[发明专利]固体氧化物燃料电池掺杂钛酸盐支撑固体电解质多层膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池技术领域的方法，具体是一种固体氧化物燃料电池掺杂钛酸盐支撑固体电解质多层膜及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变成电能的全固态发电器件，它不需经过从燃料化学能→热能→机械能→电能的转变过程，具有许多优点，其中突出的优点在于燃料的广泛适用性，即氢气、一氧化碳和碳氢化合物都可作为燃料，因此可广泛地采用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气、生物质气、甲醇和乙醇等多种碳氢燃料。固体氧化物燃料电池具有广泛的应用领域，其主要应用包括分布式电站、家庭电站、车辆辅助电源、不间断电源和军用电源等。固体氧化物燃料电池的开发研究以及商业化，受到了世界上许多国家的普遍重视，国际上普遍看好固体氧化物燃料电池的应用前景。目前，固体氧化物燃料电池进入商业化发展的主要障碍是电池系统寿命和价格。平板式固体氧化物燃料电池，尤其是中低温固体氧化物燃料电池(500～800℃)，是目前国际上固体氧化物燃料电池研究的前沿和热点，其最突出的优点是在保证高功率密度的同时，可使用廉价的不锈钢等合金作为连接体材料，降低了对密封等其它材料的要求，可采用低成本的陶瓷制备工艺，可望大幅降低固体氧化物燃料电池的材料和制造成本。其中，Ni-YSZ(YSZ：钇稳定氧化锆)阳极支撑中温固体氧化物燃料电池近年来在国际上得到了广泛的重视，优良的电池堆性能也已有报道，部分研发单位具备了较大规模的生产能力，但与厚阳极支撑体相关的问题未得到解决。煤气化气、天然气和生物质气化气等燃料具有共同的特点，即这些燃料都含有以甲烷为主的碳氢化合物和以硫化物为主的杂质。目前常规的固体氧化物燃料电池阳极为Ni-YSZ，Ni是理想的氢电催化剂，但它会催化断裂碳氢化合物中的碳氢键，在以干或低水含量碳氢化合物为燃料时易造成碳在阳极表面的沉积，同时燃料中的硫化物易使Ni中毒，从而使固体氧化物燃料电池在发电过程中因阳极被碳堵塞和硫中毒而损坏。目前采用的方法是水蒸汽重整法将碳氢化合物转化为氢气和一氧化碳，用脱硫方法去除硫化物，但这样将增加固体氧化物燃料电池发电系统的复杂性，降低发电效率，从而提高了整个系统的成本。在氧化还原循环中，多孔阳极支撑体中的金属镍被氧化成NiO，继而NiO被还原成金属镍，多孔阳极支撑体经历体积变化，从而导致电解质开裂，因此若系统出现故障导致燃料供应中断易引起因空气进入阳极室导致Ni-YSZ阳极支撑固体氧化物燃料电池损坏。对此，发展新型固体氧化物燃料电池阳极支撑体结构，可实现碳氢化合物燃料的高效利用，加快固体氧化物燃料电池商业化的进程。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利公告号CN 101515647A，名称为“直接碳氢燃料固体氧化物燃料电池抗碳沉积阳极及制备方法”的专利，所采用的阳极材料组成为xSr_1-1.5yM_yTiO₃-(1-x)CeO₂，式中x＝0.3～0.7，y＝0.04～0.4；M为La、Y或Sm，La的掺杂量为0.2～0.4mol％，Sr的掺杂量为0.1～0.3mol％，Y的掺杂量为0.02～0.08mol％，但这种复合阳极材料以薄膜形式沉积在YSZ或SSZ(SSZ：钪稳定氧化锆)电解质片上，工作温度为850～900℃，因此难以实现在中温固体氧化物燃料电池中的应用。另外，中国专利公告号CN1897337A，名称为“一种固体氧化物燃料电池阳极及制备方法”的专利，介绍了以掺杂钙钛矿铬酸镧或钛酸盐复合氧化物为阳极结构骨架和主电子导电相，采用离子浸渍法、或高分子模板法、或溶胶-凝胶法、或悬浮颗粒浆料浸涂法，在多孔阳极结构骨架的内、外表面制备一层微米厚度的纳米颗粒阳极活性物质多孔膜。但由于多孔阳极结构骨架在高温下已经烧结，导致难以采用低成本、高效率、可大规模连续化生产的陶瓷成膜法进行致密电解质薄膜制备。一方面，多孔阳极结构骨架难以在高温下进一步收缩，限制了沉积其上的电解质薄膜收缩致密；另一方面，在电解质的高温烧结条件下，在多孔阳极结构骨架内、外表面的纳米阳极颗粒将长大，导致其活性降低。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有高的电子电导率，可经受多次氧化-还原循环，抗积碳，并具有耐硫性能的固体氧化物燃料电池掺杂钛酸盐支撑固体电解质多层膜及其制备方法。