一种具有对称电极的固体氧化物燃料电池及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种具有对称电极的固体氧化物燃料电池及其制备方法和应用，所述电池具有如下对称结构：沉积于多孔电解质孔内壁的电催化薄膜电极|致密电解质层|沉积于多孔电解质孔内壁的电催化薄膜电极。所述电池的制备是首先制备多孔电解质|致密电解质|多孔电解质骨架结构和电催化薄膜电极浸渗前驱液，然后采用浸渍法将制得的多孔电解质|致密电解质|多孔电解质骨架结构浸润于电催化薄膜电极浸渗前驱液中，再进行热处理。本发明专利技术提供的电池不仅具有良好的热膨胀匹配性能和抗热震性能、成本低、制备周期短等优点，而且在以碳氢化合物为燃料时，能有效避免电池阳极的碳沉积，可用作电解池，具有商业化前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新型固体氧化物燃料电池及其制备方法和应用，具体说，是涉及一种具有对称电极的固体氧化物燃料电池及其制备方法和应用，属于固体氧化物燃料电池

技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的高效发电装置，如果采用热电联供的方式，理论上其燃料利用率可接近75%，而实际已得到的电池系统中燃料利用率也已超过50%，在现有燃料转化为电的装置中，效率是最高的(高温固体氧化物燃料电池-原理、设计和应用；Subhash,C.Singhal,Kevin Kendall主编，韩敏芳等译；第15页)。而且，SOFC不仅可以利用氢气作为燃料，还可利用包括合成气、烷烃在内的碳氢燃料。高的燃料利用率以及宽广的燃料选择范围对于解决人类目前面临的能源和环境问题具有重要意义。但目前固体氧化物燃料电池，尤其是电极制备方面，仍面临诸多的技术挑战：1)阳极碳沉积。目前，广泛使用的阳极材料是金属镍，Ni的导电性好，对燃料的催化活性高，因此，以H2为燃料时，Ni是一种绝佳的阳极材料。但在采用碳氢燃料时，碳会吸附在金属镍颗粒上，使金属镍阳极在短时间内失去催化活性，因此，适用于碳氢燃料的新型阳极材料探索势在必行。2)材料的热匹配性。由于SOFC在传统电极制备中涉及高温煅烧过程，因此若相邻材料间热膨胀系数不匹配，则在制备和使用过程中容易发生电极脱落现象，严重甚至可能导致电池的扭曲变形和破裂。而事实上，多种具有高催化活性的电极材料热膨胀系数与电解质差异较大，传统电极制备过程的热匹配性要求使得这些高性能电极难以得到应用。美国专利申请US2011189582A1公开了一种可用于制备SOFC的对称电极材料Sr2Fe2-XMoXO6的合成方法，并提供了一种应用上述材料的SOFC结构，其中将该材料同时作为电池阴极和阳极，解决了电池阳极碳沉积的难题。但该专利申请中通过利用丝网印刷法制备对称电极，电极催化活性低；且电池以电解质为支撑体，欧姆电阻大，这些均阻碍了电池性能的进一步提高。近些年发展的电极浸渍制备技术很好地克服了热膨胀系数不匹配引起的各种问题。有文献公开了利用流延法制备LSGM(La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3)复合陶瓷片(多孔LSGM|致密LSGM|多孔LSGM)，再利用液相浸渗的方法阳极浸NiO，阴极浸SSC(Sm0.5Sr0.5CoO3)，得到的电池以纯氢为燃料，空气为氧化剂，550℃下输出功率超过1W/cm2。此电极制备方法的优点是电极在电解质高温烧结过程以后，低温煅烧得到，解决了材料热膨胀系数不匹配引起的各种难题；而且液相浸渗法沉积的电极三相反应界面大，电极催化活性高。但在上述电池制备过程中，阴阳极采用不同材料，需要分别制备，制备过程中要绝对避免阴阳极材料相接触，以免其相互反应，影响电极的催化性能。而且为达到最佳浸渗量，浸渗过程可能还需多次重复，阴阳极的分别制备更将极大地延长了电池的制备周期，进而增加了电池成本(RSCA dvances，2(2012)4075-4078)。