[发明专利]一种利用固体氧化物燃料电池中元素高温扩散的方法制备阳极/电解质半电池的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种元素高温扩散效应在固体氧化物燃料电池中的积极利用方法。

背景技术

在能源和环境问题日渐突出的今天，如何提高能源的利用效率和减小环境污染成为现阶段人类亟待解决的问题。SOFC是一种新型的能源系统，在其内部可将燃料的化学能直接转变成电能。由于发电过程中无需经历卡诺循环过程，故而可以获得高达80%以上的综合利用效率。此外，SOFC的燃料选择范围宽，氢气、一氧化碳、碳氢化合物甚至碳粉和煤粉等都可作为其燃料。当前SOFC研究的热点方向是降低其运行温度，从而有效降低成本和延长寿命。开发并利用高氧离子电导率的电解质材料是降温运行的重要手段。

1994年日本九州大学石原达己报道了一种新型的氧离子导电电解质材料掺杂镓酸镧（LSGM），该材料离子迁移数在很宽的氧分压范围内（10^-22～1atm）为1，其电导率比目前常用的掺杂氧化锆（YSZ）高出一个数量级，是一种很有希望的中低温SOFC电解质材料（J.Am.Chem.Soc.1994,(116):3801-3803）。Goodenough研究小组使用厚度为200微米的LSGM作为电解质（电解质支撑型SOFC），以氢气为燃料800℃时电池的输出功率达到1.4Wcm^-2，与使用厚度为5微米左右YSZ作为电解质时电池的输出性能相当(J.Electrochem.Soc.2005,(152):A1511-A1515)，该结果充分体现了LSGM优越的氧离子导电能力，非常适合作为中低温SOFC电解质材料。然而，该材料在SOFC中的应用仍然存在以下问题：Ni基阳极是目前使用最为成功的SOFC阳极，然而当Ni基阳极与LSGM电解质配合组成单电池时，极易发生阳极/电解质之间的高温元素扩散，最终在二者界面间形成LaNiO₃、LaSrGa₃O₇以及LaSrGaO₄等高电阻相，根据本领域公知常识，若电池的组件之间形成高电阻界面相的话，那么电池的内阻急剧上升；加之固体氧化物燃料电池工作在较高的温度下，高温运行势必加速元素的扩散速度，这是自然规律，元素的扩散会进一步提高界面高电阻相的含量，电池内阻会进一步上升，内阻的上升会降低电池的输出性能。为解决此问题，人们进行了多方面的大量尝试。其中，最通行的做法是在Ni基阳极与LSGM电解质之间引入中间隔离层。该隔离层需满足以下要求：第一，与Ni基阳极及LSGM电解质高温匹配，不发生化学反应；第二，具有与LSGM电解质相当的氧离子传输能力（电导率）；第三，该隔离层的厚度越小越好，以减小电池的欧姆内阻。人们期望隔离层可彻底阻断阳极/电解质界面间的元素扩散，从而达到抑制电池内阻上升的目的。如申请号为200410077864.X的中国专利申请公开了一种固体氧化物燃料电池的阳极负载型双层电解质膜及制备方法，具体为在LSGM电解质与Ni基阳极之间加入掺杂氧化铈（LDC）作为阻隔反应层。文献Electrochem.Solid State Lett.2006,(9):A285-A288也报道了相同的解决思路，以上两种方法引入LDC作为元素扩散隔离层，该隔离层属于氧离子导体，其电导率较低（离子导体的电导率比电子导体低约4～6个数量级）因此，这不可避免地引入了额外的欧姆电阻，这对电池的性能提高不利。且相互接触的两相之间存在元素的浓度梯度，温度升高势必会加速元素的扩散速度，这是普遍的自然规律。此外从文献Electrochem.Solid State Lett.2006,(9):A285-A288中提供的EDX图谱可见，通过此方法未能彻底解决界面间的元素扩散问题，Ni基阳极和LSGM之间仍然出现了元素互相扩散现象。

综上所述已有的技术是从阻止元素扩散角度出发的，但结果并不理想。

发明内容

本发明是为解决现有采用阻止元素在固体氧化物燃料电池中高温扩散的方法不能完全阻止元素扩散以及采用该方法制备的固体氧化物燃料电池长期运行后的输出稳定性差的问题，而提供一种利用固体氧化物燃料电池中元素高温扩散的方法制备阳极/电解质半电池的方法。

本发明的一种利用固体氧化物燃料电池中元素高温扩散的方法制备阳极/电解质半电池的方法包括如下步骤：