固体氧化物燃料电池及其制备方法和电池堆与流程

1.本发明涉及燃料电池的技术领域，特别是涉及一种固体氧化物燃料电池及其制备方法和电池堆。


背景技术：

2.固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,sofc)是通过电化学反应，将燃料和氧化剂中的化学能转换为电能的全固态结构能量转换装置，具有燃料选择范围广、能量转化效率高、环境污染性低、可模块化组装等优点。
3.sofc按照电池的构型可划分平板式、管式和平管式三种类型。其中，平管式sofc通常以阳极为支撑层，并在阳极层的一表面上依次形成电解质层和阴极层，因此该平管式sofc的阳极层仅有一半参与电化学反应，原料利用率比较低。


技术实现要素：

4.基于此，有必要提供一种固体氧化物燃料电池及其制备方法和电池堆，以解决平管式sofc的原料利用率低的问题。
5.本发明的上述目的是通过如下技术方案进行实现的：
6.本发明第一方面，提供一种固体氧化物燃料电池，包括依次层叠设置的阴极层、电解质层、阳极层和金属连接层；
7.所述阳极层面向所述金属连接层的表面设有间隔分布的供燃料气体流通的第一流道；
8.所述阳极层和所述金属连接层的厚度比为(1～3)：1。
9.在其中一个实施例中，所述金属连接层面向所述阳极层的表面上设有与所述第一流道互相对应的第二流道。
10.在其中一个实施例中，满足以下条件中的一个或多个：
11.1)所述阴极层的厚度为1μm～100μm；
12.2)所述电解质层的厚度为0.1μm～100μm；
13.3)所述阳极层的厚度为0.1mm～5mm；
14.4)所述金属连接层的厚度为0.1mm～5mm。
15.在其中一个实施例中，所述第一流道和所述第二流道的深度各自独立地为0.1mm～4.9mm。
16.在其中一个实施例中，所述第一流道和所述第二流道的径向截面形状各自独立地为半圆形、半椭圆形或多边形。
17.在其中一个实施例中，满足以下条件中的一个或多个：
18.1)所述阴极层的原料包括abo3型钙钛矿材料和造孔剂；
19.2)所述电解质层的原料包括氧化锆基陶瓷材料；
20.3)所述阳极层的原料包括金属陶瓷复合材料和造孔剂；
21.4)所述金属连接层的原料包括铁、铜、铬和镍中的一种或多种。
22.本发明第二方面，提供一种固体氧化物燃料电池的制备方法，包括以下步骤：
23.形成一表面上设有间隔分布的供燃料气体流通的第一流道的阳极层；
24.在所述阳极层远离所述第一流道的表面上形成电解质层；
25.在所述电解质层上形成阴极层；
26.将金属连接层设置于所述阳极层设有所述第一流道的表面上，得所述固体氧化物燃料电池。
27.在其中一个实施例中，所述将金属连接层设置于所述阳极层设有所述第一流道的表面上还包括以下步骤：
28.在所述金属连接层的一表面上形成间隔分布的第二流道；
29.将所述金属连接层固定于所述阳极层上，并使所述第二流道与所述第一流道相对设置。
30.在其中一个实施例中，还包括以下步骤：
31.制备含有金属陶瓷材料和造孔剂的第一混合料、含有氧化锆基陶瓷材料的第二混合料以及含有abo3型钙钛矿材料和造孔剂的第三混合料；
32.将所述第一混合料压制成型，进行第一煅烧，得所述阳极层；
33.将所述第二混合料覆盖于所述阳极层远离所述第一流道的表面上，进行第二煅烧，得所述电解质层；
34.将所述第三混合料覆盖于所述电解质层上，进行第三煅烧，得所述阴极层。
35.本发明第三方面，提供一种电池堆，其特征在于，包括多个层叠设置的上述所述的固体氧化物燃料电池。
36.与传统的平管式sofc相比，本发明将第一流道设置在阳极层面向金属连接层的表面上，使得整个阳极层都能参与电化学反应，大大提升了阳极层的原料利用率；同时，将阳极层和金属连接层的厚度比设计为(1～3)：1，增大了金属连接层在整个电池堆中的占比，得益于金属材料的高强度和高热导率，一方面能够更好地平衡sofc内部的温度分布，提高sofc的热冲击抗力和启停速度，另一方面也有利于增大sofc的机械强度，减少了陶瓷材料的用量，从而降低其加工难度和生产成本。
