一种单向电子导通固体氧化物燃料电池及其制备方法与流程

本发明属于新能源发电技术领域，具体涉及一种单向电子导通固体氧化物燃料电池及其制备方法。

背景技术：

燃料电池是通过电化学反应将燃料的化学能直接转化为电能的装置。燃料电池具有能量转化效率高、噪声小、污染小的优点。其中，由于固体氧化物电池不使用贵金属催化剂/组件，同时兼容氢气、甲烷和一氧化碳等含碳气体和煤气化发电，被认为是未来极具有竞争力的新型发电技术。

固体氧化物燃料电池核心部件是电解质、阴极和阳极。电解质材料要求具有很高的氧离子电导和很低的电子电导；阴极材料和阳极材料要求具有良好的电子电导，同时，与电解质材料要有良好的热匹配性。目前，主流的电解质材料为钇稳定氧化锆(ysz)或掺杂氧化铈陶瓷；阳极材料主要为多孔镍/氧化镍；阴极材料主要为锰酸镧基和亚钴酸镧基陶瓷材料。

除了向外部负载供电以外，由于固体氧化物燃料电池组件也导通电子(阴、阳极材料为良导体，电解质具有一定的电子电导)，所以电池也会向内部供电、发热，引起能量的损耗。如果要增加电阻、降低电子电导，需要加厚电解质材料，同时也降低了离子电导，电池性能下滑。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的固体氧化物燃料电池内部易短路，燃料的利用率低和发电性能较差的缺陷，从而提供一种单向电子导通固体氧化物燃料电池及其制备方法。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：

本发明提供了一种单向电子导通固体氧化物燃料电池，包括阳极层，阴极层和设置于其中的电解质层，

所述电解质层包括baceo3和/或srceo3；

所述阴极层包括zno。

所述阴极层中zno占阴极层中材料总量的摩尔百分数为10％-50％。

所述阳极层包括baceo3和/或srceo3，及nio。

所述阳极层中nio占阳极层中材料总量的摩尔百分数为50％-90％。

本发明还提供了一种单向电子导通固体氧化物燃料电池的制备方法，包括，

(1)在阳极层上涂布电解质材料，经热压，煅烧后在阳极层上形成电解质层，其中，所述电解质材料的制备方法为，

a：将钡或锶，铈与稀土金属掺杂物的硝酸盐溶于酸溶液中，调节ph，加热形成凝胶，升温去除有机物，再煅烧后得到电解质粉末；或

b：将碳酸钡或碳酸锶和氧化铈与稀土金属掺杂物的氧化物在600℃-1200℃下煅烧得到所述电解质材料；

其中，所述掺杂物为钪、钇、镧、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、镱、镥的一种或几种。

(2)将阴极材料热压至电解质层上，煅烧后成阴极层，其中所述阴极材料为镧锶锰或镧锶钴铁与氧化锌的混合物；

(3)进一步热压，退火、煅烧形成稳定的陶瓷结构，然后通过支撑体和连接体形成固体氧化物燃料电池。

所述步骤(1)电解质材料中，以金属元素计，

a.溶胶凝胶法中提供钡或锶、铈和其他稀土金属的元素的摩尔比为(1-6)：(4-9)：(0-5)；

b.固相合成法中提供的碳酸钡或碳酸锶、氧化铈和稀土金属掺杂物的氧化物中的钡或锶、铈和稀土金属的元素的摩尔比为(1-6)：(4-9)：(0-5)。

所述阴极材料中zno占阴极层中材料总量的摩尔百分数为10％-50％。

形成所述阳极层的材料为nio与所述电解质材料的混合物，以摩尔百分数计，所述nio占阳极层材料的50％-90％。

形成所述阳极层的材料经热压、煅烧形成所述阳极层。

所述酸溶液为edta与柠檬酸或甘氨酸的混合溶液。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的单向电子导通固体氧化物燃料电池，包括阳极层，阴极层和设置于其中的电解质层，其中，所述电解质层包括baceo3和/或srceo3；所述阴极层包括zno。该电池以srceo3和/或baceo3为电解质材料，其在富氢环境下(靠近阳极侧)，电子电导较低，离子电导中的氢离子电导很高。在富氧环境下(靠近阴极侧)，呈现p型半导体，电子电导很大。本发明制备得到的电池的电解质层与掺入zno的阴极层之间形成一个类似pn结二极管，阻止电流在电池内部逆向流动，从而实现电子的单向导通，有效地降低了电解质层的电子电导，可以使用更低电阻的电解质层，降低了电池的内阻，减少了内部短路造成的损耗，从而提高了燃料的利用率和发电性能。此外，本发明制备得到的单向电子导通固体氧化物燃料电池，与普通氧化铈燃料电池相比，电解质层电阻较小、电池的发电性能较好。

2.本发明提供的单向电子导通固体氧化物燃料电池的制备方法，通过对氧化锌的用量进行选择，可以更改阴极的能带，控制单向导通的势垒高度，以利于电子沿势垒单侧传导；制备过程中使用煅烧可以使固体氧化物燃料电池各个组分之间的结合强度更大，降低电池内阻，同时使电池具有较长的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种单向电子导通固体氧化物燃料电池。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例1

本实施例提供了一种单向电子导通固体氧化物燃料电池的制备方法，包括，

(1)ba(no3)2、ce(no3)3按ba、ce元素的摩尔比为6:4混合均匀，溶于edta与柠檬酸混合溶液中，调节ph至2，加热至80℃形成凝胶后，升高温度至150℃，去除有机物后，在300℃下煅烧20h得到baceo3基电解质粉末；

