一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池及其制备方法

    技术2024-11-30  16


    本发明涉及固体氧化物燃料电池,具体而言,尤其涉及一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池及其制备方法。


    背景技术:

    1、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,sofc)是一种将化学能直接转化为电能的电化学装置,是一种高效、清洁的能源转换设备,此外,其还具有高能量转换效率、低排放和静音运行等优点。固体氧化物燃料电池技术是燃料电池技术的重要分支之一,与传统的聚合物电解质燃料电池(pemfc)和碱性燃料电池(afc)相比,固体氧化物燃料电池还具有高温运行、不需要贵金属催化剂、对燃料和氧气来源宽容度高等优势。其工作温度通常在600℃以上,因此可以利用多种燃料,包括氢气、天然气、甲烷、乙醇等。目前,针对固体氧化物燃料电池技术的研究主要集中在提高电池性能、降低成本、提高稳定性等方面。在电极材料方面,研究人员通过改变材料的组成和结构,设计出具有良好导电性和催化活性的新型电极材料,如钙钛矿结构材料、钠离子导体材料、钙钛矿/电解质界面材料等。在电解质层方面,研究人员致力于寻找具有高离子传输性能和化学稳定性的新型电解质材料,如氧化锆(zro2)、氧化钇稳定的氧化锆(yttria-stabilized zirconia,ysz)等。因此固体氧化物燃料电池的使用寿命显著延长,稳定性和效率也得到了大幅提高。

    2、虽然固体氧化物燃料电池技术在各个方面都取得了显著的进展,但仍然存在一些挑战和问题需要解决。具体的技术缺陷和不足,如下:

    3、碳沉积问题:在固体氧化物燃料电池中,当阳极使用碳氢燃料时,易发生碳沉积现象。这种碳沉积会导致阳极活性物质表面被覆盖,阻碍气体的扩散和电子的传输,从而降低电池的效率和稳定性。特别是在高温下,碳沉积现象更为严重,影响电池的长期稳定运行。

    4、电池性能衰减:碳沉积导致阳极活性物质失活,进而引起电池性能的衰减。随着碳沉积的积累,电池的功率输出和稳定性逐渐降低,最终导致电池失效。这不仅影响了电池的工作效率,也增加了电池的维护成本和更换周期。

    5、清洁和维护困难:碳沉积会导致电池内部产生积碳,使得清洁和维护变得更加困难。需要定期对电池进行清洗和维护,以防止碳沉积对电池性能造成更严重的影响。这不仅增加了维护成本,也影响了电池的可靠性和稳定性。

    6、运行安全性降低:碳沉积会增加电池运行时的安全隐患,例如可能导致气体泄漏、温度过高等问题,从而影响电池的安全性。

    7、短寿命和高成本:碳沉积问题加剧了电池的磨损和老化速度,导致电池的使用寿命缩短。为了应对碳沉积问题,需要采取额外的措施,如增加清洁频率、改进电极结构等,这些都会增加电池的成本和维护费用,降低其经济性和竞争力。

    8、综上所述,本发明提出一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池及其制备方法。


    技术实现思路

    1、根据上述提出的不足,而提供一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池及其制备方法。本发明主要通过双层阳极结构和表面改性技术,有效减少碳沉积现象,降低了阳极活性物质的失活速率,提高电池的稳定性和性能,延长了电池的使用寿命。此外,本发明的双层阳极结构和表面改性技术能够降低电池内积碳的程度,使清洁和维护更加简便,从而高了电池的运行安全性,减少了气体泄漏和温度过高等安全隐患,降低了维护成本,提高了电池的经济性和竞争力,为固体氧化物燃料电池技术的发展提供了重要的技术支持和创新方案。

    2、本发明采用的技术手段如下:

    3、一方面,本发明提供了一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池,包括:

    4、多孔阴极层;

    5、电解质层,位于所述多孔阴极层的一侧;

    6、阳极层,包括:多孔铈氧化物层,位于所述电解质层远离所述多孔阴极层的一侧;多孔ni-ysz层,位于所述多孔铈氧化物层远离所述电解质层的一侧;

    7、稀土掺杂的氧化铈层,位于所述多孔ni-ysz层远离所述多孔铈氧化物层的一侧。

    8、优选地,所述多孔阴极层的材料为镧锶锰(lsm)或镧锶钴铁(lscf);

    9、所述电解质层的材料为萤石型氧化物。

    10、优选地,所述多孔阴极层、所述多孔铈氧化物层和所述多孔ni-ysz层的孔隙率为20%-40%。

    11、另一方面,本发明还提供了一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池的制备方法,包括:

    12、制备阴极浆料、电解质浆料、铈氧化物浆料、ni-ysz浆料和稀土掺杂的氧化铈浆料;

    13、将所述阴极浆料放置于流延机中,调节所述流延机的刮刀的高度和速度,生成多孔阴极层,所述多孔阴极层的流延厚度范围为100至300微米;

    14、将所述电解质浆料放置于所述流延机中,调节所述流延机的刮刀的高度和速度,在所述多孔阴极层的一侧生成电解质层,所述电解质层的流延厚度范围为20至50微米;

    15、将所述铈氧化物浆料放置于所述流延机中,调节所述流延机的刮刀的高度和速度,在所述电解质层远离所述多孔阴极层的一侧生成多孔铈氧化物层,所述多孔铈氧化物层的流延厚度范围为20至50微米;

    16、将所述ni-ysz浆料放置于所述流延机中,调节所述流延机的刮刀的高度和速度,在所述多孔铈氧化物层远离所述电解质层的一侧生成多孔ni-ysz层,得到电池生胚,所述多孔ni-ysz层的流延厚度范围为200至500微米;

    17、对所述电池生胚进行干燥处理;

