一种基于p-n异质结双层电解质的固体氧化物燃料电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于p

【技术实现步骤摘要】
一种基于p
‑
n异质结双层电解质的固体氧化物燃料电池及其制备方法


[0001]本专利技术涉及固体氧化物燃料电池
，尤其涉及一种基于p
‑
n异质结双层电解质的固体氧化物燃料电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将储存在燃料中的化学能转化为电能的电化学装置，具有高效、环保、燃料灵活性强等优点。目前，由于较高的运行温度，SOFC仍面临着商业化的挑战。比如，钇稳定氧化锆(YSZ)因为具有较高的离子电导率(0.1S/cm)，而被广泛应用为高温电解质材料(650℃～1000℃工作温度)。但由于SOFC较高的操作温度(>800℃)会引发电池热膨胀系数不匹配，导致设备发生启动或关闭缓慢、燃料电池性能下降速度过快等问题，YSZ还未能在SOFC中实现大规模商业应用。因此，降低燃料电池的操作温度是实现SOFC商业化的关键。
[0003]开发在低温下具有高离子电导率的新型电解质材料是降低SOFC工作温度的重要策略。最近的研究发现天然矿石在低温SOFC中具有优异的性能。例如，铜铁矿(CuFeO2)由于其高稳定性和空穴导电性，在降低燃料电池工作温度方面具有更大的优势。另外，大量研究表明半导体及其异质结构复合材料在低温下比传统的离子电解质具有更多的优势。例如，使用典型的质子电解质BaCe
0.7
Zr
0.1
Y
0.1
Yb
0.1
O3‑
δ
(BCZYY)和三重电荷(H
+
/O2‑
/e
‑
)导电阴极BaCo
0.4
Fe
0.4
Zr
0.1
Y
0.1
O3‑
δ
(BCFZY)的SOFC在500℃低温下输出功率为445mWcm
‑2，但BCFZY在与氧化锌(ZnO)形成p
‑
n异质结构时，表现出更高离子电导率。所以，结合上述两种方法开发基于天然矿物的SOFC，构建基于p
‑
n结异质结构的半导体电解质有望于开发出低温下具有高离子电导率的新型电解质材料，从而设计出低温固体氧化物燃料电池。

