具有特殊电极层的固体氧化物燃料电池制造技术

一种固体氧化物燃料电池，包括一层电解质材料，电解质材料的两侧分别为第一层电极材料和第二层电极材料，其中至少有一层电极材料能与电解质材料发生反应，有一层包含混合导体的隔离层，它将发生反应的电极材料与电解质材料隔离开。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池，特别是固体氧化物燃料电池。燃料电池是电化学装置，该装置能把从反应物获得的化学能转化为电能。现有技术中已研制出多种此类装置，常根据电池中使用的电解质种类以及通常情况下的工作温度来区分它们的不同。所有燃料电池均在阳极或负极消耗燃料，在阴极或正极消耗氧化剂。固体氧化物燃料电池是人们普遍熟悉的，通常包括一个工业标准电解质块，该电解质块含有与之形成紧密导电接触的阳极和阴极。在大多数已知的固体氧化物燃料电池中，电解质被夹在阳极和阴极之间，电池组中相邻电池间的阳极和阴极用一种内连或双向板连接在一起，可允许电池间进行电子传导，同时还可以将反应物气体隔离，使其被分别输送到阳极和阴极附近的区域。通常，反应物气体包括氧气和氢气(或含氢化合物，如甲烷等碳氢化合物)。氧气常由空气提供，作氧化剂；而氢气(或含氢化合物)则作燃料。内连或双向板或其一部分必须是不透气的，以隔离反应物气体。除此之外，内连或双向板还必须具有导电性，允许电子在电极表面往返输运，从而促进电化学过程。然而，这些普通的固体氧化物燃料电池，都在各自不同的形式中，面临着许多问题，如不实用，成本高或效率低等。为了解决这些问题，改善固体氧化物电池的性能，人们曾做过一些尝试。可以提高效率，但这却涉及提高工作温率高达1000℃左右的问题。如此高的温度，将会限制电池结构和辅助支撑结构中所能使用的材料种类。为了承受这种工作条件，需要用昂贵的国外材料。另外，高温下，电池的工作寿命也会缩短。其它的办法是减小电解质厚度。采取这种方法的原因是，一般认为，减小电解质厚度可以降低电池的阻抗。但薄的电解质要求进一步加固整个支撑媒介，否则电池便易碎以至无法使用。这也提高了成本，并且为了使电池在工作条件下耐用，可能也要用到国外的材料。本专利技术提供了一种固体氧化物燃料电池，它包括一层电解质材料，位于电解质材料一侧的第一层电极材料和位于电解质材料另一侧的第二层电极材料，其中至少有一层电极材料易与电解质材料发生反应，且该电极材料与电解质材料之间用一层含有混合导体的隔离层隔开。本专利技术中提到的混合导体应是这样一种材料，它至少能部分地传导电子和氧离子。在每个电极层与电解质层之间都可以很方便地提供一个混合导体层。在这种情况下，两层混合导体材料可以不同，但最好相同。已经认识到，传统电池中与电解质隔离的电极材料主要起电流收集的作用(电流收集极)，而混合导体材料则起电极的作用(电极)。理想情况下，上述隔离层/电极材料应是这样一种陶瓷氧化物，它或者能在氧化气氛中保持稳定，或者能在还原气氛中保持稳定。这要由输运到相邻电极/电流收集材料表面的气体来决定。更理想的情况是，隔离层/电极材料在氧化气氛和还原气氛中均能保持稳定，这样，在两个电极/电流收集材料附近就可以使用相同的混合导体进行隔离。根据本专利技术，固体氧化物燃料电池中用到的隔离层/电极材料最好是氧化铀，UO2，而且为了达到前面提到的稳定性，氧化铀中最好再掺杂一种或多种其它的氧化物。例如，可以在氧化铀中掺杂一些作为稳定剂的氧化钇。在与氧化铀形成的混合氧化物中，氧化钇的摩尔比在40％～60％之间较为可取。电极材料通常是一种混合氧化物传导夹层，它最好包含氧化铀和氧化锆。若再将氧化铀以含有氧化钇的固溶体形式提供，那就更好了。传导夹层可以从悬浮物中制取，此悬浮物还包含一种或多种如下物质氧化钇致稳的氧化锆；鱼肝油；聚乙烯醇缩丁醛；聚乙烯乙二醇；二丁酯邻苯二酸盐；乙醇；萜品醇等。所用氧化铀可包括天然的或贫化的氧化铀。所谓贫化的氧化铀，是指U235的含量小于天然氧化铀中U235的含量。