CN111224139B - 一种复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池及制备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池，所述燃料电池由阴极多孔层、电解质多孔层、阳极多孔层与阴极致密层、阳极致密层五部分组成。其中，阴极多孔层和阳极多孔层起气体传输和表面催化作用；阴极致密层和阳极致密层起阻隔气体、改善界面连接作用；电解质多孔层起传导离子、阻隔电子作用。该复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池可将制备温度降至1200℃‑1300℃，突破传统质子型电解质高温难烧结及界面电阻大等问题，从而降低制备成本，扩大其应用范围。

Description

一种复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池及制备
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池。
背景技术
传统固体氧化物燃料电池以氧离子为载流子，运行温度较高(800℃-1000℃)存在密封困难、启停时间长、各部件扩散反应严重等问题。以质子为载流子固体氧化物燃料电池，质子理论传输活化能较氧离子低三个数量级，运行温度可降至350℃-550℃之间，因而在中低温固体氧化燃料电池温度方向极具潜力。目前质子陶瓷膜燃料电池主要以掺杂BaCeO3基、BaZrO3基等为电解质，其本征质子电导高，但烧结活性较差，例如纯BZY烧结温度通常在1700℃-2200℃之间，过高的烧结温度既浪费能源，又导致Ba挥发严重，影响电解质的实际离子电导率。另外，质子陶瓷膜电解质大都为碱性氧化物，存在酸性气氛下稳定性差问题。常见低温制备质子陶瓷膜方法：一方面添加助剂，利用液相烧结促进电解质致密，但该方法易在晶界存留杂相而增大晶界电阻，降低电池性能；另一方面，脉冲激光沉积、磁控溅射、化学气相沉积等方法已应用制备质子陶瓷膜，但操作复杂，成本较高，不利于批量生产。综上所述，本领域需要设计一种可在低温下(1200℃-1300℃)烧结成型且稳定性较高的质子陶瓷膜燃料电池。
发明内容
为解决质子陶瓷膜燃料电池烧结性与长期稳定性问题，从而降低制备成本与能耗，实现批量生产，本发明提出一种复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池，所述质子陶瓷膜燃料电池由多孔阴极多孔层、电解质多孔层、阳极多孔层及阴极致密层、阳极致密层五部分组成。
所述的复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池，阴极多孔层与阳极多孔层厚度为500微米～800微米，孔隙率为55％～65％，起到气体传输和催化反应作用；电解质层厚度为10微米～20微米，起到传输离子阻隔电子作用。
所述的复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池，电解质多孔层组成为BCY、BZY、BCZY、BCZYYb中的一种或两种；阳极组成为NiO与电解质混合物，质量比为60:40；阴极组成为BSCF、LSCF、BCF中的一种。
所述的复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池，阴极致密层、阳极致密层与阴极多孔层、阳极多孔层组成相同，厚度为2微米～5微米。
所述的复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池，其阴极致密层、阳极致密层与电解质多孔层采用流延-三层共烧法制备，在1150℃～1250℃下共烧5h～8h；阴极多孔层、阳极多孔层采用丝网印刷法制备，在750℃～950℃下烧结2h～3h。
所述的复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池，阴极致密层、阳极致密层与电解质多孔层的流延浆料中粉体：鱼油：PVB胶：有机溶剂质量比为30:0.4:24:20，有机溶剂为乙醇，正丁醇，甲苯中的一种或两种，体积比为1:1。
所述的复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池，其特征在于阴极多孔层、阳极多孔层的丝网印刷浆料中粉体：有机溶剂质量比为10:3，有机溶剂为含质量分数为3％～9％的乙基纤维素的松油醇。
本发明的有益效果是：质子陶瓷膜电解质以质子为载流子，传输活化能低，低温下仍满足性能要求；采用复合型结构可降低烧结温度，简化制备工艺，利于大规模生产与应用；另外，阴极致密层与阳极致密层可降低界面电阻，有效隔绝反应气，从而提高稳定性，得到性能较高的复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池。
其中，阴极多孔层和阳极多孔层起气体传输和表面催化作用；阴极致密层和阳极致密层起阻隔气体、改善界面连接作用；电解质多孔层起传导离子、阻隔电子作用。该复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池可将制备温度降至1200℃-1300℃，突破传统质子型电解质高温难烧结及界面电阻大等问题，从而降低制备成本，扩大其应用范围。
具体实施方式
实施例1
按照流延浆料配方分别制备阴极、电解质及阳极浆料，流延所得三层层叠的BSCF/BZY/BZY-NiO共烧于1200℃下8h，得到致密度分别为96.3％和92.0％，厚度为2微米的阴极致密层与阳极致密层。将预先制备的阴极与阳极丝网印刷浆料分别涂覆在致密层表面，室温下干燥8h后，在700℃下烧结2h后，阴极多孔层与阳极多孔层厚度为600微米，电解质多孔层厚度为15微米，得到五层层叠的BSCF/BSCF/BZY/BZY/BZY-NiO/BZY-NiO复合结构的质子陶瓷膜燃料电池。测试电池性能的工作条件为：含以高纯H2为燃料气，流量为10mL/min；空气为氧化剂，流量为10mL/min，500℃开路电压为1.223V，功率可达到234mW·cm2。
实施例2
按照流延浆料配方分别制备阴极、电解质及阳极浆料，流延所得三层层叠的BZY/BCZY/BCZY-NiO共烧于1150℃下8h，得到致密度分别为97.1％和90.0％，厚度为3微米的阴极致密层与阳极致密层。将预先制备的阴极与阳极丝网印刷浆料分别涂覆在致密层表面，室温下干燥5h后，在800℃下烧结5h后，阴极多孔层与阳极多孔层厚度为650微米，电解质多孔层厚度为10微米，得到LSCF/LSCF/BZY/BCZY/BCZY-NiO/BCZY-NiO复合结构的质子陶瓷膜燃料电池。测试电池性能的工作条件为：含以高纯H2为燃料气，流量为10mL/min；空气为氧化剂，流量为10mL/min，550℃开路电压为1.273V，功率可达到174mW·cm2。
实施例3
按照流延浆料配方分别制备阴极、电解质及阳极浆料，流延所得三层层叠的BSC/BCZYYb/BZY-NiO共烧于1250℃下4h，得到致密度分别为96.3％和92.0％，厚度为4微米的阴极致密层与阳极致密层。将预先制备的阴极与阳极丝网印刷浆料分别涂覆在致密层表面，室温下干燥3h后，在750℃下烧结2h后，阴极多孔层与阳极多孔层厚度为800微米，电解质多孔层厚度为20微米，得到五层层叠的BSC/BSC/BCZYYb/BZY-NiO/BZY-NiO复合结构的质子陶瓷膜燃料电池。测试电池性能的工作条件为：含以高纯H2为燃料气，流量为8mL/min；空气为氧化剂，流量为8mL/min，500℃开路电压为1.1983V，功率可达到354mW·cm2。

