一种薄膜氢电极固体氧化物电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种薄膜氢电极的固体氧化物电池及其制备方法，本发明专利技术通过流延法制备具有致密YSZ薄膜电解质层和多孔YSZ厚膜支撑层的一体化半电池；然后采用丝网印刷的方法制备薄膜氢电极，在YSZ电解质表面制备GDC隔离层，然后在GDC隔离层表面制备陶瓷氧化物氢电极，最后，采用溶液浸渍法在多孔YSZ厚膜支撑层中浸渍纳米钙钛矿氧电极，最终得到同时具有薄膜氢电极和薄膜电解质的固体氧化物电池。该结构电池可以降低电解质欧姆阻抗和氢电极内部气体组分扩散阻抗，提高燃料电池模式下的燃料利用效率和电解模式下的电效率。

【技术实现步骤摘要】
一种薄膜氢电极固体氧化物电池及其制备方法
本专利技术涉及了一种薄膜氢电极固体氧化物电池及其制备方法，具体为电池制备领域。
技术介绍
目前，～96％的氢气是通过煤、石油和天然气等化石资源为原料制取的，如煤气化和天然气重整制氢等，规模大、技术成熟度高，但工艺流程复杂、设备庞大、能量转换效率不足。而且我国油气资源较贫瘠，上述制氢技术还会产生一定环境隐患，因此需要开发新型制氢概念和技术途径。在众多电解制氢技术中，固体氧化物电解池(SolidOxideElectrolysisCell,SOEC)在高温下工作(700-950℃)，反应动力学快、能量损失小，其消耗的电能几乎可以完全转换为化学能储存在产物中，电效率一般可达～99％以上。现有SOC单电池多为电解质支撑和氢电极支撑结构：电解质支撑电池长期运行稳定，但欧姆电阻较大，性能较差，一般需要在～850℃及以上高温工作。氢电极支撑电池具有较小的欧姆阻抗，运行温度可降低到～750-850℃；然而在用于电解水制氢时，较厚的氢电极支撑层会产生较大的扩散极化阻抗。因此，在电解水制氢时，选用同时具有较薄电解质和氢电极的氧电极支撑结构是最佳方案。现有商业应用单电池多为第一代电解质支撑结构，其机械强度依靠较厚的电解质层提供，稳定性高、热循环和抗氧化还原能力强；但由于电解质较厚，导致电池欧姆阻抗较大，因此其运行温度较高，一般在850-1000℃。第二代阳极支撑单电池采用了较厚的Ni-YSZ作为机械支撑层，但由于阳极支撑层较厚，阳极侧燃料及其氧化产物扩散阻力较大，不利于获得较高的燃料利用效率。因此需要设计同时具有电解质薄膜和阳极薄膜的固体氧化物燃料电池(SOFC)，减少阳极极化扩散阻抗，提高燃料利用效率。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种薄膜氢电极固体氧化物燃料电池及其制备方法，当该薄膜氢电极固体氧化物燃料电池用于电解制氢时，较薄的氢电极和较薄的电解质层可以大大降低了扩散极化阻抗，提高电解效率。当该薄膜氢电极固体氧化物燃料电池用于固体氧化物燃料电池时，较薄的阳极层和电解质层可以极大地减少阳极极化扩散阻抗，提高燃料利用效率。实现本专利技术目的的技术方案如下：一种薄膜氢电极固体氧化物燃料电池，电池的电解质层为YSZ，隔离层为GDC，阳极层为LSCFN，阴极层为LSCF；所述的YSZ为8％molY2O3稳定ZrO2，所述的GDC为Gd2O3掺杂CeO2，通式为Ce0.9Gd0.1O2-m，0﹤m≤0.5；所述的LSCFN通式为La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-δ，0﹤δ≤1，且LSCFN是纯钙钛矿结构。通过流延法制备具有致密YSZ薄膜电解质层和多孔YSZ厚膜支撑层的一体化半电池；然后采用丝网印刷的方法制备薄膜氢电极，在YSZ电解质表面制备GDC隔离层，然后在GDC隔离层表面制备陶瓷氧化物氢电极，最后，采用溶液浸渍法在多孔YSZ厚膜支撑层中浸渍纳米钙钛矿氧电极，最终得到同时具有薄膜氢电极和薄膜电解质的固体氧化物电池。进一步，本专利技术提供了上述薄膜氢电极固体氧化物燃料电池的制备方法，其制备方法如下：步骤1，制备YSZ电解质片将流延出的YSZ电解质胚体冲压为直径19mm的小圆片，在1400℃烧结5h，获得多孔YSZ支撑的半电池支撑体；步骤2，丝印GDC阻隔层选用上述一体化半电池支撑体，在致密YSZ电解质片表面丝网印刷GDC阻隔层，然后在1300℃煅烧3h，厚度为5μm；步骤3，丝印氧电极LSCFN选用组成为La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-δ(LSCFN)的钙钛矿氧化物材料，通过丝网印刷的方法沉积在GDC隔离层表面，然后在1075℃煅烧2h，形成工作面积为0.5cm2的阳极厚度为40μm；步骤4，浸渍LSCF氢电极采用LSCF浸渍溶液在多孔YSZ支撑体中制备阴极，浸渍阴极需要浸渍15遍左右，直到溶液无法自动渗透进多孔层，每次浸渍完在750℃煅烧0.5h，厚度为400μm；步骤5，制成单电池最后，在阴极和阳极表面分别丝印银网格集电，单电池的有效工作面积为0.5cm2。本专利技术还提供了上述氢电极LSCFN的制备方法，具体步骤如下：步骤1，按La(NO3)6·6H2O：SrCO3：Co(NO3)2·6H2O：Fe2O3：Nb2O5＝0.4：0.6：0.2：0.35：0.1的摩尔比，放入球磨罐中加乙醇球磨48h；步骤2，将球磨的混合物在烘箱中干燥后，放在坩埚中在1100℃煅烧5h，200目过筛后成为氢电极材料。本专利技术的氧电极和电解质结构一体化，采用多孔YSZ作为氧电极支撑层，与致密YSZ电解质薄膜共烧结，消除了氧电极和电解质之间的界面，提高了寿命和热循环稳定性，同时采用浸渍技术可以在多孔YSZ中制备纳米氧电极，实现高性能输出。本专利技术的电池在用于燃料电池和电解池时，其电解质薄膜化、阳极薄膜化大大降低了欧姆阻抗和氢电极扩散极化阻抗，获得较高的能量转换效率。由于YSZ与很多高活性阴、阳极钙钛矿材料的化学兼容性较差，在高温制备以及长期运行过程中容易发生反应，掺杂氧化铈(如10-20％mol的Gd2O3或Sm2O3掺杂CeO2：GDC或SDC)在低温下(～600℃)的离子电导率较高，而且氧化铈基电解质与现有电极材料的化学兼容性均很好。氧化铈基电解质材料多与YSZ等电解质组成双电解质层，或作为隔离层以防止在高温制备和长期运行过程中电极材料与电解质之间发生反应。当直接采用Ni-YSZ氢电极时，可以不用GDC隔离层，使用陶瓷氧化物氢电极时需要用GDC隔离层。陶瓷氧化物既包括钙钛矿结构的，也包括层状钙钛矿结构的，双钙钛矿结构，尖晶石等结构。综上所述，本专利技术与现有技术相比具有以下技术效果：(1)同时具有薄膜电解质和薄膜氢电极，在获得低欧姆电阻损失的同时，获得低的氢电极扩散损失。(2)氧电极和电解质结构一体化，采用多孔YSZ作为氧电极支撑层，与致密YSZ电解质薄膜共烧结，消除了氧电极和电解质之间的界面，提高了寿命和热循环稳定性，同时采用浸渍技术可以在多孔YSZ中制备纳米氧电极，实现高性能输出。(3)所述电池电解质薄膜化、阳极薄膜化，且各界面连接紧密，不易脱落。附图说明图1是薄膜氢电极固体氧化物燃料电池的电池结构图。图2是薄膜氢电极固体氧化物燃料电池的断面微观形貌图。图3是薄膜氢电极固体氧化物燃料电池在750℃和不同氢分压下的功率密度图。图4是薄膜氢电极固体氧化物燃料电池在750℃和不同氢气流量下的功率密度图。图5是薄膜氢电极固体氧化物燃料电池作为燃料电池的电化学交流谱图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详述。实施例1：薄膜氢电极固体氧化物燃料电池的制备步骤1，制备YSZ电解质片将流延出的YSZ电解质胚体冲压为直径19mm的小圆片，在1400℃烧结5h，获得多孔YSZ支撑的一体化半电池支撑体；步骤2，丝印GDC阻隔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种薄膜氢电极固体氧化物燃料电池，其特征在于，包括：电池的电解质层为YSZ，隔离层为GDC，阳极层为LSCFN，阴极层为LSCF；所述的YSZ为8％molY2O3稳定ZrO

