一种掺杂氧化铈基固体氧化物燃料电池及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种掺杂氧化铈基固体氧化物燃料电池，包括依次接触的：阳极支撑体；含Ba和/或Sr的阳极功能层；电子阻挡层；掺杂氧化铈的电解质层；阴极层；所述电子阻挡层由阳极功能层和电解质层共烧结形成。本发明专利技术利用阳极功能层中的元素在高温下扩散，与电解质层在界面处原位反应生成电子阻挡层，有效提高了电池的开路电压，使得电池能在中低温区间高效稳定工作。和传统的采用双层电解质，复合电解质的方法相比，本发明专利技术工艺简单有效，具有更为优越的电池性能，为推动中低温固体氧化物燃料电池的发展提供了新思路。

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂氧化铈基固体氧化物燃料电池及其制备方法
本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及一种掺杂氧化铈基固体氧化物燃料电池及其制备方法。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种将储存在燃料中的化学能直接转化为电能的能量转换装置，因其不受卡诺循环限制，具有能量转化效率高、燃料适应性广、环境友好、全固态结构，安全可靠等优点受到广泛关注。被认为是很有竞争力的绿色发电技术，其在大型电站、分布式电站、家用热电联供系统、汽车辅助电源、便携移动电源等领域具有广阔的应用前景。目前，较高的工作温度(800-1000℃)仍是限制SOFC发展和应用的重要因素。在高的工作温度下，对电池各部件的选择有着很高的要求(包括高的化学稳定性，高温强度，相似的热膨胀系数等)，从而造成制备和操作成本高，电池性能衰减速度加快等问题。降低SOFC的操作温度至中低温(≤700℃)不仅可以克服上述缺点，而且可缩短电池的启动时间，减少电池中由于各部件的热膨胀系数不一致造成的热应力以及电极微结构破坏造成的颗粒粗化团聚。此外，电池的连接材料和密封材料的可选择性更广，例如可以使用廉价的不锈钢作为电池堆的连接材料，具有强度高，易于封接等优势。因此，降低SOFC操作温度至中低温区是该领域的一个研究趋势。在开发的众多电解质材料中，稀土掺杂的氧化铈(DCO)在中低温区间表现出较高的氧离子电导率，比经典的YSZ电解质高1-2个数量级，被认为是非常有应用前景的中低温电解质材料。然而在燃料电池的工作条件下，DCO中的Ce4+离子被还原成Ce3+离子，在电解质中引入n-型电子电导造成电池部分内短路，阻碍了其在SOFC中的应用。如何采用简单有效的方法在不牺牲电池性能的条件下解决DCO基SOFC内短路的问题，并保证其在工作条件下长期稳定的运行是低温SOFC商业化进程中的重要课题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种掺杂氧化铈基固体氧化物燃料电池及其制备方法，制备的燃料电池具有较好的电池性能。本专利技术提供了一种掺杂氧化铈基固体氧化物燃料电池，包括依次接触的：阳极支撑体；含Ba和/或Sr的阳极功能层；电子阻挡层；掺杂氧化铈的电解质层；阴极层；所述电子阻挡层由阳极功能层和电解质层共烧结形成。优选的，所述共烧结的温度为1200-1400℃。优选的，所述阳极支撑体为电子导电相和离子导电相组成的复合阳极材料，其中电子导电相为NiO或CuO，离子导电相为LnyCe1-yO2-δ或M(Ce1-x-yZrxLny)O3-δ钙钛矿材料，Ln为Y、Yb、Sm、Gd、Nd和La中的一种或多种，M为Ba和/或Sr，0≤x≤0.9，0＜y≤0.4，离子导电相的质量分数为30wt％～60wt％。优选的，所述阳极功能层为电子导电相和离子导电相组成的复合阳极材料，其中电子导电相为NiO或CuO，离子导电相为M(Ce1-x-yZrxLny)O3-δ钙钛矿材料，其中，0≤x≤0.9，0≤y≤0.4，M为Ba和/或Sr，Ln为Y、Yb、Sm、Gd、Nd和La中的一种或多种，离子导电相的质量分数为30wt％～60wt％。优选的，所述电解质层为LnyCe1-yO2-δ，其中，0＜y≤0.4，Ln为Y、Yb、Sm、Gd、Nd和La中的一种或多种。优选的，所述阴极层为电子导电相和离子导电相组成的复合阴极材料，其中，电子导电相为Sm0.5Sr0.5CoO3-δ，PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O3-δ，Ba0.5Sr0.5FeO3-δ，Pr0.6Sr0.4Cu0.2Fe0.8O3-δ或La0.7Sr0.3FeO3-δ钙钛矿材料，离子导电相为LnyCe1-yO2-δ或M(Ce1-x-yZrxLny)O3-δ钙钛矿材料，Ln为Y、Yb、Sm、Gd、Nd和La中的一种或多种，M是Ba和/或Sr，0≤x≤0.9，0＜y≤0.4，离子导电相的质量分数为20wt％～50wt％。优选的，所述阳极功能层的厚度为20～200μm。本专利技术提供了一种上述掺杂氧化铈基固体氧化物燃料电池的制备方法，包括以下步骤：A)将具有阳极支撑体、含Ba和/或Sr的阳极功能层和掺杂氧化铈的电解质层的生坯在1200～1400℃条件下高温煅烧，得到半电池陶瓷片；B)在步骤A)得到的半电池陶瓷片的电解质层表面制备阴极层，烧结后得到所述掺杂氧化铈基固体氧化物燃料电池。优选的，所述步骤A)具体为：1)将阳极支撑体陶瓷粉体与造孔剂混合，干压法制备阳极支撑体陶瓷生坯；2)将阳极功能层陶瓷粉体，分散于阳极支撑体基底上，共压法制备具有阳极支撑体和阳极功能层的双层陶瓷生坯；3)将电解质陶瓷粉体，分散于阳极功能层表面，共压法制备具有阳极支撑体、阳极功能层和电解质层的半电池陶瓷生坯；4)将压制好的半电池陶瓷生坯，高温煅烧得到半电池陶瓷片。优选的，所述步骤B)烧结的温度为800～1000℃。与现有技术相比，本专利技术提供一种掺杂氧化铈基固体氧化物燃料电池，包括依次接触的阳极支撑体；含Ba和/或Sr的阳极功能层；电子阻挡层；掺杂氧化铈的电解质层；阴极层；所述电子阻挡层由阳极功能层和电解质层共烧结形成。本专利技术利用阳极功能层中的元素在高温下扩散，与电解质层在界面处原位反应生成电子阻挡层，有效提高了电池的开路电压，使得电池能在中低温区间高效稳定工作。和传统的采用双层电解质，复合电解质的方法相比，本专利技术工艺简单有效，具有更为优越的电池性能，为推动中低温固体氧化物燃料电池的发展提供了新思路。附图说明图1是实施例1制备的平板DCO基固体氧化物燃料电解池结构示意图；图2是实施例1制备的SDC基固体氧化物燃料电池测试后的断面SEM照片；图3是实施例1中在1350℃共烧5h制备的单电池阳极功能层/电解质界面的断面SEM-EDS图；图4是实施例1中制备的SDC基SOFC与传统SDC基SOFC的OCV对比图；图5是实施例1中制备的SDC基固体氧化物燃料电池不同测试温度下的电池性能图；图6是实施例1中制备的SDC基SOFC的稳定性测试图；图7是比较例1中制备的传统SDC基SOFC测试后的断面SEM图；图8是比较例1中制备的传统SDC基SOFC不同测试温度下的电池性能图；图9是实施例2中制备的SDC基SOFC测试后的断面SEM图；图10是实施例2中在1200℃共烧5h制备的单电池阳极功能层/电解质界面的断面SEM-EDS图；图11是实施例2中制备的SDC基SOFC与传统SDC基SOFC的OCV对比图。具体实施方式本专利技术提供了一种掺杂氧化铈基固体氧化物燃料电池，包括依次接触的：阳极支撑体；含Ba和/或Sr的阳极功能层；电子阻挡层；掺杂氧化铈的电解质层；阴极层；所述电子阻挡层由阳极功能层和电解质层共烧结形成。本专利技术利用阳极侧Ba、Sr等元素在高温区扩散的方法，设计了电池结构，制备得到具有电子阻挡层的DCO基SOFC；由该方法制备的DCO基SOFC，解决了其在工作条件下存在的部分内短路问题，提高了电池的性能；本专利技术单电池在高温条件下制备，在中低温条件下使用的特点，同时使得原位生成的电子阻挡层可稳定有效的工作，在开路状态和工作状态下都表现出优异的稳定性。本专利技术提供的燃料电池包括依次接触的阳极支撑体、含Ba和/或Sr的阳极功能层、电子阻挡层、掺杂氧化铈的电解质层和阴极层。优选的，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺杂氧化铈基固体氧化物燃料电池，其特征在于，包括依次接触的：阳极支撑体；含Ba和/或Sr的阳极功能层；电子阻挡层；掺杂氧化铈的电解质层；阴极层；所述电子阻挡层由阳极功能层和电解质层共烧结形成。

