CN101752585B - 一种固体氧化物燃料电池系统及其制备方法 - Google Patents
一种固体氧化物燃料电池系统及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101752585B CN101752585B CN2010100182726A CN201010018272A CN101752585B CN 101752585 B CN101752585 B CN 101752585B CN 2010100182726 A CN2010100182726 A CN 2010100182726A CN 201010018272 A CN201010018272 A CN 201010018272A CN 101752585 B CN101752585 B CN 101752585B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- oxide
- anode
- electrolyte
- oxygen ion
- battery system
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 29
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 13
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 41
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 24
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 239000010416 ion conductor Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 14
- -1 lanthanide metal oxide Chemical class 0.000 claims description 10
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 10
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052747 lanthanoid Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoceriooxy)cerium Chemical group [Ce]=O.O=[Ce]=O BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910000420 cerium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 claims description 5
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 14
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 25
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 14
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 13
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 11
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 11
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 9
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 9
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 6
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 5
- 238000000713 high-energy ball milling Methods 0.000 description 5
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical compound CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000006257 cathode slurry Substances 0.000 description 4
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 4
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PACGUUNWTMTWCF-UHFFFAOYSA-N [Sr].[La] Chemical compound [Sr].[La] PACGUUNWTMTWCF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- FWLGASJILZBATH-UHFFFAOYSA-N gallium magnesium Chemical compound [Mg].[Ga] FWLGASJILZBATH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 3
- 229920002037 poly(vinyl butyral) polymer Polymers 0.000 description 3
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 3
