[发明专利]固体氧化物燃料电池电解质层或电解质阻挡层的制备方法

说明书

一种固体氧化物燃料电池电解质层或电解质阻挡层的制备方法，该方法包括：使用电弧离子镀的方式在固体氧化物燃料电池阳极层表面，或者YSZ电解质表面，制备Gd/Ce或Sm/Ce层，并进一步通过原位氧化形成Gd₂O₃或Sm₂O₃掺杂CeO₂层，形成GDC电解质层或者电解质阻挡层，或SDC电解质层或者电解质阻挡层。该制备方法工艺简单，效果良好，成本低廉，易于批量生产，而且，所制备的GDC、SDC用作电解质层或电解质阻挡层应用时，结构致密，提高了材料的离子电导率，提高了电池的功率密度，能满足固体氧化物燃料电池对导电性和长期稳定性的要求。

技术领域

本发明涉及燃料电池，特别是涉及一种固体氧化物燃料电池及电解质层或电解质阻挡层制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell，SOFC)因其燃料利用率高、燃料适应范围广、无污染、成本较低、无噪音等特点，其制备与应用的关键是由阴极、电解质和阳极组成的多层陶瓷复合膜。

在SOFC中，固体电解质材料通常采用Y₂O₃稳定的ZrO₂(YSZ)，但是YSZ只有在高温下(1000℃)才有较高的电导率。因此，在高温下YSZ满足电力需求，具有良好的高温力学性能。虽然这样高的温度有利于电极反应，并且减小电解质的欧姆降。但是不幸的是，它也使得在电池材料方面有严格的要求。同时，电池组件之间的烧结和相反应显然随操作温度升高而加快，并且YSZ电解质在高温下与含阴极材料含镧钙钛矿氧化物(如LSM、LSCF等)电极等发生反应等问题发生，在高温下形成La₂Zr₂O₇、SrZrO₃电阻层。

CeO₂基材料与电解质层YSZ和阴极层LSCF的化学相容性较好，并具有较高的氧离子导电性，可用来制备电解质与阴极间的阻挡层，可避免电极间有害反应，扩大电极与电解质的选择范围。CeO₂与YSZ一样具有萤石型结构，纯CeO₂材料的离子电导率低，但用碱土或稀土金属氧化物(CaO，ZrO₂，Gd₂O₃，Sm₂O₃等)掺杂引入氧离子空位后，其离子电导率显著提高，可以成为氧离子良导体。其中Gd³⁺离子结合能小，与Ce⁴⁺的离子半径相近，用Gd₂O₃掺杂CeO₂得到的GDC离子电导率较高。以GDC作为电解质/阴极间的阻挡层，能抑制电解质/阴极间的元素扩散和界面反应，阻止高阻抗反应物的生成，且GDC的膨胀系数介于YSZ和LSCF之间，可以有效的改善两者间的热膨胀匹配。

传统陶瓷制备工艺如流延、浸渍、丝网印刷等工艺设备简单、易于放大和推广，一直是人们降低阻挡层制备成本的探索方向之一。但对于常见的SOFC阻挡层陶瓷粉体，如GDC、SDC、YSZ等，传统工艺制备的阻挡层往往需要1400℃甚至更高的烧结温度，才能保证其与电解质间足够的结合强度，避免引入额外的接触电阻。而在此温度下，阻挡层材料与电解质材料往往又会发生反应或固溶，产生高电阻相，对电池性能产生不利影响。

迄今为止，还没有一种工艺简单、成本低廉、生产效率高、结合强度高的阻挡层。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述技术缺陷中的至少一种，提供一种固体氧化物燃料电池电解质层或电解质阻挡层制备方法。