附图说明
37.图1为传统技术中的平管式sofc的结构示意图；
38.图2为一实施例中的sofc的立体结构图；
39.图3为图2所示的sofc的正视图；
40.图4为一实施例中的sofc的立体结构图；
41.图5为图4所示的sofc的正视图；
42.图6为一实施例中的sofc的制备方法的流程图。
43.附图说明：阴极层11，电解质层12，阳极层13，气体流道131，金属连接层14；阴极层21，电解质层22，阳极层23，第一流道231，金属连接层24，第二流道241。
具体实施方式
44.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
45.此外，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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
46.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
47.本文中，轴截面是指经过几何体的轴的截面；径向截面是指垂直于几何体的轴的截面，即径向截面垂直于轴截面。
48.sofc可以按照支撑组件、电池构型、工作温度和材料类型等不同标准进行分类。按照主要承担支撑电池并维持其机械强度功能的组件的不同，可以将sofc划分为阳极支撑型、电解质支撑型和阴极支撑型。按照电池构型的不同，又可将sofc划分为管式、平板式和平管式等类型。
49.其中，平管式sofc不仅具有管式结构的几何对称特性，克服了平板式结构在长期运行中出现的边缘翘曲、贯穿开裂、密封性差等问题，而且还具有平板式结构的制备方法简单、功率密度高的优点。请参阅图1，其为传统技术中的平管式sofc的结构示意图。该平管式sofc以阳极层13为支撑体，其包括依次层叠设置的阴极层11、电解质层12、阳极层13和金属连接层14，阳极层13的内部设有多个间隔分布的供燃料气体流道的气体流道131。
50.在平管式sofc运行过程中，氧气在阴极层11上发生还原反应而生成氧负离子；氧负离子经电解质层12传输至阳极层13，与燃料发生氧化反应而生成h2o和co2，并释放电子。由此可见，该平管式sofc的阳极层13只有面向电解质层12的一侧参与电化学反应，原料利用率比较低。同时，阴极层11、电解质层12和阳极层13通常选择的是低强度、低热导率的陶瓷材料，将多个平管式sofc串联形成电池堆后，这些陶瓷材料的成本占整个电池堆的60％以上，并且会使得整个电池堆出现启停速度慢、抗热冲击性能差和加工难度大等问题。
51.请参阅图2和图3，其中，图2为一实施例中的sofc的立体结构图，图3为图2所示的sofc的正视图。
52.本发明第一方面，提供一种固体氧化物燃料电池，包括依次层叠设置的阴极层21、电解质层22、阳极层23和金属连接层24；
53.阳极层23面向金属连接层24的表面设有间隔分布的供燃料气体流通的第一流道231；
54.阳极层23和金属连接层24的厚度比为(1～3)：1。
55.可以理解地，该sofc为阳极支撑型结构，即以阳极层23为支撑体。
56.与传统的平管式sofc相比，本发明将第一流道设置在阳极层面向金属连接层的表
面上，使得整个阳极层都能参与电化学反应，大大提升了阳极层的原料利用率。平板式sofc的阳极层和金属连接层的厚度比约为1：2，平管式sofc的阳极层和金属连接层的厚度比约为5：1，与这两种结构相比，本发明将阳极层和金属连接层的厚度比设计为(1～3)：1，增大了金属连接层在整个电池堆中的占比，得益于金属材料的高强度和高热导率，一方面能够更好地平衡sofc内部的温度分布，提高sofc的热冲击抗力和启停速度，另一方面也有利于增大sofc的机械强度，减少了陶瓷材料的用量，从而降低其加工难度和生产成本。