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 3
- 238000010345 tape casting Methods 0.000 description 3
- ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 2-Butanone Chemical compound CCC(C)=O ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OAKJQQAXSVQMHS-UHFFFAOYSA-N Hydrazine Chemical compound NN OAKJQQAXSVQMHS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 2
- ARWMTMANOCYRLU-UHFFFAOYSA-N [Ca].[La] Chemical compound [Ca].[La] ARWMTMANOCYRLU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- IQONKZQQCCPWMS-UHFFFAOYSA-N barium lanthanum Chemical compound [Ba].[La] IQONKZQQCCPWMS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 238000000840 electrochemical analysis Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 239000006199 nebulizer Substances 0.000 description 2
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 description 2
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 description 2
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 2
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 101150058765 BACE1 gene Proteins 0.000 description 1
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 1
- 206010013786 Dry skin Diseases 0.000 description 1
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 1
- 229910052777 Praseodymium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052772 Samarium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002301 cellulose acetate Polymers 0.000 description 1
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010344 co-firing Methods 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 229910001938 gadolinium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229940075613 gadolinium oxide Drugs 0.000 description 1
- CMIHHWBVHJVIGI-UHFFFAOYSA-N gadolinium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Gd+3].[Gd+3] CMIHHWBVHJVIGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- AHKZTVQIVOEVFO-UHFFFAOYSA-N oxide(2-) Chemical compound [O-2] AHKZTVQIVOEVFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002492 poly(sulfone) Polymers 0.000 description 1
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 1
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 1
- 235000019422 polyvinyl alcohol Nutrition 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 229910001954 samarium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229940075630 samarium oxide Drugs 0.000 description 1
- FKTOIHSPIPYAPE-UHFFFAOYSA-N samarium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Sm+3].[Sm+3] FKTOIHSPIPYAPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 1
- SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N scandium atom Chemical compound [Sc] SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 238000010532 solid phase synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Abstract
本发明涉及固体氧化物燃料电池系统及其制备方法。该电池系统的电解质材料采用氧离子导体氧化物，阳极为金属-陶瓷复合阳极，其中的陶瓷材料为质子导体氧化物，或者为质子导体氧化物与氧离子导体氧化物的混合物，阴极材料至少为贵金属和钙钛矿型氧化物中的一种，或者至少为贵金属和钙钛矿型氧化物中的一种与电解质材料的混合物。具有该种构型的电池的操作温度范围广，为300～1000℃，并且同时具备高的功率密度及开路电压，具有很好的操作稳定性。本发明能够对燃料电池，特别是中低温固体氧化物燃料电池的发展做出巨大贡献。
Description
技术领域
本发明属于新型能源，燃料电池技术领域，具体涉及一种以质子导体为阳极离子导电相，氧离子导体为电解质，同时具有高的功率密度和开路电压的新型固体氧化物燃料电池系统及其制备方法。
背景技术
燃料电池是是通过电化学反应方式将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置。固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种全固态组成的新型燃料电池，其以具有纯离子导电性的氧化物为电解质，以复合氧化物为阴极材料，以金属-陶瓷复合电极作为阳极材料。此类电池的效率在所有电池中是最高的，其高温操作使得除了H2以外，其它燃料如CH4，CO等都可以作为其潜在的燃料体系，而全固态结构避免了液态电解质的腐蚀问题，因而SOFC近年来受到了人们极大的关注，同时也取得了可嘉进展。
SOFC按照其电解质的导体类型不同，可以分为氧离子导电型SOFC(SOFC-O2-)和质子导电型SOFC(SOFC-H+)。YSZ、SDC、LSGM等传统的燃料电池电解质都属于氧离子导体，在此类SOFC-O2-过程中，氧在阴极活化，经过一系列的步骤，最终形成氧离子，氧离子在化学势的作用下，从阴极经电解质膜到达阳极表面，与燃料分子发生反应，反应的源源不断进行就可以不断产生可以利用的电子流，从而产生电能，对于SOFC-O2-来说，反应物在阳极产生，所以会对燃料气进行稀释的作用。与SOFC-O2-不同的是，在SOFC-H+中H2O的生成是在电池的阴极，可以有效避免反应产物对燃料的稀释作用，同时由于质子个头小，其迁移能力要大于氧离子，因而具有更低的迁移活化能，理论上SOFC-H+比SOFC-O2-更适合于在低温下使用。
然而到目前为止，对于SOFC-H+来说，虽然质子电导在600℃下高于氧离子电导，电池的开路电压较高，但是其在600℃下的功率密度普遍偏低，而SOFC-O2-在优化条件下，600℃时最高功率密度已有大于1W cm-2的报导，所以单从功率密度上SOFC-O2-已接近实际应用的价值，然而，特别是对于应用于中低温SOFC-O2-来说，由于电解质具有部分电子导电率而导致电池电动势偏低。所以如果能将SOFC-H+与SOFC-O2-的优点相结合，势必非常有吸引力。
常规SOFC的阳极通常由镍-陶瓷复合电极组成，为了保证电极与电解质的相容性，复合阳极的离子导电相通常采用与电解质相同的材料组成，从而可以有效地避免阳极与电解质之间的反应。薄膜电解质燃料电池通常采用阳极支撑，并采用阳极与电解质在高温共烧结的方式形成。
发明内容
本发明目的为了改进现有技术中特别是以铈基氧化物为电解质的固体氧化物燃料电池的开路电压偏低而提供一种采用质子导体为阳极离子导电相，氧离子导体为电解质的新型固体氧化物燃料电池系统，本发明另一目的是提供上述固体氧化物燃料电池系统的制备方法。
本发明的技术方案为：一种固体氧化物燃料电池系统，其特征在于其电解质材料为氧离子导体氧化物；阳极为金属-陶瓷复合阳极，其中的陶瓷材料为质子导体氧化物，或者为质子导体氧化物与氧离子导体氧化物的混合物；阴极材料至少为贵金属或钙钛矿型氧化物中的一种，或者至少为贵金属或钙钛矿型氧化物中的一种与电解质材料的混合物。
其中质子导体氧化物与氧离子导体氧化物的混合物中，氧离子导体的质量分数为0-50％。
其中所述的氧离子导体氧化物为氧化铈基氧离子导体、氧化锆基氧离子导体、镧镓基钙钛矿型氧化物或镧铝基钙钛矿型氧化物；优选氧化钐掺杂的氧化铈(SDC)、氧化钇掺杂的氧化铈(YDC)、氧化钆掺杂的氧化铈(GDC)、钪稳定的氧化锆(ScSZ)、钇稳定的氧化锆(YSZ)或镧钙铝(LCA)，镧钡铝(LBA)，镧钙镓(LCG)，镧钡镓(LBG)，镧锶镓(LSG)，镧锶镓镁(LSGM)，镧镓镁(LGM)，镧锶镓镁钴(LSGMC)。
所述的质子导体氧化物优选SrCeO3基化合物、SrZrO3基化合物、BaCeO3基化合物、BaZrO3基化合物、CaZrO3基化合物、BaThO3基化合物或BaTbO3基化合物。更优选为ABO3钙钛矿型氧化物，例如SrCeO3、BaCeO3、SrZrO3、BaZrO3，或者基于上述基体材料的质子导体氧化物(如：SrCexYb1-xO3-δ，BaCexY1-xO3-δ，BaZrxCeyY1-x-yO3-δ等)。
优选阳极中金属的原料为过渡金属氧化物，或者为过渡金属氧化物中掺杂镧系金属氧化物，其中镧系金属氧化物掺杂的质量分数为0-50％。优选过渡金属氧化物为NiO、CuO或Fe2O3等，优选镧系金属氧化物为La2O3或Sm2O3等。
