[发明专利]一种固体氧化物燃料电池以及这种电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池以及这种电池的制备方法，属于电化学领域。

背景技术

固体氧化物燃料电池(英文简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池一样得到广泛普遍应用的一种燃料电池。

固体氧化物燃料电池(SOFC)可以直接使用来源广泛、价格低廉的各类碳基燃料；燃料容易储存、运输，既可适合于大规模发电，也可用作分布式电源和中小型移动电源。在过去70年中，主要集中研究和开发以氢气为燃料的高温(800-1000℃)的SOFC。虽然在关键材料和电池设计等方面都已取得了很大进展，但是至今没有大规模商业化。主要问题是高温SOFC对材料要求苛刻，电池工艺复杂，特别是制造成本太高、寿命较短。而且传统结构的固体氧化物燃料电池在电池的阳极，电解质和阴极使用不同的材料体系，特别是在阴极，大多数阴极材料与电解质材料在组成上是完全不同的，这种差异会不可避免地带来一系列材料匹配问题，如热膨胀系数的差异，化学相容性等，这些问题均会影响到电池的性能和长期使用的寿命。最理想的材料就是使用单一材料构成的连续相固体氧化物燃料电池。然而迄今为止，单一材料还不能兼具高的离子导电率、突出的电极反应动力学、以及催化能力。

目前广泛使用的电解质材料为钇稳定的ZrO₂，掺杂的CeO₂或掺杂的LaGaO₃，其中双掺杂的LaGaO₃具有较高的离子电导率，但容易产生第二相，因此稳定性有待改善。相对于钇掺杂的氧化锆(YSZ)，摩尔百分比为10mol％的Sm₂O₃、4mol％的Y₂O₃、10mol％Gd₂O₃在较低的温度下具备高的氧离子电导和低的电子电导，被看作是一种理想的中低温固体氧化物燃料电池的电解质。

就阴极材料而言，锶掺杂的锰酸镧(LSM)，锶掺杂的钴酸镧(LSC)或其他元素掺杂的LSC都被广泛地研究过，这些材料与电解质的热膨胀系数匹配问题以及与连接体界面的化学稳定性，如Cr中毒有待解决。在阳极常使用Ni-YSZ金属陶瓷，但使用碳基燃料时的积碳和硫中毒等问题非常突出，然而对于固体氧化物燃料电池而言，使用能量密度更高碳基燃料，相对于使用难以存储和运输的氢源，更有意义，所以需要开发出适于碳基为燃料的电极和电解质材料。

在申请号为“200510085508.7”的中国专利申请公开了题为“花状结构的纳米氧化铈基复合材料及其制备方法和用途”的专利申请，该申请公开了花状结构的纳米氧化铈基复合材料，并且这种氧化铈基复合材料为氧化铈与选自氧化镧、氧化铜、氧化锆、氧化钛、氧化铝、氧化镁、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化钒、氧化钨、氧化钼、氧化硅、氧化锌、氧化钆、氧化镨、氧化钐、氧化钪、氧化铕、氧化铒、氧化镱中的一种或两种氧化物形成的二元或三元复合氧化物，该复合材料呈花状结构，它作为固体氧化物燃料电池的阳极材料或贵金属的支撑体。与本申请之前的技术相比，这种复合材料比表面积大、可以在较低的温度下使用，而且可能大大拓展可使用燃料气体的种类，同时使用这种复合材料的阳极材料的电池功率密度高。此外这种复合材料的比表面积大，作为贵金属催化剂的支撑体时，可以有效地促进贵金属的分散，提高催化剂的活性。

在申请号为“200510087129.1”的中国专利申请公开了花状结构的纳米氧化铈材料，它是一种新型的纳米微复合材料，具有高的比表面积、大的孔体积和孔隙率，良好的气液通透性和显著的热稳定性，容易掺杂，并能够在掺杂后仍保持其结构和机械性能。并且这种材料作为载体，负载了贵金属复合材料，用于三效催化剂和水汽重整时表现出好的反应活性，可以有效促进贵金属分散，提高催化剂的活性。该专利申请中花状结构氧化铈的形貌与结构特征如下：花状结构的纳米氧化铈粉体材料中的每个颗粒的几何外观接近球形，平均直径为100nm-100μm，每一个颗粒上生长了许多厚度为2-500nm的薄片，每个薄片的取向和球面垂直，呈放射状从内部向外，每个薄片既可以是平直的平面，也可以是弯曲的曲面，薄片和薄片之间相互连接在一起。