57.此外，相比于传统的平板式sofc，本发明所设计的阳极层设有第一流道，厚度明显增大，能够有效分散高温运行过程中阳极层内产生的热应力，提高sofc的结构稳定性和结构稳定性，避免其在组装和工作过程中产生的边缘翘曲、结构变形、贯穿开裂等问题，具有长期运行的极大潜力和可行性。
58.优选地，阳极层23和金属连接层24的厚度比为(1～2)：1。
59.优选地，相邻的两个第一流道231之间互相平行、距离相等。
60.请参阅图4和图5，其中，图4为一实施例中的sofc的立体结构图，图5为图4所示的sofc的正视图。
61.在一些实施方式中，金属连接层24面向阳极层23的表面上设有与第一流道231互相对应的第二流道241。
62.在金属连接层24的一表面上设置第二流道241，并使之与第一流道231互相对应而形成一个径向尺寸更大的气体流道，一方面能够增大sofc中燃料的流通面积，优化sofc的电化学性能，另一方面也能够提升sofc的几何对称性，进一步增大其结构稳定性和结构完整性。
63.优选地，相邻的两个第二流道241之间互相平行、距离相等。
64.在一些实施方式中，满足以下条件中的一个或多个：
65.1)阴极层21的厚度为1μm～100μm；
66.2)电解质层22的厚度为0.1μm～100μm；
67.3)阳极层23的厚度为0.1mm～5mm；
68.4)金属连接层24的厚度为0.1mm～5mm。
69.阴极层21和电解质层22的厚度较薄，内阻较小，使得sofc可以在较低的工作温度(650℃～750℃)下运行，并且具有更高的功率密度。厚度为0.1mm～5mm的阳极层23和金属连接层24能够提升sofc的机械强度，避免了超薄结构可能出现的边缘翘曲、结构破坏等现象，进一步提升了sofc的结构稳定性，避免电池性能衰退、结构破坏甚至失效等问题。
70.优选地，满足以下条件中的一个或多个：
71.1)阴极层21的厚度为1μm～50μm；
72.2)电解质层22的厚度为0.1μm～50μm；
73.3)阳极层23的厚度为1mm～5mm；
74.4)金属连接层24的厚度为1mm～5mm。
75.更加优选地，满足以下条件中的一个或多个：
76.1)阴极层21的厚度为1μm～30μm；
77.2)电解质层22的厚度为0.1μm～30μm；
78.3)阳极层23的厚度为2mm～5mm；
79.4)金属连接层24的厚度为2mm～5mm。
80.在一些实施方式中，第一流道231和第二流道241的深度各自独立地为0.1mm～4.9mm。
81.可以理解地，所述深度是指第一流道和第二流道在径向截面上的尺寸。
82.将第一流道231和第二流道241的深度控制在0.1mm～4.9mm，在增大燃料的流通面积的情况下也不会降低阳极层23和金属连接层24的结构强度。
83.优选地，第一流道231和第二流道241的深度各自独立地为1.9mm～4.9mm。
84.优选地，第一流道231和第二流道241的深度相同。
85.在一些实施方式中，第一流道231和第二流道241的径向截面形状各自独立地为半圆形、半椭圆形或多边形。
86.优选地，第一流道231和第二流道241的径向截面形状各自独立地为半圆形。
87.第一流道231和第二流道241的径向截面形状均为半圆形，共同形成了圆形的气体流道，其结构对称性更好，有利于更好地分散sofc运行过程中产生的热应力和机械应力。
88.在一些实施方式中，满足以下条件中的一个或多个：
89.1)阴极层21的原料包括abo3型钙钛矿材料和造孔剂；
90.2)电解质层22的原料包括氧化锆基陶瓷材料；
91.3)阳极层23的原料包括金属陶瓷复合材料和造孔剂；
92.4)金属连接层24的原料包括铁、铜、铬和镍中的一种或多种。
93.优选地，在abo3型钙钛矿材料中，a为镧(la)和/或锶(sr)，b为锰(mn)、铁(fe)和钴(co)中的一种或多种。
94.更加优选地，abo3型钙钛矿材料包括镧锶锰氧化物(la
x
sr
1-x
mno3,lsm)和/或镧锶铁钴氧化物(la
x
sr
1-x
feyco
1-y