阴极材料优选BaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ(BSCF)、LaxSr1-xMnO3-δ(LSM)、LaxSr1-xScyMn1-yO3-δ(LSSM)、LaxSr1-xFeO3-δ(LSF)、LaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ(LSCF)、LaxSr1-xCoO3-δ(LSC)、SrScxCo1-x O3-δ(SSC)、LnBaCo2O5+δ(其中Ln＝Pr、Nd、Sm、Gd等)、Pt或Pd等(其中0＜x＜1，0＜y＜1，0≤δ＜1)，还可以是以上材料中的一种或几种与电解质材料任意组成的混合物，优选BSCF+SDC+Ag，LSM+YSZ或LSSM+ScSZ等。
本发明所述的电池类型为管式或平板式，电池构型为阳极支撑型或电解质支撑型。电池系统的操作温度范围为300-1000℃。
本发明还提供了上述固体氧化物燃料电池系统的制备方法，其具体步骤如下：
(1)将有机物、阳极原料加入有机溶剂中球磨混合后，在30-100℃下烘干制得阳极粉体，压制成阳极坯体；
(2)将电解质粉体分散在已压制好的阳极坯体上方，从而压制成阳极支撑的电解质双层坯体，并将其在1200-1600℃下煅烧3-100h；
(3)将阴极粉体加入有机溶剂中制得阴极浆料，均匀的喷涂在电解质层的表面，喷涂过程中，阳极支撑的电解质双层坯体要保持在80-300℃，喷涂结束后，将其在800-1200℃下煅烧2-100h，从而制得固体氧化物燃料电池系统。
阳极原料为金属氧化物和陶瓷材料的混合物，优选二者的质量比为金属氧化物∶陶瓷材料为40～90％∶10～60％。
阳极原料中金属氧化物为过渡金属氧化物(优选NiO、CuO或Fe2O3等)或者是过渡金属氧化物中掺杂一定量的镧系金属氧化物(优选La2O3或Sm2O3等)，其中镧系金属氧化物掺杂的质量分数为0-50％。
所述的有机物为聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、淀粉、活性炭、石墨、醋酸纤维素、聚砜或聚酯。以阳极原料为基准，有机物的加入质量一般为1％-30％。
所述的有机溶剂至少为乙醇、丙酮、丁酮、异丙醇、乙二醇、丙三醇、甲苯或二甲苯中的一种。有机溶剂的加入量溶解原料为准。
电解质、阴极材料和阳极材料的制备既可以采用溶胶凝胶法或固相法。
电池阳极层的制备方法也可以采用干压法、流延法、挤出法、压延法等中的一种，电解质层的制备方法也可以采用干压法、流延法、喷涂法、丝网印刷法、浸渍提拉、喷墨打印、气相沉积或溶胶凝胶法等中的一种，阴极层的制备方法也可以采用喷涂法、流延法、丝网印刷法或气相沉积法等中的一种。
阳极中的离子导电相为质子导体，而电解质材料为氧离子导体，以其在电解质与阳极接触界面上发生相反应从而生成有利的新相，导致电池的开路电压大大提高，又由于有合适的阴极存在，电池功率密度也大大增加。
有益效果：
本发明能够制备出优秀的以质子导体作为阳极离子导电相，以氧离子导体作为电解质的，同时具备氧离子导体和质子导体特质的新型电池，而且其具备远高于普通的特别是同时以氧离子导体为阳极离子导电相和电解质材料的中低温固体氧化物燃料电池的开路电压，以及远远高于质子导体固体氧化物燃料电池的功率密度，例如Ni-BZCY//SDC/BSCF单电池在600℃时的开路电压(OCV)能够达到1.02V，最大功率密度(PPD)为670mW/cm2左右，而传统的Ni-SDC/SDC/BSCF单电池在相同温度下，OCV只有0.85V，对于Ni-BZCY/BZCY/BSCF单电池来说，在600℃时的PPD也只有160mW/cm2左右，而且该类电池系统的燃料范围广泛，可以采用氢气、CxHyOz(其中x，y＞1，z≥0)，氨气或肼等。由此可以看出，这种新构型的固体氧化物燃料电池具有很好的应用前景，能够为SOFC的工业化以及未来发展做出贡献。
附图说明
图1为本发明实施例1中的电池的电流密度-电压(I-V)和电流密度-功率密度(I-P)曲线。
图2为本发明实施例1中的电池断面的SEM照片。
图3为本发明实施例2中的电池的I-V和I-P曲线。
图4为本发明实施例2中的电池断面的SEM照片。
具体实施方式
实施例1：Ni-BZCY|SDC|BSCF单电池的制备及性能测试
首先，称取30gNiO、20gBZCY粉体以及3g聚乙烯醇缩丁醛，再加100ml乙醇利用球磨进行混合，24h之后取出，恒定80℃，并不断地搅拌将形成的混合物浆料烘干，然后通过手磨、过筛，最终形成阳极粉体，称取该粉体0.35g，通过模具制得阳极坯体。
然后，再称取0.02g电解质粉体SDC，均匀分布在方才制得的阳极坯体上，再一次压制。将上述制得的阳极支撑的电解质双层坯体经1450℃煅烧5h，升温速率为5℃/min。
其次，称取2gBSCF，并移取20ml异丙醇，5ml乙二醇，1.5ml丙三醇，一起加入高能球磨罐中，在400rpm转速下球磨30min制得阴极浆料。利用喷枪将该浆料喷在之前制得的阳极支撑的电解质双层坯体的电解质面上，阴极面积为0.48cm2，喷涂过程中，该坯体放在加热台上并保证温度为210℃，采用空气为工作载气，工作压力为1atm，喷涂时间为20min左右。将喷好阴极的片子送入高温炉中，在1000℃下热处理2h，升温速率为5℃/min。
最后，将该片子取出，即为制备好的单电池，并对它进行电化学测试。采用四探针结构，反应器外部不加套管，内管通入氢气作为燃料，阴极端暴露在流动的空气中。由图1可以看出，在600℃的时候，该电池的开路电压是1.026V，最高功率密度可以达到670mW/cm2左右，测试过后的电池被用来作了SEM表征，如图2所示，从图中可以看出，电解质很致密，阴极与阳极则很多孔，并且彼此都连接紧密，没有剥离。
实施例2：Ni-BZCY|YDC|BSCF单电池的制备及性能测试
首先，称取70gNiO、30gBZCY粉体、4g淀粉以及3g聚乙烯吡咯烷酮，再加300ml丙酮，一起加入不锈钢球磨罐中，混合24h之后取出，恒定60℃将形成的混合物浆料搅拌烘干，然后通过手磨、过筛，最终形成阳极粉体，称取该粉体0.4g，通过模具制得阳极坯体，并将该坯体送入高温炉中1000℃热处理2h，升温速率为5℃/min。
