一种固体氧化物燃料电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种固体氧化物燃料电池的制备方法，包括至少一层阳极层；至少一层阴极层；设于所述阳极层和所述阴极层之间的电解质层；其中，所述阳极层和/或阴极层为多孔结构；所述阳极层和/或阴极层的多孔结构中含有金属氧化物纳米颗粒。同时，本发明专利技术还公开一种所述固体氧化物燃料电池的制备方法，本发明专利技术直接将纳米金属氧化物通过金属氧化物前驱体引入再热处理的方法引入阳极及阴极孔道中，方法简单易行且大大的降低了电池衰减速率。

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物燃料电池及其制备方法
本专利技术涉及一种燃料电池及其制备方法，尤其是一种固体氧化物燃料电池及其制备方法。
技术介绍
随着全球环境的日益恶化，绿色能源越来越受到研究者的重视，时至今日世界能源大体上仍然是化石燃料依赖型的，石油、煤和天然气占世界初级能源消费总量的85％左右，真正的可再生清洁能源如风能、太阳能等所占比例不到3％。固体氧化物燃料电池以其优异的性能及良好的环境相容性，越来越多的被各国研究，然而固体氧化物燃料电池由于需要在650℃以上高温运行，在运行过程中存在以下问题：1.阳极及阴极粉体的再烧结，减少了三相界面，使得电池的衰减较快；2.高温下材料结构发生改变，降低了活性物质的反应活性，使得电池的衰减较快。现有的固体氧化物燃料电池多以镍基材料及具有离子电导的陶瓷基复合材料作为燃料电池的阳极积流层及反应活性层，使用LSM/LSCF等钙钛矿阴极材料与具有离子电导的陶瓷复合基作为燃料电池的阴极积流层及反应活性层，这种固体氧化物燃料电池存在运行过程中衰减较快的问题。目前的研究是在阳极侧加入纳米离子导电颗粒来降低电池的衰减速率，比如通过浸渍MNO3和Ce(NO3)3溶液，再高温处理让M2O3与CeO2反应得到(M2O3)x(CeO2)1-x固溶体物质(其中M包括Sm或Gd等)，从而将(M2O3)x(CeO2)1-x固溶体物质引入电池的阳极侧或阴极侧，来达到降低电池的衰减速率的目的。总的来说，现有技术中目前存在以下问题：1)方法复杂；2)在阳极侧通过浸渍的方式添加氧化铈及氧化钐等金属氧化物，对于电池的阴极侧无进行任何处理。出现这些问题的主要原因如下：1)为了生成具有离子电导的氧化物，选用多种溶剂混合浸渍，增加了方法的难度；2)由于浸渍在多孔结构中，再进行高温处理，无法确定在多孔结构中是否生成目标产物；3)试图在阳极及阴极中引入高离子电导的材料，但是离子电导低与SOFC衰减快并无直接联系；4)因为需要在浸渍后热处理生成具有离子电导的材料，热处理温度一般需要接近1000℃才能完全反应，增大了颗粒的粒径，可能导致孔道堵塞，影响电化学性能；5)电池阴极侧颗粒在电堆运行过程中的长大未得到解决。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种固体氧化物燃料电池的制备方法。为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案为：一种固体氧化物燃料电池，包括：至少一层阳极层；至少一层阴极层；设于所述阳极层和所述阴极层之间的电解质层；其中，所述阳极层和/或阴极层为多孔结构；所述阳极层和/或阴极层的多孔结构中含有金属氧化物纳米颗粒。优选地，所述电解质层为陶瓷电解质层。优选地，所述金属氧化物纳米颗粒为稀土氧化物纳米颗粒、碱土金属氧化物纳米颗粒中的至少一种。优选地，所述稀土氧化物纳米颗粒为氧化铈纳米颗粒、氧化钐纳米颗粒、氧化镧纳米颗粒、氧化钪纳米颗粒、氧化钇纳米颗粒、氧化镨纳米颗粒、氧化钕纳米颗粒、氧化钷纳米颗粒、氧化铕纳米颗粒、氧化钆纳米颗粒、氧化镱纳米颗粒中的至少一种，所述碱土金属氧化物纳米颗粒为氧化镁纳米颗粒、氧化钙纳米颗粒、氧化钡纳米颗粒、氧化锶纳米颗粒中的至少一种。