CN109346752A - 一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法 - Google Patents

一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109346752A
CN109346752A CN201811056407.0A CN201811056407A CN109346752A CN 109346752 A CN109346752 A CN 109346752A CN 201811056407 A CN201811056407 A CN 201811056407A CN 109346752 A CN109346752 A CN 109346752A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrolyte
membrane
preparation
fuel cell
oxide fuel
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.)
Granted
Application number
CN201811056407.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109346752B (zh
Inventor
陈绘丽
常宏
闫菁
李思殿
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.)
Shanxi University
Original Assignee
Shanxi University
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 Shanxi University filed Critical Shanxi University
Priority to CN201811056407.0A priority Critical patent/CN109346752B/zh
Publication of CN109346752A publication Critical patent/CN109346752A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109346752B publication Critical patent/CN109346752B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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
    • H01M8/1069—Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes
    • 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

Landscapes

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

Abstract

一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法，属于固体氧化物燃料电池电解质薄膜的制备技术领域，现有锆基电解质膜厚度大且厚度不均匀，制备过程需要多次煅烧，制备工艺复杂的问题，本发明采用干压‑加热‑淬冷‑煅烧四个步骤制备，本方法可根据电解质粉末的质量精确制备所需厚度的电解质薄膜，所得薄膜致密均匀。

