CN108878935A - 一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法 - Google Patents

一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108878935A
CN108878935A CN201810687861.XA CN201810687861A CN108878935A CN 108878935 A CN108878935 A CN 108878935A CN 201810687861 A CN201810687861 A CN 201810687861A CN 108878935 A CN108878935 A CN 108878935A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrolyte
oxide fuel
fuel cell
solid oxide
cell electrode
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.)
Pending
Application number
CN201810687861.XA
Other languages
English (en)
Inventor
何寿成
范文举
岳鑫
戴海璐
陶泽天
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yangcheng Institute of Technology
Yancheng Institute of Technology
Original Assignee
Yangcheng Institute of Technology
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yangcheng Institute of Technology filed Critical Yangcheng Institute of Technology
Priority to CN201810687861.XA priority Critical patent/CN108878935A/zh
Publication of CN108878935A publication Critical patent/CN108878935A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1065—Polymeric electrolyte materials characterised by the form, e.g. perforated or wave-shaped
    • 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

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，属于固体氧化物燃料电池领域。其特征在于：将电解质粉料与有机溶剂、粘结剂、粒径在10～100μm的造孔剂球磨混合，利用喷枪喷涂在已成型的电解质素坯表面，喷涂厚度控制在10～100μm，经过高温煅烧后在电解质表面形成一种多孔阵列结构。采用此技术修饰固体氧化物燃料电池电极/电解质界面，可以确保电极颗粒能够进入多孔结构中与电解质接触，从而显著增加三相界面长度，提高固体氧化物燃料电池性能。

