[发明专利]一种固体氧化物燃料电池复合电解质薄膜及其制备

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池领域，具体说是一种在电极基底上的复合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，且不用贵金属催化剂，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，满足商业化的应用要求，降低固体氧化物燃料电池的运行温度成为了国内外研发的重点。降低电池运行温度有两种主要途径，一种是采用高活性的电极材料，如高活性的含钴类的阴极材料，减小电极的极化电阻；一种是降低电解质膜的厚度，以及改善电极与电解质的接触性能，或者采用具有高氧离子电导的电解质材料，从总体上降低电池的欧姆电阻。

但是，目前最为成熟的氧化锆基电解质薄膜（如Y₂O₃稳定的ZrO₂、Sc₂O₃稳定的ZrO₂）的氧离子电导率较低，导致电池的欧姆电阻较大，且与目前所使用的中低温高性能含钴类阴极材料，如Ba_xSr_1-xCo_yFe_1-yO₃（BSCF）(0＜x＜1，0＜y＜1)、La_xSr_1-xCo_yFe_1-yO₃（LSCF）(Ln=La、Sm、Nd、Gd、或Dy，0＜x＜1，0＜y＜1)、La_xSr_1-xCoO₃（LSC）(0＜x＜1)、Sm_xSr_1-xCoO₃（SSC）(0＜x＜1)等，化学相容性差，在阴极的烧结与运行过程中容易发生有害化学反应，在阴极与电解质界面上生成高阻相杂质，使电池性能急剧衰减。

氧化铈基电解质薄膜（如Gd₂O₃掺杂的CeO₂、Sm₂O₃掺杂的CeO₂）具有较高的离子电导，但在电池的运行过程中容易与阳极侧燃料发生还原而产生电子电导，降低电池的性能，而且更为致命的是氧化铈的还原能够导致的电解质薄膜的破裂，能够彻底使电池报废。

因此，采用氧化锆基与氧化铈基电解质的复合薄膜，既能够防止氧化铈基电解质被还原，又能够防止氧化锆基电解质与高活性的含钴类阴极反应，提高了电池性能。

为了进一步降低电池的欧姆电阻，需要降低电解质薄膜的厚度，改善阴极/电解质的接触界面。其中电解质薄膜的制备有多种方法，有流延法、浆料涂覆法、喷涂法、丝网印刷法、电化学气相沉积法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法（需要查阅相关文献）等，其中属于物理气相沉积的磁控溅射法具有沉积薄膜致密、厚度均匀、成分可控、与基底结合性能好等特点，可以应用于制备电解质薄膜。

发明内容

为了降低电池的欧姆电阻以及极化电阻，降低电池的运行温度，本发明的目的在于提供一种厚度均匀、致密性良好的复合电解质薄膜及其制备方法，该复合电解质薄膜用于固体氧化物燃料电池中时，能够有效阻止电解质的电子电导，改善与高活性阴极材料的相容性，降低电池的欧姆电阻与极化电阻，从而有效提高电池在中低温条件下的输出功率，改善电池的长期稳定性和可靠性。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

首先在NiO与掺杂氧化锆复合阳极基底上磁控反应溅射氧化锆基电解质致密层，而后在氧化锆基致密层上磁控溅射氧化铈基电解质层，氧化铈基电解质层具有致密层与疏松层两部分，先在氧化锆基电解质表面磁控溅射氧化铈基电解质致密层，完成之后，改变溅射参数，再溅射氧化铈基电解质的疏松层。其中氧化锆基电解质致密层用于隔绝电子电导，氧化铈基电解质致密层用于阻止高活性阴极与氧化锆基电解质的元素扩散与化学反应，氧化铈基电解质疏松层用于改善阴极/电解质界面的接触性能。