一种平板固体氧化物燃料对称电池及其制备方法技术

一种平板固体氧化物燃料对称电池的制备方法，包括以下步骤：提供多孔电解质膜片、致密电解质膜片以及弹性膜片；将多孔电解质膜片、致密电解质膜片、多孔电解质膜片以及弹性膜片依序叠加形成一叠加体后热压所述叠加体；从所述叠加体上去除所述弹性膜片得到一复合素坯；将所述复合素坯于1000‑1600℃下烧结2‑24小时后得到一对称电池骨架；提供对称电极材料，所述对称电极材料为由两种或多种材料复合构成的复相材料；采用化学浸渍法或真空浸渍法将所述对称电极材料沉积于所述电池骨架中。本发明专利技术还提供采用上述制备方法得到的对称电池。

A Flat-Plate Solid Oxide Fuel Symmetrical Battery and Its Preparation Method

The preparation method of a flat-plate solid oxide fuel symmetric battery includes the following steps: providing porous electrolyte diaphragm, dense electrolyte diaphragm and elastic diaphragm; superimposing porous electrolyte diaphragm, dense electrolyte diaphragm, porous electrolyte diaphragm and elastic diaphragm in sequence to form a superposition body, then hot pressing the superposition body; and removing the elastic diaphragm from the superposition body. A composite blank is obtained; a symmetrical battery skeleton is obtained by sintering the composite blank at 1000 1600 C for 2 24 hours; a symmetrical electrode material is provided, which is a composite material composed of two or more materials; and the symmetrical electrode material is deposited in the battery skeleton by chemical impregnation or vacuum impregnation. The invention also provides a symmetrical battery prepared by the above-mentioned preparation method.