然后，再称取10g电解质粉体YDC，移取80ml异丙醇，10ml乙二醇以及10ml甲苯加入高能球磨罐中，在500rmp转速下球磨2h制得电解质浆料。利用超声喷雾器将浆料喷涂在上述的阳极坯体上，喷涂过程中，阳极坯体恒温在200℃下，载气为氮气，流量是40ml/min，工作压力为1.5atm，喷涂时间是5s，接着将喷上电解质后的双层坯体送入炉中，以5℃/min的速率升至1350℃，并保温5h。
其次，称取5g BSCF，并移取50ml异丙醇，20ml乙二醇，一起加入高能球磨罐中，在500rpm转速下球磨1h制得阴极浆料。通过超声喷雾器将该浆料喷在上述烧结后的阳极支撑的电解质双层坯体的电解质面上，喷涂过程中，该坯体放在加热台上并保证温度为240℃，采用空气为工作载气，工作压力为1atm，喷涂时间为6s，将喷好阴极的拥有三层膜的片子送入高温炉中，在1000℃下热处理5h，升温速率为5℃/min。
最后，将该片子取出，即为制备好的单电池，并对它进行电化学测试。采用四探针结构，反应器外部不加套管，内管通入氢气作为燃料，阴极端暴露在流动的空气中。由图3可以看出，在600℃的时候，该电池的开路电压是1.011V，最高功率密度可以达到305mW/cm2左右，测试过后的电池被用来作了SEM表征，如图4所示，从图中可以看出，电解质很致密，阴极与阳极很多孔，并且彼此都连接紧密，是一个合格的单电池。
实施例3：Ni-BCY|YSZ|LSM+YSZ单电池的制备及性能测试
首先，称取55gNiO、45gBCY粉体、8g石墨以及2g聚乙烯醇缩丁醛，再加500ml乙醇与二甲苯作为溶剂，一起加入不锈钢球磨罐中，混合24h之后取出，将浆料经小型脱泡机脱泡40min得到流延浆料，经过流延机制备出阳极坯体，并将该坯体送入高温炉中900℃热处理5h，升温速率为2℃/min。
然后，再称取2g电解质粉体YSZ，移取20ml异丙醇，5ml乙二醇以及2ml甲苯加入高能球磨罐中，在400rmp转速下球磨1h制得电解质浆料。利用喷枪将浆料喷涂在上述的阳极坯体上，喷涂过程中，阳极坯体恒温在200℃下，载气为氮气，工作压力为1atm，喷涂时间是30min左右，接着将喷上电解质后的双层坯体送入炉中，以5℃/min的速率升至1450℃，并保温5h。
其次，称取1.5gLSM和0.5gYSZ，并移取20ml异丙醇，5ml乙二醇，1ml丙三醇，一起加入高能球磨罐中，在400rpm转速下球磨30min制得阴极浆料。利用喷枪将该浆料喷在之前制得的阳极支撑的电解质双层坯体的电解质面上，喷涂过程中，该坯体放在加热台上并保证温度为220℃，氮气为工作载气，工作压力为1atm，喷涂时间为10min左右。将喷好阴极的片子送入高温炉中，在1100℃下热处理2h，升温速率为5℃/min。最后，将该片子取出，即为制备好的单电池。
实施例4：单电池阳极为Ni-BCY，电解质材料为LSGM，阴极材料为SSC，其它同实施例1。
实施例5：单电池阳极为Ni-Fe-SCYb，电解质材料为GDC，阴极材料为LSCF，其它同实施例2。
实施例6：单电池阳极为Ni-BZY-ScSZ，电解质材料为ScSZ，阴极材料为LSSM+ScSZ，其它同实施例3。
Claims (5)
1.一种固体氧化物燃料电池系统，其特征在于其电解质材料为氧离子导体氧化物；阳极为金属-陶瓷复合阳极，其中陶瓷材料为质子导体氧化物，或者为质子导体氧化物与氧离子导体氧化物的混合物；阴极材料至少为贵金属或钙钛矿型氧化物中的一种，或者至少为贵金属或钙钛矿型氧化物中的一种与电解质材料的混合物；其中所述的氧离子导体氧化物为氧化铈基氧离子导体、氧化锆基氧离子导体、镧镓基钙钛矿型氧化物或镧铝基钙钛矿型氧化物；所述的质子导体氧化物为SrCeO3基化合物、SrZrO3基化合物、BaCeO3基化合物、BaZrO3基化合物、CaZrO3基化合物、BaThO3基化合物或BaTbO3基化合物。
2.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于质子导体氧化物与氧离子导体氧化物的混合物中，氧离子导体的质量分数为0-50％。
3.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于阳极中金属的原料为过渡金属氧化物，或者为过渡金属氧化物中掺杂镧系金属氧化物，其中镧系金属氧化物掺杂的质量分数为0-50％。
4.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于电池类型为管式或平板式，电池构型为阳极支撑型或电解质支撑型。
5.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于电池系统的操作温度范围为300-1000℃。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2010100182726A CN101752585B (zh) | 2010-01-21 | 2010-01-21 | 一种固体氧化物燃料电池系统及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2010100182726A CN101752585B (zh) | 2010-01-21 | 2010-01-21 | 一种固体氧化物燃料电池系统及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101752585A CN101752585A (zh) | 2010-06-23 |
| CN101752585B true CN101752585B (zh) | 2011-11-16 |
Family
ID=42479200
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2010100182726A Active CN101752585B (zh) | 2010-01-21 | 2010-01-21 | 一种固体氧化物燃料电池系统及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101752585B (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120140476A (ko) * | 2011-06-21 | 2012-12-31 | 삼성전자주식회사 | 고체산화물 연료전지용 소재, 상기 소재를 포함하는 캐소드 및 상기 소재를 포함하는 고체산화물 연료전지 |
