基于半导体结效应的固体氧化物燃料电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于燃料电池领域，尤其是涉及一种P-η结固体氧化物燃料电池。
【背景技术】
[0002]燃料电池技术被认为是21世纪最有希望的清洁能源技术之一。通常燃料电池被划分为5类:质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池和碱性燃料电池。但实际上，目前研究的重点主要集中在质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池上。质子交换膜燃料电池具有工作温度低、维护方便、启动速度快等优点，目前已经有很多成功的示范项目，但是还远远达不到商业化应用的要求。首先，贵金属铂的使用一方面造成产品价格居高不下，另一方面对氢气纯度有极高要求，因为极其微量的杂质气体都可以造成催化剂中毒，从而使电池失效;其次，低温运行使得生成的产物为液态水，容易造成气路栓塞等问题，所以质子膜燃料电池需要很好地设计水管理、热管理等，从而使得系统复杂。不能直接使用化石燃气，也是质子交换膜燃料电池的一个很大的缺陷。固体氧化物燃料电池相比来说，有很多优点:1.高温运行保证了足够迅速的动力学过程，从而可以不使用贵金属作为催化剂;2.产物为气态物质，容易排出电池堆，不会造成气路堵塞;3.可以适应各种燃料;4.可以进行热电联供，极大地提高燃料利用效率。
[0003]虽然固体氧化物燃料电池具备很多优点，但是其本身的一些缺点使得它难以进入实用化阶段。通常固体氧化物燃料电池都是三层结构:阴极、阳极和电解质。这种结构虽然保证了燃料电池能够实现化学能向电能的转换，但是结构上有一些先天缺陷。三层结构使得燃料电池在制备上工艺复杂，带来比较高的工艺成本;三层结构必然包含两个界面:电解质阳极界面和电解质阴极界面，这两个界面会造成很大的电气界面输运损耗，造成燃料电池功率和效率损耗;界面之间彼此会扩散甚至反应，从而直接影响到电池的运行寿命；中间层电解质会带来很大的欧姆损耗，这也是固体氧化物燃料电池需要在高温下操作的主要原因。电解质只有在足够高的温度下才能有很好的离子导电率。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种全新的固体氧化物燃料电池构型。
[0005]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0006]—种基于半导体结效应的固体氧化物燃料电池，其结构包括阴极和阳极以及位于阴极外侧的阴极集流体和位于阳极外侧的阳极集流体，其特征在于，所述的阴极是具有η型半导体特性的质子/氧离子导体材料，所述的阳极是具有P型半导体特性的质子/氧离子导体材料，在阴极和阳极的界面处，有阴极和阳极共同形成的载流子耗尽层。
[0007]本发明的一种基于半导体结效应的固体氧化物燃料电池中，所述的阴极优选1130.206().4021(记为了00和氧化钴按摩尔比为1:0.02构成的二元复合材料(记为了00+(:0);所述的阳极优选锂电池正极材料LiNiQ.8COQ.15Al().()502-y(记为LNCA)或氢分离膜陶瓷材料BaZr0.3Ce0.6Y().1Zn().()503-z，其中x、y、z是非化学计量数，x、y、z均大于-1且小于I。
[0008]本发明的一种基于半导体结效应的固体氧化物燃料电池中，所述的阳极集流体优选泡沫镍或泡沫铜，所述的阴极集流体也优选泡沫镍或泡沫铜。
[0009]本发明的一种基于半导体结效应的固体氧化物燃料电池中，为了获得更好的性能，在阴极和阴极集流体之间或/和在阳极和阳极集流体之间，还有修饰层，所述的修饰层是多孔结构的与对应的阴极或阳极相同的材料。
[0010]本发明一种基于半导体结效应的固体氧化物燃料电池的制备方法，有以下步骤:[0011 ] I)称取0.2gTDC+Co，再称取0.2g LNCA或者BaZr0.3Ce0.6Υο.ιΖηο.05O3-Z；
[0012]2)准备两块直径12.8毫米厚度Imm的泡沫镍或泡沫铜圆片；
[0013]3)按泡沫镍或泡沫铜圆片、TDC+Co、LNCA或者BaZr0.3Ce0.eY0.1Zn0.Q5O3-z、泡沫镍或泡沫铜圆片的顺序把它们依次填放到直径13mm的不锈钢模具中，保证样品铺撒均匀；
[0014]4)在200_300MPa的压强下干压成型，得到一个成品燃料电池；
[0015]所述的TDC+Co是TbtL2Ce0.4θ2-χ和氧化钴按摩尔比为1:0.02构成的二元复合材料，所述的LNCA是锂电池正极材料LiNiQ.8CoQ.15Al().()502一y。
[0016]所述的TDC+Co可以用常用的共沉淀法或者溶胶凝胶法制备，具体可参见文献Balaguer,M.a.,C.Solis,and J.M.Serra,Study of the Transport Properties of theMixed 1nic ElectronicConductor Ce1-xTbx02-5+Co(x = 0.1,0.2)and Evaluat1n AsOxygen-Transport Membrane.Chemistry of Materials,2011.23(9):p.2333-2343.
[0017]本发明与现有技术相比的明显优势是:
[0018]1、本发明的双层燃料电池省去了固体电解质层，从而把电解质造成的欧姆损耗降到零。
[0019]2、本发明把传统燃料电池的两个界面减少到一个界面，从而降低了界面输运损耗。
[0020]3、本发明的双层结构极大地简化了制备工艺从而降低生产成本。
[0021]4、本发明采用商业化锂电池材料，在材料方面具备商业化前景，同时巧妙地利用了商业化锂电池材料内过渡金属氧化物的催化活性和其层状结构的离子输运特性，使得电池的操作温度得以减低到600摄氏度以下。
【附图说明】
[0022]图1为本发明一种实施例的基于半导体结效应的固体氧化物燃料电池的电镜截面图；
[0023]图2为本发明的基于半导体结效应的固体氧化物燃料电池的输出特性曲线；
[0024]图3为本发明的基于半导体结效应的固体氧化物燃料电池的结特性测试(整流曲线)；
[0025]图4为本发明的基于半导体结效应的固体氧化物燃料电池的工作原理图；
[0026]图5为本发明的基于半导体结效应的固体氧化物燃料电池采用修饰层结构图；
[0027]图6为本发明的基于半导体结效应的固体氧化物燃料电池的等效电路图。
【具体实施方式】
[0028]本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明ο
[0029]实施例1燃料电池的制备
[0030]以采用TDC+Co和LNCA为例来说明本电池的制备方法。
[0031]称取0.2g TDC+Co样品和0.2g LNCA;准备两块直径12.8毫米厚度Imm的泡沫镍圆片；按泡沫镍圆片、TDC+Co样品、LNCA、泡沫镍圆片的顺序把它们依次填放到直径13mm的不锈钢模具中，保证样品铺撒均匀;在200-300MPa的压强下干压成型，即可得到一个成品燃料电池。
[0032]请参考图1，图1中是本发明基于半导体结效应的固体氧化物燃料电池的截面电镜图，图中可以清晰地看到电池由两层构成，疏松的一层(即左边)为LNCA层，而致密的一层为TDC+Co层，两层之间界面清晰。两层