【技术实现步骤摘要】
一种平板固体氧化物燃料对称电池及其制备方法
本专利技术涉及燃料电池技术，尤其涉及一种平板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(SolidOxideFuelCell:SOFC)是一种直接可以将燃料化学能转化为电能的电化学装置。SOFC具有能量转化效率高(热电联用效率可高达90％以上)、燃料适应性广(可以直接使用氢气，碳氢化合物和固体碳)、全固态结构安全无污染等诸多优点，很有可能取代现有火力发电技术，成为21世纪新一代绿色发电技术。目前，限制SOFC大规模应用的技术瓶颈是：稳定性差和成本高。SOFC高的操作温度(700-1000℃)是导致其稳定性差的主要原因。因此，降低SOFC(500-600℃)运行温度同时保证其性能是现阶段SOFC国际国内主流研发方向。将SOFC运行温度从高温降低到低温，温度跨度在数百度。要想保证低温SOFC具有较好电化学性能，必然要求SOFC电池材料、结构和电池制备工艺发生根本改变。SOFC阻抗(包括电解质欧姆阻抗，阴极极化阻抗和阳极极化阻抗)大小直接决定了SOFC电池性能。从某种程度上讲，研发低温SOFC即是研究怎样降低电池阻抗的研究。降低欧姆阻抗不仅要求选用具有高氧离子电导率的电解质材料，同时要求电解质要做到尽量薄。流延法是制备SOFC超薄电解质比较成熟且通用的方法，制备得到的电解质厚度可以控制在10-30μm之间，基本能够满足低温SOFC对电解厚度的要求。现阶段，电极性能差是制约低温SOFC发展的主要因素。传统的SOFC阳极制备方法为高温共烧结(烧结温度在1400℃左右)，阴极制备方法为丝网印刷法(电极成型(烧结)温度一般在1200℃左右)。上述方法均需要高温烧结方能使得电极成型，电极材料颗粒度在微米尺度，低温催化活性差。显然，上述电极制备方法已经不适用于低温SOFC电极制备。浸渍法(指将电极活性组分通过湿化学浸渍沉积在预先制备好的多孔电解质骨架里面)制备SOFC电极是目前低温SOFC电极常用方法，该方法能将电极材料颗粒尺寸控制在纳米尺度，从而能有效利用纳米效应提高低温SOFC性能。低温SOFC(即浸渍SOFC)常规制备方法分为两步：第一步，制备单电池骨架，即“多孔电解质/致密电解质/多孔电解质”骨架；第二步，制备浸渍电极，即分别在两边多孔骨架里面浸渍制备得到阳极和阴极。为了简化SOFC制备过程，降低SOFC制备成本，对称固体氧化物燃料电池(SymmetricalSolidOxideFuelCell:SSOFC)是近年来的研究热点。SSOFC是指SOFC的阳极材料和阴极材料是同一种材料，从而使得SOFC电极的制备可以一步完成。因此，从提高电池稳定性(将降低操作温度)和简化电池制备工艺(及降低电池成本)角度考虑，浸渍SSOFC是低温SOFC的重要研究和发展方向。要实现浸渍SSOFC的成功制备，必须先解决两个问题：对称电池浸渍骨架的制备和对称电极材料的选择。制备对称电池骨架的经典方法是：“流延-热压-共烧结”法。该方法是指：采用流延法分别制备得到多孔电解质素坯膜片A和致密电解质素坯膜片B，然后将2-4片A膜片，1片B膜片和2-4片A膜片顺序叠加后，进一步经过热压工艺将上述多层膜片组压合成为一个素坯整体C。最后将素坯C放入马弗炉中，在1200-1400℃下高温烧结4h，即可得到“多孔/致密/多孔”电解质浸渍骨架。多孔电极素坯膜片A由陶瓷粉体和有机物(主要包含粘结剂，分散剂和塑化剂)构成。因此，在热压工序过程中，如果工艺控制不当，A膜片极易变形。A膜片变形将导致厚度极薄的B膜片开裂或产生微裂纹。换言之，热压后得到的素坯C是一个中间电解质层已经受损的膜片。为了使得在热压过程中素坯A不变形，要求多孔电极中添加的有机物(粘结剂，塑化剂和分散剂)添加量和种类本身在热压温度下具有足够强度，同时要求选择合适的热压温度和压力。由此可见，传统的“流延-热压-共烧结”法工艺较为复杂。目前常见的对称电极材料主要是指单相陶瓷材料，主要包括：Sr2Fe1.5Mo0.5O6，La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3，MnFeCrO4和La0.6Sr0.4Fe0.9Sc0.1O3。上述材料被证实同时可以作为阳极材料和阴极材料使用。到目前为止，被证实具有催化作用的对称电极材料种类非常有限。此外，被研发出来的单相对称电池材料催化性能往往不佳。
技术实现思路
在低温浸渍SSOFC研发过程中，针对其现有对称电池骨架制备工艺复杂，及现有对称电极材料种类稀少并且催化性能不足等问题，本专利技术的目的在于提供一种简易并且有效的浸渍用对称电池骨架制备方法，并且提供一类有别于单相对称电极材料的双相(多相)对称电极材料。本专利技术提供一种平板固体氧化物燃料对称电池，其包括对称电池骨架以及对称电极材料，所述对称电池骨架包括依次叠加的多孔电解质素坯膜片、致密电解质素坯膜片以及多孔电解质素坯膜片，电解质的材料为锶镁共掺杂的镓酸镧、掺杂氧化铈、掺杂氧化铋、钇稳定的氧化锆、钪稳定的氧化锆、硅(锗)酸镧或铈酸钡，所述对称电极材料为由两种或多种材料复合构成的复相材料。进一步地，所述多孔电解质素坯膜片的厚度为100-600μm，孔隙率为30-60％。进一步地，所述致密电解质素坯膜片的厚度为10-100μm。进一步地，所述复相材料由钙钛矿结构金属氧化物ABO3与金属氧化物MOX构成的ABO3/MOX组成，其中A位置是La系金属元素中的一中或多种，B是碱土金属元素中的一种或多种，M位置为过渡金属元素中的一种或多种。进一步地，所述复相材料是由双钙钛矿结构金属氧化物AA`B2O5与金属氧化物MOX构成的AA`B2O5/MOX，其中A位置是La系金属元素中的一种或多种，B是碱土金属元素中的一种或多种，M位置为过渡金属元素中的一种或多种。进一步地，所述复相材料是由层状结构金属氧化物A2BO4与金属氧化物MOX构成的A2BO4/MOX，其中A位置是La系金属元素中的一种或多种，B是碱土金属元素中的一种或多种，M位置为过渡金属元素中的一种或多种。一种平板固体氧化物燃料对称电池的制备方法，包括以下步骤：提供多孔电解质膜片、致密电解质膜片以及弹性膜片；将多孔电解质膜片、致密电解质膜片、多孔电解质膜片以及弹性膜片依序叠加形成一叠加体后热压所述叠加体；从所述叠加体上去除所述弹性膜片得到一复合素坯；将所述复合素坯于1000-1600℃下烧结2-24小时后得到一对称电池骨架；提供对称电极材料，所述对称电极材料为由两种或多种材料复合构成的复相材料；采用化学浸渍法或真空浸渍法将所述对称电极材料沉积于所述电池骨架中。进一步地，所述多孔电解质膜片以及致密电解质膜片由流延法制备。进一步地，述弹性膜片包含橡胶及/或硅胶。进一步地，所述弹性体膜片厚度为50μm～5mm。进一步地，热压温度为50-90℃，热压压力为1000-5000PSI，热压时间为5-25分钟。进一步地，烧结温度为1200～1500℃，烧结时间为2-24小时。进一步地，所述复相材料由溶液法或是熔盐法一步合成得到。进一步地，采用化学浸渍法或真空浸渍法将所述对称电极材料沉积于所述电池骨架中的步骤中，催化剂负载量为20-60wt.％，热处理温度为500-900℃。附图说明图1是弹性体辅助素坯热压示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种平板固体氧化物燃料对称电池，其包括对称电池骨架以及对称电极材料，所述对称电池骨架包括依次叠加的多孔电解质素坯膜片、致密电解质素坯膜片以及多孔电解质素坯膜片，电解质的材料为锶镁共掺杂的镓酸镧、掺杂氧化铈、掺杂氧化铋、钇稳定的氧化锆、钪稳定的氧化锆、硅(锗)酸镧或铈酸钡，所述对称电极材料为由两种或多种材料复合构成的复相材料。