同时，本专利技术还公开一种固体氧化物燃料电池的制备方法，包括如下步骤：(1)金属氧化物前驱体引入：将金属氧化物前驱体引入阴极材料中；(2)阴极层烧制：在已烧制阳极和电解质的半电池上使用步骤(1)所得的阴极材料进行沉积并烧制，使得在电池的阴极多孔结构中形成一层金属氧化物纳米颗粒，得到本专利技术所述的固体氧化物燃料电池；或者：(1)金属氧化物前驱体引入：将金属氧化物前驱体引入已烧制好阳极、电解质及阴极的电池中；(2)热处理：对步骤(1)所得的电池进行热处理，使得在电池的阴极及阳极多孔结构中形成一层金属氧化物纳米颗粒，得到本专利技术所述的固体氧化物燃料电池；或者：(1)金属氧化物前驱体引入：将金属氧化物前驱体引入已烧制阳极和电解质的半电池中；(2)阴极层烧制：对步骤(1)所得的半电池进行沉积阴极层并烧制，使得在电池的阳极多孔结构中形成一层金属氧化物纳米颗粒，得到本专利技术所述的固体氧化物燃料电池；或者：(1)阳极层烧制：在烧制好的电解质上进行沉积阳极层并烧制，得到半电池；(2)金属氧化物前驱体引入：将金属氧化物前驱体引入步骤(1)所得的半电池中；(3)阴极层烧制：对步骤(2)所得的半电池进行沉积阴极层并烧制，使得在电池的阳极多孔结构中形成一层金属氧化物纳米颗粒，得到本专利技术所述的固体氧化物燃料电池；或者：(1)阴极层烧制：在烧制好的电解质上进行沉积阴极层并烧制，得到半电池；(2)金属氧化物前驱体引入：将金属氧化物前驱体引入步骤(1)所得的半电池中；(3)阳极层烧制：对步骤(2)所得的半电池进行沉积阳极层并烧制，使得在电池的阴极多孔结构中形成一层金属氧化物纳米颗粒，得到本专利技术所述的固体氧化物燃料电池；或者：(1)阳极层烧制：在烧制好的电解质上进行沉积阳极层并烧制，得到半电池；(2)阴极层烧制：在步骤(1)所得的半电池上进行沉积阴极层并烧制；(3)金属氧化物前驱体引入：将金属氧化物前驱体引入步骤(2)所得的电池中；(4)热处理：对步骤(3)所得的电池进行热处理，使得在电池的阴极及阳极多孔结构中形成一层金属氧化物纳米颗粒，得到本专利技术所述的固体氧化物燃料电池；或者：(1)阴极层烧制：在烧制好的电解质上进行沉积阴极层并烧制，得到半电池；(2)阳极层烧制：在步骤(1)所得的半电池上进行沉积阳极层并烧制；(3)金属氧化物前驱体引入：将金属氧化物前驱体引入步骤(2)所得的电池中；(4)热处理：对步骤(3)所得的电池进行热处理，使得在电池的阴极及阳极多孔结构中形成一层金属氧化物纳米颗粒，得到本专利技术所述的固体氧化物燃料电池。本专利技术旨在固体氧化物燃料电池的多孔阴极及阳极结构壁上引入纳米级别的金属氧化物颗粒，防止在电堆的运行过程中阳极及阴极的材料进一步烧结，从而降低电池的性能衰减；通过优化浸渍材料的选择，实现低温热处理，降低纳米颗粒在孔道中的粒径，保证气体在孔道中的流动性，降低金属氧化物前驱体引入后的热处理温度，简化工艺流程。优选地，所述金属氧化物前驱体为碱土金属硝酸盐、碱土金属碳酸盐、稀土金属硝酸盐、稀土金属碳酸盐中的至少一种，所述金属氧化物前驱体的浓度为0.01mol/L～5.0mol/L，所述金属氧化物前驱体的引入方法为浸渍、滴加、物理共混中的至少一种。优选地，所述金属氧化物前驱体的pH值为1～7。通过调整金属氧化物前驱体的酸度对已烧结阳极、电解质及阴极的电池进行浸渍，或者直接对原始阳极及阴极粉体进行浸渍处理，其中酸可以将阳极及阴极多孔结构中的一些氧化物杂质污染元素去除，增加多孔孔道表面结构活性的同时，沉积一层金属氧化物前驱体于孔壁上，经过热处理在多孔阴极及阳极结构中引入纳米金属氧化物颗粒；优选地，所述热处理的温度低于1000℃。