[发明专利]一种固体氧化物燃料电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池，所述固体氧化物燃料电池自下向上依次包括阳极层、电解质层、阻挡层、阴极层，所述阻挡层与电解质层元素扩散界限为0‑1.0μm。同时，本发明还公开一种所述固体氧化物燃料电池的制备方法，所述方法利用液相前驱体沉积方法或真空镀膜方法将阳极/电解质/阻挡层材料沉积一定厚度到陶瓷基体表面，从而避免制备半电池过程中的高温材料相互扩散，减弱了界面反应，将界面电阻降低40％以上。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池及其制备方法，尤其是一种固体氧化物燃料电池及其制备方法。

背景技术

在最近几十年中，随着工业化石燃料的大量消耗，全球环境恶化现象日益加深，从而固体氧化物燃料电池作为一种清洁无污染的新能源受到研究者越来越广泛的关注，然而固体氧化物燃料电池的制备过程中需要进行1380℃以上(1400℃左右)的高温共烧，从而导致电池阳极/电解质/阻挡层/阴极之间材料相互扩散，界面电阻较大。

目前市场流通的固体氧化物燃料电池多以镍-陶瓷基复合材料作为燃料电池的阳极积流层及反应活性层，YSZ为电解质，LSM/LSCF等钙钛矿阴极材料与具有离子电导的陶瓷复合基作为燃料电池的阴极积流层及反应活性层，同时由于阴极与电解质之间会发生化学反应，因此通常在二者之间会加以氧化铈为主的掺杂材料作为阻挡化学反应的阻挡层。比较成熟的制备方法是将各电池层流延成薄膜态，依次叠放压合后通过高温共烧制得固体氧化物燃料电池，但是在共烧过程中各电池层界面处会因材料相互扩散发生烧结固溶反应，导致电池的界面电阻较大。

Mosbah Ferkhi等人在J Solid State Electrochem，(2016)20:911–920中提到使用La_2-xCu_xNiO₄±δ(0.01≤x≤0.1)与La₄Ni₃O₁₀混合作SOFC阴极，通过调整X值来改善电池阴极侧面电阻。Qingjun Zhou等人在Journal of Alloys and Compounds，627(2015)320–323一文中提到使用Bi、Nb掺杂BaCoO_3-X得到BaBi_0.05Co_0.8Nb_0.15O_3-X(BBCN)作阴极，然后以LSGM作电解质，从而使电池的面电阻下降到0.073Ω·cm²。J.A.Cebollero等人在Journal ofPower Sources，360(2017)336-344一文中提到使用脉冲激光束修饰电池电解质表面，以增加电解质/电极的接触面积，并以此技术制备了LSM-YSZ/YSZ/LSM-YSZ的对称模型电池来表征电池阻抗的下降，结果显示电池极化阻抗下降了30％以上。屠恒勇等人在申请号为201410476214.6的专利中提到使用丝网印刷的方法将阴极阻挡层材料沉积到半电池电解质的表面，然后在真空气氛下进行1000-1200℃的烧结，避免阴极材料与电解质材料高温下过度扩散。M·R·沃茨等人在申请号为200980145813.7的专利中提到在电解质材料侧施加氧化铈层并进行高温加热形成混合相层，然后利用机械刮削或打磨等方式将过量未反应的氧化铈层移除，从而减少电解质/阴极界面因材料扩散形成的绝缘相。

但是上述技术都存在以下问题：1)制备方法繁琐且存在局限性；2)没有从根本上解决固体氧化燃料电池的高温共烧带来的界面材料相互扩散问题，从而导致界面反应充分，降低界面电阻效果不显著。导致上述问题的原因为：1)尝试通过将制备半电池的高温共烧过程拆分开，以达到减少电解质/阻挡层材料界面过度扩散的目的，但界面反应不仅仅存在于电解质/阻挡层，阳极/电解质界面、阻挡层/阴极等界面同样存在界面材料扩散导致的界面电阻问题；2)制备半电池过程中多次进行高温烧结，阳极存在多次烧结甚至过烧问题，极大的影响了电池阳极侧的微观结构及电池性能；3)丝网印刷、机械打磨等技术均存在一定的局限性，所引入的厚度不均、针孔、划伤等问题对电池后续使用性能有着不可评估的风险。

发明内容