[发明专利]陶瓷燃料电池及其制备方法

说明书

本发明提供了一种陶瓷燃料电池，所述陶瓷燃料电池包括依次设置的多孔金属支撑层、多孔阳极功能层、致密功能层和多孔空气极功能层，其中，所述多孔阳极功能层、致密功能层采用相同的功能材料制成，所述功能材料为半导体材料和离子导电材料的纳米复合材料，所述半导体材料为掺杂有过渡金属和/或稀土金属的氧化还原晶体结构稳定的半导体材料。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种陶瓷燃料电池及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，因最高的能源转换效率和超低的环境影响力而备受关注，已成为世界各国技术攻关对象之一。但是SOFC的大规模普及应用仍然面临高成本和寿命不足的缺陷。一般认为高操作温度是主要造成因素，也归因于复杂的电池结构，即密封剂/阳极/电解质/阴极/密封剂结构。降低电解质厚度或使用高离子导电电解质能有效降低SOFC操作温度，但是当前的材料系统仍然需要长期或琐碎的实验验证。

最近，一种新型的单层燃料电池(SLFC)被研发出来，相比于上述传统燃料电池，该新型SLFC只需要简单的一层材料就能实现上述核心三层的阴极/电解质/阳极的功能，实现“三合一”，该电池又被称为无电解质燃料电池(EFFC)。电解质层的消除有效地消除复杂结构，从而降低电池制备和系统维护成本，且显著降低界面能量损失，有效提高电效率，因此显示出巨大的商业价值和产业化前景。但是需要指出的是，当前SLFC采用简单的过渡金属氧化物和离子导电材料为核心材料，一般采用泡沫镍支撑、通过简单的共压和原位低温煅烧方式来获得具有一定机械强度的SLFC单电池。虽然通过上述过程制备的单电池性能较好，但由于采用的过渡金属氧化物和离子导电材料在燃料电池条件下易于还原、制备过程中容易造成多孔性、以及机械强度低(泡沫镍循环氧化还原粉化)等问题等，导致SLFC的稳定性和寿命非常有限。具体的，燃料电池阳极强还原气氛性质有可能使得长时间操作的整个电池及其材料发生还原，导致内部短路。同时，电池内部的多孔性将会降低燃料使用效率、系统能源效率以及带来一定的操作危险性，实际工业化和商业化生产与应用难度大。虽然高温煅烧虽然能致密化电池部件，解决漏气问题，但容易导致活性材料失活，失去燃料电池功效。因此，需要对燃料电池的材料和结构进行改造和提升，并采用先进制备工艺促进其商业化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种陶瓷燃料电池及其制备方法，旨在解决现有以过渡金属氧化物和离子导电材料作为核心材料、以泡沫镍作为支撑层的单层燃料电池稳定性差、能源利用效率低和操作不安全的问题。

本发明是这样实现的，一种陶瓷燃料电池，包括依次设置的金属支撑层、多孔阳极功能层、致密功能层和多孔空气极功能层，其中，所述多孔阳极功能层、致密功能层采用相同的功能材料制成，所述功能材料为半导体材料和离子导电材料的纳米复合材料，所述半导体材料为掺杂有过渡金属和/或稀土金属的半导体材料。

以及，一种陶瓷燃料电池的制备方法，包括以下步骤：

提供金属支撑层原料、多孔阳极功能层原料、致密功能层原料和多孔空气极功能层原料，其中，所述多孔阳极功能层原料为半导体材料、离子导电材料和造孔剂混合形成的第一复合原料，所述致密功能层原料为半导体材料和离子导电材料混合形成的第二复合原料；

将所述金属支撑层原料、多孔阳极功能层原料、致密功能层原料和多孔空气极功能层原料依次平铺放入燃料电池模具中，置于放电等离子烧结设备中，真空状态下，在温度为400～1000℃、压力为3～10吨的条件下，煅烧1～5分钟，制备陶瓷燃料电池。