o3,lsfc)，其中，0≤x≤1，0≤y≤1。
95.在一些具体的实施方式中，阴极层21的原料为la
x
sr
1-x
feyco
1-y
o3。
96.其中，la
x
sr
1-x
mno3适用于高温sofc，在中低温sofc中存在电化学活性不足、电阻过高、缺乏离子导电性等缺陷。与la
x
sr
1-x
mno3相比，la
x
sr
1-x
feyco
1-y
o3具有更高的混合导电性(电子-离子混合导体)和电化学活性，能够有效提升该sofc的电化学性能。
97.优选地，氧化锆基陶瓷材料包括氧化钇稳定的氧化锆(ysz)、氧化钪稳定的氧化锆(scsz)以及氧化钇和氧化钪共稳定的氧化锆(scysz)中的一种或多种。
98.更加优选地，电解质层22的原料为氧化钇稳定的氧化锆(ysz)。
99.在一些具体的实施方式中，钇在ysz中的含量为8mol％。
100.优选地，金属陶瓷复合材料包括金属材料和氧化锆基陶瓷材料；其中，金属材料包括金属单质和/或金属氧化物，金属单质可以为镍(ni)和/或铜(cu)，金属氧化物可以为氧化镍(nio)和/或氧化铜(cuo)；氧化锆基陶瓷材料包括ysz、scsz和scysz中的一种或多种。
101.更加优选地，金属陶瓷复合材料包括金属氧化物和氧化锆基陶瓷材料。
102.在一些具体的实施方式中，金属陶瓷复合材料为nio-ysz。
103.优选地，金属连接层24的原料为铁(fe)基合金、镍(ni)基合金和铬(cr)基合金中的一种或多种。
104.更加优选地，金属连接层24的原料为铁素体不锈钢。
105.在一些实施方式中，造孔剂包括石墨、淀粉和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种。
106.阳极层23和阴极层21需要足够大的比表面积以提供充足的空间以发生化学反应和电化学反应，并能够容许氧化气体和燃料气体在其中自由扩散，因此阳极层23和阴极层21的原料通常需要加入造孔剂。以石墨、淀粉和聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)等材料为造孔剂，其能够在烧结过程中氧化生成二氧化碳和水蒸气，从而使阳极层23和阴极层21形成多孔结构。
107.优选地，造孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)。
108.优选地，在阳极层23的原料中，金属氧化物、氧化锆基陶瓷材料和造孔剂的质量比为(40～60)：(30～40)：(15～25)。
109.优选地，在阴极层21的原料中，abo3型钙钛矿材料和造孔剂的质量比为100：10。
110.在一些实施方式中，阳极层23、电解质层22和阴极层21的原料各自独立地还包括溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂中的一种或多种。
111.优选地，溶剂包括水、乙醇、二甲苯、正丁醇和异丙醇中的至少一种；
112.优选地，分散剂包括松油醇、鱼油和三乙醇胺中的至少一种；
113.优选地，粘结剂包括聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、乙基纤维素和丙烯酸乳剂中的至少一种；
114.优选地，增塑剂包括聚乙二醇400和/或邻苯二甲酸二丁酯。
115.在一些实施方式中，固体氧化物燃料电池还包括密封层(图未示)，该密封层设置于阳极层23未被电解质层22和金属连接层24覆盖的表面。
116.密封层与电解质层22能够隔离氧化气体和燃料，将二者限制在各自的空间内，防止二者互相渗透，提高sofc的热循环性能。
117.优选地，密封层的原料包括氧化锆基陶瓷材料、玻璃和云母中的至少一种。
118.更加优选地，密封层的原料为氧化锆基陶瓷材料。
119.密封层的原料与电解质层22的原料相同，因此在制备时可以直接在阳极层23未被金属连接层24覆盖的表面上均覆盖上一层氧化锆基陶瓷材料，一方面作为电解质层22传输氧负离子，另一方面能够作为密封层隔离氧化气体和燃料，从而降低加工难度和制备成本。
