本发明专利技术涉及固体氧化物燃料电池，具体说是一种中温固体氧化物燃料电池膜电极组件及其制备，其包括阳极基底、锆基电解质膜和中温阴极，中温阴极由４０－８０％钙钛矿型阴极材料和２０－６０％铈基电解质材料构成，在锆基电解质膜和中温阴极之间制备一层由２０－６０％锆基电解质材料和４０－８０％钙钛矿型阴极材料构成的过渡层。本发明专利技术制备的中温固体氧化物燃料电池，不仅提高了固体氧化物燃料电池的性能，比不加过渡层的电池性能提高６５％以上；而且中温阴极与电解质膜结合更加稳固可靠，提高电池的运行稳定性和热循环稳定性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及固体氧化物燃料电池，具体说是一种带过渡层的中温固体氧化物燃料电池膜电极组件MEA及其制备方法，包括阳极基底，锆基电解 质膜和中温阴极，中温阴极由40-80%钙钛矿型阴极材料和20-60%铈基电解 质材料构成，在锆基电解质膜和中温阴极之间制备一层由20-60%锆基电解 质材料和40-80%钙钛矿型阴极材料构成的过渡层。
技术介绍
固体氧化物燃料电池是将化学能直接转化成电能的能量转换装置，采 用全固态结构，具有发电效率高、应用范围广的特点，是理想的分散发电 和集中电站技术，也可以应用于车辆辅助电源、便携式电源等领域。为了减少制造成本，提高稳定性，縮短启动时间，中温固体氧化物燃 料电池(操作温度为650- 800°C)是目前固体氧化物燃料电池研发的主流。 中温固体氧化物燃料电池一般采用薄膜型阳极支撑结构，电解质膜通常采 用锆基电解质材料制备，阴极一般采用由阴极材料与电解质材料构成的复 合阴极。在这种电池中，阳极催化氢氧化的活性远高于阴极催化氧还原的 活性。随着操作温度的降低，阴极极化电阻明显上升，成为制约固体氧化 物燃料电池性能提高的关键因素。为了降低极化电阻，复合阴极中的电解质材料可以釆用离子导电率较 高的铈基电解质材料。在我们以前的研究工作中发现(已申请专利，专利 号200710011257.7)，在阴极中引入铈基电解质材料可大大提高阴极材料 催化氧还原反应的活性，降低电池的极化电阻，提高电池性能。由于由铈 基电解质材料与钙钛矿型阴极材料构成的复合阴极与锆基电解质膜结合不 牢，极易剥落，阴极与电解质膜之间的界面电阻增大，因此在很大程度上 影响了电池的输出功率密度和稳定性。在中温操作条件下，电解质膜与中 温阴极之间的界面电阻已经成为影响电池性能的主要因素之一。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种中温固体氧化物燃料电池膜电极组件及其 制备，为了解决中温固体氧化物燃料电池中锆基电解质膜与由铈基电解质 材料与钙钛矿型阴极材料构成的复合阴极之间界面电阻较大的问题，本发 明通过在锆基电解质膜与中温阴极之间引入一层由锆基电解质材料和钙钛 矿型阴极材料构成的过渡层，来促进电解质膜与中温阴极之间的有效接触， 降低电解质膜/中温阴极之间的界面电阻，从而有效提高电池的输出功率密 度和稳定性。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为一种中温固体氧化物燃料电池膜电极组件，包括阳极基底，锆基电解 质膜和中温阴极，中温阴极由钙钛矿型阴极材料和铈基电解质材料构成， 在锆基电解质膜和中温阴极之间制备一层由锆基电解质材料和钙钛矿型阴 极材料构成的过渡层。中温阴极由钙钛矿型阴极材料和铈基电解质材料构成；在锆基电解质 膜与中温阴极接触的 一侧弓I入一层由锆基电解质材料和钙钛矿型阴极材料 构成的过渡层，其与电解质膜和中温阴极均有较好的相容性，通过调节该 过渡层的材料、厚度、组成、焙烧温度以及中温阴极中的铈基电解质材料 的种类，来促进电解质膜与中温阴极之间的有效接触，降低界面电阻。所述的由20-60%锆基电解质材料和40-80%钙钛矿型阴极材料构成的 过渡层，其特征在于所述的锆基电解质材料为5-2pmol。/。Y203稳定的Zr02 和/或5-20mol。/。Sc2O3稳定的ZrO2，其合成方法可采用共沉淀法、水热合成 法、柠檬酸法、燃烧法、甘氨酸法或硝酸盐浸渍法；所述的钙钛矿型阴极 材料为La,—xSrxMn03(LSM, 0<x<l)或LaxSr!—xCoyFe!.y03(LSCF, 0<x<l, 0<y<l)。