一种低温稳定的固体氧化物燃料电池及制备方法技术

本发明专利技术提出一种低温稳定的固体燃料电池及制备方法，电池结构自下而上包括五层：阳极支撑体，在所述阳极支撑体上设置磁致伸缩层，在磁致伸缩层上设置铈基电解质层，在所述铈基电解质层上设置磁致伸缩层，在磁致伸缩层上设置阴极活性层。本发明专利技术通过在CeO2基电解质层涂敷磁致伸缩层，在工作时电池产生的微磁使磁致伸缩层发生微小形变，从而缓冲由于电解质层的尺寸变化，克服了现有固体氧化物燃料电池中CeO2电解质出现Ce4+/Ce3+混合态导致氧缺位引起的电解质层尺寸变化的缺陷，有效防止固体氧化物燃料电池使用过程中挠曲变形和开裂，延长了固体氧化物燃料电池使用寿命。

A low temperature stable solid oxide fuel cell and its preparation method

The present invention provides a low temperature stable solid fuel cell and a preparation method. The battery structure consists of five layers: an anode support body, a magnetostrictive layer on the anode support, a cerium based electrolyte layer on the magnetostrictive layer, a magnetostrictive layer on the cerium base electrolyte layer and a magnetostriction in the magnetostrictive layer. The cathode active layer is set on the layer. By applying the magnetostriction layer on the CeO2 based electrolyte layer, the micromagnetism produced by the battery at work makes the magnetostrictive layer deformed, thereby buffering the size change of the electrolyte layer and overcoming the electrolyte layer caused by the absence of the Ce4+/Ce3+ mixed state of the CeO2 electrolyte in the existing solid oxide fuel cell resulting in the oxygen vacancy. The defect of size changes effectively prevents deflection and cracking during the use of solid oxide fuel cells, and prolongs the service life of solid oxide fuel cells.