    18、采用所述稀土掺杂的氧化铈浆料和气相沉积技术,在所述多孔ni-ysz层远离所述多孔铈氧化物层的一侧沉积稀土掺杂的氧化铈层,得到层叠结构;

    19、将所述层叠结构放置于马弗炉进行煅烧得到单电池,所述马弗炉的煅烧温度范围为1300至1400℃,煅烧时间范围为10至12小时。

    20、优选地,制备所述铈氧化物浆料,包括:

    21、将干燥的二氧化铈粉末与松油醇、乙基纤维素按照100:75:2的质量比称取后放入球磨罐,向所述球磨罐滴入分散剂并加入适量的球磨珠;

    22、将所述球磨罐放入球磨机以500rpm/min球磨24小时,得到所述铈氧化物浆料。

    23、优选地,制备所述ni-ysz浆料,包括:

    24、将干燥的镍粉末和钇稳定氧化锆粉末按照1:1的质量比称取后混合得到混合粉末;

    25、将所述混合粉末与松油醇、乙基纤维素按照100:75:2的质量比称取后放入球磨罐,向所述球磨罐滴入分散剂并加入适量的球磨珠;

    26、将所述球磨罐放入球磨机以500rpm/min球磨24小时,得到所述ni-ysz浆料。

    27、优选地,制备所述稀土掺杂的氧化铈浆料,包括:

    28、将稀土掺杂的铈氧化物粉末加入乙醇充分搅拌,得到均匀的第一混合溶液;

    29、采用微孔滤膜或过滤器对所述第一混合溶液进行过滤操作,得到所述稀土掺杂的氧化铈浆料。

    30、优选地,制备所述电解质浆料,包括:

    31、将2-丁酮与乙醇按(1~3):1的体积比进行混合,得到均匀的第二混合溶液;

    32、将钇稳定氧化锆粉末与所述第二混合溶液、聚乙烯醇缩丁醛、邻苯二甲酸二丁酯按照100:(50~70):(2~4):(1~3)的质量比称取后混合,得到第三混合溶液;

    33、将所述第三混合溶液进行球磨,得到所述电解质浆料,球磨时间范围为12至20小时。

    34、优选地,制备所述阴极浆料,包括:

    35、将干燥的镧锶钴铁粉体与松油醇、乙基纤维素按照100:75:2的质量比称取后放入球磨罐,向所述球磨罐滴入分散剂并加入适量的球磨珠;

    36、将所述球磨罐放入球磨机以500rpm/min球磨24小时,得到所述阴极浆料。

    37、较现有技术相比,本发明具有以下优点:

    38、1、本发明提供的一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池及其制备方法,采用双层阳极结构和稀土掺杂的氧化铈层作为表面,有效减少碳沉积现象,提高阳极活性物质表面的抗碳沉积能力,阳极表面不易被碳覆盖,气体扩散和电子传输得以顺畅进行,从而提高电池效率和稳定性。

    39、2、本发明提供的一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池及其制备方法,采用双层阳极结构和稀土掺杂的氧化铈层作为表面,能够有效延缓阳极活性物质的失活过程,减少电池性能的衰减。

    40、3、本发明提供的一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池及其制备方法,降低碳沉积对电池内部的影响,减少了电池内部积碳的可能性,使得电池的清洁和维护更加便捷。不需要频繁地进行清洗和维护,减少了维护成本,提高了电池的可靠性和稳定性。

    41、4、本发明提供的一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池及其制备方法,减少碳沉积引发的安全隐患,提高了电池运行的安全性。阳极表面不易产生碳沉积,降低了气体泄漏、温度过高等安全问题的发生概率,保障了人员和设备的安全。

    42、5、本发明提供的一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池及其制备方法,采用双层阳极结构和稀土掺杂的氧化铈层作为表面,阳极表面的抗碳沉积能力可以保持较长时间,使得电池的功率输出和稳定性能够长期维持在较高水平,从而延长了电池的使用寿命,同时减少了维护和更换的频率,降低了维护成本和维修费用,提高了电池的经济性和竞争力。


    技术特征:

    1.一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池,其特征在于,包括:

    2.根据权利要求1所述的一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池,其特征在于,所述多孔阴极层的材料为镧锶锰或镧锶钴铁;

    3.根据权利要求1或2所述的一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池,其特征在于,所述多孔阴极层、所述多孔铈氧化物层和所述多孔ni-ysz层的孔隙率为20%-40%。

    4.一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池的制备方法,其特征在于,包括:

    5.根据权利要求4所述的一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池的制备方法,其特征在于,制备所述铈氧化物浆料,包括:

    6.根据权利要求4所述的一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池的制备方法,其特征在于,制备所述ni-ysz浆料,包括:

    7.根据权利要求4所述的一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池的制备方法,其特征在于,制备所述稀土掺杂的氧化铈浆料,包括:

    8.根据权利要求4所述的一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池的制备方法,其特征在于,制备所述电解质浆料,包括:

    9.根据权利要求4所述的一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池的制备方法,其特征在于,制备所述阴极浆料,包括:


    技术总结
    本发明提供一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池及其制备方法,一种新型结构抗积碳的固体氧化物燃料电池包括依次层叠的多孔阴极层、电解质层、多孔铈氧化物层、多孔Ni‑YSZ层和稀土掺杂的氧化铈层。通过多孔铈氧化物层和多孔Ni‑YSZ层构成双层阳极结构,并且稀土掺杂的氧化铈层作为表面,有效减少碳沉积现象,降低了阳极活性物质的失活速率,提高电池的稳定性和性能,延长了电池的使用寿命。

    技术研发人员:杨国刚,杨晓幸,王皓,盛中华,孙涵
    受保护的技术使用者:大连海事大学
    技术研发日:
    技术公布日:2024/10/24
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