一种抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法与应用，所述电解质为传导氢质子型材料和传导氧离子型材料复合而成的双层结构，所述传导氢质子型材料为电解质双层结构的主体材料，沿气流方向间隔设置传导氧离子型材料，且电解质双层结构中相同位置处传导氧离子型材料的面积不同，使得传导氧离子型材料在电解质双层结构中呈T型或倒T型分布。本发明专利技术电解质的双层设计实现了在几乎不改变电解质的质子传导特性及电池性能的同时，通过在电解质中间隔设置传导氧离子型材料，允许氧离子由阴极传导至阳极，氧化阳极中含碳燃料生成的固体碳，提高质子传导型固体氧化物燃料电池的抗积碳能力，而且更加安全。而且更加安全。而且更加安全。

【技术实现步骤摘要】
一种抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于固体氧化物燃料电池
，具体涉及一种抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell，SOFC）是一种能够在高温下直接利用燃料，通过电化学反应生成电能的装置。SOFC核心的反应单元由三部分组成：阳极，电解质和阴极。工作过程中，燃料气体如甲烷、氢气等从阳极流道通入，通过阳极多孔结构扩散进入阳极反应区，在三相线处发生氧化反应；氧气则从阴极流道通入，通过阴极多孔结构扩散进入阴极反应区，在三相线处发生还原反应。相比其它类型的燃料电池，SOFC的突出优势在于其燃料灵活性，即氢气、碳氢燃料（如甲烷、乙烷）、氨气等均可作为SOFC的燃料。
[0003]根据使用电解质种类的不同（传导氧离子或传导氢质子），SOFC可区分为氧离子型SOFC和氢质子型SOFC。目前，氧离子型SOFC可使用燃料种类丰富，而氢质子型SOFC一般仅采用氢气作为燃料，这是因为传统SOFC阳极催化剂（以镍基为主）对碳氢燃料具有较好的催化作用，含碳燃料会在催化剂表面形成固体碳，导致积碳问题。积碳会降低阳极催化活性和电池性能，严重时甚至会导致阳极破裂，缩短电池寿命。
[0004]目前常见的质子型SOFC抗积碳方法包括：（1）阳极改性：在传统镍基阳极材料里掺杂Cu、Sn等元素，降低镍与碳的吸附能，减少积碳现象；（2）多孔电解质：将传统致密电解质制备成多孔结构，允许一部分氧气通过多孔结构从阴极到达阳极，利用氧气将固体碳氧化，减少积碳现象。但是，阳极改性的方法在减少积碳的同时通常会导致电池性能下降，而多孔电解质的方法难以精准控制到达阳极的氧气量，使电池存在爆炸的可能。

