[發明專利]Al2O3-YSZ電解質膜的固體氧化物燃料電池及其制備方法

無效

• 申請號: 201310064530.8
• 申請日: 2013-02-28
• 公開（公告）號: CN103151548A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 劉江;雷勵斌
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M8/12
• 分類號: H01M8/12
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 蔡茂略

技術領域

本發明涉及燃料電池，特別涉及Al₂O₃-YSZ（氧化釔穩定化的氧化鋯）電解質膜的固體氧化物燃料電池及其制備方法。

背景技術

固體氧化物燃料電池（Solid?Oxide?Fuel?Cell,SOFC）由多孔陰極和多孔陽極中間夾一層致密的電解質構成，通過不斷地向陽極提供燃料氣體、向陰極提供氧化劑氣體，就得到連續的電流輸出。SOFC在高溫下工作，是一種全固態的電化學發電裝置，具有轉換效率高、可使用燃料范圍廣、易于管理、不需要貴金屬催化劑等優點，正受到越來越廣泛的關注，在不遠的將來，有可能在小型發電裝置和分布式發電方面取代傳統的發電技術。

目前，SOFC的電解質材料普遍采用8mol%氧化釔穩定化的氧化鋯（Yttria?Stabilized?Zirconia,YSZ），陰極采用YSZ和摻鍶的錳酸鑭（LaMnO₃,LSM）復合材料，陽極采用Ni-YSZ金屬陶瓷材料。SOFC單體主要有三種結構：電解質自支撐型、陰極支撐型和陽極支撐型。其中陽極支撐型SOFC的綜合性能最好。陽極支撐型SOFC是在多孔陽極支撐體（厚度為0.3-3.0mm）上制備一層致密的YSZ電解質膜（約10-50μm），然后再將陰極涂刷在電解質膜上，可采用傳統的陶瓷工藝制備。

在陽極支撐型SOFC的制備過程中，陽極支撐體和電解質膜的共燒結溫度一般需要1400°C，這是由YSZ電解質要求致密的條件所決定的，采用純的YSZ材料制備的電解質膜只有在不低于1400°C的高溫下才能達到所需的致密程度。高的燒結溫度帶來一些問題，主要是：1、能耗大，從而增加SOFC的制作成本；高的燒結溫度使陽極產生過燒結現象，降低陽極的有效面積，從而對SOFC的輸出性能造成不利影響。因此，降低燒結溫度不僅能夠降低制作成本，還能提高電池的輸出性能。

在陶瓷工藝中，可通過采用燒結助劑來降低燒結溫度。采用適當的燒結助劑，也能夠降低YSZ的燒結溫度。但是，YSZ作為電解質，需要有良好的離子導電性，對燒結助劑有嚴格的要求，既要起到降低燒結溫度的作用，又不能對電解質的離子導電率造成不利影響。實驗證明，陶瓷工藝中常采用的SiO₂等燒結助劑對YSZ的導電率有嚴重的不良影響，因此不能采用。而在YSZ中添加適量的Al₂O₃，不僅能使燒結溫度降低，而且還由于Al₂O₃對YSZ的晶粒長大有抑制作用，從而增加YSZ的晶界，使YSZ的離子導電性有所改善。

但是，在鎳基陽極支撐型SOFC中，還沒有成功地使用摻Al₂O₃的YSZ做電解質膜的報道。一個原因是了解摻Al₂O₃的YSZ這種材料特性的人不多；另一個原因是：SOFC采用的Ni基陽極與含Al的電解質在高溫下共燒結時，將在陽極——電解質界面生成不導電的鎳鋁尖晶石（Al₂NiO₄），從而破壞SOFC的性能。因此，摻Al₂O₃的YSZ的低燒結溫度和高導電率的優越性一直沒有在陽極支撐型SOFC中得到發揮。

發明內容

為了克服現有技術的上述缺點與不足，本發明的目的在于提供一種Al₂O₃-YSZ電解質膜的固體氧化物燃料電池，降低了制備過程的燒結溫度，不僅能夠降低制作成本，還提高了電池的輸出性能。

本發明的另一目的在于提供上述Al₂O₃-YSZ電解質膜的固體氧化物燃料電池的制備方法。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

Al₂O₃-YSZ電解質膜的固體氧化物燃料電池，由內至外依次包括多孔陽極支撐體、陽極-電解質過渡層、電解質膜和多孔陰極膜；所述陽極-電解質過渡層采用純YSZ材料；所述多孔陽極支撐體采用鎳基SOFC陽極材料；所述電解質膜采用的材料是摻Al₂O₃的YSZ，其中Al₂O₃的摻入量為YSZ重量的1%~1.5%。

所述陽極-電解質過渡層的厚度為7~10μm，所述電解質膜的厚度為7~10μm。