Description

一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法
技术领域
本发明涉及一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，属于固体氧化物燃料电池领域。
背景技术
在所有的燃料电池种类当中，固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)由于发电效率高、燃料适应性强并且易于组成热电联供系统而备受关注。传统的SOFC一般使用Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)作为电解质，工作温度在800-1000℃，如此高的工作温度阻碍了其商业化推广。因此，目前对于SOFC的研究主要集中在如何有效降低它的工作温度，使得它既可以用作大型发电站，又可以用作小型辅助电源。
为了获得更高的功率输出，SOFC研究人员除了在新材料的开发和对现有材料性能的优化这两方面，还在电池及电池堆结构设计方面作了许多研究工作。在SOFC研究初期，曾报道过两种类似的电池结构设计——单片型(monolithic)和单块叠层型(mono-blocklayer built)。上述两种结构都是将SOFC组元设计成瓦楞式从而在宏观尺度上(>1mm)增大电极与电解质之间的接触面积。虽然此结构成功地提高了SOFC性能，但同时增加了电池厚度，单位体积上功率密度的提升非常有限。此外，这种瓦楞式结构的制备工艺也较复杂。另一方面，从微观尺度上提高电池性能的方法也被大量的研究报道。在燃料电池系统中，电化学反应只有可能在电极-电解质-气体所形成的三相界面(TPB)处发生。从本质上说，SOFC性能是由微观界面状态决定的，尤其是电极-电解质界面附近形成的三相反应界面的大小。虽然上述研究通过微观尺度上(<1μm)的界面结构修饰提高了电池性能，但是考虑到电极浆料的粘度和表面张力的影响，团聚的电极颗粒并不能完全进入到微观尺寸的多孔结构中形成有效的三相界面，导致电池性能的提升有限。此外，经过长时间高温运行后，在微观尺度上界面修饰的电池稳定性面临挑战。因此，制备出具有合适微孔结构的电极/电解质界面对于提高SOFC性能及其稳定性尤为重要。
发明内容
本发明要解决现有SOFC电极/电解质界面设计中出现的电池体积增大、长期稳定性能下降等问题，提供了一种可以获得高性能和高稳定性的SOFC电极/电解质界面修饰方法。
一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，具体是按照以下步骤完成的：
(a)通过固相反应法制备电解质粉料，将电解质粉料成型得到电解质素坯；
(b)将步骤a制备的电解质粉料与有机溶剂、粘结剂、造孔剂球磨混合，得到电解质浆料；
(c)将步骤b得到的电解质浆料通过喷枪喷涂在步骤a得到的电解质素坯表面；
(d)将步骤c制备的样品在高温下煅烧，在电极/电解质界面获得一种多孔阵列结构。
所述的步骤a中电解质粉料为Zr1-xYxO2-δ、Zr1-xScxO2-δ、Ce1-xGdxO2-δ、Ce1-xSmxO2-δ、Ce1-xYxO2-δ和La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ中的任一种，其中0<x<1，0<y<1，δ为氧空位浓度。
所述的步骤a中电解质素坯的成型方法为干压法或流延法。
所述的步骤b中机溶剂为乙醇和蓖麻油的混合物，其中乙醇与蓖麻油的质量比为1:0.05～0.1，电解质粉料与有机溶剂的质量比为1:0.7～1.2。
所述的步骤b中粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，电解质粉料与粘结剂的质量比为1:0.04～0.12。
所述的步骤b中造孔剂为石墨、淀粉、聚甲基丙烯酸甲酯中的任一种，造孔剂粒径为10～100μm，电解质粉料与造孔剂的质量比为1:0.5～3。
所述的步骤b中球磨机转速为250r/min，球磨时间48h。
所述的步骤c中喷枪压力为0.2MPa，喷嘴至素坯表面距离为15～18cm，喷涂的薄膜厚度为10～100μm。
所述的步骤d中煅烧温度为1400～1600℃，煅烧时间2h。
本发明的有益效果为：在电解质表面构建了一种具有介观尺度(10～100μm)的多孔结构，这种多孔结构能够有效扩大电极与电解质之间的接触面积，从而提高电池性能。采用这种结构的电池厚度几乎不变，并且没有引入其他组分，避免了相容性等问题。
附图说明
图1为实施例与对比例的固体氧化物燃料电池电流-电压及功率密度曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，以下参照具体的实施例来说明本发明。
实施例1
本实施例一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，具体是按照以下步骤完成的：
第一步，以ZrO2、Y2O3为原料，按照化学计量比Zr0.84Y0.16O2-δ混合均匀制得电解质粉料，经干压成型得到电解质素坯；
第二步，取10g Zr0.84Y0.16O2-δ电解质粉料与7.6g有机溶剂、1.2g粘结剂、10g造孔剂球磨混合制得电解质浆料，其中有机溶剂为7.2g乙醇和0.4g蓖麻油的混合物，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，造孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯、粒径为30μm，球磨机转速为250r/min，球磨时间48h；
第三步，将电解质浆料通过喷枪喷涂在电解质素坯表面，喷枪压力为0.2MPa，喷嘴至素坯表面距离为15cm，喷涂厚度为20μm；
第四步，将喷涂后的电解质素坯在1450℃煅烧2h；
第五步，在煅烧后的电解质表面制备Ni-YSZ阳极和LaBaCo2O5阴极，并以Ag浆作为电流收集材料，进行单电池性能测试。
实施例2
本实施例一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，与实施例1不同的是步骤二中造孔剂的质量为20g，其它与实施例1相同。
实施例3
本实施例一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，与实施例1不同的是步骤三中喷涂厚度为40μm，其它与实施例1相同。
实施例4
本实施例一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，与实施例1不同的是步骤三中喷涂厚度为60μm，其它与实施例1相同。
实施例5
本实施例一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，与实施例1不同的是步骤一中以CeO2、Gd2O3为原料，按照化学计量比Ce0.8Gd0.2O1.9混合均匀制得电解质粉料；步骤二中有机溶剂为7.2g乙醇和0.6g蓖麻油的混合物，粘结剂为0.8g聚乙烯醇缩丁醛，造孔剂为10g石墨、粒径为40μm；步骤四中喷涂后的电解质素坯在1550℃煅烧2h，其它与实施例1相同。
实施例6
本实施例一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，与实施例1不同的是步骤一中以CeO2、Sm2O3为原料，按照化学计量比Ce0.8Sm0.2O1.9混合均匀制得电解质粉料；步骤二中有机溶剂为9.2g乙醇和0.8g蓖麻油的混合物，粘结剂为1.0g聚乙烯醇缩丁醛，造孔剂为15g淀粉、粒径为60μm；步骤四中喷涂后的电解质素坯在1550℃煅烧2h，其它与实施例1相同。
对比例
本对比例提供了一种固体氧化物燃料电池，其由以下步骤制得：
第一步，以ZrO2、Y2O3为原料，按照化学计量比Zr0.84Y0.16O2-δ混合均匀制得电解质粉料，经干压成型得到电解质素坯；
第二步，将电解质素坯在1450℃煅烧2h；
第三步，在煅烧后的电解质表面制备Ni-YSZ阳极和LaBaCo2O5阴极，并以Ag浆作为电流收集材料，进行单电池性能测试。
通过电化学工作站测试实施例和对比例的固体氧化物燃料电池的单电池性能，结果见图1。由图1可以看出，采用本方法制得的固体氧化物燃料电池功率密度高，电池性能好。

