[发明专利]电极支撑中低温固体氧化物燃料电池及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明提出了一种电极支撑中低温固体氧化物燃料电池的制备方法，属于燃料电池技术领域。

背景技术：

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有高效、环境友好等优点，能够为局部区域供能、供热，使分布式能源系统成为可能，被视为最有可能的下一代能源转换装置。传统SOFC采用YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)作为电池的电解质材料，因为它在高温(1000℃左右)下有较好的离子电导和稳定性。但是此类型电池操作温度过高，限制了高性能且廉价电极、连接体材料的选择，促使电池性能的快速衰退，从而导致电池的制作成本高昂和使用寿命短等弊端。随着电解质材料的研究和发展，CeO₂基电解质(如钐掺杂的CeO₂-SDC)慢慢受人们的了解和关注，在800℃下有很高离子电导率(0.1S/cm)，是此温度下YSZ的2～3倍，但是此类电解质在还原气氛下会出现电子电导，导致电池内部短路。此外，传统SOFC采用Ni基材料作为阳极，以CH₄等碳氢化合物为燃料时，阳极容易出现严重的积炭现象，造成电池性能迅速恶化。常用的La_1-xSr_xMnO₃阴极材料在中低温(800℃以下)条件下表现出较低电子电导，极化严重。

因此，将来SOFC被大规模的利用，必须降低电池高昂的制作成本(如利用廉价的合金材料作为连接体)、减小电池的启动时间、减缓电池材料的性能衰退等，这要求SOFC具有较低的操作温度。另外，基于积炭现象和低温条件下电极电导低的弊端，SOFC的制备不仅需要低温高性能材料的选择，更需要在制备工艺上的改进。

LaGaO₃基电解质是一类最近研究较多，在中低温下有很高离子电导(如La_1-xSr_xGa_1-yMg_yO_3-δ电解质在750℃时的电导率为0.1S/cm)的电解质，且不管在氧化还是还原气氛下都保持良好的稳定性。LaCrO₃基材料因具有高电子-离子电导率、催化、重整等性能，能够取代传统阳极解决积炭现象。另外，LaGaO₃基电解质与传统Ni基阳极中的Ni在高烧结温度下容易形成低电导率的杂相，LaCrO₃基阳极材料的运用很好的避免了这个问题。LaFeO₃基材料在800℃以下有很高的电导率，达10²～10³S/cm，且对O₂有良好的催化活性。因此，LaGaO₃基、LaCrO₃基和LaFeO₃基材料是理想的中低温固体氧化物燃料电池电解质、阳极和阴极备选材料。同时，电池的制备工艺上也应有效的改进。控制电池操作温度在中低温，就需要大大减小电池的内阻，而最有效的办法就是减小电解质厚度，电极支撑形式正好满足了这一要求。在电极支撑的基础上，利用合理、高效、可控制性强的成膜技术制备电解质、电极薄膜，可大大减小电池内阻，提高电池性能，从而满足降低操作温度的要求。

中国专利文献01127229.5公开了“一种中温固体氧化物燃料电池PEN多层膜及其制备方法”，虽然该技术具有其说明书中所述的一定优越性，但仍存在着以下不足：工艺较复杂；电解质厚度须达20～150μm，电池内阻较大，操作温度较高；在阳极材料中，Ni基复合阳极，与LaGaO₃基电解质材料的化学匹配性较差，电解质的欧姆电阻较大；在电解质材料中，CeO₂基电解质，在氧分压较小时不稳定，容易被还原；工作温度为中温，电池密封和连接体等材料的选择范围仍较窄，因此电池各组件的性能衰退仍较明显，电池使用寿命仍较短。

发明内容：

本发明的目的是克服现有SOFC制备方法技术上的不足，提供了一种电极支撑中低温固体氧化物燃料电池及其制备方法，其工艺方便、快捷、可控制性强，制得的电解质致密度高，制备的固体氧化物燃料电池内阻小，且电解质与电极材料的化学和热相容性良好，中低温下表现出很好的电池性能和稳定性。