[发明专利]一种平板型结构的固体氧化物燃料电池的制备方法

说明书

本发明提供了一种平板型结构的固体氧化物燃料电池制备方法。该固体氧化物燃料电池以阳极层为支撑层，电解质与阴极之间的阻挡层材料为GDC；本发明采用将阳极支撑体、电解质和阻挡层生坯共烧结，不仅大大简化了制备工艺，而且能够在烧结温度为1300℃时即可使得电解质和阻挡层达到很好的致密效果，同时可以电解质和阻挡层之间的界面结合效果良好。考虑到热应力以及烧结平整性问题，本发明的制备方法尤其适用于具有中空上下分布的平板型结构的固体氧化物燃料电池。

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，尤其涉及一种平板型结构的固体氧化物燃料电池的制备方法。

背景技术

受气候变化和化石能源约束，固体氧化物燃料电池技术受到广泛关注。固体氧化物燃料电池的基本结构包括电解质，多孔阳极以及多孔阴极，阳极中通入燃料，阴极中通入氧化剂气体，通过电解质与电极三相界面处的电化学反应产生电子，形成外部电子回路，最终产生电能与热能。

近年来，固体氧化物燃料电池中研究较多且应用相对较成熟的高温阳极、电解质及阴极材料分别为Ni-YSZ、YSZ和LSM。但是，随着高温固体氧化物燃料电池操作温度由800-1000℃降低至500-800℃，与纯电子导体阴极材料LSM相比，混合离子导体LSCF对氧气的催化活性更高，使得电池放电性能更好。然而，在大于或者等于1200℃的高温条件下操作时，LSCF阴极材料易与电解质材料YSZ发生界面反应，生成绝缘相SrZrO₃和La₂Zr₂O₇等，并且产生膨胀系数不匹配等问题，引起电池不稳定。

为解决这一问题，研究人员通过在LSCF和YSZ之间引入一层阻挡层，该阻挡层应满足：1)与电解质YSZ和阴极LSCF的化学相容性良好，可阻止两者之间发生化学反应产生高阻抗相；

2)阻挡层材料的膨胀系数介于电解质YSZ和阴极LSCF之间，改善阴极和电解质之间的热膨胀系数；

3)阻挡层材料的致密性较好，且在中低温下氧离子导电性高。

通过在氧化铈(CeO₂)基材料中掺杂适量浓度稀土金属氧化物Gd₂O₃可大幅增加其氧离子空位，显著提高其离子导电率，从而成为一种良好的氧离子导体。这种掺杂的CeO₂基材料被称为GDC，将其制备为致密的薄膜层，便可以满足以上阻挡层的要求。

现阶段，对阳极、电解质、阴极材料以及阻挡层分别为Ni-YSZ、YSZ、LSCF和GDC的固体氧化物燃料电池的制备步骤一般为：阳极功能层和电解质层在1300℃共烧制备完成后，在致密的电解质基底表面丝印GDC浆料进行烧结，GDC阻挡层一般在1200℃烧结，最后在GDC阻挡层表面丝印阴极浆料，在1100℃左右烧结。

该方法存在的不足之处为：(1)对已烧结半电池进行二次烧结，增加了电池制备的复杂性；(2)通过在硬质电解质基底表面丝印GDC浆料进行二次烧结制备的GDC阻挡层的断面SEM图如图1所示，显示其致密效果较差，很难满足阻挡层致密的要求，而且与电解质之间的界面结合效果较差，会引起较大的界面电阻，同时不利于避免阴极材料与电解质的扩散反应，影响电池的运行稳定性。

发明内容

针对上述固体氧化物燃料电池的技术现状，本发明提供一种所述固体氧化物燃料电池的制备方法，其工艺简单，成本低，制得的GDC阻挡层不仅致密性良好，而且与电解质之间的界面结合性良好。

为此，本发明人经过大量实验探索后发现，采用以阳极层为支撑层的平板型结构，将阳极层、电解质层和阻挡层生坯共烧结，不仅可以简化制备工艺，节约成本，而且当烧结温度上升至1300℃制得的GDC阻挡层、电解质层即可达到致密效果，同时GDC阻挡层与电解质层间的界面结合效果良好。