技术实现思路

[0005]解决的技术问题：针对上述技术问题，本专利技术提供一种抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法与应用，能有效解决质子型SOFC阳极积碳问题，避免阳极改性减少积碳的同时导致电池性能发生改变，多孔电解质使电池存在爆炸风险等不足之处。
[0006]技术方案：第一方面，本专利技术提供一种抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质，所述电解质为传导氢质子型材料和传导氧离子型材料复合而成的双层结构，所述传导氢质子型材料为电解质双层结构的主体材料，沿气流方向梯度间隔设置传导氧离子型材料，且电解质双层结构中相同位置处传导氧离子型材料的面积不同，使得传导氧离子型材料在电解质双层结构中呈T型或倒T型分布。
[0007]优选的，所述传导氢质子型材料为铈酸钡基质子导体、锆酸钡基质子导体或铈酸钡
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锆酸钡基混合质子导体。
[0008]优选的，所述传导氧离子型材料为钆掺杂氧化铈或氧化钇稳定氧化锆。
[0009]优选的，所述传导氧离子型材料的数量或/和面积沿气体流动方向间隔设置且减少。
[0010]优选的，所述传导氧离子型材料在电解质双层结构中的质量占比为1~5%。
[0011]第二方面，本专利技术提供一种第一方面所述的抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质的制备方法，采用流延成型和热压烧结工艺制备而成，具体步骤如下：S1、制备流延浆料：采用传导氢质子型材料的粉末，以水为溶剂，添加聚丙烯酸作为分散剂，并添加氨水调整溶液pH值为9~10，再添加聚乙烯醇作为粘结剂，采用球磨机在150~400r/pm转速下，球磨6~24h，得到氢质子型浆料；采用传导氧离子型材料粉末，以水为溶剂，添加聚丙烯酸作为分散剂，并添加氨水调整溶液pH值为9~10，再添加聚乙烯醇作为粘结剂，采用球磨机在150~400r/pm转速下，球磨6~24h，得到氧离子型浆料；S2、选取流延厚度为50μm，流延刀口宽度为100mm，以1mm/s的速度进行流延，通过更换流延浆料，分别制备电解质双层结构的上层和下层；S3、将步骤S2制得的电解质双层结构的上层和下层叠加在一起进行热压烧结，具体步骤为：以1~3℃/min的升温速率将炉内温度升至1400~1550℃，然后保温300~600分钟，然后以1~3℃/min的降温速率将炉内温度降至常温，烧结压力为45~55Mpa，保温结束后，随炉冷却至室温。
[0012]优选的，步骤S2的具体过程为：S21、对于上层电解质，填入氢质子型浆料，流延2.25s；更换氧离子型浆料，流延0.5s；更换氢质子型浆料，流延4.25s；更换氧离子型浆料，流延1s；更换氢质子型浆料，流延6.75s；更换氧离子型浆料，流延0.5s；更换氢质子型浆料，流延14.625s；更换氧离子型浆料，流延0.25s；更换氢质子型浆料，流延19.75s；更换氧离子型浆料，流延0.25s；更换氢质子型浆料，流延19.75s；更换氧离子型浆料，流延0.25s；更换氢质子型浆料，流延19.75s；更换氧离子型浆料，流延0.25s；更换氢质子型浆料，流延9.875s，结束流延；S22、对于下层电解质层，填入氢质子型浆料，流延2s；更换氧离子型浆料，流延1s；更换氢质子型浆料，流延4.25s；更换氧离子型浆料，流延0.5s；更换氢质子型浆料，流延6.75s；更换氧离子型浆料，流延1s；更换氢质子型浆料，流延14.25s；更换氧离子型浆料，流延0.5s；更换氢质子型浆料，流延19.5s；更换氧离子型浆料，流延0.5s；更换氢质子型浆料，流延19.5s；更换氧离子型浆料，流延0.5s；更换氢质子型浆料，流延19.5s；更换氧离子型浆料，流延0.5s；更换氢质子型浆料，流延9.75s，结束流延。
[0013]第三方面，本专利技术提供一种抗积碳的固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池包括第一方面所述的抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质。
[0014]有益效果：1、电解质层采用双层设计和T型结构，且采用流延成型和热压烧结制备工艺，避免在电解质层烧结制备时两种材料界面处产生缝隙，保证密封界面的形成；2、通过在电解质中间隔设置传导氧离子型材料，允许氧离子由阴极传导至阳极，氧化阳极中含碳燃料生成的固体碳，提高质子传导型固体氧化物燃料电池的抗积碳能力。
附图说明
[0015]图1是本专利技术一种抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质的传导氧离子型材料呈T型结构的示意图；
图2是本专利技术一种抗积碳的固体氧化物燃料电池的单层电堆结构示意图；图3是本专利技术一种抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质模型结构示意图；图4是本专利技术一种抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质模型所模拟的氧离子电流密度分布。
具体实施方式
[0016]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作详细说明：实施例1如图1
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图2所示，一种抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质，所述电解质为传导氢质子型材料和传导氧离子型材料复合而成的双层结构，所述传导氢质子型材料为电解质双层结构的主体材料，沿气流方向梯度间隔设置传导氧离子型材料，且电解质双层结构中相同位置处传导氧离子型材料的面积不同，使得传导氧离子型材料在电解质双层结构中呈T型或倒T型分布。
[0017]上述传导氢质子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质，其特征在于：所述电解质为传导氢质子型材料和传导氧离子型材料复合而成的双层结构，所述传导氢质子型材料为电解质双层结构的主体材料，沿气流方向间隔设置传导氧离子型材料，且电解质双层结构中相同位置处传导氧离子型材料的面积不同，使得传导氧离子型材料在电解质双层结构中呈T型或倒T型分布。2.根据权利要求1所述的一种抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质，其特征在于：所述传导氢质子型材料为铈酸钡基质子导体、锆酸钡基质子导体或铈酸钡
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锆酸钡基混合质子导体。3.根据权利要求1所述的一种抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质，其特征在于：所述传导氧离子型材料为钆掺杂氧化铈或氧化钇稳定氧化锆。4.根据权利要求1所述的一种抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质，其特征在于：所述传导氧离子型材料的数量或/和面积沿气体流动方向间隔设置且减少。5.根据权利要求1所述的一种抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质，其特征在于：所述传导氧离子型材料在电解质双层结构中的质量占比为1~5%。6.一种基于权利要求1
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5任一项所述的抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质的制备方法，其特征在于：采用流延成型和热压烧结工艺制备而成，具体步骤如下：S1、制备流延浆料：采用传导氢质子型材料的粉末，以水为溶剂，添加聚丙烯酸作为分散剂，并添加氨水调整溶液pH值为9~10，再添加聚乙烯醇作为粘结剂，采用球磨机在150~400r/pm转速下，球磨6~24h，得到氢质子型浆料；采用传导氧离子型材料粉末，以水为溶剂，添加聚丙烯酸作为分散剂，并添加氨水调整溶液pH值为9~10，再添加聚乙烯醇作为粘结剂，采用球磨机在150~400r/pm转速下，球磨6~24h，得到氧离子型浆料；S2、选取流延厚度为50μm，流延刀口宽度为100mm，以1mm/s的速度进行流延，通过更换流延浆料，分别制备电解质双层结构的上层和下层；S...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑克晴，岳允，蔡博文，闫阳天，高寒，申双林，张纪豪，凌意瀚，田云峰，王绍荣，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：