[发明专利]一种高性能平板固体氧化物燃料单电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能平板固体氧化物燃料单电池的制备方法，所属领域为能源材料领域。

背景技术

固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell，SOFC）是一种可以直接将燃料化学能转化为电能的装置，具有能量转化效率高（综合效率高达85%以上），燃料适应性广（可用燃料包括氢气，天然气，合成气，液体碳氢燃料），无需贵金属催化剂和安全无污染等优点，在大型电站，分散式电源和家庭热电联供等领域具有广泛的应用前景。

SOFC按照其工作温度分类，可以分为高温（800-1000℃），中高温（600-800）和低温（<600℃）SOFC三种。目前主流的SOFC运行温度一般在700-800℃之间，属于中高温范畴。高温工作不仅提高了SOFC材料成本，而且还带来了稳定性问题，严重阻碍了其实际应用。将SOFC的操作温度降低，用价格低廉的不锈钢取代昂贵的陶瓷作为连接体材料，可以有效降低SOFC电堆的材料成本，此外低温化还可以降低多层陶瓷之间的热应力，减缓电极材料的老化速率，提高电堆输出功率的长期稳定性。所以SOFC低温化是目前国际上的研究趋势。

评价SOFC单电池性能的一个重要指标就是阻抗。在SOFC中，阻抗包括欧姆阻抗(Zohm)、极化阻抗和界面接触阻抗（Zinterface），其中极化阻抗又分为阳极极化阻抗(Zanode)和阴极极化阻抗(Zcathode)。随着SOFC工作温度的降低，欧姆阻抗、极化阻抗和界面接触阻抗都显著增大，使得电池性能急剧下降。从某种程度上讲，低温SOFC的研究即是降低阻抗的研究。

欧姆阻抗的降低可以通过减薄电解质厚度或是采用新型电解质材料来满足。就目前的阳极支撑或是阴极支撑结构而言，电解质厚度已从传统的几百微米降低到了5-15μm之间，欧姆阻抗得到了极大降低。新型电解质材料譬如锶和镁掺杂的镓酸镧（即LSGM），和钐或是钆掺杂的氧化铈（即SDC或是GDC），在低温下也具备了足够的电导率。10微米厚的上述新型电解质在550℃下其总的欧姆阻抗也仅为0.1Ω·cm²。总体来讲，对于在550-600℃工作的SOFC，欧姆阻抗已不是制约其性能的关键因素。

可见，电池的电极极化阻抗和界面接触阻抗是限制其性能的主要因素。丝网印刷和溶液浸渍是目前制备电极的两种主要方法。与丝网印刷法相比，由溶液浸渍法所得到的电极活性组分成纳米分散状态，其性能往往要高出一个数量级，是目前低温SOFC主流的电极制备方法。以浸渍阳极为例，Ni/SDC浸渍复合阳极制备方法如下：将硝酸镍络合溶液通过毛细力浸渍到多孔电解质骨架中，经85℃干燥30min，700-850℃煅烧2h-10h后构成浸渍复合阳极。因Ni对H2具有优异的催化性能，所以Ni复合阳极往往具有很低的极化阻抗。LIU等报道的Ni/LSGM浸渍阳极在550℃时的极化阻抗仅为0.01Ω·cm²，其数值完全可以忽略不计。浸渍阴极与浸渍阳极相似，区别在于阴极活性材料使用的不是Ni，而是包括La_0.5Sr_0.5CoO₃，La_0.6Sr_0.4Co_0.8Fe_0.2O₃，La_0.6Sr_0.4FeO₃，Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O₃和Sm_0.5Sr_0.5CoO₃等钙钛矿结构以及GaBaCo₂O₅，SmBaCo₂O₅，PrBaCo₂O₅和La₂NiO₄等双钙钛矿和层状钙钛矿结构的材料。Xia等人在SDC骨架里面浸渍SSC纳米颗粒，其在550℃下的极化阻抗为0.1Ω·cm²，Zhan等人在LSGM骨架中浸渍SSC/SDC混合溶液，其极化阻抗在550℃仅为0.075Ω·cm²，Han等人在LSGM骨架里面浸渍SBSCO所构成的复合阴极在550℃下极化阻抗甚至低至0.035Ω·cm²。