[發明專利]一種低溫穩定的固體氧化物燃料電池及制備方法

在審

• 申請號: 201810092997.6
• 申請日: 2018-01-31
• 公開（公告）號: CN108288724A
• 公開（公告）日: 2018-07-17
• 發明（設計）人: 陳慶;曾軍堂
• 申請（專利權）人: 成都新柯力化工科技有限公司
• 主分類號: H01M8/126
• 分類號: H01M8/126
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提出一種低溫穩定的固體燃料電池及制備方法，電池結構自下而上包括五層：陽極支撐體，在所述陽極支撐體上設置磁致伸縮層，在磁致伸縮層上設置鈰基電解質層，在所述鈰基電解質層上設置磁致伸縮層，在磁致伸縮層上設置陰極活性層。本發明通過在CeO₂基電解質層涂敷磁致伸縮層，在工作時電池產生的微磁使磁致伸縮層發生微小形變，從而緩沖由于電解質層的尺寸變化，克服了現有固體氧化物燃料電池中CeO₂電解質出現Ce⁴⁺/Ce³⁺混合態導致氧缺位引起的電解質層尺寸變化的缺陷，有效防止固體氧化物燃料電池使用過程中撓曲變形和開裂，延長了固體氧化物燃料電池使用壽命。

技術領域

本發明涉及燃料電池材料領域，具體涉及一種低溫穩定的固體氧化物燃料電池及制備方法。

背景技術

燃料電池是一種基于氧化還原反應的能量轉化裝置。它可以將燃料的化學能直接轉化成電能，轉化過程中沒有經歷卡諾循環過程，可以獲得比傳統熱機發電系統更高的效率，具有高效、低噪音、環境友好以及安全可靠等優點。

根據燃料電池電解質的性質，可以將燃料電池分為堿性燃料電池、磷酸鹽燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、質子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池。與其他四種燃料電池相比，固體氧化物燃料電池有其獨特的優勢。其一，較高的工作溫度拓寬了燃料氣體的選擇范圍，價格相對低廉的烷烴類燃料可以在電池內部重整、氧化產生電能。其二，固體氧化物燃料電池工作時產生大量的余熱，可以實現熱電聯用，提高發電系統的效率。其三，固體氧化物燃料電池是全固態結構，可以避免其他種類燃料電池存在的電池部件之間相互腐蝕的問題。

固體氧化物燃料電池主要的三大組件分別是陽極，電解質和陰極。其中，電解質是固體氧化物燃料電池最核心的部件，固體氧化物燃料電池電解質材料應該滿足以下幾點要求：良好的離子電導率和單純的離子導電性（接近1的離子遷移數）；高溫及氧化還原氣氛中的物理和化學穩定性；氣密性；與電極之間的化學兼容性；與電極之間的高溫熱匹配性；熱膨脹系數匹配；性能優越價格便宜。現有固體氧化物燃料電池大多仍然采用傳統的氧化釔穩定氧化鋯（YSZ）為電解質，工作溫度在750℃-1000℃。在如此高的溫度下長時間工作會導致電池各組件材料之間的副反應，電極微結構由于燒結而受到破壞等問題。除此之外，較高的工作溫度使得固體氧化物燃料電池各組件可選的材料非常有限，不能采用成本相對低廉的密封和電極材料。

氧化鈰基電解質是面心立方螢石結構，鈰離子位于氧離子構成的簡單立方點陣中心位置，配位數為8，而氧離子則占據鈰離子形成的四面體中心位置，配位數為4。純氧化鈰電導率非常低，600℃時的氧離子電導率約為1×10^-5S/cm，但是當用異價離子如二價堿土金屬離子或者三價稀土金屬離子部分取代CeO₂中的Ce⁴⁺時，為了保持電荷平衡，晶格內就會產生一定的氧空位，摻雜氧化鈰能夠大大提高的氧離子電導率。在CeO₂基中摻雜的元素有Gd、Y、Sm、Sr、La、Pr、Ba 等，如中國發明專利申請號200910062001.8公開了一種氧化釓摻雜氧化鈰的復合氧化物固溶體凝膠的制備方法，采用具有低水解活性的乙酰丙酮鈰水合物、乙酰丙酮釓水合物作為溶膠—凝膠的前軀體，可以制得具有高密度和的氧化釓摻雜氧化鈰的復合氧化物固溶體凝膠，氧化釓摻雜的CeO₂電解質的氧離子電導率比YSZ的高而且氧離子電導率在500～600 ℃表現優異。然而，在CeO₂基電解質處于還原性氣氛下，會發生Ce⁴⁺的部分還原而出現Ce⁴⁺/Ce³⁺混合態，產生無用的電子電導，降低電池開路電壓，減少電池的輸出功率密度。此外，氧缺位將使膜產生劇烈的尺寸變化，從而引起撓曲變形，影響電解質膜使用壽命。

因此，提出一種工藝方案簡單可控，有效克服現有固體氧化物燃料電池由于CeO₂電解質膜使用時產生尺寸變化，從而引起撓曲變形，影響燃料電池使用壽命的缺陷，制備工藝方案的更新對燃料電池使用壽命的提高有極高實用價值。