120.本发明第二方面，提供一种固体氧化物燃料电池的制备方法，用于制备上述所述的固体氧化物燃料电池，其包括以下步骤：
121.形成一表面上设有间隔分布的供燃料气体流通的第一流道231的阳极层23；
122.在阳极层23远离第一流道231的表面上形成电解质层22；
123.在电解质层22上形成阴极层21；
124.将金属连接层24设置于阳极层23设有第一流道231的表面上，得固体氧化物燃料电池。
125.请参阅图6，其为一实施例中的sofc的制备方法的流程图，该制备方法包括以下步骤：
126.s1：制备含有金属陶瓷复合材料和造孔剂的第一混合料、含有氧化锆基陶瓷材料的第二混合料以及含有abo3型钙钛矿材料和造孔剂的第三混合料。
127.优选地，通过辊磨、球磨或搅拌等混料工艺，将金属氧化物、氧化锆基陶瓷材料和造孔剂以及溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂中的至少一种混合均匀，得第一混合料。
128.优选地，通过辊磨、球磨或搅拌等混料工艺，将氧化锆基陶瓷材料和造孔剂以及溶
剂、分散剂、粘结剂和增塑剂中的至少一种混合均匀，得第二混合料。
129.优选地，通过辊磨、球磨或搅拌等混料工艺，将abo3型钙钛矿材料和造孔剂以及溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂中的至少一种混合均匀，得第三混合料。
130.s2：将第一混合料压制成型，进行第一煅烧，得一表面上设有间隔分布的供燃料气体流通的第一流道231的阳极层23。
131.优选地，将第一混合料压制成型的方法为干压成型或等静压成型。
132.其中，干压成型是将第一混合料置于模具中，使其在外力作用下粉体颗粒互相靠近并通过摩擦牢固结合以形成一定形状的坯体的方法，具有生产效率高、人工少、废品率低、生产周期短等优点，适合大批量工业化生产。等静压成型是在干压成型的基础上发展起来的特殊方法，其是从各个方向均匀地弹性模具中的第一混合料施加压力，从而获得均匀致密、烧成收缩小的坯体，但其存在设备复杂昂贵、生产效率低的缺点。
133.更加优选地，将第一混合料压制成型的方法为干压成型。
134.优选地，第一煅烧的条件为于1000℃下煅烧180min。
135.更加优选地，第一煅烧包括以下步骤：使第一混合料压制成型得第一坯体后，将第一坯体置于箱式炉中，经过400min的升温时间从室温加热至1000℃，煅烧180min后，经过400min的降温时间从1000℃冷却至室温，得阳极层23。
136.可以理解地，室温的温度范围为20℃～30℃。
137.s3：将第二混合料覆盖于阳极层23远离第一流道231的表面上，进行第二煅烧，得电解质层22。
138.优选地，将第二混合料覆盖于阳极层23远离第一流道231的表面上的方法为丝网印刷法、流延成型法、热喷涂法、旋涂法和刮涂法中的一种或多种。
139.更加优选地，将第二混合料覆盖于阳极层23远离第一流道231的表面上的方法为丝网印刷法。
140.电解质层22的厚度≤100μm，采用精密度较高的丝网印刷法能够较为准确地控制薄膜的厚度，从而制得厚度均匀、内阻较小的电解质层22。
141.优选地，第二煅烧的条件为于600℃下煅烧240min，然后于1000℃下煅烧240min，最后于1400℃下煅烧600min。
142.更加优选地，第二煅烧包括以下步骤：使第二混合料覆盖于阳极层23远离第一流道231的表面上得第二坯体后，将第二坯体置于箱式炉中，经过600min的升温时间从室温加热至600℃，煅烧240min，再经过133min的升温时间从600℃加热至1000℃，煅烧240min，然后经过150min的升温时间从1000℃加热至1400℃，煅烧600min，最后经过500min的降温时间从1400℃冷却至室温，得电解质层22。
