[發(fā)明專利]固體氧化物燃料電池摻雜鈦酸鹽支撐固體電解質(zhì)多層膜及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210043051.3
• 申請日: 2012-02-23
• 公開（公告）號: CN102593480A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發(fā)明（設計）人: 屠恒勇;羅坤;李斯琳;余晴春;于立軍
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

技術領域

本發(fā)明涉及一種燃料電池技術領域的方法，具體是一種固體氧化物燃料電池摻雜鈦酸鹽支撐固體電解質(zhì)多層膜及其制備方法。

背景技術

固體氧化物燃料電池(Solid?Oxide?Fuel?Cell，SOFC)是一種通過電化學反應將燃料中的化學能直接轉變成電能的全固態(tài)發(fā)電器件，它不需經(jīng)過從燃料化學能→熱能→機械能→電能的轉變過程，具有許多優(yōu)點，其中突出的優(yōu)點在于燃料的廣泛適用性，即氫氣、一氧化碳和碳氫化合物都可作為燃料，因此可廣泛地采用氫氣、一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣、生物質(zhì)氣、甲醇和乙醇等多種碳氫燃料。固體氧化物燃料電池具有廣泛的應用領域，其主要應用包括分布式電站、家庭電站、車輛輔助電源、不間斷電源和軍用電源等。固體氧化物燃料電池的開發(fā)研究以及商業(yè)化，受到了世界上許多國家的普遍重視，國際上普遍看好固體氧化物燃料電池的應用前景。目前，固體氧化物燃料電池進入商業(yè)化發(fā)展的主要障礙是電池系統(tǒng)壽命和價格。平板式固體氧化物燃料電池，尤其是中低溫固體氧化物燃料電池(500～800℃)，是目前國際上固體氧化物燃料電池研究的前沿和熱點，其最突出的優(yōu)點是在保證高功率密度的同時，可使用廉價的不銹鋼等合金作為連接體材料，降低了對密封等其它材料的要求，可采用低成本的陶瓷制備工藝，可望大幅降低固體氧化物燃料電池的材料和制造成本。其中，Ni-YSZ(YSZ：釔穩(wěn)定氧化鋯)陽極支撐中溫固體氧化物燃料電池近年來在國際上得到了廣泛的重視，優(yōu)良的電池堆性能也已有報道，部分研發(fā)單位具備了較大規(guī)模的生產(chǎn)能力，但與厚陽極支撐體相關的問題未得到解決。煤氣化氣、天然氣和生物質(zhì)氣化氣等燃料具有共同的特點，即這些燃料都含有以甲烷為主的碳氫化合物和以硫化物為主的雜質(zhì)。目前常規(guī)的固體氧化物燃料電池陽極為Ni-YSZ，Ni是理想的氫電催化劑，但它會催化斷裂碳氫化合物中的碳氫鍵，在以干或低水含量碳氫化合物為燃料時易造成碳在陽極表面的沉積，同時燃料中的硫化物易使Ni中毒，從而使固體氧化物燃料電池在發(fā)電過程中因陽極被碳堵塞和硫中毒而損壞。目前采用的方法是水蒸汽重整法將碳氫化合物轉化為氫氣和一氧化碳，用脫硫方法去除硫化物，但這樣將增加固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的復雜性，降低發(fā)電效率，從而提高了整個系統(tǒng)的成本。在氧化還原循環(huán)中，多孔陽極支撐體中的金屬鎳被氧化成NiO，繼而NiO被還原成金屬鎳，多孔陽極支撐體經(jīng)歷體積變化，從而導致電解質(zhì)開裂，因此若系統(tǒng)出現(xiàn)故障導致燃料供應中斷易引起因空氣進入陽極室導致Ni-YSZ陽極支撐固體氧化物燃料電池損壞。對此，發(fā)展新型固體氧化物燃料電池陽極支撐體結構，可實現(xiàn)碳氫化合物燃料的高效利用，加快固體氧化物燃料電池商業(yè)化的進程。

經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公告號CN?101515647A，名稱為“直接碳氫燃料固體氧化物燃料電池抗碳沉積陽極及制備方法”的專利，所采用的陽極材料組成為xSr_1-1.5yM_yTiO₃-(1-x)CeO₂，式中x＝0.3～0.7，y＝0.04～0.4；M為La、Y或Sm，La的摻雜量為0.2～0.4mol％，Sr的摻雜量為0.1～0.3mol％，Y的摻雜量為0.02～0.08mol％，但這種復合陽極材料以薄膜形式沉積在YSZ或SSZ(SSZ：鈧穩(wěn)定氧化鋯)電解質(zhì)片上，工作溫度為850～900℃，因此難以實現(xiàn)在中溫固體氧化物燃料電池中的應用。另外，中國專利公告號CN1897337A，名稱為“一種固體氧化物燃料電池陽極及制備方法”的專利，介紹了以摻雜鈣鈦礦鉻酸鑭或鈦酸鹽復合氧化物為陽極結構骨架和主電子導電相，采用離子浸漬法、或高分子模板法、或溶膠-凝膠法、或懸浮顆粒漿料浸涂法，在多孔陽極結構骨架的內(nèi)、外表面制備一層微米厚度的納米顆粒陽極活性物質(zhì)多孔膜。但由于多孔陽極結構骨架在高溫下已經(jīng)燒結，導致難以采用低成本、高效率、可大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)的陶瓷成膜法進行致密電解質(zhì)薄膜制備。一方面，多孔陽極結構骨架難以在高溫下進一步收縮，限制了沉積其上的電解質(zhì)薄膜收縮致密；另一方面，在電解質(zhì)的高溫燒結條件下，在多孔陽極結構骨架內(nèi)、外表面的納米陽極顆粒將長大，導致其活性降低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種具有高的電子電導率，可經(jīng)受多次氧化-還原循環(huán)，抗積碳，并具有耐硫性能的固體氧化物燃料電池摻雜鈦酸鹽支撐固體電解質(zhì)多層膜及其制備方法。