一种新型钙钛矿太阳能电池技术发展的新一代先进燃料电池制造技术

本发明专利技术公开了一种用新型钙钛矿太阳能电池技术发展的新一代先进燃料电池。其特征为：用p-型钙钛矿氧化物或者用p-导电的金属氧化物，同时加入高离子导电材料如多离子掺杂的氧化铈，形成半导体-离子的新型复合功能材料。其次用n-型电子导电的钙钛矿氧化物或金属氧化物，如镧锶钙钛或过渡金属氧化物作为电子导电层，p-导电的金属氧化物为空穴导电层，用泡沫镍为阳极和阴极集电极，如此构造新型燃料电池。此种新型结构取得比传统阳极，电解质和阴极的燃料电池3-5倍高的电池性能，在550℃获得800-1500mW/cm2。另外采用了廉价的工业原料、这种简单的燃料电池制造工艺以及低的工作温度，600℃以下，使固体氧化物燃料电池成本大大降低、使用效果好。便于大量推广使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于固体氧化物燃料电池(SOFC)
，具体涉及用新型钙钛矿太阳能电池技术发展新一代的先进燃料电池，公开了材料和器件的构造。比传统的SOFC技术构造的燃料电池性能提高3-5倍，且廉价。
技术介绍
最近太阳能电池在新型钙钛矿材料和技术的出现后得到日新月异的发展，转换效率是目前所有太阳能电池中最高的，达到近20％。除了其特异功能的钙钛矿结构的有机-无机杂化材料的优异物理性能外，其特殊的器件构造技术和结构是另一个成功的原因。究其器件结构，我们知道有机-无机钙钛矿为关键的功能层，是有效产生电荷载流子和电荷分离的关键材料，电子导电TiO2层和空穴导电层制约器件载流子和电流的输出。因为有机-无机钙钛矿材料本身是空穴导电特性，加上有机空穴导电材料比黄金贵10倍的价格，所以，也有大量的研发是不要空穴导电层的新一代太阳能电池，虽然其转换效率有所损失。但是，对于廉价的无机陶瓷空穴导电材料其造价就根本不是问题。完全按照此先进钙钛矿太阳能电池来发展新一代先进燃料电池则是绝无仅有的专利技术。根据钙钛矿太阳能电池的结构和原理，我们用p-型钙钛矿氧化物，例如镧(钡)锶钴铁(La，BaSrCoFe)氧化物代替有机-无机钙钛矿杂化材料，同时加入高离子导电材料，钐和钙共同掺杂的氧化铈，SmCa-CeO2，或者La-Nd-Sm，La-Nd-Sm-Pr多离子掺杂氧化铈，形成半导体-离子的新型复合功能材料。这是关键的核心材料的发明。其次用n-型电子导电的钙钛矿氧化物，如镍、钴、铁修饰的镧锶钙钛氧化物或锶铁钼氧化物作为电子导电层，以及廉价的镍钴锂或镍钴铝锂(NCL或NCAL)氧化物为空穴导电层构造新型燃料电池。进一步结合燃料电池的特点，用泡沫镍为阳极支撑和集电极相当于钙钛矿太阳能电池的ITO或者FTO导电玻璃，而太阳能电池阴极这边的金属集电极通常为金则可以在燃料电池省掉或者也用泡沫镍代替。钙钛矿氧化物是最有效的先进SOFC电极材料。它具有良好的电子、空穴的导电性以及一定的氧离子导电。钙钛矿具有ABO3结构。A是大的阳离子，通常为稀土元素镧等，碱金属元素钡等，具备12-个氧离子协同构型，而小的过渡金属元素例如Ti，Cr，Co，Fe，Mn等为6度氧离子对称协同环境。我们选择La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-1(LSCF)为例，这是把锶掺杂进钴酸镧氧化物结构形成的A-改性钙钛矿结构材料。它具有高的p-型电导率，900℃时达到230S/cm2，并具有高的氧离子电导率0.2S/cm，已发现LSCF在SOFC中有好的电极催化活性。另一方面，钛酸盐是一类新兴电子导电的钙钛矿结构材料，例如镧掺杂钛酸锶(LST)。但是由于其低的电子导电性需要进一步通过对A-位修饰而提高电子导电性。另外利用B-位的离子在氧化和还原不同气氛的变价特性提高其电化学和电极的催化活性和燃料电池的性能，例如La0.2Sr0.25Ca0.45TiO3(LSCT)并进一步用过渡金属元素，Ni，Cu，Co，Fe来改性提高导电性和电极催化活性。为了实现燃料电池的性能，需要高性能的离子导电材料。我们采用掺杂或多离子掺杂，例如Sm3+和Ca2+共掺杂，La-Pr-Nd多掺杂的氧化铈，实现高的离子导电性。据报道Sm3+和Ca2+共掺杂氧化铈是迄今为止最高氧离子电导率的材料在温度为700℃时达0.1S/cm。进一步制备p-导电的LSCF钙钛矿和掺杂氧化铈的半导体离子新型功能的复合材料。我们还发现，用锂掺杂的过渡金属氧化物代替钙钛矿氧化物和掺杂氧化铈制备的半导体离子复合材料，能够获得更好的燃料电池性能，特别是商业的锂电池正极材料NCL和NCAL。最后按照钙钛矿太阳能电池的构造和技术来发展和构造新一代先进燃料电池，如下所述。
