双层电解质结构的组装燃料电池及其制备方法技术

本发明专利技术提供双层电解质结构的组装燃料电池及其制备方法，镧镨共掺杂氧化铈进行模压得到半电池坯片；将锶掺杂的铁酸镧的电解质溶液刷涂到半电池坯片的电解质一端，得到双层结构的半电池坯片；将含有双层结构的半电池坯片与阴极坯片在夹具内组装得到电池坯片；将所述电池坯片在400～500℃下进行烧结，得到所述燃料电池。燃料电池的阳极材料中NCAL在还原气氛下被还原成金属镍，起到传导电子和催化还原燃料的作用之外，组分间相互协同，在三相界面具有高的电催化活性和电子传导率，同时其与电解质材料、连接体材料间有良好的化学、热兼容性，材料成本低廉，制备过程简单，可用来取代贵金属材料，降低产品成本。降低产品成本。降低产品成本。

【技术实现步骤摘要】
双层电解质结构的组装燃料电池及其制备方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，具体为一种双层电解质结构的组装燃料电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着社会的飞速前进，人们对于消耗的能源资源日益增加。目前，世界范围内仍然以化石能源(煤炭、石油、天然气)为主要能源资源，然而人们对于化石能源利用的技术还不够完善，再加上化石能源的有限和不可再生特点，由此引发能源短缺和环境污染问题。为了解决这些问题，近年来各国研宄者们在开发新能源与再生能源的同时，也在寻求改变传统的能源转换途径，提高其实际的利用效率，同时减少化石能源在使用中对环境的影响。
[0003]在新能源领域，燃料电池占有重要的一席之地，被认为是最有希望代替传统化石能源发电的产品之一，它可以不经过燃烧直接将化学能转换为电能，且转换中突破了卡诺循环的限制。燃料电池通常由三个部件组成：电解质、阴极和阳极，其中电解质材料的选取决定燃料电池的种类、工作温度以及能量转化效率。在现有的燃料电池中，电解质为固体氧化物的固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)因其独特的优势和特点而备受关注。低温化SOFC是未来的发展趋势，操作温度降低可以降低其成本，延长使用寿命。由此发展低温SOFC是其发电体系商业化的迫切需求，但是随着操作温度的降低，SOFC电解质材料的离子电导率以及相应电极的催化活性也会下降，这会导致其性能急剧下降。想要保证SOFC在相对较低操作温度工作时维持其高的输出功率，目前的解决途径为电解质层薄膜化和研发在低温下具有较高离子电导率的电解质和较高催化活性的电极材料。随着对LTSOFC的进一步研究，科研人员们对于掺杂氧化铈基电解质有了大量的科研成果。掺杂氧化铈被认为是SOFC中低温化最合适的离子导体材料。本专利基于掺杂氧化铈材料，以镧镨共掺杂氧化铈为本专利中主要材料，研究其在SOFC中的实际应用前景。相比于其他的电解质材料，镧镨共掺杂氧化铈具有易获得，成本低等优点，其在燃料电池商业化中表现出巨大的潜力。
[0004]在开发出上述电解质材料后，还需考虑各组件材料之间的化学相容、热膨胀系数匹配等性能才能将其真正应用于燃料电池中，而不至出现因相互反应、热膨胀不一致而产生电池热开裂，电化学性能下降严重等现象。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提出一种在中低温下仍具有高离子导电率的电解质材料。
[0006]本专利技术的目的在于提出一种双层结构为电解质层的制备方法。
[0007]本专利技术的目的还在于提出上述电解质材料的制备方法。
[0008]本专利技术的目的还在于提出一种含有上述双层电解质材料的新型燃料电池。
[0009]本专利技术的目的还在于提出上述燃料电池的制备方法。
[0010]本专利技术首先提供了如下的技术方案：
[0011]一种电解质材料，包括具有离子导体的LCP。该电解质材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012](1)将称取的碳酸稀土在高温下进行煅烧，得到红色粉末；
[0013](2)将得到的红色粉末进行研磨，得到具有离子导体的LCP。
[0014]所述煅烧的温度为600～1000℃，优选为700～800℃。所述煅烧的时间为1～10h，优选为4～5h。
[0015]所述研磨速率为1～5r/s。所述研磨时间为10～60min。
[0016]一种电解质溶液，包括锶掺杂的铁酸镧LSCF与无水乙醇；LSCF与无水乙醇的质量比为1：1～10，优选为1：1.5～3。将所述LSCF和无水乙醇混合后研磨得到所述电解质溶液，所述研磨速率为5～10r/s，所述研磨时间为1～5min。
