[发明专利]一种多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及低温固体氧化物燃料电池，尤其涉及一种多孔金属支撑的低温固体氧化物燃料电池及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）具有发电效率高、排放低、对多种燃料气体广泛适应以及余热利用价值高等优点，是提供清洁高效的能源、缓解能源和环境危机、实现我国可持续发展的重要战略性技术之一。根据工作温度高低，固体氧化物燃料电池（SOFC）通常可以分为高温SOFC(800～1000℃)、中温SOFC(600～800℃)和低温SOFC(600℃以下)三种。高温SOFC研究历史悠久、制备技术成熟、关键材料性能稳定。然而高温工作对材料的要求比较苛刻，使材料和制备成本居高不下，并且高温密封难，高温运行费用高、电堆稳定性低，这些都制约了高温SOFC的商业化进程。中温SOFC采用阴极或阳极材料作为支撑基体，以薄膜化的掺杂氧化锆或掺杂镓酸镧为电解质，可以使用含Cr的Fe合金或Ni合金作为连接体材料。然而中温SOFC中的材料稳定性和电堆性能退化问题仍比较凸出，而且对于便携式燃料电池和车载燃料电池而言启动速度仍然太慢。低温SOFC在600℃以下运行，可使用廉价的密封和连接材料，启动速度相对快，运行费用较低，这些优点将有可能实现SOFC可在便携式燃料电池和车载燃料电池方面的应用。

目前中低温SOFC主要采用多孔电极支撑电解质薄膜的结构。然而多孔电极的缺点是机械强度较低，抗震和抗热冲击的性能差，不适于作为移动电源使用。此外，掺杂氧化锆或掺杂镓酸镧为电解质在600℃以下离子电导率较低，不能满足SOFC低温工作的要求。若采用在600℃以下具有较高离子电导率的掺杂氧化铈，则在电池制备完毕进行阳极还原的过程中、掺杂氧化铈也可能发生还原，使电解质薄膜由于氧化铈的还原膨胀而破坏，如果还原温度过低，则难以形成良好的Ni金属网络，使阳极的欧姆损失增大。同时，由于温度降低而使电极材料催化性能下降和电极欧姆阻抗增加也是急需解决的问题。

专利CN 101304093A提出在低温SOFC电解质薄膜和阴极之间设置复合氧化物过渡层以降低电解质和阴极之间的界面电阻，但是该专利没有解决多孔电极的强度问题和掺杂氧化铈薄膜的还原问题。专利CN 1960048A和CN 1960047A分别提出了一种多孔金属支撑的低温SOFC结构和制备方法，可解决支撑体的强度问题。然而该发明说述的“低温”为700～800℃，由于采用掺杂氧化锆作为电解质薄膜并采用多孔不锈钢作为支撑，在600℃以下的低温区域掺杂氧化锆薄膜以及不锈钢表面氧化膜电导率低，电池欧姆阻抗过大，不能满足低温SOFC的工作要求。

发明内容

针对以上的存在问题，本发明的目的在于提供一种可在600℃以下低温运行的固体氧化物燃料电池及其制备方法。

本发明的低温固体氧化物燃料电池，依次包括多孔金属支撑体，阳极反应层、致密的电解质薄膜、阴极反应层和阴极集流层。所述多孔金属支撑体材料为Ni或者Ni合金，其孔隙率在30%～80%之间；所述电解质薄膜材料为正二价或正四价金属离子掺杂的氧化铈；所述阳极材料为Ni或Ni合金和掺杂氧化铈组成的金属陶瓷，孔隙率在30%～60%之间。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种低温固体氧化物燃料电池，依次包括多孔金属支撑体，阳极功能层、致密的电解质薄膜、阴极功能层和阴极集流层，其特征在于：

所述多孔金属支撑体材料为Ni或者Ni合金，其孔隙率在30%～80%之间；

所述电解质薄膜材料为含有一种或一种以上正二价或正三价金属掺杂离子的氧化铈；

所述阳极功能层材料是至少含有一种成分为Ni的金属催化剂与含铈氧化物组成的金属复合陶瓷，孔隙率在30%～60%之间。

首先，为了提高固体氧化物燃料电池的抗震和抗热冲击性能，本发明采用多孔金属作为支撑体。金属材料选用在阳极气氛下不易被氧化的金属Ni或者Ni合金。为了使反应气体可以畅通地到达阳极反应层，多孔金属支撑体的孔隙率在30%～80%之间。金属支撑体可以做成平板、圆管、扁管或其他形状，可满足不同类型固体氧化物燃料电池的要求。