Claims (10)

1.一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，其特征在于：将电解质粉料与有机溶剂、粘结剂、造孔剂球磨混合，利用喷枪将所得混合物喷涂在已成型的电解质素坯表面，经过高温煅烧后在电解质表面形成一种多孔阵列结构。
2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，其特征在于：所述电解质粉料为Zr1-xYxO2-δ、Zr1-xScxO2-δ、Ce1-xGdxO2-δ、Ce1-xSmxO2-δ、Ce1-xYxO2-δ和La1- xSrxGa1-yMgyO3-δ中的任一种，其中0<x<1，0<y<1，δ为氧空位浓度。
3.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，其特征在于：所述有机溶剂为乙醇和蓖麻油的混合物，乙醇与蓖麻油的质量比为1:0.05～0.1。
4.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，其特征在于：所述电解质粉料与有机溶剂的质量比为1:0.7～1.2。
5.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，其特征在于：所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，电解质粉料与粘结剂的质量比为1:0.04～0.12。
6.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，其特征在于：所述造孔剂为石墨、淀粉、聚甲基丙烯酸甲酯中的任一种，造孔剂粒径为10～100μm，所述电解质粉料与造孔剂的质量比为1:0.5～3。
7.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，其特征在于：球磨机转速为250r/min，球磨时间48h。
8.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，其特征在于：所述喷枪压力为0.2MPa，喷枪的喷嘴至电解质素坯表面距离为15～18cm。
9.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，其特征在于：所述喷涂在已成型电解质素坯表面的薄膜厚度为10～100μm。
10.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法，其特征在于：所述煅烧的温度为1400～1600℃，煅烧时间2h。
CN201810687861.XA 2018-06-28 2018-06-28 一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法 Pending CN108878935A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810687861.XA CN108878935A (zh) 2018-06-28 2018-06-28 一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810687861.XA CN108878935A (zh) 2018-06-28 2018-06-28 一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108878935A true CN108878935A (zh) 2018-11-23

