CN109671958B - 一种固体氧化物燃料电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新能源发电技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池及其制备方法。该固体氧化物燃料电池包括阳极层、阴极层和电解质层，其中，阳极层为泡沫镍，电解质层包括钼酸镧和/或镓酸镧、氧化钇稳定氧化锆、掺杂氧化铈或碱土金属铈酸盐，阴极层是亚钴酸镧基材料和/或锰酸镧基材料；本发明制备得到的电池具有面积大、厚度薄、电解质层薄膜致密的优点，同时，可以以很薄的厚度实现隔绝阴极和阳极的功能；该固体氧化物燃料电池通过磁控溅射技术制备得到，在制备过程中先以铜镍合金作为支撑物，而后通过刻蚀工艺形成泡沫镍阳极的方式，节省支撑材料，引入杂质少；通过两次镀膜制备得到电池部件，具有工艺简单的优点。
Description
技术领域
本发明属于新能源发电技术领域，具体涉及一种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。其中固体氧化物燃料电池不使用贵金属催化剂/组件，兼容氢气与甲烷、一氧化碳等含碳气体和煤气化发电，被认为是未来极具竞争力的新型发电技术。
固体氧化物燃料电池核心部件由电解质、阴极和阳极构成。电解质材料要求具有很高的氧离子电导与很低的电子电导，阴极和阳极材料需要有良好的电子电导并与电解质热匹配性好。目前的主流电解质材料为钇稳定氧化锆(YSZ)或者掺杂氧化铈陶瓷；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。
由于固体氧化物燃料电池核心部件主要为氧化物陶瓷材料，在加工过程中难以达到很薄的厚度，而且机械强度差，容易脆裂，所以目前的固体氧化物燃料电池部件面积都比较小，而且厚度较大。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中固体氧化物燃料电池部件面积较小、厚度较大的缺陷，从而提供一种固体氧化物燃料电池及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种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，
所述阳极层为泡沫镍；
所述电解质层包括钼酸镧和/或镓酸镧，氧化钇稳定氧化锆，掺杂氧化铈或碱土金属铈酸盐；
所述阴极层是亚钴酸镧基材料和/或锰酸镧基材料。
所述的一种固体氧化物燃料电池，还包括阳极支撑体和阴极支撑体。
所述固体氧化物燃料电池的厚度为0.5-100μm；所述电解质层的厚度为0.1-20μm；所述阴极层的厚度为0.1-20μm。
本发明还提供了一种固体氧化物燃料电池的制备方法，包括，
(1)采用磁控溅射技术，在衬底上蒸镀电解质材料，形成电解质层；
(2)在电解质层上蒸镀阴极电解质材料，形成阴极层；
(3)烧结蒸镀后的衬底，然后将其固定在阴极支撑体；
(4)使用铜刻蚀液刻蚀衬底，形成泡沫镍阳极层，将其固定在阳极支撑体，得到固体氧化物燃料电池。
所述步骤(1)中，衬底材料为铜镍合金箔。
所述步骤(1)中，铜镍合金箔中镍的质量分数为10％-90％。
所述步骤(1)中，铜镍合金箔的厚度为0.1-100μm。
所述步骤(1)中，所述铜镍合金箔的对角线尺寸为2.54cm-254cm。
所述铜镍合金箔的形状为圆形或长方形。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的固体氧化物燃料电池。该电池以泡沫镍为阳极，以钼酸镧和/或镓酸镧、氧化钇稳定氧化锆、掺杂氧化铈或碱土金属铈酸盐为电解质层材料，以亚钴酸镧基材料和/或锰酸镧基材料为阴极层材料。本发明制备的固体氧化物燃料电池具有面积大、厚度薄的优点；同时该电池的电解质层薄膜致密，可以以很薄的厚度实现隔绝阴极和阳极的功能；此外，该电池的电解层材料晶粒小、晶界占比多，氧离子导电性高，可以使燃料电池具有较好的氧传输性能和大的电流密度，在0-800℃下反复循环100次后依然正常工作，没有裂纹出现，输出功率密度下降不超过25％。
