气相沉积或电子束物理气相沉积主要是利用高能束“快速升温、快速降温”原理将氧化锆掺杂氧化钇材料沉积到阳极板形成固态电解质层，通过控制沉积工艺促使沉积材料在阳极表面形成均匀分布的柱状组织，为氧离子传递形成垂直于极板的定向通道，可降低氧离子的传递时间，提高整个硼燃料电池的工作效率。

硼燃料电池性能随工作温度升高出现先增高后降低的趋势，当工作温度过低时由于反应速度慢，硼燃料电池输出电流密度下降；随着工作温度升高，硼燃料电池输出电流密度上升；当工作温度过高时，反应过快，生成物来不及从极板脱落，导致后续反应难以进行，因此电池性能下降。本实施例硼燃料电池的工作温度为650-1100℃，可使电池性能达到最佳。