隔离层/电极材料层(若此材料层不止一个，则指其中每一层)的厚度最好小于100微米(μm)，以便在被隔离层/电极材料隔开的电解质材料和电极/电流收集材料(一层或两层)之间维持离子传导。电解质材料可能包括一种以氧化锆为基础的离子传导基块，氧化锆中已掺入某种稳定剂，稳定剂可以任选，如可能是氧化钇。电解质可以做成块状。它可以从氧化钇致稳的氧化锆中制取。氧化钇的含量一般在3％～12％之间，最好在8％左右。另外，电解质块也可以用一种含水悬浮物制成。这种含水悬浮物可含有如下一种或多种物质氧化锆、粘和剂和分散剂。悬浮物中最好加入聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯乙二醇及分散剂等物质中的一种或几种。较合适的取法为氧化锆占35％～60％，粘和剂占35％～60％(如重量百分比为5％的PVA)。悬浮物中还可以包括2％～8％的聚乙烯乙二醇以及1％～5％的分散剂。悬浮物中包含的各物质优选比例为氧化锆100克；5％的PVA水溶液100克；聚乙烯乙二醇10克；分散剂5克。也可使用其它任何一种适合的电解质。阳极材料/(电流收集材料)电流收集极可能包括一种NiO/ZrO2的混合系统，通常取陶瓷合金的形式，其附近有氢气输入。阴极材料/电流收集极附近有氧气输入。该电极可能包括一种辉钴矿氧化物系统。如，可能是这样一种混合型氧化物，它除了包含氧化钴以外，一般还包含镧、锶、铁和/或锰的氧化物。镧锶辉钴矿(LSC)是做阴极电流收集极最理想的电流收集/电极材料。但电流收集极也可以用其它任何一种适合的具有电传导性的氧化物和钙钛矿。阴极最好具有用掺杂的镧锶辉钴矿做成的电流收集极，它可以提供更高的电子和离子传导率。由于镧锶辉钴矿与氧化锆电解质材料不能共存，因此这种材料在以前一直无法使用。但根据本专利技术，在固体氧化物燃料电池中加入一层隔离层/电极材料，可以避免电解质材料与镧锶辉钴矿材料之间发生反应，同时还能有助于维持适当有效的电化学转化及离子传导。令人惊奇的是，同样以氧化锆为基础做电解质材料，与现有技术中广泛研究的以镧(反应性较差)为基础的电极材料(包含镧、锶、锰的氧化物)相比，用以辉钴矿为基础的电极/电流收集材料作阴极(其与电解质材料之间被一层以氧化铀为基础的隔离层/电极材料隔开)，其电流密度输出要大。最好将镧锶辉钴矿印刷到电解质块上，若采用丝网印刷的方法那就更好了。根据本专利技术，在固体氧化物燃料电池的工作过程中，隔离层/电极层恰好提供了一个二维传导场地，从而使电化学过程中产生的离子的有效传导(如下文所描述)更容易进行。用来作隔离层/电极材料的氧化铀还可以对电解质和电极材料的热膨胀性质进行调节，使它们较好地匹配在一起，例如下面描述的具体实施中给出的一些特殊材料就是例子。本专利技术的第二部分提供了一种制备燃料电池的方法，其步骤包括制备电解质块；将电极层加到电解质块上，其中电极层中含有氧化铀。本专利技术的第三部分给出了一种制备燃料电池的方法，其步骤包括制备电解质块；将电极层加到电解质块上；然后将电流收集材料加到电极上。电极层中最好含有氧化铀。以下还有其它一些选项，都是针对第二部分和第三部分的。它们包括最好在电解质两侧都加上电极层和电流收集材料。电解质块最好从一种氧化锆的悬浮物中制取，并且此悬浮物最好是在含水的基础上形成的。通常将悬浮物与粘合剂、分散剂混合在一起使用。优选粘合剂为聚乙烯醇和聚乙烯乙二醇，但也可以用其它任何一种合适的粘合剂。分散剂可以用肥皂水溶液，也可以用其它任何一种适当的分散剂。常希望将氧化锆与5％的聚乙烯醇混合在一起，然后顺便再把其余的物质加进去。此种混合物最好用球磨机碾磨几天，然后把它们切成板状，并放在室温下自然风干。电极层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：R·G·勒文，S·V·巴尔内特，G·A·乌德，
申请(专利权)人：英国核子燃料公司，
类型：发明
国别省市：