(2)nio和baceo3的摩尔比为1:1，将其混合均匀，使用球磨机研磨后，在300℃煅烧20h，得到阳极层；

(3)在阳极层上涂布baceo3粉末，热压后，在400℃下煅烧5h，在阳极层上形成电解质层薄膜；

(4)lsm与zno的摩尔比为1:1混合均匀，将其涂布在电解质层薄膜上，在300℃下煅烧20h形成阴极，得到固体氧化物燃料电池；

(5)固体氧化物燃料电池经热压，退火，煅烧后，与支撑体和连接体形成固体氧化物燃料电池及电堆。

发电性能是指能量密度，即每个平方厘米发电的瓦数。经检测，制备得到的固体氧化物燃料电池在550℃下的能量密度为0.8w/cm²，电解质层电阻为0.6ω/cm²；电池使用寿命15000h。

实施例2

本实施例提供了一种单向电子导通固体氧化物燃料电池的制备方法，包括，

(1)srco3、ceo2、y2o3按sr、ce、y元素的摩尔比为1:9:1混合均匀，在800℃下煅烧1h，得到稀土金属掺杂srceo3基电解质材料粉末；

(2)nio和srceo3按摩尔比为9:1混合均匀，使用球磨机研磨后，在400℃煅烧15h，得到阳极层；

(3)在阳极层上涂布srceo3粉末，热压后，在300℃下煅烧20h，在阳极层上形成电解质薄膜；

(4)取lscf与zno的摩尔比为9:1混合均匀，将其涂布在电解质薄膜上，在300℃下煅烧5h形成阴极，得到固体氧化物燃料电池；

(5)固体氧化物燃料电池经热压，退火，煅烧后，与支撑体和连接体形成固体氧化物燃料电池及电堆。

经检测，制备得到的固体氧化物燃料电池在600℃的能量密度为0.9w/cm²，电解质层电阻为0.5ω/cm²，使用寿命为15000h，与对比例1制备的普通氧化铈燃料电池相比，本发明制备得到的固体氧化物燃料电池的电解质层的电阻明显降低，使用寿命明显提高。

实施例3

本实施例提供了一种单向电子导通固体氧化物燃料电池的制备方法，包括，

(1)sr(no3)2、ce(no3)3、与pr(no3)3、nd(no3)3、sm(no3)3按sr、ce、pr、nd、sm摩尔比为4：7：1：1：1混合均匀，溶于edta与甘氨酸混合溶液中，调节ph至5，加热至80℃形成凝胶后，升高温度至150℃，去除有机物后，在500℃下煅烧5h得到稀土金属掺杂srceo3基电解质粉末；

(2)nio和srceo3按摩尔比为3:1混合均匀，使用球磨机研磨后，在500℃煅烧5h，得到阳极层；

(3)在阳极层上涂布srceo3粉末，热压后，在600℃下煅烧1h，在阳极层上形成电解质薄膜；

(4)lscf与zno按摩尔比为7:3混合均匀，将其涂布在电解质薄膜上，在400℃下煅烧5h形成阴极，得到固体氧化物燃料电池；

(5)固体氧化物燃料电池经热压，退火，煅烧后，与支撑体和连接体形成固体氧化物燃料电池及电堆。

经检测，制备得到的固体氧化物燃料电池在500℃下的能量密度为0.9w/cm²，电解质层电阻为0.5ω/cm²；使用寿命为12000h。

实施例4

本实施例提供了一种单向电子导通固体氧化物燃料电池的制备方法，包括，

(1)将baco3、srco3和ceo2与eu2o3、gd2o3、tb2o3、dy2o3、yb2o3按ba、sr、ce、eu、gd、tb、dy、yb元素的摩尔比为2：3：5：0.5：0.5：1:2:1，在950℃下煅烧10h，得到稀土金属掺杂baceo3和srceo3基电解质材料粉末；

(2)nio、baceo3和srceo3摩尔比为3:1:1，将其混合均匀，使用球磨机研磨后，在600℃煅烧1h，得到阳极层；

(3)在阳极层上涂布baceo3和srceo3混合物，其摩尔比为1:1，热压后，在500℃下煅烧3h，在阳极层上形成电解质薄膜；

(4)lsm与zno按摩尔比为4:1混合均匀，将其涂布在电解质薄膜上，在600℃下煅烧2h形成阴极，得到固体氧化物燃料电池；

(5)固体氧化物燃料电池经热压，退火，煅烧后，与支撑体和连接体形成固体氧化物燃料电池及电堆。

经检测，制备得到的固体氧化物燃料电池在550℃的能量密度为1.0w/cm²，电解质层电阻为0.4ω/cm²；使用寿命为12000h。

对比例1

本对比例提供了一种普通氧化铈燃料电池，具体为，

nio在400℃下煅烧15h后得到阳极层，将掺杂y的氧化铈涂布在阳极层上，热压，在300℃下煅烧20h后，形成电解质薄膜，然后将lscf涂布在电解质薄膜上，在300℃下煅烧5h形成阴极，得到固体氧化物燃料电池。

经检测，制备得到的固体氧化物燃料电池在600℃的能量密度为0.27w/cm²，电解质层电阻为2.3ω/cm²；使用寿命为5000h。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。