[发明专利]一种具有择优取向的氧化铈基电解质薄膜及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池领域，具体说是一种具有择优暴露晶面的氧化铈基电解质薄膜及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池是一种能量转换装置，能够高效的将燃料气（如氢气、天然气、煤气等）中的化学能转换成电能和热能，且不需要贵金属催化剂，采用全固态结构，低排放低噪音，是理想的分散电站和集中电站技术，也可以应用于车辆辅助电源、便携式电源等。

为了降低制造成本，提高电池长期稳定性和可靠性，缩短启动时间，运行温度在400-700℃的中低温固体氧化物燃料电池成为国内外研发的重点。氧化铈基薄膜既可以单独作为电解质层，用于运行温度在400-550℃范围之内的固体氧化物燃料电池，也可以作为氧化锆基电解质与含钴类阴极间的电解质隔层，用于运行温度在550-900℃温度范围之内的固体氧化物燃料电池。氧化铈基电解质材料既具有氧离子传导作用、又具有对氧的电催化作用，采用择优取向的氧化铈基电解质薄膜可以对电池阴极的氧气还原过程起到催化作用，加快阴极的电还原过程，减小电池的阴极极化电阻，还可以改善氧化铈基电解质薄膜的导电性能，减小电池欧姆电阻，从而提高电池的性能。

由于传统的陶瓷烧结方法无法制备出具有择优取向的氧化铈基电解质薄膜，因此，有必要采用物理气相沉积技术制备氧化铈基电解质薄膜。在物理气相沉积技术中磁控溅射技术能够在大面积基底上制备出均匀致密的电解质薄膜，且工艺重复性良好，适用于规模化制备，因此，磁控溅射的技术适合于制备具有择优取向的氧化铈基电解质薄膜。

发明内容

为了提高电池的性能，改善固体氧化物燃料电池的电催化性能，本发明的目的在于提供一种具有择优取向的氧化铈基电解质薄膜，能够有效的提高阴极的电催化性能，提高电解质的离子导电性能，降低电池的极化电阻与欧姆电阻，提高电池性能。

该电解质薄膜用于固体氧化物燃料电池中时，与阳极或氧化锆基基底结合良好，均匀致密，且薄膜晶体为择优暴露（111）或（110）、（100）晶面。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

在氧化镍与氧化锆基复合阳极/氧化锆基电解质的膜电极或氧化镍与氧化锆基复合阳极、氧化镍与氧化铈基复合阳极基底上射频磁控反应溅射具有择优取向的氧化铈基电解质薄膜。

所述氧化铈基电解质隔层材料为Ln_xCe_1-xO_2-δ（Ln为Gd、Sm、Y、La、Mn，0≤x≤0.5），所述氧化铈基电解质隔层总厚度在3纳米-8微米之间，最好为6纳米-5微米之间；氧化铈基电解质薄膜均采用磁控反应溅射的方法制备；磁控溅射所用靶材为铈基合金靶材。其中合金靶材的制备由相应比例的金属粉末混合、熔化，而后压制而成。

所用气体为氧气与氩气，纯度都在99.99%之上。

首先在氧化镍与氧化锆基复合阳极/氧化锆基电解质的膜电极、镍与氧化锆基复合阳极、镍与氧化铈基复合阳极基底上磁控反应溅射具有择优取向的氧化铈基电解质薄膜，其溅射参数为：靶基距为5-9cm，基片台的转速在1-20圈/分钟，溅射气压为0.1Pa-1.5Pa，溅射功率密度P=3-12W/cm²,氧气流量与氩气流量之比为1/2-1/20，溅射基底温度在30-800℃，通过控制溅射参数的改变可以实现氧化铈基电解质薄膜择优暴露（111）、（110）、（100）晶面。

本发明的优良效果在于：

通过在氧化镍与氧化锆基复合阳极/氧化锆基电解质的膜电极、氧化镍与氧化锆基复合阳极、氧化镍与氧化铈基复合阳极基底上磁控反应溅射具有择优取向的氧化铈基电解质薄膜，改善了氧化铈基电解质层的离子导电性能，同时也改善了电池阴极对氧气的电催化还原性能，降低了电池的欧姆电阻与极化电阻，提高了电池性能。

1.采用本发明制备的固体氧化物燃料电池，有效改善了阴极对氧气的电催化性能，降低了电池的极化电阻。

2.采用本发明制备的固体氧化物燃料电池，有效改善了氧化铈基电解质隔层或者电解质层的欧姆电阻，降低了电池的欧姆电阻。

3．本发明可用于平板型、管型等多种构型的固体氧化物燃料电池。

4.本发明适用于多种中温、低温固体氧化物燃料电池应用领域，如分散电站、便携式电源、车载辅助电源。

附图说明