[發(fā)明專利]一種中溫固體氧化物燃料電池膜電極組件及其制備

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710011996.6
• 申請(qǐng)日: 2007-07-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101339997A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-01-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 程謨杰;張敏;董永來(lái)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號(hào): H01M4/86
• 分類號(hào): H01M4/86;H01M8/02;H01M4/88;H01M4/90;H01M8/10
• 代理公司: 沈陽(yáng)科苑專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 馬馳;周秀梅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及固體氧化物燃料電池，具體說(shuō)是一種帶過(guò)渡層的中溫固體氧化物燃料電池膜電極組件MEA及其制備方法，包括陽(yáng)極基底，鋯基電解質(zhì)膜和中溫陰極，中溫陰極由40-80％鈣鈦礦型陰極材料和20-60％鈰基電解質(zhì)材料構(gòu)成，在鋯基電解質(zhì)膜和中溫陰極之間制備一層由20-60％鋯基電解質(zhì)材料和40-80％鈣鈦礦型陰極材料構(gòu)成的過(guò)渡層。

背景技術(shù)

固體氧化物燃料電池是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，采用全固態(tài)結(jié)構(gòu)，具有發(fā)電效率高、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)，是理想的分散發(fā)電和集中電站技術(shù)，也可以應(yīng)用于車輛輔助電源、便攜式電源等領(lǐng)域。

為了減少制造成本，提高穩(wěn)定性，縮短啟動(dòng)時(shí)間，中溫固體氧化物燃料電池(操作溫度為650-800℃)是目前固體氧化物燃料電池研發(fā)的主流。中溫固體氧化物燃料電池一般采用薄膜型陽(yáng)極支撐結(jié)構(gòu)，電解質(zhì)膜通常采用鋯基電解質(zhì)材料制備，陰極一般采用由陰極材料與電解質(zhì)材料構(gòu)成的復(fù)合陰極。在這種電池中，陽(yáng)極催化氫氧化的活性遠(yuǎn)高于陰極催化氧還原的活性。隨著操作溫度的降低，陰極極化電阻明顯上升，成為制約固體氧化物燃料電池性能提高的關(guān)鍵因素。

為了降低極化電阻，復(fù)合陰極中的電解質(zhì)材料可以采用離子導(dǎo)電率較高的鈰基電解質(zhì)材料。在我們以前的研究工作中發(fā)現(xiàn)(已申請(qǐng)專利，專利號(hào)：200710011257.7)，在陰極中引入鈰基電解質(zhì)材料可大大提高陰極材料催化氧還原反應(yīng)的活性，降低電池的極化電阻，提高電池性能。由于由鈰基電解質(zhì)材料與鈣鈦礦型陰極材料構(gòu)成的復(fù)合陰極與鋯基電解質(zhì)膜結(jié)合不牢，極易剝落，陰極與電解質(zhì)膜之間的界面電阻增大，因此在很大程度上影響了電池的輸出功率密度和穩(wěn)定性。在中溫操作條件下，電解質(zhì)膜與中溫陰極之間的界面電阻已經(jīng)成為影響電池性能的主要因素之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種中溫固體氧化物燃料電池膜電極組件及其制備，為了解決中溫固體氧化物燃料電池中鋯基電解質(zhì)膜與由鈰基電解質(zhì)材料與鈣鈦礦型陰極材料構(gòu)成的復(fù)合陰極之間界面電阻較大的問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)在鋯基電解質(zhì)膜與中溫陰極之間引入一層由鋯基電解質(zhì)材料和鈣鈦礦型陰極材料構(gòu)成的過(guò)渡層，來(lái)促進(jìn)電解質(zhì)膜與中溫陰極之間的有效接觸，降低電解質(zhì)膜/中溫陰極之間的界面電阻，從而有效提高電池的輸出功率密度和穩(wěn)定性。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種中溫固體氧化物燃料電池膜電極組件，包括陽(yáng)極基底，鋯基電解質(zhì)膜和中溫陰極，中溫陰極由鈣鈦礦型陰極材料和鈰基電解質(zhì)材料構(gòu)成，在鋯基電解質(zhì)膜和中溫陰極之間制備一層由鋯基電解質(zhì)材料和鈣鈦礦型陰極材料構(gòu)成的過(guò)渡層。

中溫陰極由鈣鈦礦型陰極材料和鈰基電解質(zhì)材料構(gòu)成；在鋯基電解質(zhì)膜與中溫陰極接觸的一側(cè)引入一層由鋯基電解質(zhì)材料和鈣鈦礦型陰極材料構(gòu)成的過(guò)渡層，其與電解質(zhì)膜和中溫陰極均有較好的相容性，通過(guò)調(diào)節(jié)該過(guò)渡層的材料、厚度、組成、焙燒溫度以及中溫陰極中的鈰基電解質(zhì)材料的種類，來(lái)促進(jìn)電解質(zhì)膜與中溫陰極之間的有效接觸，降低界面電阻。

所述的由20-60％鋯基電解質(zhì)材料和40-80％鈣鈦礦型陰極材料構(gòu)成的過(guò)渡層，其特征在于：所述的鋯基電解質(zhì)材料為5-20mol％Y₂O₃穩(wěn)定的ZrO₂和/或5-20mol％Sc₂O₃穩(wěn)定的ZrO₂，其合成方法可采用共沉淀法、水熱合成法、檸檬酸法、燃燒法、甘氨酸法或硝酸鹽浸漬法；所述的鈣鈦礦型陰極材料為L(zhǎng)a_1-xSr_xMnO₃(LSM，0＜x＜1)或La_xSr_1-xCo_yFe_1-yO₃(LSCF，0＜x＜1，0＜y＜1)。

在附著于陽(yáng)極基底上的鋯基電解質(zhì)膜表面采用流延法、絲網(wǎng)印刷法、噴涂法或涂敷法等制備一層由鋯基電解質(zhì)材料和鈣鈦礦型陰極材料構(gòu)成的過(guò)渡層，其厚度控制在50納米-10微米之間，最佳厚度為100納米-5微米，其燒結(jié)溫度在1000℃-1300℃區(qū)間范圍內(nèi)。