技术实现思路
本专利技术的目的是采用最近太阳能电池的先进技术和原理发展新一代先进燃料电池。提供固体氧化物燃料电池商业化一条新路。本专利技术是这样实现的：采用钙钛矿太阳能电池的结构和技术，如图1所示，不同于传统的燃料电池构造，这是没有电解质隔膜的电池结构。按照钙钛矿太阳能电池技术，核心功能层为p-型的钙钛矿氧化物或者p-导电的金属氧化物与离子导电材料，如掺杂氧化铈的复合材料，即半导体-离子复合材料。在其两边辅以电子导电层和空穴导电层，加上金属集电极(泡沫镍)即完成新型燃料电池的构造，具体描述如下。如太阳能电池一样，钙钛矿的吸光层是器件的核心。新型燃料电池也是一样具有核心的功能层，它既导电子，同时又传输离子完成燃料电池的化学能到电能的转化，实现燃料电池的氧化-还原的反应。例如La(Ba)SrCoFe-氧化物代替太阳能电池的有机-无机钙钛矿材料，或者用p-导电的金属氧化物，例如廉价的镍钴铝锂(NiCoAlLi)氧化物为空穴导电，同时加入高离子导电材料，钐和钙共同掺杂的氧化铈，SmCa-CeO2，或者La-Nd-Sm，La-Pr-Nd-Sm等多离子掺杂氧化铈，形成半导体-离子的新型复合功能材料。其次用n-型电子导电的钙钛矿氧化物，如镧锶钙钛和锶铁钼氧化物或其它具有电子导电性能的金属氧化物作为电子导电层，具有p-型导电的金属氧化物，典型的为NCL或NCAL为空穴导电层如此构造新型燃料电池。进一步结合燃料电池的特点：i)用高电子导电的金属氧化物如锂掺杂的镍-钴-铁氧化物代替电子导电的钙钛矿氧化物；ii)用泡沫镍为阳极支撑和集电极相当于钙钛矿太阳能电池的ITO或者FTO导电玻璃，而太阳能电池阴极这边的金属集电极通常为金则可以在燃料电池省掉或者也用泡沫镍代替。本专利技术根据钙钛矿太阳能电池发展新一代先进燃料电池的材料和技术。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)由于去除电解质的限制，使用廉价的功能材料，有益于商业化；(2)同时大大增强燃料电池的低温性能；(3)降低材料成本，简单的器件制造技术便于大规模生产；(4)同一器件具有同时实现太阳能与燃料转化为电能的潜力；(5)实现了小模块化设计，便于维护、扩展、移动。附图说明图1用钙钛矿太阳能电池的技术构造新型燃料电池-结构图图2是传统阳极/电解质/阴极结构的燃料电池(构型III)在不同温度的特性。图3是泡沫镍涂覆Ni-LSCTF/LSCF-掺杂氧化铈(核心组件)/泡沫镍涂覆NCAL构型I新型燃料电池在不同温度下的特性。图4是泡沫镍涂覆SrFeMo氧化物/LSCF-掺杂氧化铈(核心组件)/泡沫镍涂覆NCAL构型I新型燃料电池在不同温度下的特性。图5是泡沫本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用新型钙钛矿太阳能电池技术发展的新一代先进燃料电池。其构造特征是没有传统燃料电池电解质，而是按照新型钙钛矿太阳能电池的技术和部件来构造燃料电池。

【技术特征摘要】
1.一种用新型钙钛矿太阳能电池技术发展的新一代先进燃料电池。其构造特征是
没有传统燃料电池电解质，而是按照新型钙钛矿太阳能电池的技术和部件来构造燃料电
池。
2.根据权利要求1，该先进燃料电池是这样构造的：用p-型钙钛矿氧化物或者用
p-导电的金属氧化物和离子导电的掺杂氧化铈制备成半导体-离子复合材料为核心组
件，其次在其两面施以n-型电子导电和空穴导电材料(层)和金属集电极。
3.根据权利要求2，P-钙钛矿氧化物为：例如镧(钡)锶钴铁(La(Ba)SrCoFe)氧
化物；离子导电材料：掺杂的氧化铈，例如Sm，Gd，Ca，及它们共掺杂氧化铈，或者
La-Nd-Sm，La-Nd-Sm-Pr多掺杂氧化铈；n-型电子导电材料：Ni，Cu，Co，Fe修饰的钙
钛矿氧化物，如镧锶钙钛(LaSrCaTi-钙钛矿氧化物)以及电子导电的锶铁钼(SrFeMo)
钙钛矿氧化物；或者金属氧化物，例如锂掺杂或...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱斌，陆玉正，
申请(专利权)人：南京蕴纳纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32