[發明專利]一種高性能平板固體氧化物燃料單電池的制備方法

有效

• 申請號: 201310410860.8
• 申請日: 2013-09-10
• 公開（公告）號: CN103474687A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 韓達;王紹榮;占忠亮;袁春;周真一;李軍良;劉亞迪;駱婷
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: H01M8/10
• 分類號: H01M8/10;H01M8/02
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

技術領域

本發明涉及一種高性能平板固體氧化物燃料單電池的制備方法，所屬領域為能源材料領域。

背景技術

固體氧化物燃料電池（Solid?oxide?fuel?cell，SOFC）是一種可以直接將燃料化學能轉化為電能的裝置，具有能量轉化效率高（綜合效率高達85%以上），燃料適應性廣（可用燃料包括氫氣，天然氣，合成氣，液體碳氫燃料），無需貴金屬催化劑和安全無污染等優點，在大型電站，分散式電源和家庭熱電聯供等領域具有廣泛的應用前景。

SOFC按照其工作溫度分類，可以分為高溫（800-1000℃），中高溫（600-800）和低溫（<600℃）SOFC三種。目前主流的SOFC運行溫度一般在700-800℃之間，屬于中高溫范疇。高溫工作不僅提高了SOFC材料成本，而且還帶來了穩定性問題，嚴重阻礙了其實際應用。將SOFC的操作溫度降低，用價格低廉的不銹鋼取代昂貴的陶瓷作為連接體材料，可以有效降低SOFC電堆的材料成本，此外低溫化還可以降低多層陶瓷之間的熱應力，減緩電極材料的老化速率，提高電堆輸出功率的長期穩定性。所以SOFC低溫化是目前國際上的研究趨勢。

評價SOFC單電池性能的一個重要指標就是阻抗。在SOFC中，阻抗包括歐姆阻抗(Zohm)、極化阻抗和界面接觸阻抗（Zinterface），其中極化阻抗又分為陽極極化阻抗(Zanode)和陰極極化阻抗(Zcathode)。隨著SOFC工作溫度的降低，歐姆阻抗、極化阻抗和界面接觸阻抗都顯著增大，使得電池性能急劇下降。從某種程度上講，低溫SOFC的研究即是降低阻抗的研究。

歐姆阻抗的降低可以通過減薄電解質厚度或是采用新型電解質材料來滿足。就目前的陽極支撐或是陰極支撐結構而言，電解質厚度已從傳統的幾百微米降低到了5-15μm之間，歐姆阻抗得到了極大降低。新型電解質材料譬如鍶和鎂摻雜的鎵酸鑭（即LSGM），和釤或是釓摻雜的氧化鈰（即SDC或是GDC），在低溫下也具備了足夠的電導率。10微米厚的上述新型電解質在550℃下其總的歐姆阻抗也僅為0.1Ω·cm²。總體來講，對于在550-600℃工作的SOFC，歐姆阻抗已不是制約其性能的關鍵因素。

可見，電池的電極極化阻抗和界面接觸阻抗是限制其性能的主要因素。絲網印刷和溶液浸漬是目前制備電極的兩種主要方法。與絲網印刷法相比，由溶液浸漬法所得到的電極活性組分成納米分散狀態，其性能往往要高出一個數量級，是目前低溫SOFC主流的電極制備方法。以浸漬陽極為例，Ni/SDC浸漬復合陽極制備方法如下：將硝酸鎳絡合溶液通過毛細力浸漬到多孔電解質骨架中，經85℃干燥30min，700-850℃煅燒2h-10h后構成浸漬復合陽極。因Ni對H2具有優異的催化性能，所以Ni復合陽極往往具有很低的極化阻抗。LIU等報道的Ni/LSGM浸漬陽極在550℃時的極化阻抗僅為0.01Ω·cm²，其數值完全可以忽略不計。浸漬陰極與浸漬陽極相似，區別在于陰極活性材料使用的不是Ni，而是包括La_0.5Sr_0.5CoO₃，La_0.6Sr_0.4Co_0.8Fe_0.2O₃，La_0.6Sr_0.4FeO₃，Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O₃和Sm_0.5Sr_0.5CoO₃等鈣鈦礦結構以及GaBaCo₂O₅，SmBaCo₂O₅，PrBaCo₂O₅和La₂NiO₄等雙鈣鈦礦和層狀鈣鈦礦結構的材料。Xia等人在SDC骨架里面浸漬SSC納米顆粒，其在550℃下的極化阻抗為0.1Ω·cm²，Zhan等人在LSGM骨架中浸漬SSC/SDC混合溶液，其極化阻抗在550℃僅為0.075Ω·cm²，Han等人在LSGM骨架里面浸漬SBSCO所構成的復合陰極在550℃下極化阻抗甚至低至0.035Ω·cm²。