优选地，所述阳极层包含导电材料的氧化态或还原态材料、陶瓷相、分散溶剂，所述阳极导电材料的氧化态或还原态材料和陶瓷相的重量之和与分散溶剂重量的比值为：1：(1～2)。优选地，阳极成型工艺为注射成型工艺或流延成型工艺，当采用流延成型工艺时，流延膜片的厚度为100μm～400μm。优选地，沉积电解质层的沉积方法为浸渍沉积、流延并叠片、丝网印刷中的一种，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固体氧化物燃料电池，其特征在于，包括：至少一层阳极层；至少一层阴极层；设于所述阳极层和所述阴极层之间的电解质层；其中，所述阳极层和/或阴极层为多孔结构；所述阳极层和/或阴极层的多孔结构中含有金属氧化物纳米颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池，其特征在于，包括：至少一层阳极层；至少一层阴极层；设于所述阳极层和所述阴极层之间的电解质层；其中，所述阳极层和/或阴极层为多孔结构；所述阳极层和/或阴极层的多孔结构中含有金属氧化物纳米颗粒。2.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述金属氧化物纳米颗粒为稀土氧化物纳米颗粒、碱土金属氧化物纳米颗粒中的至少一种。3.如权利要求2所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述稀土氧化物纳米颗粒为氧化铈纳米颗粒、氧化钐纳米颗粒、氧化镧纳米颗粒、氧化钪纳米颗粒、氧化钇纳米颗粒、氧化镨纳米颗粒、氧化钕纳米颗粒、氧化钷纳米颗粒、氧化铕纳米颗粒、氧化钆纳米颗粒、氧化镱纳米颗粒中的至少一种；所述碱土金属氧化物纳米颗粒为氧化镁纳米颗粒、氧化钙纳米颗粒、氧化钡纳米颗粒、氧化锶纳米颗粒中的至少一种。4.一种如权利要求1～3任一项所述的固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)金属氧化物前驱体引入：将金属氧化物前驱体引入阴极材料中；(2)阴极层烧制：在已烧制阳极和电解质的半电池上使用步骤(1)所得的阴极材料进行沉积并烧制，使得在电池的阴极多孔结构中形成一层金属氧化物纳米颗粒，得到本发明所述的固体氧化物燃料电池；或者：(1)金属氧化物前驱体引入：将金属氧化物前驱体引入已烧制好阳极、电解质及阴极的电池中；(2)热处理：对步骤(1)所得的电池进行热处理，使得在电池的阴极及阳极多孔结构中形成一层金属氧化物纳米颗粒，得到本发明所述的固体氧化物燃料电池；或者：(1)金属氧化物前驱体引入：将金属氧化物前驱体引入已烧制阳极和电解质的半电池中；(2)阴极层烧制：对步骤(1)所得的半电池进行沉积阴极层并烧制，使得在电池的阳极多孔结构中形成一层金属氧化物纳米颗粒，得到本发明所述的固体氧化物燃料电池；或者：(1)阳极层烧制：在烧制好的电解质上进行沉积阳极层并烧制，得到半电池；(2)金属氧化物前驱体引入：将金属氧化物前驱体引入步骤(1)所得的半电池中；(3)阴极层烧制：对步骤(2)所得的半电池进行沉积阴极层并烧制，使得在电池的阳极多孔结构中形成一层金属氧化物纳米颗粒，得到本发明所述的固体氧化物燃料电池；或者：(1)阴极层烧制：在烧制好的电解质上进行沉积阴极层并烧制，得到半电池；(2)金属氧化物前驱体引入：将金属氧化物前驱体引入步骤(1)所得的半电池中；(3)阳极层烧制：对步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈烁烁，邱基华，
申请(专利权)人：潮州三环集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44