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的是提供一种具有良好电化学性能的具有对称电极的固体氧化物燃料电池及其制备方法和应用，以解决电池阳极的碳沉积及氧化物电极的催化活性低和浸渗电极制备周期长等问题。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种具有对称电极的固体氧化物燃料电池，所述电池具有如下对称结构：沉积于多孔电解质孔内壁的电催化薄膜电极|致密电解质层|沉积于多孔电解质孔内壁的电催化薄膜电极。作为一种优选方案，形成多孔电解质和致密电解质的材料均选自掺杂Y2O3的ZrO2、掺杂Sc2O3的ZrO2、掺杂Y2O3和Sc2O3的ZrO2、La1-aSraGa1-bMgbO3(0.05≤a≤0.30，0.05≤b≤0.30)、掺杂Sm2O3的CeO2、掺杂Gd2O3的CeO2、掺杂的Bi2O3、掺杂的La2Mo2O9、BaZr0.1Ce0.7Y0.2-cYbcO3(0≤c≤0.20)、BaZr1-dYdO3(0≤d≤0.30)及BaCe1-eMeO3(M=La、Sm、Pr、Nd、Gd、Zr、Y或Yb；0≤e≤0.5)中的任意一种或几种形成的复合物。作为一种优选方案，形成对称电催化薄膜电极的材料均选自Sr2Fe1-fMofO6、LaSr2Fe3-gCrgO8、LaSr2Fe2CrO9、La1-hSrhSc1-iFeiO3、La1-hSrhCejFe1-jO3、BaZr0.1Ce0.7Y0.2-kYbkO3、BaCe1-mFemO3、Ce1-nSrnVO3、LaSr3Fe3-pCopO10、GdBaFe2-qMoqO5、BaCo0.7Fe0.3-rNbrO3、Ba0.9Co0.7Fe0.2Mo0.1O3、LnSr3-xCaxFe3-yCoyO10、Sm1-zCezFeO3中的任意一种或几种形成的复合物，其中：0≤f≤1，0≤g≤1，0≤h≤1，0≤i≤0.5，0≤j≤0.5，0≤k≤0.2，0≤m≤0.5，0≤n≤1，0≤p≤3，0≤q≤2，0≤r≤0.3，0≤x≤3，0≤y≤3，0≤z≤0.5；Ln=La或Nd或Gd。形成对称电催化薄膜电极的材料也可以是上述各类材料与Ag、Au、Pt、Ru、Pd、氧化铈、掺杂氧化铈等构成的复合物。作为一种优选方案，所述致密电解质层的厚度为1～100μm。作为一种优选方案，所述多孔电解质层的厚度为30～2000μm，两侧多孔电解质层的厚度可以相同，也可以一侧较厚，另一侧较薄。作为一种优选方案，所述多孔电解质的孔隙率为5%～95%。作为一种优选方案，所述电催化薄膜电极的厚度为1纳米～1微米，为致密或者多孔结构。作为进一步优选方案，沉积于多孔电解质孔内壁的电催化薄膜电极所占的体积分数为0.1%～99%。上述具有对称电极的固体氧化物燃料电池的一种制备方法，包括如下操作：a)分别配制制备多孔电解质层和致密电解质层的浆料，将所配制的两种浆料分别进行流延成型制得多孔电解质层和致密电解质层生坯，按照多孔电解质层/致密电解质层/多孔电解质层依次自下至上叠置，然后共压得到平板型复合层生坯，再于1400～1600℃下进行共烧结，制得平板型多孔电解质|致密电解质|多孔电解质骨架结构；b)按电催化薄膜电极材料的化学计量比称取所含金属离子的水溶性无机盐，加入络合剂和表面活性剂后共溶于水中，配制电催化薄膜电极材料浸渗前驱液；c)将步骤a)制得的多孔电解质|致密电解质|多孔电解质骨架结构浸润于步骤b)制得的<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有对称电极的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述电池具有如下对称结构：沉积于多孔电解质孔内壁的电催化薄膜电极|致密电解质层|沉积于多孔电解质孔内壁的电催化薄膜电极。

【技术特征摘要】
1.一种具有对称电极的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述电池具有如下对称结