2.本发明提供的固体氧化物燃料电池的制备方法。该制备方法以铜镍合金作为支撑物，采用磁控溅射技术，在支撑物上蒸镀电解质材料形成电解质层，然后在电解质层蒸镀阴极材料形成阴极层，使用刻蚀工艺刻蚀铜镍合金形成了泡沫镍阳极，得到固体氧化物燃料电池。该制备方法使用磁控溅射镀膜技术可以使电池具有面积大、厚度薄的优点；在制备电池过程中先以铜镍合金作为支撑物，而后通过刻蚀工艺形成泡沫镍阳极的方式，节省支撑材料，材料利用率高，引入杂质少；通过两次镀膜制备得到电池部件，具有工艺简单的优点。此外，在电解质层表面电镀形成阴极层，厚度较薄，使阴极层具有一定的柔性，多次温度变化不会出现脆裂；同时，阴极层在电解质层表面具有一定的动能与驰豫时间，与电解质表面的结合较为牢固，形成键合，使电解质层材料与阴极层材料的浸润性和匹配性较好；而且电解质层与泡沫镍阳极的结合强度高，温度变化时强度好。
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是固体氧化物燃料电池组件制备流程图。
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1
本实施例提供了一种固体氧化物燃料电池的制备方法，包括，
(1)选用平整的直径为2.54cm、厚度为50μm的圆形铜镍合金箔，其中镍的质量分数为25％，将其放入磁控溅射镀膜设备中，待真空度为10-3Pa时，在衬底上蒸镀氧化钇稳定氧化锆，形成电解质层，其中蒸镀时间为10min，功率为100W，蒸镀厚度为10μm；
(2)在磁控溅射镀膜设备中，更换靶材，在电解质层上蒸镀LSCF，形成阴极层，其中蒸镀时间为10min，功率为100W，厚度为10μm；
(3)将蒸镀后的电解质材料和阴极层材料的衬底取出，在150℃下烧结，烧结时间5h，然后将其固定在阴极支撑体上；
(4)使用铜刻蚀液刻蚀铜镍合金衬底，形成泡沫镍阳极，将泡沫镍阳极固定在阳极支撑体上，得到固体氧化物燃料电池。
经检测，固体氧化物燃料电池的阴极层厚度为10μm，电解质层厚度为10μm，电池的厚度为55μm；电池的氧离子导电性为1.2S/cm2；输出功率密度为1.0W/cm2，在0-800℃下反复循环100次后依然正常工作，没有裂纹出现，输出功率密度为0.86W/cm2；抗弯强度从60MPa下降到52.8MPa。
实施例2
本实施例提供了一种固体氧化物燃料电池的制备方法，包括，
(1)选用平整的对角线为50cm、厚度为30μm的长方形铜镍合金箔，其中镍的质量分数为90％，将其放入磁控溅射镀膜设备中，待真空度为10-4Pa时，在衬底上蒸镀镨掺杂氧化铈，形成电解质层，其中蒸镀时间为5min，功率为100W；厚度为5μm；
(2)在磁控溅射镀膜设备中，更换靶材，在电解质层上蒸镀LSM，形成阴极层，其中蒸镀时间为5min，功率为100W；厚度为10μm；
(3)将蒸镀后的电解质材料和阴极层材料的衬底取出，在400℃下烧结，烧结时间1h，然后将其固定在阴极支撑体上；
(4)使用铜刻蚀液刻蚀铜镍合金衬底，形成泡沫镍阳极，将泡沫镍阳极固定在阳极支撑体上，得到固体氧化物燃料电池。
经检测，固体氧化物燃料电池的阴极层厚度为10μm，电解质层厚度为5μm，电池的厚度为40μm；电池的氧离子导电性为1.5S/cm2；输出功率密度为1.25W/cm2；在0-800℃反复循环100次后依然正常工作，没有裂纹出现，输出功率密度为1.15W/cm2；抗弯强度从45MPa下降到40.5MPa。
实施例3
本实施例提供了一种固体氧化物燃料电池的制备方法，包括，
(1)选用平整的直径为100cm、厚度为40μm的圆形铜镍合金箔，其中镍的质量分数为50％，将其放入磁控溅射镀膜设备中，待真空度为10-2Pa时，在衬底上蒸镀钼酸镧，形成电解质层，其中蒸镀时间为10min，功率为100W；厚度为10μm；
(2)在磁控溅射镀膜设备中，更换靶材，在电解质层上蒸镀LSCF，形成阴极层，其中蒸镀时间为5min，功率为100W；厚度为15μm；
(3)将蒸镀后的电解质材料和阴极层材料的衬底取出，在500℃下烧结，烧结时间15h，然后将其固定在阴极支撑体上；
(4)使用铜刻蚀液刻蚀铜镍合金衬底，形成泡沫镍阳极，将泡沫镍阳极固定在阳极支撑体上，得到固体氧化物燃料电池。
经检测，固体氧化物燃料电池的阴极层厚度为15μm，电解质层厚度为10μm，电池的厚度为55μm；电池的氧离子导电性为1.25S/cm2；输出功率密度为1.1W/cm2。在0-800℃下反复循环100次后依然正常工作，没有裂纹出现，输出功率密度为0.9W/cm2，抗弯强度从60MPa下降到48MPa。
实施例4
本实施例提供了一种固体氧化物燃料电池的制备方法，包括，
(1)选用平整的对角线为254cm、厚度为50μm的长方形铜镍合金箔，其中镍含量为80％，将其放入磁控溅射镀膜设备中，待真空度为10-5Pa时，在衬底上蒸镀BaCe(NO3)6，形成电解质层，其中蒸镀时间为8min，功率为100W；厚度为8μm；