[0017]上述方案中所述锶掺杂的铁酸镧(LSCF)是一种钙钛矿型材料，在室温下是稳定的立方晶体及四方晶体。
[0018]本专利技术提供一种双层电解质结构，包括上述的电解质材料，还包括上述的电解质溶液。
[0019]一种双层电解质结构的组装燃料电池，包括上述的双层电解质结构。
[0020]所述燃料电池的阳极材料含有Ni和NCAL。其中优选的，所述Ni为泡沫金属Ni。
[0021]所述燃料电池的阴极材料含有Ni和NCAL。其中优选的，所述Ni为泡沫金属Ni。
[0022]所述的一种双层电解质结构的组装燃料电池的制备方法，包括以下步骤：
[0023]将阳极材料、阴极材料分别制为阳极层、阴极层；
[0024]将所述阳极层与所述的离子导体的LCP进行模压得到半电池坯片；
[0025]将所述的电解质溶液刷涂到半电池坯片的电解质一端，得到双层结构的半电池坯片；
[0026]将所述阴极层进行模压得到阴极坯片；
[0027]将含有双层结构的半电池坯片与阴极坯片在夹具内组装得到电池坯片；
[0028]将所述电池坯片在400～500℃下进行烧结，得到所述燃料电池。
[0029]本专利技术具备以下有益效果：
[0030]本专利技术的电解质材料结构稳定，机械和电性能优异，价格低廉，作为电解质材料的制备方法简单，可在较低温度(400～600℃)下获得高的离子电导率，得到的电池在中低温区可获得较好的性能输出；
[0031]本专利技术的燃料电池可在中低温下保持很好的电性能，电池中各部分结合紧密，热膨胀系数相互匹配，在实践操作中不会产生因材料内部应力变化导致的界面开裂等问题；
[0032]本专利技术燃料电池的阳极材料中NCAL在还原气氛下被还原成金属镍，起到传导电子和催化还原燃料的作用之外，组分间相互协同，在三相界面具有高的电催化活性和电子传导率，同时其与电解质材料、连接体材料间有良好的化学、热兼容性，材料成本低廉，制备过程简单，可用来取代贵金属材料，降低产品成本；
[0033]本专利技术的燃料电池在450℃的温度下测试时表现出良好的功率输出，可将SOFC的操作温度成功降低到500℃以下，这为固体氧化物燃料电池的进一步商业化提供了可能。
附图说明
[0034]图1为实施例6中所述组装燃料电池的电池结构示意图。
[0035]图2为实施例7中不同LSCF层数的组装燃料电池的电性能测试对比图。
[0036]图3为实施例8中的燃料电池在不同温度下的电性能测试图。
[0037]图4为实施例8中所述组装燃料电池的SEM截面图。
具体实施方式
[0038]以下结合实施例和附图对本专利技术进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本专利技术进行示例性的描述，而并不能对本专利技术的保护范围构成任何限制。所有包含在本专利技术的专利技术宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本专利技术的保护范围。
[0039]实施例1
[0040]通过以下过程制备离子导体LCP：
[0041](1)称取一定质量的碳酸稀土，在800℃的高温下进行煅烧4h得到红色粉末；
[0042](2)将煅烧后的红色粉末研磨均匀，得到所需的电解质LCP。
[0043]实施例2
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电解质材料，其特征在于，包括具有离子导体的LCP。2.根据权利要求1所述的一种电解质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将称取的碳酸稀土在高温下进行煅烧，得到红色粉末；(2)将得到的红色粉末进行研磨，得到具有离子导体的LCP。3.一种电解质溶液，其特征在于，包括锶掺杂的铁酸镧LSCF与无水乙醇。4.根据权利要求3所述的电解质溶液，其特征在于：LSCF与无水乙醇的质量比为1：1～10。5.根据权利要求3或4所述电解质溶液的制备方法，其特征在于：将所述LSCF和无水乙醇混合后研磨得到所述电解质溶液，所述研磨速率为5～10r/s。6.一种双层电解质结构，其特征在于，包括权利要求1所述的电解质材料，还包括权利要求3或4所述的电解质溶液。7.一种双层电解质结构的组装燃料电池，其特征在于，包括权利要求6所...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪宝元，张梓豪，宓有全，郑丹，董文静，夏晨，王浚英，
申请(专利权)人：湖北江城实验室，
类型：发明
国别省市：