一种固体氧化物燃料电池及其制备方法技术

本发明专利技术属于新能源发电技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池及其制备方法。该固体氧化物燃料电池包括阳极层、阴极层和电解质层，其中，阳极层为泡沫镍，电解质层包括钼酸镧和/或镓酸镧、氧化钇稳定氧化锆、掺杂氧化铈或碱土金属铈酸盐，阴极层是亚钴酸镧基材料和/或锰酸镧基材料；本发明专利技术制备得到的电池具有面积大、厚度薄、电解质层薄膜致密的优点，同时，可以以很薄的厚度实现隔绝阴极和阳极的功能；该固体氧化物燃料电池通过磁控溅射技术制备得到，在制备过程中先以铜镍合金作为支撑物，而后通过刻蚀工艺形成泡沫镍阳极的方式，节省支撑材料，引入杂质少；通过两次镀膜制备得到电池部件，具有工艺简单的优点。

A Solid Oxide Fuel Cell and Its Preparation Method

The invention belongs to the technical field of new energy power generation, in particular to a solid oxide fuel cell and a preparation method thereof. The solid oxide fuel cell comprises an anode layer, a cathode layer and an electrolyte layer, wherein the anode layer is nickel foam, and the electrolyte layer comprises lanthanum molybdate and / or gallium lanthanum oxide, yttria stabilized zirconia, doped cerium oxide or alkaline earth cerium salt, the cathode layer is lanthanum cobaltate base material and / or manganic lanthanum base material, and the battery prepared by the invention has the advantages of large area, thin thickness and electricity. Meanwhile, it can be used to achieve the function of isolating the cathode and anode. The solid oxide fuel cell is prepared by magnetron sputtering technology. Copper nickel alloy is used as support in the preparation process, and then the foam nickel anode is formed by etching process, which saves support materials and leads to less impurity. The coating is prepared by two times coating. Battery components have the advantages of simple process.