Claims (6)

1.一种复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池，其特征在于：所述质子陶瓷膜燃料电池包括阴极多孔层、电解质多孔层、阳极多孔层及阴极致密层、阳极致密层五部分；由阴极多孔层、阴极致密层、电解质多孔层、阳极致密层、阳极多孔层层叠构成；阴极致密层与阴极多孔层组成相同、阳极致密层与阳极多孔层组成相同，阴极致密层、阳极致密层厚度分别为2微米～5微米。
2.如权利要求1所述的复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池，其特征在于：阴极多孔层与阳极多孔层厚度为500微米～800微米，孔隙率为55%~65%，起到气体传输与催化反应作用；电解质多孔层厚度为10微米～20微米，孔隙率为78%~86%，起到传输离子阻隔电子作用。
3.如权利要求1或2所述的复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池，其特征在于：电解质多孔层组成为BCY、BZY、BCZY、BCZYYb中的一种或两种以上；阳极多孔层组成为NiO与电解质混合物，质量比为60:40，电解质为BCY、BZY、BCZY、BCZYYb中的一种或两种以上；阴极多孔层组成为BSCF、LSCF、BCF中的一种或两种以上。
4.一种权利要求1-2所述的复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池的制备方法，其特征在于：阴极致密层、阳极致密层与电解质多孔层采用流延-三层共烧法制备，在1200℃～1300℃下共烧5h～8h；阴极多孔层、阳极多孔层采用丝网印刷法制备，在750℃～950℃下烧结2h～3h。
5.如权利要求4所述的复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池的制备方法，其特征在于：阴极致密层、阳极致密层与电解质多孔层的流延浆料中粉体：鱼油：PVB胶：有机溶剂质量比为30:0.4:24:20，有机溶剂为乙醇，正丁醇，甲苯中的一种或两种，两种体积比为1:1。
6.如权利要求4所述的复合型结构的质子陶瓷膜燃料电池的制备方法，其特征在于：阴极多孔层、阳极多孔层的丝网印刷浆料中粉体：有机溶剂质量比为10:3，有机溶剂为含质量分数为3%～9%的乙基纤维素的松油醇。
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