Description

一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制 备方法
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池电解质薄膜的制备技术领域，具体涉及一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种将化学能直接转化为电能的新型、洁净的发电装置，具有高效、便捷、环境友好和实用性强等优点，在能源、化工、环境、交通、航天等领域有着极其广泛的应用前景。目前，SOFCs的中低温化是 SOFCs商业化发展的关键，研究表明电解质材料的薄膜化是实现 SOFCs中低温化的主要途径。在SOFCs 工作过程中，电解质是连接燃料电池阴阳极的桥梁，起着传递 O2-并且隔离空气与燃料的双重作用，电子导电性很低。因此电解质薄膜化将大大减小中低温时电池的欧姆电阻，提高电池性能。锆基电解质是目前最主流的高温燃料电池电解质材料。目前研究最广泛的是 8% Y2O3掺杂的 ZrO2(YSZ)，YSZ与电池材料具有良好的化学相容性和高的氧离子传导性，经济性好，最具商业化推广潜质。对于电解质支撑的电池结构，采用传统方法制备的电解质层较厚，给SOFCs带来一系列的问题，如电池内阻较高导致性能降低，需较高的操作温度、耗能高，改善和解决此类问题的一个重要途径是将其薄膜化。对于电解质支撑型锆基电解质薄膜的制备，最常用的方法是压制成型法。尽管这种薄膜制备技术在电解质的制备与应用过程中得到了很大的发展，但仍然有不足之处，如电解质薄膜致密度、薄膜厚度的可控性、打磨不均匀导致阴阳极剥离等，还不能完全适应于 SOFC商业化生产需求。
发明内容
本发明针对现有锆基电解质膜厚度大且厚度不均匀，制备过程需要多次煅烧，制备工艺复杂的问题，提供一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法，实现锆基电解质薄膜的制备规模化、超薄化、均匀化，且制备过程简单，只需要一次高温煅烧。
本发明采用如下技术方案：
一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法，包括干压-加热-淬冷-煅烧，具体包括如下步骤：
第一步，将150℃以下可以软化的基底材料与颜色不同于电解质颜色的有色物质混合均匀，用压片机模压成片，得到薄片；
第二步，将所要制备的电解质薄膜的粉体材料，均匀铺洒在第一步所得薄片的表面，在压片机上共压成型，脱模，形成基底层和电解质层的基底/电解质双层生坯体；
第三步，将基底/电解质双层生坯体中电解质层的一侧放在氧化锆板上，置于烘箱中保温后，在25℃下，用易挥发的冷却性液体进行淬冷后，将基底层除去，得到单层电解质层；
第四步，将YSZ电解质粉体或氧化铝粉体均匀覆盖在单层电解质层上，高温煅烧后，得到致密均匀的电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜。
第一步中所述基底材料为PVB或淀粉。
第一步中所述有色物质为草木灰或石墨。
第一步中所述基底材料和有色物质的质量比为49:1。
第一步中压片机的模压压力为80MPa，保压时间为30s。
第二步中所述粉体材料和薄片的表面积的关系为单位面积307g/m3的粉体材料得到80微米厚度的电解质层。
第二步中所述电解质薄膜的粉体材料为基于锆基的电解质材料，粒径≥100目。
第二步中，压片机的压力为160MPa，保压时间为1min。
第三步中所述易挥发的冷却性液体为液氮或液氦，烘箱设置温度为150℃，保温时间为1h。
第四步中，煅烧温度为1400℃，煅烧时间为5h，升温速率为5℃/min。
本发明的有益效果如下：
1. 该方法适用于制备各种厚度不同的电解质薄膜，其中薄膜可低至80微米左右，远低于文献中所报道的薄膜的厚度200微米；
2. 所制备的薄膜表面粗糙不需要砂纸进行粗糙化处理，成功率更高，传统的用砂纸对薄膜进行粗糙化处理时易使YSZ薄膜破碎；
3. 该方法只经过一次高温煅烧即可得到所需的薄膜。传统的薄膜制备方法是先高温煅烧较厚的膜使其具有一定的硬度，然后用砂纸对其进行薄膜化处理后再煅烧，整个过程经过两次高温煅烧；
4. 该方法可根据电解质粉末的质量精确制备所需厚度的电解质薄膜，而传统的方法制备薄膜的厚度不易控制；
5. 该方法适用于批量制备厚度均匀的薄膜，传统的薄膜用砂纸对其进行薄膜化处理所制备的薄膜厚度不均匀。
附图说明
图1为利用本发明实施例1的电解质薄膜制备的电池截面的扫描电镜图；
图2为利用本发明实施例1的电解质薄膜制备的电池不同温度下的电化学性能；
图3为利用本发明实施例2的电解质薄膜制备的电池截面的扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1
以PVB（聚乙烯醇缩丁醛）为基底材料，YSZ（8%钇稳定的二氧化锆）为电解质，草木灰为有色物质，制备YSZ电解质薄膜。
第一步，将PVB粉末与草木灰按照质量比49:1混合均匀，称取0.1克混合粉末用直径为13毫米的压片机80MPa压力下保压30秒模压成厚度约230微米的薄片；
第二步，将0.04 g电解质YSZ粉体，均匀铺洒在薄片的表面，共压成型，脱模，形成基底/电解质双层生坯体；
第三步，将基底/电解质双层生坯体中电解质层的一侧放在氧化锆板上，置于烘箱中，150℃保温1h后，在25℃下，用液氮进行淬冷处理，使基底层骤冷收缩而与电解质层彻底剥离，用镊子将基底层除去，即得到表面粗糙的单层YSZ电解质层；
第四步，将YSZ粉末均匀覆盖在单层YSZ电解质层上，1400℃下煅烧5h，升温速率为5℃/min，得到致密均匀的电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜。
在该电解质薄膜的两侧分别喷涂阴极、阳极电极层，制备成电池，利用扫描电镜观察该电池的截面，如图1所示，测定电解质薄膜的厚度为80微米。利用电化学工作站分别测试电池在750℃、800℃、850℃时的电化学性能，如图2所示，得到电流-电压（功率）放电曲线。
实施例2
将第二步中的电解质YSZ粉体增加到0.06g，其余步骤同实施例1。
如图3所示，所制备的电解质薄膜的厚度为120μm。
对比例，不同制备方法与本发明制备方法制备的电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜及电池性能对比，如下表所示。
其中，LSTF-SDC|YSZ|SDC-LST电池结构（Cao Z, Zhang Y, Miao J, et al.Titanium-substituted lanthanum strontium ferrite as a novel electrodematerial for symmetrical solid oxide fuel cell [J]. International Journal ofHydrogen Energy, 2015, 40(46):16572-16577.） 、LSCM|YSZ|LSCM（Bastidas D M, TaoS, Irvine J T S. A symmetrical solid oxide fuel cell demonstrating redoxstable perovskite electrodes[J]. Journal of Materials Chemistry, 2006, 16(17):1603-1605.）、LSM|YSZ|LSM、LSM-GDC|YSZ|LSM-GDC（Luo X, Yang Y, Yang Y, etal. Reduced-temperature redox-stable LSM as a novel symmetrical electrodematerial for SOFCs[J]. Electrochimica Acta, 2017. DOI: 10.1016/j.electacta.2017.11.071）。