143.优选地，将第二混合料同时覆盖于阳极层23远离第一流道231的表面上以及阳极层23靠近第一流道231的两个侧面上，进行第二煅烧，得电解质层22。
144.电解质层22覆盖于阳极层23的三个表面，能够让电解质层22起到密封隔离的作用，省下了制备密封层的步骤，有利于降低加工难度和制备成本。
145.可选地，当电解质层22仅覆盖于阳极层23远离第一流道的表面上时，还包括以下步骤：在阳极层23靠近第一流道231的两个侧面上形成密封层。其中，密封层的原料为玻璃和/或云母，制备方法为丝网印刷法、流延成型法、热喷涂法、旋涂法和刮涂法中的一种或多
种。
146.s4：将第三混合料覆盖于电解质层22上，进行第三煅烧，得阴极层21。
147.优选地，将第三混合料覆盖于电解质层22上的方法为丝网印刷法、流延成型法、热喷涂法、旋涂法和刮涂法中的一种或多种。
148.更加优选地，使第三混合料覆盖于电解质层22上的方法为丝网印刷法。
149.阴极层21的厚度≤100μm，采用精密度较高的丝网印刷法能够较为准确地控制薄膜的厚度，从而制得厚度均匀、内阻较小的阴极层21。
150.优选地，第三煅烧的条件为于1000℃下煅烧240min。
151.更加优选地，第三煅烧包括以下步骤：使第三混合料覆盖于电解质层22上得第三坯体后，将第三坯体置于箱式炉中，经过600min的升温时长从室温加热至1000℃，煅烧240min后，经过500min的降温时长从1000℃冷却至室温，得阴极层21。
152.s5：将金属连接层24设置于阳极层23设有第一流道231的表面上，得固体氧化物燃料电池。
153.在一些实施方式中，将金属连接层24设置于阳极层23设有第一流道231的表面上还包括以下步骤：
154.在金属连接层24的一表面上形成间隔分布的第二流道241；
155.将金属连接层24固定于阳极层24上，并使第二流道241与第一流道231相对设置。
156.优选地，在金属连接层24的一表面上形成间隔分布的第二流道241的方法为切削法。
157.本发明第三方面，提供一种电池堆，其包括多个层叠设置的上述所述的固体氧化物燃料电池。
158.以下结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
159.实施例1
160.本实施例中的金属连接层24的一表面未设置间隔分布的第二流道241，具体制备步骤如下：
161.(1)将nio、ysz、pmma、水和聚乙烯醇以40：30：16：10：4的质量比进行辊磨混合，烘干，得第一混合料；将ysz、乙醇和聚乙烯醇缩丁醛以15：84.5：0.5的质量比进行球磨混合，得第二混合料；将la
x
sr
1-x
feyco
1-y
o3、松油醇、乙基纤维素和淀粉以100：200：12：10的质量比进行辊磨混合，烘干，得第三混合料。
162.(2)使第一混合料干压成型，得第一坯体；将第一坯体置于箱式炉中，经过400min的升温时间从室温加热至1000℃，煅烧180min后，经过400min的降温时间从1000℃冷却至室温，得一表面上设有间隔分布的第一流道的阳极层23。
163.其中，阳极层23的尺寸(l
×w×
h)为60mm
×
140mm
×
3mm；第一流道231的径向截面形状为半圆形，其深度(或半径)为1mm。
164.(3)通过丝网印刷法将第二混合料覆盖于阳极层23远离第一流道231的表面上以及阳极层23靠近第一流道231的两个侧面上，得第二坯体；将第二坯体置于箱式炉中，经过600min的升温时间从室温加热至600℃，煅烧240min，再经过133min的升温时间从600℃加热至1000℃，煅烧240min，然后经过150min的升温时间从1000℃加热至1400℃，煅烧600min，最后经过500min的降温时间从1400℃冷却至室温，得覆盖阳极层23三个表面的电
解质层22。
165.其中，电解质层22的尺寸(l
×w×
h)为60mm
×
140mm
×
10μm，该尺寸未计入阳极层23两个侧面上的电解质层22。