【技术实现步骤摘要】
一种低温稳定的固体氧化物燃料电池及制备方法
本专利技术涉及燃料电池材料领域，具体涉及一种低温稳定的固体氧化物燃料电池及制备方法。
技术介绍
燃料电池是一种基于氧化还原反应的能量转化装置。它可以将燃料的化学能直接转化成电能，转化过程中没有经历卡诺循环过程，可以获得比传统热机发电系统更高的效率，具有高效、低噪音、环境友好以及安全可靠等优点。根据燃料电池电解质的性质，可以将燃料电池分为碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池。与其他四种燃料电池相比，固体氧化物燃料电池有其独特的优势。其一，较高的工作温度拓宽了燃料气体的选择范围，价格相对低廉的烷烃类燃料可以在电池内部重整、氧化产生电能。其二，固体氧化物燃料电池工作时产生大量的余热，可以实现热电联用，提高发电系统的效率。其三，固体氧化物燃料电池是全固态结构，可以避免其他种类燃料电池存在的电池部件之间相互腐蚀的问题。固体氧化物燃料电池主要的三大组件分别是阳极，电解质和阴极。其中，电解质是固体氧化物燃料电池最核心的部件，固体氧化物燃料电池电解质材料应该满足以下几点要求：良好的离子电导率和单纯的离子导电性（接近1的离子迁移数）；高温及氧化还原气氛中的物理和化学稳定性；气密性；与电极之间的化学兼容性；与电极之间的高温热匹配性；热膨胀系数匹配；性能优越价格便宜。现有固体氧化物燃料电池大多仍然采用传统的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）为电解质，工作温度在750℃-1000℃。在如此高的温度下长时间工作会导致电池各组件材料之间的副反应，电极微结构由于烧结而受到破坏等问题。除此之外，较高的工作温度使得固体氧化物燃料电池各组件可选的材料非常有限，不能采用成本相对低廉的密封和电极材料。氧化铈基电解质是面心立方萤石结构，铈离子位于氧离子构成的简单立方点阵中心位置，配位数为8，而氧离子则占据铈离子形成的四面体中心位置，配位数为4。纯氧化铈电导率非常低，600℃时的氧离子电导率约为1×10-5S/cm，但是当用异价离子如二价碱土金属离子或者三价稀土金属离子部分取代CeO2中的Ce4+时，为了保持电荷平衡，晶格内就会产生一定的氧空位，掺杂氧化铈能够大大提高的氧离子电导率。在CeO2基中掺杂的元素有Gd、Y、Sm、Sr、La、Pr、Ba等，如中国专利技术专利申请号200910062001.8公开了一种氧化钆掺杂氧化铈的复合氧化物固溶体凝胶的制备方法，采用具有低水解活性的乙酰丙酮铈水合物、乙酰丙酮钆水合物作为溶胶—凝胶的前躯体，可以制得具有高密度和的氧化钆掺杂氧化铈的复合氧化物固溶体凝胶，氧化钆掺杂的CeO2电解质的氧离子电导率比YSZ的高而且氧离子电导率在500～600℃表现优异。然而，在CeO2基电解质处于还原性气氛下，会发生Ce4+的部分还原而出现Ce4+/Ce3+混合态，产生无用的电子电导，降低电池开路电压，减少电池的输出功率密度。此外，氧缺位将使膜产生剧烈的尺寸变化，从而引起挠曲变形，影响电解质膜使用寿命。因此，提出一种工艺方案简单可控，有效克服现有固体氧化物燃料电池由于CeO2电解质膜使用时产生尺寸变化，从而引起挠曲变形，影响燃料电池使用寿命的缺陷，制备工艺方案的更新对燃料电池使用寿命的提高有极高实用价值。
技术实现思路
针对现有固体体氧化物燃料电池中CeO2电解质出现Ce4+/Ce3+混合态，氧缺位导致尺寸变化的缺陷，本专利技术提出一种低温稳定的固体燃料电池及制备方法，从而缓冲由于电解质层的尺寸变化，有效防止电池挠曲变形和开裂，提高电池使用寿命。为解决上述问题，本专利技术采用以下技术方案：一种低温稳定的固体氧化物燃料电池，自下而上包括五层：阳极支撑材料；设置在所述阳极支撑体层上的磁致伸缩层：所述磁致伸缩层为钴铁氧体磁致伸缩材料；铈基电解质层；设置在所述铈基电解质层上的钴铁氧体磁致伸缩层；设置在所述钴铁氧体磁致伸缩层上的阴极活性层。优选的，所述阳极支撑层的厚度为500-1800微米，所述阳极支撑材料为电子传导相与离子传导相复合材料和多孔碳材料的组合，所述电子传导相为NiO、CuO、ZnO中的一种或两种以上的组合，所述离子传导相为锶和铬共掺杂的锰酸镧、镧掺杂钛酸钙、镧掺杂的钛酸锶与层状钙钛矿材料中的一种或两种以上的组合。优选的，所述钴铁氧体磁致伸缩材料的厚度为5-120微米，致密度大于99%。优选的，所述铈基电解质层为钆掺杂氧化铈、钇掺杂氧化铈、钐钕共掺杂氧化铈中的一种或两种以上与氧化锆的组合，其中氧化锆的体积浓度为30%-65%。优选的，所述阴极活性层的厚度为5-80μm，所述阴极活性层为铒掺杂氧化铋和钇掺杂氧化铋中的一种。提供一种低温稳定的固体氧化物燃料电池的制备方法，具体制备方法如下：（1）将阳极支撑材料与多孔碳材料混合，压制成型，得到阳极支撑体前驱体；（2）在所述阳极支撑体前驱体上制备所述钴铁氧体磁致伸缩材料，高温烧结后得到设置有磁致伸缩材料的阳极支撑体；（3）将阴极活性层材料压制成型，得到阴极活性层，再将所述钴铁氧体磁致伸缩材料浆料涂布于阴极活性层上，经过高温烧结，得到磁致伸缩材料/阴极活性层复合层；（4）将所述铈基电解质浆料涂覆在所述设置有磁致伸缩材料的阳极支撑体层上，再将磁致伸缩材料/阴极活性层压铈基电解质上，在低温共烧后，得到固体氧化物燃料电池。优选的，所述多孔碳材料选自多孔T碳材料、碳泡沫、碳气凝胶中的一种或两种以上的组合，孔径为30-80微米。优选的，所述多孔碳材料与所述阳极支撑材料的质量比为1：6-9。优选的，步骤（2）和（3）中所述高温烧结的温度为1200-1400℃，高温烧结的时间为5-20h，步骤（4）中所述低温共烧的温度为700-900℃，时间5-30h。现有固体体氧化物燃料电池中CeO2电解质出现Ce4+/Ce3+混合态，氧缺位导致尺寸变化的缺陷，本专利技术提出一种低温稳定的固体燃料电池及制备方法。技术点是一种低温稳定固体氧化物燃料电池，包括阳极支撑体，在所述阳极支撑体上设置磁致伸缩层，在磁致伸缩层上设置铈基电解质层；在所述铈基电解质层上设置磁致伸缩层；在磁致伸缩层上设置阴极活性层。所述磁致伸缩层为稀土金属与过渡金属的复合体。显著的优势是，通过在CeO2基电解质层涂敷磁致伸缩层，在工作时电池产生的微磁使磁致伸缩层发生微小形变，从而缓冲由于电解质层的尺寸变化，有效防止电池挠曲变形和开裂。将本专利技术制备的低温稳定的固体燃料电池与未设置缓冲层的氧化铈电解质得到的电池材料在测试温度为400-550℃条件下测试性能，如表1所示。表1：项目电池工作温度（℃）持续工作时长燃质效率（%）本专利技术600-7203000小时90普通氧化铈电解质电池750-10002000小时84本专利技术提供一种低温稳定的固体氧化物燃料电池及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：1、本专利技术提供一种低温稳定的固体氧化物燃料电池及制备方法，通过在CeO2基电解质层涂敷磁致伸缩层，在工作时电池产生的微磁使磁致伸缩层发生微小形变，从而缓冲由于CeO2基电解质氧缺位致使电解质层产生尺寸变化，有效防止电极微结构由于烧结而受到破坏电池挠曲变形和开裂。2、本专利技术提供的一种低温稳定的固体氧化物燃料电池制备工艺方案简单，成本低廉，制备无污染，适用于推广生产。具体实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低温稳定的固体氧化物燃料电池，其特征在于，自下而上包括五层：阳极支撑材料；设置在所述阳极支撑体层上的磁致伸缩层：所述磁致伸缩层为钴铁氧体磁致伸缩材料；铈基电解质层；设置在所述铈基电解质层上的钴铁氧体磁致伸缩层；设置在所述钴铁氧体磁致伸缩层上的阴极活性层。