Claims (10)

1.一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法，其特征在于：包括干压-加热-淬冷-煅烧，具体包括如下步骤：
第一步，将150℃以下可以软化的基底材料与颜色不同于电解质颜色的有色物质混合均匀，用压片机模压成片，得到薄片；
第二步，将所要制备的电解质薄膜的粉体材料，均匀铺洒在第一步所得薄片的表面，在压片机上共压成型，脱模，形成基底层和电解质层的基底/电解质双层生坯体；
第三步，将基底/电解质双层生坯体中电解质层的一侧放在氧化锆板上，置于烘箱中保温后，在25℃下，用易挥发的冷却性液体进行淬冷后，将基底层除去，得到单层电解质层；
第四步，将YSZ电解质粉体或氧化铝粉体均匀覆盖在单层电解质层上，高温煅烧后，得到致密均匀的电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜。
2.根据权利要求1所示的一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法，其特征在于：第一步中所述基底材料为PVB或淀粉。
3.根据权利要求1所示的一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法，其特征在于：第一步中所述有色物质为草木灰或石墨。
4.根据权利要求1所示的一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法，其特征在于：第一步中所述基底材料和有色物质的质量比为49:1。
5.根据权利要求1所示的一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法，其特征在于：第一步中压片机的模压压力为80MPa，保压时间为30s。
6.根据权利要求1所示的一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法，其特征在于：第二步中所述粉体材料和薄片的表面积的关系为单位面积307g/m3的粉体材料得到80微米厚度的电解质层。
7.根据权利要求1所示的一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法，其特征在于：第二步中所述电解质薄膜的粉体材料为基于锆基的电解质材料，粒径≥100目。
8.根据权利要求1所示的一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法，其特征在于：第二步中，压片机的压力为160MPa，保压时间为1min。
9.根据权利要求1所示的一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法，其特征在于：第三步中所述易挥发的冷却性液体为液氮或液氦，烘箱设置温度为150℃，保温时间为1h。
10.根据权利要求1所示的一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法，其特征在于：第四步中，煅烧温度为1400℃，煅烧时间为5h，升温速率为5℃/min。
CN201811056407.0A 2018-09-11 2018-09-11 一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法 Active CN109346752B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811056407.0A CN109346752B (zh) 2018-09-11 2018-09-11 一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811056407.0A CN109346752B (zh) 2018-09-11 2018-09-11 一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109346752A true CN109346752A (zh) 2019-02-15
CN109346752B CN109346752B (zh) 2020-06-12

Family

ID=65305374

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811056407.0A Active CN109346752B (zh) 2018-09-11 2018-09-11 一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109346752B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113937355A (zh) * 2021-08-31 2022-01-14 河北光兴半导体技术有限公司 固态电解质薄片及其制备方法和应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103165930A (zh) * 2013-03-25 2013-06-19 南京工业大学 提高质子导体固体氧化物燃料电池电解质烧结性能的方法
US20160087284A1 (en) * 2014-09-24 2016-03-24 SCREEN Holdings Co., Ltd. Catalyst layer forming method and catalyst layer forming apparatus
CN105702991A (zh) * 2015-05-05 2016-06-22 北京航空航天大学 一种燃料电池用双极膜及其制备方法
US20170244126A1 (en) * 2014-01-22 2017-08-24 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Method for forming a nanoporous grain boundary structure