Family

ID=64296315

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810687861.XA Pending CN108878935A (zh) 2018-06-28 2018-06-28 一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108878935A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111864244A (zh) * 2020-07-29 2020-10-30 江苏大学 一种带微织构的燃料电池质子交换膜及其加工方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1402372A (zh) * 2001-08-27 2003-03-12 中国科学院大连化学物理研究所 制备阳极负载薄膜型中温固体氧化物燃料电池的方法
CN1641919A (zh) * 2004-12-22 2005-07-20 哈尔滨工业大学 一种阳极支撑型氧化钇稳定氧化锆电解质膜的制备方法
CN101009387A (zh) * 2007-01-29 2007-08-01 山东大学 一种自支撑型固体氧化物燃料电池的制备方法
CN102011140A (zh) * 2010-10-27 2011-04-13 清华大学 固体氧化物电解池电解质/氧电极界面微结构修饰方法
CN104037425A (zh) * 2014-05-23 2014-09-10 景德镇陶瓷学院 一种中温sofc平板阳极支撑型单电池阳极结构及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1402372A (zh) * 2001-08-27 2003-03-12 中国科学院大连化学物理研究所 制备阳极负载薄膜型中温固体氧化物燃料电池的方法
CN1641919A (zh) * 2004-12-22 2005-07-20 哈尔滨工业大学 一种阳极支撑型氧化钇稳定氧化锆电解质膜的制备方法
CN101009387A (zh) * 2007-01-29 2007-08-01 山东大学 一种自支撑型固体氧化物燃料电池的制备方法
CN102011140A (zh) * 2010-10-27 2011-04-13 清华大学 固体氧化物电解池电解质/氧电极界面微结构修饰方法
CN104037425A (zh) * 2014-05-23 2014-09-10 景德镇陶瓷学院 一种中温sofc平板阳极支撑型单电池阳极结构及其制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111864244A (zh) * 2020-07-29 2020-10-30 江苏大学 一种带微织构的燃料电池质子交换膜及其加工方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107078328B (zh) 用于制造固体氧化物燃料电池的方法
CN111900449B (zh) 固体氧化物燃料电池、其制备方法和用途
KR100886239B1 (ko) 반응 부산물 발생 억제 방법 및 이를 이용한 고체산화물연료전지와 그 제조방법
CN1323459C (zh) 燃料电池的结构和制备方法
CN101359746B (zh) 一种大尺寸管式固体氧化物燃料电池及其制备方法
KR20140085431A (ko) 개선된 기계적 건전성 및 향상된 효율성을 갖는 고체 산화물형 연료 전지를 위한 복합 애노드
CN102593480B (zh) 固体氧化物燃料电池掺杂钛酸盐支撑固体电解质多层膜及其制备方法
CN111384421A (zh) 一种五层结构单电池及其制备方法和制得的产品
KR101934006B1 (ko) Ｎｉ-ＹＳＺ 연료(수소)전극을 포함하는 고체산화물 연료전지와 전해셀 및 이의 제조방법
CN103811789A (zh) 一种具有对称电极的固体氧化物燃料电池及其制备方法和应用
JP2001307750A (ja) 固体電解質型燃料電池、およびその製造方法
CN103208634A (zh) 用于中低温质子传输固体氧化物燃料电池的复合阴极材料
CN103474687B (zh) 一种高性能平板固体氧化物燃料单电池的制备方法
CN103840185A (zh) 含有准对称复合膜电极的固体氧化物燃料电池及制备方法
CN113258111A (zh) 一种无隔离层锆基阳极支撑固体氧化物电池
CN111009675B (zh) 一种固体氧化物燃料电池及其制备方法
Durango-Petro et al. Ascendable method for the fabrication of micro-tubular solid oxide fuel cells by ram-extrusion technique
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
CN112687929A (zh) 一种锂氧化物电极微熔盐陶瓷燃料电池及其制备方法
CN101222050A (zh) 抗碳沉积阳极膜材及其制备方法
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
EP2692003B1 (en) Method for manufacture an electrode for a solid oxide fuel cell
Hao et al. Co-tape casting fabrication, field assistant sintering and evaluation of a coke resistant La0. 2Sr0. 7TiO3–Ni/YSZ functional gradient anode supported solid oxide fuel cell
CN108878935A (zh) 一种固体氧化物燃料电池电极/电解质界面修饰方法
CN101510612B (zh) 以纸纤维作造孔剂制备多孔阳极支撑体的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20181123

RJ01 Rejection of invention patent application after publication