【技术特征摘要】
1.一种平板固体氧化物燃料对称电池，其包括对称电池骨架以及对称电极材料，所述对称电池骨架包括依次叠加的多孔电解质素坯膜片、致密电解质素坯膜片以及多孔电解质素坯膜片，电解质的材料为锶镁共掺杂的镓酸镧、掺杂氧化铈、掺杂氧化铋、钇稳定的氧化锆、钪稳定的氧化锆、硅(锗)酸镧或铈酸钡，所述对称电极材料为由两种或多种材料复合构成的复相材料。2.如权利要求1所述的对称电池，其特征在于：所述多孔电解质素坯膜片的厚度为100-600μm，孔隙率为30-60％。3.如权利要求1所述的对称电池，其特征在于：所述致密电解质素坯膜片的厚度为10-100μm。4.如权利要求1所述的对称电池，其特征在于：所述复相材料由钙钛矿结构金属氧化物ABO3与金属氧化物MOX构成的ABO3/MOX组成，其中A位置是La系金属元素中的一中或多种，B是碱土金属元素中的一种或多种，M位置为过渡金属元素中的一种或多种。5.如权利要求1所述的对称电池，其特征在于：所述复相材料是由双钙钛矿结构金属氧化物AA`B2O5与金属氧化物MOX构成的AA`B2O5/MOX，其中A位置是La系金属元素中的一种或多种，B是碱土金属元素中的一种或多种，M位置为过渡金属元素中的一种或多种。6.如权利要求1所述的对称电池，其特征在于：所述复相材料是由层状结构金属氧化物A2BO4与金属氧化物MOX构成的A2BO4/MOX，其中A位置是La系金属元素中的一种或多种，B是碱土金属元素中的一种或多种，M位置为过渡金...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩达，贺艳兵，李宝华，康飞宇，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44