(2)在磁控溅射镀膜设备中，更换靶材，在电解质层上蒸镀LSM，形成阴极层，其中蒸镀时间为10min，功率为100W；厚度为10μm；
(3)将蒸镀后的电解质材料和阴极层材料的衬底取出，在300℃下烧结，烧结时间10h，然后将其固定在阴极支撑体上；
(4)使用铜刻蚀液刻蚀铜镍合金衬底，形成泡沫镍阳极，将泡沫镍阳极固定在阳极支撑体上，得到固体氧化物燃料电池。
经检测，固体氧化物燃料电池的阴极层厚度为10μm，电解质层厚度为8μm，电池的厚度为50μm；电池的氧离子导电性为1.5S/cm2；输出功率密度1.2W/cm2；在0-800℃下反复循环100次后依然正常工作，没有裂纹出现，输出功率密度为0.90W/cm2；抗弯强度从55MPa下降到42MPa。
实施例5
本实施例提供了一种固体氧化物燃料电池的制备方法，包括，
(1)选用平整的对角线为150cm、厚度为8μm的长方形铜镍合金箔，其中镍含量为30％，将其放入磁控溅射镀膜设备中，待真空度为10-3Pa时，在衬底上蒸镀质量比为3:7的钼酸镧和镓酸镧的混合物，形成电解质层，其中蒸镀时间为8min，功率为100W；厚度为2μm；
(2)在磁控溅射镀膜设备中，更换靶材，在电解质层上蒸镀LSM，形成阴极层，其中蒸镀时间为10min，功率为100W；厚度为1μm；
(3)将蒸镀后的电解质材料和阴极层材料的衬底取出，在400℃下烧结，烧结时间10h，然后将其固定在阴极支撑体上；
(4)使用铜刻蚀液刻蚀铜镍合金衬底，形成泡沫镍阳极，将泡沫镍阳极固定在阳极支撑体上，得到固体氧化物燃料电池。
经检测，固体氧化物燃料电池的阴极层厚度为1μm，电解质层厚度为2μm，电池的厚度为9μm；电池的氧离子导电性为1.2S/cm2；输出功率密度1.0W/cm2；在0-800℃下反复循环100次后依然正常工作，没有裂纹出现，输出功率密度0.8W/cm2；抗弯强度从80MPa下降到65MPa。
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。
Claims (8)
1.一种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，其特征在于，
所述阳极层为泡沫镍；
所述电解质层包括钼酸镧和/或镓酸镧，氧化钇稳定氧化锆，掺杂氧化铈或碱土金属铈酸盐；
所述阴极层是钴酸镧基材料和/或锰酸镧基材料；
其中，以铜镍合金箔作为支撑物，在支撑物上蒸镀电解质材料形成电解质层，然后在电解质层蒸镀阴极材料形成阴极层，使用刻蚀工艺刻蚀铜镍合金箔形成了泡沫镍阳极。
2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池，其特征在于，还包括阳极支撑体和阴极支撑体。
3.根据权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池的厚度为0.5-100μm；所述电解质层的厚度为0.1-20μm；所述阴极层的厚度为0.1-20μm。
4.一种权利要求1-3任一项所述的固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，包括，
（1）采用磁控溅射技术，在衬底上蒸镀电解质材料，形成电解质层；
（2）在电解质层上蒸镀阴极电解质材料，形成阴极层；
（3）烧结蒸镀后的衬底，然后将其固定在阴极支撑体；
（4）使用铜刻蚀液刻蚀衬底，形成泡沫镍阳极层，将其固定在阳极支撑体，得到固体氧化物燃料电池；
其中，衬底为铜镍合金箔。
5.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，所述铜镍合金箔中镍的质量分数为10%-90%。
6.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，所述铜镍合金箔的厚度为0.1-100μm。
7.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，所述铜镍合金箔的对角线尺寸为2.54cm-254cm。
8.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池的制备方法，其特征在于，所述铜镍合金箔的形状为圆形或长方形。
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