專利名稱：一種陽極負載型氧化釔穩定氧化鋯固體電解質及其制備的制作方法
技術領域：
本發明涉及固體氧化物燃料電池技術，特別提供了一種可用作中溫固體氧化物燃料電池的陽極負載型氧化釔穩定氧化鋯固體電解質及其制備技術，具體地說，第一步先制備出以NiO和氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)復合氧化物多孔陶瓷陽極基底(專利申請號98113759.8)，然后在陽極基底的基礎上制備一層5～20μm的均勻YSZ固體電解質薄膜，經1400℃燒結形成致密的離子導電膜，從而使固體氧化物燃料電池的工作溫度可以在800℃以下進行。
固體氧化物燃料電池是將化學能直接轉化為電能的電化學能量轉換裝置，是八十年代迅速發展起來的新型燃料電池技術，其中平板式固體氧化物燃料電池制備方法是先制備YSZ薄板，然后在YSZ薄板兩面分別印刷多孔陽極、陰極材料而成。由于YSZ導電率較低，而且出于機械強度的要求，SOFC中必須使用較厚的YSZ薄板(＞150μm)，因此固體氧化物燃料電池的工作溫度必須高達900～1000℃，才能有效地降低電池內阻。但如此高的溫度對密封材料及雙極連接材料要求苛刻，材料較難以解決。如果能將固體氧化物燃料電池的工作溫度從900～1000℃降至800℃以下，則密封材料及雙極連接材料方面相對較易解決。降低固體氧化物燃料電池中固體電解質的電阻的途徑之一是制備薄膜型的固體電解質以減少電解質的電阻。
本發明的目的在于提供一種陽極負載型氧化釔穩定氧化鋯固體電解質及其制備技術，這種負載型YSZ固體電解質薄膜，可用于中溫(800℃)SOFC，從而解決高溫SOFC存在的材料問題，使得固體氧化物燃料電池商品化成為可能，并且制備技術簡單，易于實現。
本發明提供了一種陽極負載型氧化釔穩定氧化鋯固體電解質，其特征在于在陽極基膜上負載一層YSZ薄膜；陽極基膜的厚度為0.1～1mm，為以NiO和YSZ復合的多孔陶瓷材料，其中NiO的重量占30～80％，平均孔徑30～60，孔隙率為30～50％；YSZ薄膜的厚度為5～20μm。
本發明中YSZ為常規成份，其中Y2O3占6～10％mol。
本發明還提供了上述陽極負載型氧化釔穩定氧化鋯固體電解質的制備方法，其特征在于依下述步驟進行
a.配制YSZ懸浮溶液，懸浮劑選自乙醇、甲醇、丙醇、異丙醇的有機溶劑，濃度為0.02～0.2kg/ml；b.取YSZ懸浮液均勻地分散在陽極基底上，蒸發干懸浮劑形成YSZ膜；c.在250～1400℃常壓空氣中燒結4～12小時。
本發明的燒結過程最好以下述程式進行，以2～10℃/min速率升溫，各段保溫時間為200～300℃/1～3h，400～500℃/0.5～1.5h，950～1050℃/0.5～1.5h，1350～1450℃/2～6h。
本發明中所使用的陽極基底是按中國專利申請號98113759.8所提供的方法制備的。
下面通過實施例對本發明進一步說明。
實例1YSZ/乙醇懸浮液(0.2g/ml)制備稱取2克商品8％mol YSZ(～1μm)，量取20毫升無水乙醇分別到于50毫升三角燒瓶中，在超聲波儀器中超1小時以上成為懸浮液。懸浮液中的懸浮劑除了乙醇以外，也可以是甲醇、丙醇、異丙醇等溶劑。
實例2YSZ固體電解質薄膜(10μm)制備將直徑為22mm，厚為0.5mm的陽極基底(YSZ∶NiO＝1∶1重量)園片置于水平臺上，用乙醇浸透，待基底圓片表面干后，移取0.15毫升上述YSZ乙醇懸浮液均勻地置于圓片上，乙醇揮發完畢后，置于高溫烘箱中1400℃燒結，以2～10℃/min速率升溫，各段保溫時間是250℃/2h，450℃/1h，1000℃/1h。在1400℃時的保溫時間為2～6小時。
實例3懸浮液濃度對固體電解質薄膜厚度的影響YSZ固體電解質薄膜厚度可以通過各種不同懸浮液的濃度進行調節，表1列舉了三種懸浮液濃度時制備薄膜厚度的情況，從表1中看出YSZ固體電解質薄膜厚度是可以任意調節的。
表1懸浮液濃度對固體電解質薄膜厚度的影響懸浮液濃度 懸浮液量薄膜厚度*(g/ml) (ml)(μm)0.2 0.15 20
0.20.10 130.10.15 100.10.12 80.07 0.15 70.07 0.11 5*根據電子顯微鏡(SEM)分析結果實例4固體氧化物燃料電池性能在YSZ固體電解質薄膜上印刷錳酸鑭陰極材料制成固體氧化物燃料單電池，然后對燃料電池性能進行測試，電池的工作溫度分別為800℃和700℃，以H2、O2為燃料時的性能見表2。
表2固體氧化物燃料電池性能
權利要求
1.一種陽極負載型氧化釔穩定氧化鋯固體電解質，其特征在于在陽極基膜上負載一層YSZ薄膜；陽極基膜的厚度為0.1～1mm，為以NiO和YSZ復合的多孔陶瓷材料，其中NiO的重量占30～80％，平均孔徑30～60，孔隙率為30～50％；YSZ薄膜的厚度為5～20μm。
2.按照權利要求1所述陽極負載型氧化釔穩定氧化鋯固體電解質，其特征在于YSZ中Y2O3占6～10％mol。
3.一種權利要求1所述陽極負載型氧化釔穩定氧化鋯固體電解質的制備方法，其特征在于依下述步驟進行a.配制YSZ懸浮溶液，懸浮劑選自乙醇、甲醇、丙醇、異丙醇的有機溶劑，濃度為0.02～0.2kg/ml；b.取YSZ懸浮液均勻地分散在陽極基底上，蒸發干懸浮劑形成YSZ膜；c.在250～1400℃常壓空氣中燒結4～12小時。
4.按照權利要求3所述陽極負載型氧化釔穩定氧化鋯固體電解質的制備方法，其特征在于在燒結過程中，以2～10℃/min速率升溫，各段保溫時間為200～300℃/1～3h，400～500℃/0.5～1.5h，950～1050℃/0.5～1.5h，1350～1450℃/2～6h。
全文摘要
一種陽極負載型氧化釔穩定氧化鋯固體電解質,其特征在于:在陽極基膜上負載一層YSZ薄膜;陽極基膜的厚度為0.1～1mm,為以NiO和YSZ復合的多孔陶瓷材料,其中NiO的重量占30～80%,平均孔徑30～60A,孔隙率為30～50%;YSZ薄膜的厚度為5～20μm。其制備方法是a.配制YSZ懸浮溶液,濃度為0.02～0.2kg/ml;b.取YSZ懸浮液均勻地分散在陽極基底上,蒸發干懸浮劑形成YSZ膜;c.在250～1400℃常壓空氣中燒結4～12小時。本發明可用于中溫(800℃)SOFC,從而解決高溫SOFC存在的材料問題,使得固體氧化物燃料電池商品化成為可能,并且制備技術簡單,易于實現。
文檔編號H01M8/12GK1271969SQ99112870
公開日2000年11月1日 申請日期1999年4月22日 優先權日1999年4月22日
發明者江義, 董永來, 張義煌, 閆景旺, 盧自桂 申請人:中國科學院大連化學物理研究所