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103165930A (zh) * 2013-03-25 2013-06-19 南京工业大学 提高质子导体固体氧化物燃料电池电解质烧结性能的方法
US20170244126A1 (en) * 2014-01-22 2017-08-24 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Method for forming a nanoporous grain boundary structure
US20160087284A1 (en) * 2014-09-24 2016-03-24 SCREEN Holdings Co., Ltd. Catalyst layer forming method and catalyst layer forming apparatus
CN105702991A (zh) * 2015-05-05 2016-06-22 北京航空航天大学 一种燃料电池用双极膜及其制备方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113937355A (zh) * 2021-08-31 2022-01-14 河北光兴半导体技术有限公司 固态电解质薄片及其制备方法和应用
CN113937355B (zh) * 2021-08-31 2023-08-22 河北光兴半导体技术有限公司 固态电解质薄片及其制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN109346752B (zh) 2020-06-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hosomi et al. Electrophoretic deposition for fabrication of YSZ electrolyte film on non-conducting porous NiO–YSZ composite substrate for intermediate temperature SOFC
CN105409041B (zh) 固体氧化物燃料电池及其制造方法
Jiao et al. Comparison of ultra-fast microwave sintering and conventional thermal sintering in manufacturing of anode support solid oxide fuel cell
Wang et al. Fabrication of one-step co-fired proton-conducting solid oxide fuel cells with the assistance of microwave sintering
CN108539233A (zh) 一种固体氧化物燃料电池的制备方法
CN109768292A (zh) 一种固体氧化物燃料电池电化学极化原位制备阳极的方法
CN104060293A (zh) 电解质支撑的固体氧化物电解池及其制备方法
Xue et al. Electrolyte supported solid oxide fuel cells with the super large size and thin ytterbia stabilized zirconia substrate
Lian et al. Electrochemical performance of Li13. 9Sr0. 1Zn (GeO4) 4 prepared by sol-gel for solid oxide fuel cell electrolyte
CN111082115A (zh) 一种用于提高电极薄膜性能的方法以及由此得到的固体氧化物燃料电池
CN109346752A (zh) 一种电解质支撑的固体氧化物燃料电池锆基电解质薄膜的制备方法
CN109687006B (zh) 一种基于氧化铈/氧化镍复合材料的低温固体氧化物燃料电池
CN107611461A (zh) 一种固体氧化物燃料电池的制备方法
CN105428677B (zh) 一种锡酸钡基复相电解质材料及其制备方法
CN109037698A (zh) 一种可储能的高温固态氧化物燃料电池
CN116632303A (zh) 一种质子陶瓷燃料电池及其制备方法
CN113782794B (zh) 一种基于金属离子电池材料的燃料电池及其制作方法
Tian et al. Preparation and properties of PrBa0. 5Sr0. 5Co1. 5Fe0. 5O5+ δ as novel oxygen electrode for solid oxide electrolysis cells
CN108242554A (zh) 一种铈酸钡基电解质材料及其制备方法和应用
CN100363116C (zh) 一种薄膜的浆料旋涂制备方法
CN103346330A (zh) 一种抗铬污染固体氧化物燃料电池的复合阴极及其制备方法
CN106920974A (zh) 一种高温离子液体基燃料电池
CN1147949C (zh) 固体氧化物燃料电池的复合阳极材料及电极制作方法
Chen et al. Experimental study on effect of compaction pressure on performance of SOFC anodes
CN101420044B (zh) 一种采用旋涂法制备质子导电膜燃料电池的方法

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant