CN117954663B - 一种固体氧化物燃料电池电解质膜及固体氧化物燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体氧化物燃料电池电解质膜及固体氧化物燃料电池，涉及固体氧化物燃料电池技术领域。固体氧化物燃料电池电解质膜，包括具有氧离子传导性的第一电解质膜组合物和包含质子导体相的第二电解质膜组合物，第二电解质膜组合物复合在第一电解质膜组合物外表面。本发明采用上述的一种固体氧化物燃料电池电解质膜及固体氧化物燃料电池，有效缓解电解质膜由于电池工作温度降低而导致的离子电导显著下降的问题，同时降低电池阻抗，提升了电池的安全和循环性能。
Description
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，尤其是涉及一种固体氧化物燃料电池电解质膜及固体氧化物燃料电池。
背景技术
固体氧化物燃料电池作为一种能够直接将化学能转化为电能的能量转化装置由于兼具能量转化效率高、燃料适用广泛等优点受到人们广泛关注。固体氧化物型燃料电池由以下形成：电解质膜，以及形成在该电解质膜的两个表面上的燃料电极（阳极）和空气电极（阴极）。现有固体氧化物燃料电池大多采用传统的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）为电解质，工作温度在750℃-1000℃。在如此高的温度下长时间工作会导致电池各组件材料之间的副反应，电极微结构由于烧结而受到破坏等问题。除此之外，较高的工作温度使得固体氧化物燃料电池各组件可选的材料非常有限，不能采用成本相对低廉的密封和电极材料。降低固体氧化物燃料电池的工作温度到300-750℃温度范围有望显著缓解上述问题，被普遍认为是实现其实用化的有效途径。然而，固体氧化物燃料电池工作温度的降低也会导致其输出功率显著衰减的问题。因此本发明提供了一种固体氧化物燃料电池电解质膜及固体氧化物燃料电池，可以有效缓解电解质膜由于电池工作温度降低而导致的离子电导显著下降的问题，同时降低电池阻抗，提升了电池的安全和循环性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种固体氧化物燃料电池电解质膜及固体氧化物燃料电池，有效缓解电解质膜由于电池工作温度降低而导致的离子电导显著下降的问题，同时降低电池阻抗，提升了电池的安全和循环性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池电解质膜，包括具有氧离子传导性的第一电解质膜组合物和包含质子导体相的第二电解质膜组合物，第二电解质膜组合物复合在第一电解质膜组合物外表面，第一电解质膜组合物为Gd0.1Ce0.9O1.95、Gd0.2Ce0.8O1.9、Sm0.1Ce0.9O1.95、Sm0.2Ce0.8O1.9、镧锶钴铁氧体、Zr0.84Y0.16O1.92中的一种或几种的组合，第二电解质膜组合物为BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ、BaHf0.7Mn0.1In0.2O3-δ中的一种或几种的组合。
进一步的，基于固体氧化物燃料电池电解质膜的总重量，第二电解质膜组合物的含量为30-50重量%。
进一步的，第一电解质膜组合物是由8-10层膜复合形成的，复合方式包括丝网印刷和高温烧结。
进一步的，第二电解质膜组合物通过丝网印刷或电泳沉积复合在第一电解质膜组合物外表面，第二电解质膜组合物的粒径为100-200nm。
进一步的，固体氧化物燃料电池电解质膜的阳极支撑体材料包括NiO、Sm0.2Ce0.8O1.9、Zr0.84Y0.16O1.92中两种的组合。
本发明还提供了一种固体氧化物燃料电池电解质膜的制备方法，包括以下步骤：
①制作阳极支撑体，取0.2克阳极粉末在260 MPa压力下压制成直径13mm，厚度0.5mm的阳极圆片，将压制好的阳极片在1100℃烧结2h，使阳极获得一定的机械强度，作为阳极支撑体；
②通过丝网印刷将第一电解质膜组合物浆料，印刷在阳极支撑体表面，第二电解质膜组合物浆料印刷在第一电解质膜组合物浆料表面，第一电解质膜组合物浆料印刷8-10层，第二电解质膜组合物浆料印刷1-2层，每层浆料印刷完成后，75-85℃的热风吹干，浆料印刷完成后，高温烧结处理；
③在步骤②烧好的材料上刷制阴极，然后继续高温烧结处理，得到固体氧化物燃料电池。
进一步的，步骤①中阳极支撑体包括质量比为1：1的NiO和Sm0.2Ce0.8O1.9粉末，或质量比为1：1的NiO和Zr0.84Y0.16O1.92粉末；还包括造孔剂，造孔剂为阳极支撑体总量的10wt%。
进一步的，步骤②第一电解质膜组合物浆料中第一电解质膜组合物与粘结剂的质量比为4：3，第二电解质膜组合物浆料中第二电解质膜组合物与粘结剂的质量比为4：3，烧结的条件为1350-1450℃，时间3.5-4h。
进一步的，步骤③中阴极材料为LaSrMnO或钡锶钴铁氧体，烧结条件为1000-1100℃，时间2.5-3h。
本发明还提供了一种固体氧化物燃料电池，包含上述的固体氧化物燃料电池电解质膜。
本发明所述的一种固体氧化物燃料电池电解质膜及固体氧化物燃料电池的优点和积极效果是：本发明中通过在电解质膜中设置包含质子导体相的第二电解质膜组合物，可以有效缓解电解质膜由于电池工作温度降低而导致的离子电导显著下降的问题，同时降低电池阻抗，提升了电池的安全和循环性能。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例中第一电解质膜组合物结构示意图。
附图标记
1、阳极支撑体；2、第二电解质膜组合物；3、SDC+YSZ；4、SDC或YSZ；5、YSZ或SDC。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
造孔剂没有特别限制，只要在烧结电极中成孔剂形成孔即可，但可以包括以下的至少一种：例如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇、聚乙烯醇、二乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、和三乙二醇。
粘结剂没有特别限制，粘结剂选自聚乙烯醇缩丁醛酯、聚乙二醇、邻苯二甲酸二辛酯、聚乙烯醇、乙基纤维素的松油醇溶液中一种或多种；所述粘结剂的添加量为电极粉体质量的20％～50％。
一种固体氧化物燃料电池电解质膜，包括具有氧离子传导性的第一电解质膜组合物和包含质子导体相的第二电解质膜组合物，第二电解质膜组合物复合在第一电解质膜组合物外表面，第一电解质膜组合物为Gd0.1Ce0.9O1.95、Gd0.2Ce0.8O1.9、Sm0.1Ce0.9O1.95、Sm0.2Ce0.8O1.9、镧锶钴铁氧体、Zr0.84Y0.16O1.92中的一种或几种的组合，第二电解质膜组合物为BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ、BaHf0.7Mn0.1In0.2O3-δ中的一种或几种的组合。
进一步的，基于固体氧化物燃料电池电解质膜的总重量，第二电解质膜组合物的含量为30-50重量%，优选为35重量%。
进一步的，第一电解质膜组合物是由8-10层膜复合形成的，优选为8层，复合方式包括丝网印刷和高温烧结。
进一步的，第二电解质膜组合物通过丝网印刷或电泳沉积复合在第一电解质膜组合物外表面，第二电解质膜组合物的粒径为100-200nm。
进一步的，固体氧化物燃料电池电解质膜的阳极支撑体材料包括NiO、Sm0.2Ce0.8O1.9、Zr0.84Y0.16O1.92中两种的组合。
实施例1以SDC（Sm0.2Ce0.8O1.9）+NiO为阳极支撑体的复合电解质膜
一种固体氧化物燃料电池电解质膜的制备方法，包括以下步骤：
①制作阳极支撑体，取0.2克阳极粉末在260 MPa压力下压制成直径13mm，厚度0.5mm的阳极圆片，将压制好的阳极片在1100℃烧结2h，使阳极获得一定的机械强度，作为阳极支撑体，其中NiO和Sm0.2Ce0.8O1.9粉末的质量比为1：1，造孔剂为阳极支撑体总量的10wt%；
②通过丝网印刷将第一电解质膜组合物浆料，印刷在阳极支撑体表面，第二电解质膜组合物浆料印刷在第一电解质膜组合物浆料表面，第一电解质膜组合物浆料印刷8层，第二电解质膜组合物浆料印刷1层，每层浆料印刷完成后，75-85℃的热风吹干，浆料印刷完成后，1350-1450℃，时间3.5-4h烧结处理，其中8层的第一电解质膜组合物浆料为3层SDC、2层SDC+YSZ（Zr0.84Y0.16O1.92）、3层YSZ的三明治结构；
③在步骤②烧好的材料上刷制阴极LaSrMnO，然后继续高温烧结处理，得到固体氧化物燃料电池A，烧结条件为1000-1100℃，时间2.5-3h。
实施例2以YSZ（Zr0.84Y0.16O1.92）+NiO为阳极支撑体的复合电解质膜
一种固体氧化物燃料电池电解质膜的制备方法，包括以下步骤：