技术实现思路

[0004]针对上述技术问题，本专利技术提供一种基于p
‑
n异质结双层电解质的固体氧化物燃料电池及其制备方法。本专利技术将p型半导体CuFeO2与宽带隙n型半导体ZnO结合，制备了分层复合的双层电解质，在其复合区域界面上构建异质结，得到了p
‑
n异质结双层电解质固体氧化物燃料电池，这种电池在低温下可以表现出良好的性能。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0006]一方面，本专利技术提供一种基于p
‑
n异质结双层电解质的固体氧化物燃料电池的制备方法，包括如下步骤：
[0007]按照自上而下或者自下而上的顺序将电极片、n型半导体材料、p型半导体材料、电极片平铺堆叠，通过干压法得到所述固体氧化物燃料电池；
[0008]其中，所述n型半导体材料为ZnO粉末；所述p型半导体材料为CuFeO2粉末。
[0009]作为优选地实施方式，所述n型半导体材料与p型半导体材料的质量比为ZnO：CuFeO2＝(5～8)：(2～5)，优选为ZnO：CuFeO2＝7：3；
[0010]优选地，所述ZnO粉末的粒径为0.6～1.0微米，优选为0.8微米；
[0011]优选地，所述CuFeO2粉末的粒径为1.2～1.8微米，优选为1.5微米。
[0012]作为优选地实施方式，所述干压法的压力为100～150Mpa。
[0013]作为优选地实施方式，所述CuFeO2粉末的制备方法包括将铜源和铁源通过共沉淀反应后干燥、煅烧的步骤；
[0014]优选地，所述铜源为二价铜盐，具体可为CuSO4·
5H2O；
[0015]优选地，所述铁源为亚铁盐，具体可为FeSO4·
7H2O；
[0016]优选地，所述铜源和铁源中的Fe
2+
与Cu
2+
的摩尔比为(0.8～1.1)：(0.9～1.3)，优选为1：1；
[0017]优选地，所述共沉淀反应的温度为60～80℃；
[0018]优选地，所述共沉淀反应的时间为22～26h；
[0019]优选地，所述共沉淀反应中反应体系的pH为10～12；在某些具体的实施方式中，向反应体系中加入NaOH以调控pH；
[0020]优选地，所述煅烧为保护气氛下300～900℃煅烧5～8小时。
[0021]作为优选地实施方式，所述ZnO粉末的制备方法包括如下步骤：将锌源和络合剂溶解于水中通过共沉淀反应，干燥即得到所述ZnO粉末；
[0022]优选地，所述锌源为二价锌盐，具体可为Zn(NO3)2·
6H2O；
[0023]优选地，所述络合剂具体可为柠檬酸钠(C6H5Na3O7·
2H2O)；
[0024]优选地，所述锌源和络合剂的摩尔比为(1～1.5)：(2～3)；
[0025]优选地，所述水的用量为每50～100mL水对应0.003mol锌源中的Zn；
[0026]优选地，所述溶解为搅拌溶解2～4小时；
[0027]优选地，所述共沉淀反应中反应体系的pH为7～9；在某些具体的实施方式中，向反应体系中加入NaOH以调控pH；
[0028]优选地，所述共沉淀反应为静置22～26小时反应；
[0029]优选地，所述干燥的温度为60～80℃。
[0030]作为优选地实施方式，所述电极片为Ni
0.8
Co
0.15
Al
0.05
LiO2(NCAL)电极片；
[0031]优选地，所述Ni
0.8
Co
0.15
Al
0.05
LiO2(NCAL)电极片的制备方法包括如下步骤：将松油醇与Ni
0.8
Co
0.15
Al
0.05
LiO2(NCAL)粉末均匀混合成浆料，均匀涂覆于泡沫镍的一侧，干燥；
[0032]优选地，所述松油醇和Ni
0.8
Co
0.15
Al
0.05
LiO2(NCAL)粉末的质量比为1：(2.5～3)，优选为1：3；
[0033]优选地，所述干燥为80～120℃下干燥30～50min。
[0034]又一方面，本专利技术提供上述制备方法得到的基于p
‑
n异质结双层电解质的固体氧化物燃料电池。
[0035]上述技术方案具有如下优点或者有益效果：
[0036]1.本专利技术提供的基于ZnO
‑
CuFeO
2 p...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于p
‑
n异质结双层电解质的固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：按照自上而下或者自下而上的顺序将电极片、n型半导体材料、p型半导体材料、电极片平铺堆叠，通过干压法得到所述固体氧化物燃料电池；其中，所述n型半导体材料为ZnO粉末；所述p型半导体材料为CuFeO2粉末。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述n型半导体材料与p型半导体材料的质量比为ZnO：CuFeO2＝(5～8)：(2～5)，优选为ZnO：CuFeO2＝7：3；优选地，所述ZnO粉末的粒径为0.6～1.0微米，优选为0.8微米；优选地，所述CuFeO2粉末的粒径为1.2～1.8微米，优选为1.5微米。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述干压法的压力为100～150Mpa。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述CuFeO2粉末的制备方法包括将铜源和铁源通过共沉淀反应后干燥、煅烧的步骤；优选地，所述铜源为二价铜盐；优选地，所述铁源为亚铁盐；优选地，所述铜源和铁源中的Fe
2+
与Cu
2+
的摩尔比为(0.8～1.1)：(0.9～1.3)，优选为1：1。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述共沉淀反应的温度为60～80℃；优选地，所述共沉淀反应的时间为22～26h；优选地，所述共沉淀反应中反应体系的pH为10～12；优选地，所述煅烧为保护气氛下300～900℃煅烧5～8小时。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述ZnO粉末的制备方法包括如下步骤：将锌源和络合剂溶解于水中通过共沉淀反应，干燥即...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳艳，隋问儒，唐永福，纪少政，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：