构：沉积于多孔电解质孔内壁的电催化薄膜电极|致密电解质层|沉积于多孔电解质孔内壁的
电催化薄膜电极。
2.根据权利要求1所述的具有对称电极的固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述致
密电解质层的厚度为1～100μm。
3.根据权利要求1所述的具有对称电极的固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述多
孔电解质层的厚度为30～2000μm，两侧多孔电解质层的厚度相同或不同。
4.根据权利要求1所述的具有对称电极的固体氧化物燃料电池，其特征在于：所述多
孔电解质的孔隙率为5%～95%。
5.根据权利要求1所述的具有对称电极的固体氧化物燃料电池，其特征在于：形成多
孔电解质和致密电解质的材料均选自掺杂Y2O3的ZrO2、掺杂Sc2O3的ZrO2、掺杂Y2O3和
Sc2O3的ZrO2、La1-aSraGa1-bMgbO3、掺杂Sm2O3的CeO2、掺杂Gd2O3的CeO2、掺杂的Bi2O3、
掺杂的La2Mo2O9、BaZr0.1Ce0.7Y0.2-cYbcO3、BaZr1-dYdO3及BaCe1-eMeO3中的任意一种或几
种形成的复合物；其中：0.05≤a≤0.30，0.05≤b≤0.30，0≤c≤0.2，0≤d≤0.5，0≤e≤0.5；所述M
选自La、Sm、Pr、Nd、Gd、Zr、Y及Yb元素中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的具有对称电极的固体氧化物燃料电池，其特征在于：形成对
称电催化薄膜电极的材料选自Sr2Fe1-fMofO6、LaSr2Fe3-gCrgO8、LaSr2Fe2CrO9、
La1-hSrhSc1-iFeiO3、La1-hSrhCejFe1-jO3、BaZr0.1Ce0.7Y0.2-kYbkO3、BaCe1-mFemO3、Ce1-nSrnVO3、
LaSr3Fe3-pCopO10、GdBaFe2-qMoqO5、BaCo0.7Fe0.3-rNbrO3、Ba0.9Co0.7Fe0.2Mo0.1O3、
LnSr3-xCaxFe3-yCoyO10、Sm1-zCezFeO3中的任意一种或几种形成的复合物，其中：0≤f≤1，
0≤g≤1，0≤h≤1，0≤i≤0.5，0≤j≤0.5，0≤k≤0.2，0≤m≤0.5，0≤n≤1，0≤p≤3，0≤q≤2，0≤r≤0.3，
0≤x≤3，0≤y≤3，0≤z≤0.5；Ln=La或Nd或Gd。
7.根据权利要求1所述的具有对称电极的固体氧化物燃料电池，其特征在于：形成对
称电催化薄膜电极的材料由Sr2Fe1-fMofO6、LaSr2Fe3-gCrgO8、LaSr2Fe2CrO9、La1-hSrhSc1-iFeiO3、
La1-hSrhCejFe1-jO3、BaZr0.1Ce0.7Y0.2-kYbkO3、BaCe1-mFemO3、Ce1-nSrnVO3、LaSr3Fe3-pCopO10、
GdBaFe2-qMoqO5、BaCo0.7Fe0.3-rNbrO3、Ba0.9Co0.7Fe0.2Mo0.1O3、LnSr3-xCaxFe3-yCoyO10、
Sm1-zCezFeO3中的任意一种与Ag、Au、Pt、Ru、Pd、氧化铈、掺杂氧化铈中的任意一种形
成的复合物，其中：0≤f≤1，0≤g≤1，0≤h≤1，0≤i≤0.5，0≤j≤0.5，0≤k≤0.2，0≤m≤0.5，0≤n≤1，

\t0≤p≤3，0≤q≤2，0≤r≤0.3，0≤x≤3，0≤y≤3，0≤z≤0.5；Ln=La或Nd或Gd。
8.根据权利要求1所述的具有对称电极的固体氧化物燃料电池，其特征在于：沉积于
多孔电解质孔内壁的电催化薄膜电极所占的体积分数为0.1%～99%。
9.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：占忠亮，孟燮，邵乐，韩达，钱继勤，刘雪娇，王绍荣，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：