| CN103613105B (zh) * | 2013-11-25 | 2016-01-06 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 单电池、其制备方法及应用 |
| CN106505211A (zh) * | 2016-11-18 | 2017-03-15 | 安徽工业大学 | 一种降低CeO2基固体氧化物燃料电池电子电导的阳极材料及其制备方法 |
| RU2643152C1 (ru) * | 2017-05-04 | 2018-01-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Способ получения пленочного твердого электролита |
| CN109216711B (zh) * | 2018-07-26 | 2020-12-22 | 华南理工大学 | 利用脉冲激光沉积技术调控晶格应力制备固体氧化物燃料电池的方法 |
| JPWO2021014822A1 (zh) * | 2019-07-19 | 2021-01-28 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1271969A (zh) * | 1999-04-22 | 2000-11-01 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种阳极负载型氧化钇稳定氧化锆固体电解质及其制备 |
| CN101252199A (zh) * | 2008-04-01 | 2008-08-27 | 南京工业大学 | 一种中空纤维型固体氧化物燃料电池的制备方法 |
| CN101304098A (zh) * | 2008-06-12 | 2008-11-12 | 南京工业大学 | 一种燃料主体为固态炭基化合物的固体氧化物燃料电池系统 |
-
2010
- 2010-01-21 CN CN2010100182726A patent/CN101752585B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1271969A (zh) * | 1999-04-22 | 2000-11-01 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种阳极负载型氧化钇稳定氧化锆固体电解质及其制备 |
| CN101252199A (zh) * | 2008-04-01 | 2008-08-27 | 南京工业大学 | 一种中空纤维型固体氧化物燃料电池的制备方法 |
| CN101304098A (zh) * | 2008-06-12 | 2008-11-12 | 南京工业大学 | 一种燃料主体为固态炭基化合物的固体氧化物燃料电池系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101752585A (zh) | 2010-06-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lee et al. | Ba0. 5Sr0. 5Co0. 8Fe0. 2O3− δ (BSCF) and La0. 6Ba0. 4Co0. 2Fe0. 8O3− δ (LBCF) cathodes prepared by combined citrate-EDTA method for IT-SOFCs | |
| US9252447B2 (en) | Composite anode for a solid oxide fuel cell with improved mechanical integrity and increased efficiency | |
| Xie et al. | Electrochemical gas–electricity cogeneration through direct carbon solid oxide fuel cells | |
| CN102569786B (zh) | 一种钙钛矿型Co基复合阴极材料及其制备和应用 | |
| CN103390739B (zh) | 一种固体氧化物燃料电池氧化铈基电解质隔层及其制备 | |
| Ding et al. | High performance anode-supported solid oxide fuel cell based on thin-film electrolyte and nanostructured cathode | |
| US8993200B2 (en) | Optimization of BZCYYb synthesis | |
| Liu et al. | Fabrication and characterization of micro-tubular cathode-supported SOFC for intermediate temperature operation | |
| CN100589271C (zh) | 一种中空纤维型固体氧化物燃料电池的制备方法 | |
| CN101752585B (zh) | 一种固体氧化物燃料电池系统及其制备方法 | |
| CN103219525B (zh) | 低温固体氧化物燃料电池及其制备方法 | |
| Chen et al. | Interlayer-free electrodes for IT-SOFCs by applying Co3O4 as sintering aid | |