166.(4)通过丝网印刷法将第三混合料覆盖于电解质层22上，得第三坯体；将第三坯体置于箱式炉中，经过600min的升温时长从室温加热至1000℃，煅烧240min后，经过500min的降温时长从1000℃冷却至室温，得阴极层21。
167.其中，阴极层21的尺寸(l
×w×
h)为50mm
×
130mm
×
20μm。
168.(5)通过切削工艺制得厚度均匀的金属连接层24，将其固定于阳极层23设有第一流道231的表面上，得sofc；将多个sofc层叠设置，串联形成电池堆。
169.其中，金属连接层24的尺寸(l
×w×
h)为60mm
×
140mm
×
1mm。
170.实施例2
171.本实施例的sofc的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：金属连接层24的一表面上设有间隔分布的第二流道241，具体制备步骤如下：
172.(1)将nio、ysz、pmma、水和聚乙烯醇以40：30：19：10：1的质量比进行辊磨混合，烘干，得第一混合料；将ysz、乙醇和聚乙烯醇缩丁醛以15：84.5：0.5的质量比进行球磨混合，得第二混合料；将la
x
sr
1-x
feyco
1-y
o3、三乙醇胺、聚乙烯醇和淀粉以100：100：5：10的质量比进行辊磨混合，烘干，得第三混合料。
173.(2)使第一混合料干压成型，得第一坯体；将第一坯体置于箱式炉中，经过400min的升温时长从室温加热至1000℃，煅烧180min后，经过400min的降温时长从1000℃冷却至室温，得一表面上设有间隔分布的第一流道的阳极层23。
174.其中，阳极层23的尺寸(l
×w×
h)为130mm
×
250mm
×
5mm；第一流道231的径向截面形状为半圆形，其深度(或半径)为2mm。
175.(3)通过丝网印刷法将第二混合料覆盖于阳极层23远离第一流道231的表面上以及阳极层23靠近第一流道231的两个侧面上，得第二坯体；将第二坯体置于箱式炉中，经过600min的升温时间从室温加热至600℃，煅烧240min，再经过133min的升温时间从600℃加热至1000℃，煅烧240min，然后经过150min的升温时间从1000℃加热至1400℃，煅烧600min，最后经过500min的降温时间从1400℃冷却至室温，得覆盖阳极层23三个表面的电解质层22。
176.其中，电解质层22的尺寸(l
×w×
h)为110mm
×
230mm
×
20μm，该尺寸未计入阳极层23两个侧面上的电解质层22。
177.(4)通过丝网印刷法将第三混合料覆盖于电解质层22上，得第三坯体；将第三坯体置于箱式炉中，经过600min的升温时长从室温加热至1000℃，煅烧240min后，经过500min的降温时长从1000℃冷却至室温，得阴极层21。
178.其中，阴极层21的尺寸(l
×w×
h)为90mm
×
210mm
×
30μm。
179.(5)通过切削工艺制得一表面上设有间隔分布的第二流道241的金属连接层24；将该金属连接层24固定于阳极层23设有第一流道231的表面上，并使第二流道241与第一流道231相对设置以形成圆形的气体流道，得sofc；将多个sofc层叠设置，串联形成电池堆。
180.其中，金属连接层24的尺寸(l
×w×
h)为130mm
×
250mm
×
5mm，第二流道241的径向截面形状、深度和间隔距离均与第一流道231保持一致。
181.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
182.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准，说明书及附图可以用于解释权利要求的内容。

技术特征：