【技术特征摘要】
1.一种薄膜氢电极固体氧化物燃料电池，其特征在于，包括：电池的电解质层为YSZ，隔离层为GDC，阳极层为LSCFN，阴极层为LSCF；所述的YSZ为8％molY2O3稳定ZrO2，所述的GDC为Gd2O3掺杂CeO2，通式为Ce0.9Gd0.1O2-m，0﹤m≤0.5；所述的LSCFN通式为La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-δ，0﹤δ≤1，且LSCFN是纯钙钛矿结构。


2.一种薄膜氢电极固体氧化物燃料电池，其特征在于，包括：
通过流延法制备具有致密YSZ薄膜电解质层和多孔YSZ厚膜支撑层的一体化半电池；然后采用丝网印刷的方法制备薄膜氢电极，在YSZ电解质表面制备GDC隔离层，然后在GDC隔离层表面制备陶瓷氧化物氢电极，最后，采用溶液浸渍法在多孔YSZ厚膜支撑层中浸渍纳米钙钛矿氧电极，最终得到同时具有薄膜氢电极和薄膜电解质的固体氧化物电池。


3.根据权利要求2所述的薄膜氢电极固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，制备YSZ电解质片，将流延出的YSZ电解质胚体冲压为直径19mm的小圆片，在1400℃烧结5h，获得多孔YSZ支撑的半电池支撑体；
步骤2，丝印GDC阻隔层选用上述一体化半电池支撑体，在致密YSZ电解质片表面丝网印刷GDC阻隔层，然后在1300℃煅烧3h，厚度为5μm；
步骤3...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱腾龙，吕秋秋，宋佳宁，钟秦，韩敏芳，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32