在附着于阳极基底上的锆基电解质膜表面采用流延法、丝网印刷法、 喷涂法或涂敷法等制备一层由锆基电解质材料和钙钛矿型阴极材料构成的 过渡层，其厚度控制在50纳米-10微米之间，最佳厚度为100纳米-5微米， 其烧结温度在1000°C-1300°C区间范围内。所述的中温阴极制作材料为40-80%钙钛矿型阴极材料和20-60%铈基 电解质材料，所述的钙钛矿型阴极材料为Lai.xSrxMn03(LSM， (Kx〈l)或 LaxSr^CoyFeLy03(LSCF, 0<x<l, 0<y<l),所述的铈基电解质材料为 LaxCei.x02、 SmxCei—x02、 GdxCei.x02、 YxCei.x02中的一种或一种以上，其中 0.1^^0.5，其合成方法可采用共沉淀法、水热合成法、柠檬酸法、燃烧法、 甘氨酸法或硝酸盐浸渍法，中温阴极采用流延法、丝网印刷法、喷涂法或 涂敷法制备在过渡层上，其厚度为10微米至100微米，烧结温度在 1000-1300°C区间范围内。所述膜电极组件MEA阳极基底制作材料为金属复合陶瓷，其中金属催 化剂包括Ni, Co, Cu, Rh, Fe, Pt, Pd, Mo和/或Ti，氧化物包括5-20mol%Y2O3 稳定的Zr02和或5-20mol。/。Sc2O3稳定的Zr02、 LaxCe.x02、 SmxCe^O^ GdxCei.x02、 YxCei.x02，其中0.1$x^).5，金属催化剂的质量百分比含量为 10%-60%之间；电解质膜制作材料为5-20moP/。Y2O3稳定的Zr02和或5-20mol%Sc2O3 稳定的Zr02，电解质膜的制备方法可以采用高温烧结、气相沉积、溶胶-凝胶、等离子体喷涂法等各种常规的无机膜的制备方法制备到阳极基底上， 其厚度为10微米至60微米，烧结温度在1300°C-1450°C区间范围内；所述膜电极组件MEA的构造可以采用平板型、管型、扁管型、蜂窝型 及其它各种构造方式；可以采用电解质膜自支撑型、阴极支撑型、阳极支撑型等多种结构。本专利技术具有如下优点1. 该中温固体氧化物燃料电池复合阴极中的电解质材料采用离子导电 率较高的铈基电解质材料，大大提高了阴极催化氧还原反应的活性，降低 了电池的极化电阻。2. 通过在锆基电解质膜与中温阴极之间弓i入一层由锆基电解质材料和 钙钛矿型阴极材料构成的过渡层来改善中温阴极与锆基电解质膜之间的接 触，该过渡层与电解质膜和中温阴极均有良好的相容性，既与锆基电解质 膜紧密结合，又可嵌入中温阴极中，可促进锆基电解质膜与中温阴极的接 触，降低中温固体氧化物燃料电池欧姆电阻，提高电池的性能和稳定性。3. 该中温固体氧化物燃料电池膜电极组件MEA的制备工艺简单，可采用多种常规制膜技术制备，具体为首先，采用流延法、干压法或挤出 成型法制备阳极/电解质膜组件；然后，在电解质膜表面制备过渡层，即将锆基电解质材料、钙钛矿型阴极材料与粘结剂均匀混合制成浆料后，通过 流延法、丝网印刷法、喷涂法或涂敷法将其制备在电解质膜与阴极接触的一侧，然后烧结在电解质膜的表面；最后，在过渡层上制备中温阴极。4. 采用该方法制备的固体氧化物燃料电池，可通过调节该过渡层的材 料、厚度、组成、焙烧温度以及中温阴极中的铈基电解质材料的种类，来 促进电解质膜与中温阴极之间的有效接触，有效降低电池在中温操作条件 下的界面电阻，提高电池性能。通过该方法制备的中温固体氧化物燃料电 池，不仅提高了固体氧化物燃料电池的性能，比不加过渡层的电池性能提 高65%以上；而且阴极与电解质膜结合更加稳固可靠，提高电池的运行稳 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种中温固体氧化物燃料电池膜电极组件，包括阳极基底（１），锆基电解质膜（２）和中温阴极（４），其特征在于：中温阴极（４）由钙钛矿型阴极材料和铈基电解质材料构成，在锆基电解质膜（２）和中温阴极（４）之间制备一层由锆基电解质材料和钙钛矿型阴极材料构成的过渡层（３）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：程谟杰，张敏，董永来，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]
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