[发明专利]一种低温固体氧化物燃料电池三合一组件MEA及其制备

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池，具体说是一种带电解质过渡层结构的低温固体氧化物燃料电池三合一组件MEA及其制备。

背景技术

固体氧化物燃料电池是将化学能直接转化成电能的能量转换装置，采用全固态结构，具有发电效率高、应用范围广的特点，是理想的分散发电和集中电站技术，也可以应用于车辆辅助电源、便携式电源等。

为了减小制造成本，提高可靠性，缩短启动时间，采用低温电解质材料可以将固体氧化物燃料电池的操作温度降低至450-650℃，又称低温固体氧化物燃料电池。低温固体氧化物燃料电池一般采用阳极支撑型结构，通过共烧结方法制备，获得致密电解质隔膜的温度比较高，一般在1350-1450℃。但是，目前所使用的低温阴极材料，如Ba_xSr_1-xCo_yFe_1-yO₃(BSCF)、Sm_xSr_1-xCoO₃(SSC)等，其烧结活性较高，在通常阴极焙烧温度下(1100℃-1200℃)，极易烧结致密而降低阴极的孔隙率，阻碍氧的扩散传递及电催化还原活性。降低其焙烧温度虽然能保持一定的孔隙率，但是同时会造成阴极与电解质结合不牢，极易剥落，阴极与电解质之间的界面阻抗增大。目前的电池制备技术获得的20微米电解质厚度的低温固体氧化物燃料电池，其欧姆阻抗达到0.2Ω·cm²-0.45Ω·cm²，要远高于电解质欧姆电阻的理论值，因此在很大程度上影响了电池的输出功率和稳定性。在低温操作条件下，电解质与阴极之间的界面电阻已经成为影响低温固体氧化物燃料电池性能的主要因素之一。

发明内容

本发明的目的旨在解决低温固体氧化物燃料电池中电解质与阴极之间界面阻抗较大的问题，通过在电解质与阴极之间引入一层由高氧离子电导率电解质构成的过渡层，来促进电解质与阴极之间的有效接触，降低电解质/阴极之间的界面电阻，从而有效提高电池的输出功率和稳定性。

为达到以上目的，本发明采用的技术解决方案为：

一种低温固体氧化物燃料电池(工作温度450-650→C)三合一组件MEA，包括阳极基底，铈基电解质和阴极，在低温电解质和低温阴极之间设置有一层由高氧离子电导率电解质构成的电解质过渡层，促进电解质与阴极之间的有效接触，降低电解质/阴极之间的界面接触电阻，改善电解质/阴极之间的接触强度，从而有效提高电池的输出功率和电池的稳定性。

所述的电解质过渡层由包括Sm_xCe_1-xO₂(SDC)、Gd_xCe_1-xO₂(GDC)、La_xCe_1-xO₂(LDC)、Y_xCe_1-xO₂、8mol％Y₂O₃稳定的ZrO₂(YSZ)和/或掺杂的摩尔百分比含量为10％-50％Sc₂O₃稳定的ZrO₂(ScSZ)等高氧离子电导率的电解质中的一种或一种以上构成，其中0.1≤x≤0.5。电解质过渡层可以是致密的，也可以是多孔的，但其制备温度低于致密的电解质层，一般低50-500℃。

在附着于阳极基底上的铈基电解质表面采用流延法、涂敷法、气相沉积法或等离子喷涂等各种无机膜的制备技术制备电解质过渡层，其厚度控制在20纳米-5微米之间，最佳厚度为50纳米-2微米，其烧结温度在1000℃-1400℃区间范围内；然后于电解质过渡层上制备阴极构成三合一组件MEA。