| Guo et al. | Electrochemical contribution of silver current collector to oxygen reduction reaction over Ba0. 5Sr0. 5Co0. 8Fe0. 2O3− δ electrode on oxygen-ionic conducting electrolyte | |
| KR20130047534A (ko) | Ｎｉ-ＹＳＺ 연료(수소)전극을 포함하는 고체산화물 연료전지와 전해셀 및 이의 제조방법 | |
| Chang et al. | Fabrication and characterization of Sm0. 2Ce0. 8O2− δ–Sm0. 5Sr0. 5CoO3− δ composite cathode for anode supported solid oxide fuel cell | |
| Li et al. | Evaluation of (Ba0. 5Sr0. 5) 0.85 Gd0. 15Co0. 8Fe0. 2O3− δ cathode for intermediate temperature solid oxide fuel cell | |
| Zhou et al. | Metal-supported solid oxide fuel cells with in-situ sintered (Bi2O3) 0.7 (Er2O3) 0.3–Ag composite cathode | |
| CN101304093B (zh) | 一种低温固体氧化物燃料电池三合一组件mea及其制备 | |
| Zhang et al. | Spin-coating derived solid oxide fuel cells operated at temperatures of 500° C and below | |
| Tan et al. | Solid oxide cells with cermet of silver and gadolinium-doped-ceria symmetrical electrodes for high-performance power generation and water electrolysis | |
| CN101271981A (zh) | 一种低温固体氧化物燃料电池三合一组件mea及其制备 | |
| JP6573243B2 (ja) | 空気極組成物、空気極およびこれを含む燃料電池 | |
| Devi et al. | Solid oxide fuel cell materials: a review | |
| Kikuta et al. | Fabrication and characterization of microtubular and flattened ribbed SOFCs prepared by the multi-dip coating and co-firing | |
| Peng et al. | A Ruddlesden–Popper oxide as a carbon dioxide tolerant cathode for solid oxide fuel cells that operate at intermediate temperatures |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20180921 Address after: 430048 5 A-1 (11) in the east of the Golden Lake Street, East Lake Road and North East Garden Road, East and West, Wuhan, Hubei. Patentee after: WUHAN FPS NEW ENERGY TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 210009 No. 200, Zhongshan North Road, Jiangsu, Nanjing Patentee before: Nanjing University of Technology |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210208 Address after: 1 / F, No. 366, section 4, South Third Ring Road, Chengdu hi tech Zone, Chengdu, Sichuan 610041 Patentee after: Chengdu fosser New Energy Technology Co.,Ltd. Address before: 430048 5 A-1 (11) in the east of the Golden Lake Street, East Lake Road and North East Garden Road, East and West, Wuhan, Hubei. Patentee before: WUHAN FPS NEW ENERGY TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20221019 Address after: No. 1, Qianjin Industrial Park, Yuxian Street, Caidian District, Wuhan, Hubei 430100 Patentee after: Forsyer Technology Group Co.,Ltd. Address before: 1 / F, No. 366, section 4, South Third Ring Road, Chengdu hi tech Zone, Chengdu, Sichuan 610041 Patentee before: Chengdu fosser New Energy Technology Co.,Ltd. |