1.一种固体氧化物燃料电池，其特征在于，包括依次层叠设置的阴极层、电解质层、阳极层和金属连接层；所述阳极层面向所述金属连接层的表面设有间隔分布的供燃料气体流通的第一流道；所述阳极层和所述金属连接层的厚度比为(1～3)：1。2.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述金属连接层面向所述阳极层的表面设有与所述第一流道互相对应的第二流道。3.如权利要求2所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，满足以下条件中的一个或多个：1)所述阴极层的厚度为1μm～100μm；2)所述电解质层的厚度为0.1μm～100μm；3)所述阳极层的厚度为0.1mm～5mm；4)所述金属连接层的厚度为0.1mm～5mm。4.如权利要求3所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述第一流道和所述第二流道的深度各自独立地为0.1mm～4.9mm。5.如权利要求4所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述第一流道和所述第二流道的径向截面形状各自独立地为半圆形、半椭圆形或多边形。6.如权利要求1～5任一项所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，满足以下条件中的一个或多个：1)所述阴极层的原料包括abo3型钙钛矿材料和造孔剂；2)所述电解质层的原料包括氧化锆基陶瓷材料；3)所述阳极层的原料包括金属陶瓷复合材料和造孔剂；4)所述金属连接层的原料包括铁、铜、铬和镍中的一种或多种。7.一种固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：形成一表面上设有间隔分布的供燃料气体流通的第一流道的阳极层；在所述阳极层远离所述第一流道的表面上形成电解质层；在所述电解质层上形成阴极层；将金属连接层设置于所述阳极层设有所述第一流道的表面上，得所述固体氧化物燃料电池。8.如权利要求7所述的固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，所述将金属连接层设置于所述阳极层设有所述第一流道的表面上还包括以下步骤：在所述金属连接层的一表面上形成间隔分布的第二流道；将所述金属连接层固定于所述阳极层上，并使所述第二流道与所述第一流道相对设置。9.如权利要求7或8所述的固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：制备含有金属陶瓷材料和造孔剂的第一混合料、含有氧化锆基陶瓷材料的第二混合料以及含有abo3型钙钛矿材料和造孔剂的第三混合料；将所述第一混合料压制成型，进行第一煅烧，得所述阳极层；将所述第二混合料覆盖于所述阳极层远离所述第一流道的表面上，进行第二煅烧，得
所述电解质层；将所述第三混合料覆盖于所述电解质层上，进行第三煅烧，得所述阴极层。10.一种电池堆，其特征在于，包括多个层叠设置的如权利要求1～8任一项所述的固体氧化物燃料电池。

技术总结
本发明涉及一种固体氧化物燃料电池及其制备方法和电池堆。固体氧化物燃料电池包括依次层叠设置的阴极层、电解质层、阳极层和金属连接层；所述阳极层面向所述金属连接层的表面设有间隔分布的供燃料气体流通的第一流道；所述阳极层和所述金属连接层的厚度比为(1～3)：1。该SOFC将第一流道设置在阳极层面向金属连接层的表面上，使得整个阳极层都能参与电化学反应，大大提升了阳极层的原料利用率；同时，该SOFC增大了金属连接层在整个电池堆中的占比，有利于提高SOFC的热冲击抗力和机械强度，确保了电池的结构完整性和结构稳定性，具有长期运行的极大潜力和可行性。行的极大潜力和可行性。行的极大潜力和可行性。


技术研发人员：黄旭锐 杨怡萍 于丰源 廖梓豪 徐钦 潘军 雷金勇 杨瑛 区定容 唐渊
受保护的技术使用者：广东电网有限责任公司广州供电局
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/8/28