①制作阳极支撑体，取0.2克阳极粉末在260 MPa压力下压制成直径13mm，厚度0.5mm的阳极圆片，将压制好的阳极片在1100℃烧结2h，使阳极获得一定的机械强度，作为阳极支撑体，其中NiO和Zr0.84Y0.16O1.92粉末的质量比为1：1，造孔剂为阳极支撑体总量的10wt%；
②通过丝网印刷将第一电解质膜组合物浆料，印刷在阳极支撑体表面，第二电解质膜组合物浆料印刷在第一电解质膜组合物浆料表面，第一电解质膜组合物浆料印刷8层，第二电解质膜组合物浆料印刷1层，每层浆料印刷完成后，75-85℃的热风吹干，浆料印刷完成后，1350-1450℃，时间3.5-4h烧结处理，其中8层的第一电解质膜组合物浆料为3层YSZ、2层SDC+YSZ（Zr0.84Y0.16O1.92）、3层SDC的三明治结构；
③在步骤②烧好的材料上刷制阴极BSCF（钡锶钴铁氧体），然后继续高温烧结处理，得到固体氧化物燃料电池B，烧结条件为1000-1100℃，时间2.5-3h。
本发明还提供了一种固体氧化物燃料电池，包含上述的固体氧化物燃料电池电解质膜，一种固体氧化物燃料电池的制备方法如上所述。
因此，本发明采用上述的一种固体氧化物燃料电池电解质膜及固体氧化物燃料电池，有效缓解电解质膜由于电池工作温度降低而导致的离子电导显著下降的问题，同时降低电池阻抗，提升了电池的安全和循环性能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种固体氧化物燃料电池电解质膜，其特征在于：包括具有氧离子传导性的第一电解质膜组合物和包含质子导体相的第二电解质膜组合物，第二电解质膜组合物复合在第一电解质膜组合物外表面，第一电解质膜组合物设置在阳极支撑体的外表面，第二电解质膜组合物设置在所述第一电解质膜组合物远离所述阳极支撑体的外表面，第一电解质膜组合物为Gd0.1Ce0.9O1.95、Gd0.2Ce0.8O1.9、Sm0.1Ce0.9O1.95、Sm0.2Ce0.8O1.9、镧锶钴铁氧体、Zr0.84Y0.16O1.92中的一种或几种的组合，第二电解质膜组合物为BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ、BaHf0.7Mn0.1In0.2O3-δ中的一种或几种的组合；
基于固体氧化物燃料电池电解质膜的总重量，第二电解质膜组合物的含量为30-50重量%；
第一电解质膜组合物是由8层膜复合形成的，包括3层SDC、2层SDC+YSZ、3层YSZ或3层YSZ、2层SDC+YSZ、3层SDC，复合方式包括丝网印刷和高温烧结；
第二电解质膜组合物通过丝网印刷或电泳沉积复合在第一电解质膜组合物外表面，第二电解质膜组合物的粒径为100-200nm；
固体氧化物燃料电池电解质膜的制备方法，包括以下步骤：
①制作阳极支撑体，取0.2克阳极粉末在260MPa压力下压制成直径13mm，厚度0.5mm的阳极圆片，将压制好的阳极片在1100℃烧结2h，使阳极获得一定的机械强度，作为阳极支撑体；
②通过丝网印刷将第一电解质膜组合物浆料，印刷在阳极支撑体表面，第二电解质膜组合物浆料印刷在第一电解质膜组合物浆料表面，第一电解质膜组合物浆料印刷8层，第二电解质膜组合物浆料印刷1-2层，每层浆料印刷完成后，75-85℃的热风吹干，浆料印刷完成后，高温烧结处理；
③在步骤②烧好的材料上刷制阴极，然后继续高温烧结处理，得到固体氧化物燃料电池；
其中步骤①中阳极支撑体包括质量比为1：1的NiO和Sm0.2Ce0.8O1.9粉末，或质量比为1：1的NiO和Zr0.84Y0.16O1.92粉末；还包括造孔剂，造孔剂为阳极支撑体总量的10wt%。
2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电解质膜的制备方法，其特征在于：步骤②第一电解质膜组合物浆料中第一电解质膜组合物与粘结剂的质量比为4：3，第二电解质膜组合物浆料中第二电解质膜组合物与粘结剂的质量比为4：3，烧结的条件为1350-1450℃，时间3.5-4h。
3.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电解质膜的制备方法，其特征在于：步骤③中阴极材料为LaSrMnO或钡锶钴铁氧体，烧结条件为1000-1100℃，时间2.5-3h。
4.一种固体氧化物燃料电池，其特征在于：包含权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电解质膜。
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