【技术特征摘要】
1.一种低温稳定的固体氧化物燃料电池，其特征在于，自下而上包括五层：阳极支撑材料；设置在所述阳极支撑体层上的磁致伸缩层：所述磁致伸缩层为钴铁氧体磁致伸缩材料；铈基电解质层；设置在所述铈基电解质层上的钴铁氧体磁致伸缩层；设置在所述钴铁氧体磁致伸缩层上的阴极活性层。2.根据权利要求1所述的一种低温稳定的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阳极支撑层的厚度为500-1800微米，所述阳极支撑材料为电子传导相与离子传导相复合材料和多孔碳材料的组合，所述电子传导相为NiO、CuO、ZnO中的一种或两种以上的组合，所述离子传导相为锶和铬共掺杂的锰酸镧、镧掺杂钛酸钙、镧掺杂的钛酸锶与层状钙钛矿材料中的一种或两种以上的组合。3.根据权利要求1所述的一种低温稳定的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述钴铁氧体磁致伸缩材料的厚度为5-120微米，致密度大于99%。4.根据权利要求1所述的一种低温稳定的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述铈基电解质层为钆掺杂氧化铈、钇掺杂氧化铈、钐钕共掺杂氧化铈中的一种或两种以上与氧化锆的组合，其中氧化锆的体积浓度为30%-65%。5.根据权利要求1所述的一种低温稳定的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述阴极活性层的厚度为5-80μm，所述阴极活性层为铒掺杂氧化铋和钇掺杂氧化铋中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，曾军堂，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51