【技术特征摘要】
1.一种掺杂氧化铈基固体氧化物燃料电池，其特征在于，包括依次接触的：阳极支撑体；含Ba和/或Sr的阳极功能层；电子阻挡层；掺杂氧化铈的电解质层；阴极层；所述电子阻挡层由阳极功能层和电解质层共烧结形成。2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述共烧结的温度为1200～1400℃。3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极支撑体为电子导电相和离子导电相组成的复合阳极材料，其中电子导电相为NiO或CuO，离子导电相为LnyCe1-yO2-δ或M(Ce1-x-yZrxLny)O3-δ钙钛矿材料，Ln为Y、Yb、Sm、Gd、Nd和La中的一种或多种，M为Ba和/或Sr，0≤x≤0.9，0＜y≤0.4，离子导电相的质量分数为30wt％～60wt％。4.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阳极功能层为电子导电相和离子导电相组成的复合阳极材料，其中电子导电相为NiO或CuO，离子导电相为M(Ce1-x-yZrxLny)O3-δ钙钛矿材料，其中，0≤x≤0.9，0≤y≤0.4，M为Ba和/或Sr，Ln为Y、Yb、Sm、Gd、Nd和La中的一种或多种，离子导电相的质量分数为30wt％～60wt％。5.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述电解质层为LnyCe1-yO2-δ，其中，0＜y≤0.4，Ln为Y、Yb、Sm、Gd、Nd和La中的一种或多种。6.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述阴极层为电子导电相和离子导电相组成的复合阴极材料，其中，电子导电相为Sm0.5Sr0.5CoO3-δ，P...

【专利技术属性】
技术研发人员：宫正，孙文平，单铎，曹加锋，武煜森，苗利娜，刘卫，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34