[发明专利]一种低温稳定的固体氧化物燃料电池及制备方法

说明书

本发明提出一种低温稳定的固体燃料电池及制备方法，电池结构自下而上包括五层：阳极支撑体，在所述阳极支撑体上设置磁致伸缩层，在磁致伸缩层上设置铈基电解质层，在所述铈基电解质层上设置磁致伸缩层，在磁致伸缩层上设置阴极活性层。本发明通过在CeO₂基电解质层涂敷磁致伸缩层，在工作时电池产生的微磁使磁致伸缩层发生微小形变，从而缓冲由于电解质层的尺寸变化，克服了现有固体氧化物燃料电池中CeO₂电解质出现Ce⁴⁺/Ce³⁺混合态导致氧缺位引起的电解质层尺寸变化的缺陷，有效防止固体氧化物燃料电池使用过程中挠曲变形和开裂，延长了固体氧化物燃料电池使用寿命。

技术领域

本发明涉及燃料电池材料领域，具体涉及一种低温稳定的固体氧化物燃料电池及制备方法。

背景技术

燃料电池是一种基于氧化还原反应的能量转化装置。它可以将燃料的化学能直接转化成电能，转化过程中没有经历卡诺循环过程，可以获得比传统热机发电系统更高的效率，具有高效、低噪音、环境友好以及安全可靠等优点。

根据燃料电池电解质的性质，可以将燃料电池分为碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池。与其他四种燃料电池相比，固体氧化物燃料电池有其独特的优势。其一，较高的工作温度拓宽了燃料气体的选择范围，价格相对低廉的烷烃类燃料可以在电池内部重整、氧化产生电能。其二，固体氧化物燃料电池工作时产生大量的余热，可以实现热电联用，提高发电系统的效率。其三，固体氧化物燃料电池是全固态结构，可以避免其他种类燃料电池存在的电池部件之间相互腐蚀的问题。

固体氧化物燃料电池主要的三大组件分别是阳极，电解质和阴极。其中，电解质是固体氧化物燃料电池最核心的部件，固体氧化物燃料电池电解质材料应该满足以下几点要求：良好的离子电导率和单纯的离子导电性（接近1的离子迁移数）；高温及氧化还原气氛中的物理和化学稳定性；气密性；与电极之间的化学兼容性；与电极之间的高温热匹配性；热膨胀系数匹配；性能优越价格便宜。现有固体氧化物燃料电池大多仍然采用传统的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）为电解质，工作温度在750℃-1000℃。在如此高的温度下长时间工作会导致电池各组件材料之间的副反应，电极微结构由于烧结而受到破坏等问题。除此之外，较高的工作温度使得固体氧化物燃料电池各组件可选的材料非常有限，不能采用成本相对低廉的密封和电极材料。

氧化铈基电解质是面心立方萤石结构，铈离子位于氧离子构成的简单立方点阵中心位置，配位数为8，而氧离子则占据铈离子形成的四面体中心位置，配位数为4。纯氧化铈电导率非常低，600℃时的氧离子电导率约为1×10^-5S/cm，但是当用异价离子如二价碱土金属离子或者三价稀土金属离子部分取代CeO₂中的Ce⁴⁺时，为了保持电荷平衡，晶格内就会产生一定的氧空位，掺杂氧化铈能够大大提高的氧离子电导率。在CeO₂基中掺杂的元素有Gd、Y、Sm、Sr、La、Pr、Ba 等，如中国发明专利申请号200910062001.8公开了一种氧化钆掺杂氧化铈的复合氧化物固溶体凝胶的制备方法，采用具有低水解活性的乙酰丙酮铈水合物、乙酰丙酮钆水合物作为溶胶—凝胶的前躯体，可以制得具有高密度和的氧化钆掺杂氧化铈的复合氧化物固溶体凝胶，氧化钆掺杂的CeO₂电解质的氧离子电导率比YSZ的高而且氧离子电导率在500～600 ℃表现优异。然而，在CeO₂基电解质处于还原性气氛下，会发生Ce⁴⁺的部分还原而出现Ce⁴⁺/Ce³⁺混合态，产生无用的电子电导，降低电池开路电压，减少电池的输出功率密度。此外，氧缺位将使膜产生剧烈的尺寸变化，从而引起挠曲变形，影响电解质膜使用寿命。

因此，提出一种工艺方案简单可控，有效克服现有固体氧化物燃料电池由于CeO₂电解质膜使用时产生尺寸变化，从而引起挠曲变形，影响燃料电池使用寿命的缺陷，制备工艺方案的更新对燃料电池使用寿命的提高有极高实用价值。