【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
本专利技术属于新能源发电
，具体涉及一种固体氧化物燃料电池及其制备方法。
技术介绍
燃料电池是通过电化学反应将燃料的化学能直接转化为电能的装置。燃料电池具有能量转化效率高、噪声小、污染小的优点。其中固体氧化物燃料电池不使用贵金属催化剂/组件，兼容氢气与甲烷、一氧化碳等含碳气体和煤气化发电，被认为是未来极具竞争力的新型发电技术。固体氧化物燃料电池核心部件由电解质、阴极和阳极构成。电解质材料要求具有很高的氧离子电导与很低的电子电导，阴极和阳极材料需要有良好的电子电导并与电解质热匹配性好。目前的主流电解质材料为钇稳定氧化锆(YSZ)或者掺杂氧化铈陶瓷；阳极材料主要为多孔镍/氧化镍；阴极材料主要为锰酸镧基和亚钴酸镧基陶瓷材料。由于固体氧化物燃料电池核心部件主要为氧化物陶瓷材料，在加工过程中难以达到很薄的厚度，而且机械强度差，容易脆裂，所以目前的固体氧化物燃料电池部件面积都比较小，而且厚度较大。
技术实现思路
因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中固体氧化物燃料电池部件面积较小、厚度较大的缺陷，从而提供一种固体氧化物燃料电池及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：本专利技术提供了一种固体氧化物燃料电池，包括，阳极层，阴极层和设置于其中的电解质层，所述阳极层为泡沫镍；所述电解质层包括钼酸镧和/或镓酸镧，氧化钇稳定氧化锆，掺杂氧化铈或碱土金属铈酸盐；所述阴极层是亚钴酸镧基材料和/或锰酸镧基材料。所述的一种固体氧化物燃料电池，还包括阳极支撑体和阴极支撑体。所述固体氧化物燃料电池的厚度为0.5-100μm；所述电解质层的厚度为0.1-20μm；所述阴极层的厚度为0.1-20μm。本专利技术还提供了一种固体氧化物燃料电池的制备方法，包括，(1)采用磁控溅射技术，在衬底上蒸镀电解质材料，形成电解质层；(2)在电解质层上蒸镀阴极电解质材料，形成阴极层；(3)烧结蒸镀后的衬底，然后将其固定在阴极支撑体；(4)使用铜刻蚀液刻蚀衬底，形成泡沫镍阳极层，将其固定在阳极支撑体，得到固体氧化物燃料电池。所述步骤(1)中，衬底材料为铜镍合金箔。所述步骤(1)中，铜镍合金箔中镍的质量分数为10％-90％。所述步骤(1)中，铜镍合金箔的厚度为0.1-100μm。所述步骤(1)中，所述铜镍合金箔的对角线尺寸为2.54cm-254cm。所述铜镍合金箔的形状为圆形或长方形。本专利技术技术方案，具有如下优点：1.本专利技术提供的固体氧化物燃料电池。该电池以泡沫镍为阳极，以钼酸镧和/或镓酸镧、氧化钇稳定氧化锆、掺杂氧化铈或碱土金属铈酸盐为电解质层材料，以亚钴酸镧基材料和/或锰酸镧基材料为阴极层材料。本专利技术制备的固体氧化物燃料电池具有面积大、厚度薄的优点；同时该电池的电解质层薄膜致密，可以以很薄的厚度实现隔绝阴极和阳极的功能；此外，该电池的电解层材料晶粒小、晶界占比多，氧离子导电性高，可以使燃料电池具有较好的氧传输性能和大的电流密度，在0-800℃下反复循环100次后依然正常工作，没有裂纹出现，输出功率密度下降不超过25％。2.本专利技术提供的固体氧化物燃料电池的制备方法。该制备方法以铜镍合金作为支撑物，采用磁控溅射技术，在支撑物上蒸镀电解质材料形成电解质层，然后在电解质层蒸镀阴极材料形成阴极层，使用刻蚀工艺刻蚀铜镍合金形成了泡沫镍阳极，得到固体氧化物燃料电池。该制备方法使用磁控溅射镀膜技术可以使电池具有面积大、厚度薄的优点；在制备电池过程中先以铜镍合金作为支撑物，而后通过刻蚀工艺形成泡沫镍阳极的方式，节省支撑材料，材料利用率高，引入杂质少；通过两次镀膜制备得到电池部件，具有工艺简单的优点。此外，在电解质层表面电镀形成阴极层，厚度较薄，使阴极层具有一定的柔性，多次温度变化不会出现脆裂；同时，阴极层在电解质层表面具有一定的动能与驰豫时间，与电解质表面的结合较为牢固，形成键合，使电解质层材料与阴极层材料的浸润性和匹配性较好；而且电解质层与泡沫镍阳极的结合强度高，温度变化时强度好。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是固体氧化物燃料电池组件制备流程图。具体实施方式提供下述实施例是为了更好地进一步理解本专利技术，并不局限于所述最佳实施方式，不对本专利技术的内容和保护范围构成限制，任何人在本专利技术的启示下或是将本专利技术与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本专利技术相同或相近似的产品，均落在本专利技术的保护范围之内。实施例1本实施例提供了一种固体氧化物燃料电池的制备方法，包括，(1)选用平整的直径为2.54cm、厚度为50μm的圆形铜镍合金箔，其中镍的质量分数为25％，将其放入磁控溅射镀膜设备中，待真空度为10-3Pa时，在衬底上蒸镀氧化钇稳定氧化锆，形成电解质层，其中蒸镀时间为10min，功率为100W，蒸镀厚度为10μm；(2)在磁控溅射镀膜设备中，更换靶材，在电解质层上蒸镀LSCF，形成阴极层，其中蒸镀时间为10min，功率为100W，厚度为10μm；(3)将蒸镀后的电解质材料和阴极层材料的衬底取出，在150℃下烧结，烧结时间5h，然后将其固定在阴极支撑体上；(4)使用铜刻蚀液刻蚀铜镍合金衬底，形成泡沫镍阳极，将泡沫镍阳极固定在阳极支撑体上，得到固体氧化物燃料电池。经检测，固体氧化物燃料电池的阴极层厚度为10μm，电解质层厚度为10μm，电池的厚度为55μm；电池的氧离子导电性为1.2S/cm2；输出功率密度为1.0W/cm2，在0-800℃下反复循环100次后依然正常工作，没有裂纹出现，输出功率密度为0.86W/cm2；抗弯强度从60MPa下降到52.8MPa。实施例2本实施例提供了一种固体氧化物燃料电池的制备方法，包括，(1)选用平整的对角线为50cm、厚度为30μm的长方形铜镍合金箔，其中镍的质量分数为90％，将其放入磁控溅射镀膜设备中，待真空度为10-4Pa时，在衬底上蒸镀镨掺杂氧化铈，形成电解质层，其中蒸镀时间为5min，功率为100W；厚度为5μm；(2)在磁控溅射镀膜设备中，更换靶材，在电解质层上蒸镀LSM，形成阴极层，其中蒸镀时间为5min，功率为100W；厚度为10μm；(3)将蒸镀后的电解质材料和阴极层材料的衬底取出，在400℃下烧结，烧结时间1h，然后将其固定在阴极支撑体上；(4)使用铜刻蚀液刻蚀铜镍合金衬底，形成泡沫镍阳极，将泡沫镍阳极固定在阳极支撑体上，得到固体氧化物燃料电池。经检测，固体氧化物燃料电池的阴极层厚度为10μm，电解质层厚度为5μm，电池的厚度为40μm；电池的氧离子导电性为1.5S/cm2；输出功率密度为1.25W/cm2；在0-800℃反复循环100次后依然正常工作，没有裂纹出现，输出功率密度为1.15W/cm2；抗弯强度从45MPa下降到40.5MPa。实施例3本实施例提供了一种固体氧化物燃料电池的制备方法，包括，(1)选用平整的直径为100cm、厚度为40μm的圆形铜镍合金箔，其中镍的质量分数为50％，将其放入磁控溅射镀膜设备中，待真空本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固体氧化物燃料电池，包括，阳极层，阴极层和设置于其中的电解质层，其特征在于，所述阳极层为泡沫镍；所述电解质层包括钼酸镧和/或镓酸镧，氧化钇稳定氧化锆，掺杂氧化铈或碱土金属铈酸盐；所述阴极层是亚钴酸镧基材料和/或锰酸镧基材料。

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池，包括，阳极层，阴极层和设置于其中的电解质层，其特征在于，所述阳极层为泡沫镍；所述电解质层包括钼酸镧和/或镓酸镧，氧化钇稳定氧化锆，掺杂氧化铈或碱土金属铈酸盐；所述阴极层是亚钴酸镧基材料和/或锰酸镧基材料。2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池，其特征在于，还包括阳极支撑体和阴极支撑体。3.根据权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池的厚度为0.5-100μm；所述电解质层的厚度为0.1-20μm；所述阴极层的厚度为0.1-20μm。4.一种固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，包括，(1)采用磁控溅射技术，在衬底上蒸镀电解质材料，形成电解质层；(2)在电解质层上蒸镀阴极电解质材料，形成阴极层；(3)烧结蒸镀后的衬底，然后将其固定在阴...

【专利技术属性】
技术研发人员：田博元，刘少名，宋洁，梁丹曦，杨岑玉，徐桂芝，邓占锋，
申请(专利权)人：全球能源互联网研究院有限公司，国家电网有限公司，国网辽宁省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11