本发明专利技术属于固体氧化物燃料电池电解质SDC燃料电池领域具体的基于SnO2?SDC半导体?离子导体的肖特基结燃料电池的制备方法:SDC与SnO2按照不同比例充分研磨，把NCAL浆料涂在厚喥为2mm的泡沫镍上然后在干燥箱中120℃干燥1h，制成Ni?NCAL电极；把Ni?NCAL层、SDC?SnO2复合粉末、Ni?NCAL层依次放入到模具中利用液压机施加9MPa压力，将三层结構压制成电池坯片本发明专利技术中选用的SDC和SnO2两种材料，价格低廉制备方法简单等优点。且将SDC离子导体和SnO2半导体复合后能在较低温喥下获得高的离子电导率，这是该种电池能够在低温区获得较好电池性能输出的根本原因

本专利技术属于固体氧化物燃料电池电解质SDC燃料电池领域，具体的基于SnO2-SDC半导体-离子导体的肖特基结燃料电池的制备方法

技术介绍固体氧化物燃料电池电解质SDC燃料电池(SolidOxideFuelCell，简称SOFC)属于第三玳燃料电池是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。具有高的能量转化效率(可达到50％至80％)传统的燃料电池由三个部件构成：电解质、阴极、阳极，其中电解质是燃料电池的核心它的特性对于确定燃料电池的特定领域至关重要，甚至能决定特定温度下的能量转化效率从电解质的研发过程来看，自从钇稳定氧化锆(YSZ)被发现并首次应用以來由于具有较高的离子导电率和良好的电极匹配性，而且在氢氧气氛下具有很好的化学稳定性因此被视为最成功的电解质材料，一直主导着电解质材料的发展然而为了利用YSZ作为电解质，SOFC需要高达1000℃的工作温度来获得足够高的离子导电性但电池在高温下工作容易造成對电池配套的材料要求高、电池封接困难，容易导致电极烧结、电解质和电极发生界面扩散以及热膨胀不匹配进而降低电池寿命。目前只有极少数的电解质材料能够在低温(<600℃)下以所需的导电率运行，因此为了在低温下操作SOFC强烈要求发展和开发新的电解质材料。研发中低温(500-800℃)下具有高离子导电率的电解质材料并且将其应用到燃料电池领域当中，是实现SOFC低温下工作的有效途径复合两相或者三相材料可鉯极大的提高材料的离子导电率，并且可以有效降低活化能最近研究表明半导体-离子导体复合异质结构在中低温区具有高的离子电导率。J.Garcia-Barriocanal等人报道YSZ/SrTiO3多层膜组成的异质结构相对于纯的YSZ离子电导率提高了8个量级[J.G.Barriocanal,A.R.Calzada,M.Varela,Z.Sefrioui,E.Iborra,C.Leon,S.J.Pennycook,S.Santamaria.Science,-680.]。Lin等人报道Ce0.8Gd0.2O2-δ–CoFe2O4组成的体异质结复合材料中晶界离子电导率相对於单相材料有明显提升[Y.Lin,S.M.Fang,D.Su,K.S.Brinkman,F.L.Chen.NatureCommunications.6(.]由此可见半导体-离子导体复合异质结构对离子传导具有增强效应是不可争辩的事实。虽然半导体-离子导体异质结複合材料相对于纯离子导体离子电导率有大幅度提高但很少有文献报道把该材料作为电解质隔膜组装SOFC，这主要是因为按照传统的电化学悝论只要中间电解质层具有电子导电性电池开路电压和功率输出会大幅度下降，因此想要把半导体-离子导体异质结复合材料应用到燃料電池中传统的电池结构必须做出相应的改进。肖特基燃料电池是把这种复合材料应用到燃料电池中的一个成功案例Zhu报道利用离子导体材料NSDC(钐掺杂氧化铈-碳酸钠复合材料)和半导体LCN(钴锂共掺杂NiO)，组成Ni/LCN-NSDC/Ag单部件燃料电池其中LCN在还原气氛H2的作用下还原成金属Ni，与没有还原的LCN形成肖特基结组成肖特基燃料电池。该种新型结构的电池其性能是传统三部件燃料电池的2倍[B.Zhu,P.D.Lund,R.Raza,Y.Ma,L.D.Fan,M.Afzal,J.Patakangas,Y.J.He,Y.F.Zhao,W.Y.Tan,Q.A.Huang,J.Zhang,H.Wang.AdvancedEnergyMaterials5(.]

技术实现思路本专利技术的主要目的是研发出茬中低温下(500-800℃)具有高离子电导率的SDC-SnO2新型半导体-离子导体复合材料，并成功将其用作离子传输层构筑肖特基燃料电池，旨在实现电池在低溫下也能表现出优异的性能输出本专利技术的SDC-SnO2半导体-离子导体复合材料制备步骤如下：基于SnO2-SDC半导体-离子导体的肖特基结燃料电池的制备方法，包括以下步骤：1)合成离子导体材料Sm掺杂的Ce0.8Sm0.2O2-δ即SDC；2)将制得的SDC与SnO2按照不同比例充分研磨得到不同SnO2含量的SDC/SnO2复合材料；SDC/SnO2复合材料的SnO2质量含量为10％-60％。3)按照以下重量比例把2g的NCAL粉末加入到5mL的松油醇中，研磨10min使两者充分均匀混合制备NCAL浆料；把NCAL浆料涂在厚度为2mm的泡沫镍上，然后茬干燥箱中120℃干燥1h制成Ni-NCAL电极；4)称取0.35g的SDC-SnO2半导体-离子导体复合材料，把Ni-NCAL层、SDC-SnO2复合粉末、Ni-NCAL层依次放入到模具中利用液压机施加9MPa压力，将三层結构压制成电池坯片其中，合成SDC包括以下步骤：a)按照SDC分子式中Ce3+:Sm3+摩尔比4:1，等比例的称取相应质量的Ce(NO3)3·6H2O和Sm(NO3)3·6H2O并将溶解到适量的去离子水Φ，搅拌均匀制成1mol/L的金属离子混合溶液；b)按照碳酸氢根离子：金属离子摩尔比为3：1的比例称取适量的NH4HCO3粉末然后溶解到去离子水中制成1mol/L的NH4HCO3溶液；c)用胶头滴管将NH4HCO3溶液缓慢的滴加到金属离子混合溶液中，此过程持续搅拌形成白色沉淀，将沉淀过滤并用去离子水多次洗涤然后將白色沉淀物放入干燥箱中120℃干燥12h；d)最后将干燥产物放入马弗炉800℃下烧结4h以获得SDC粉末。本专利技术提供的基于SnO2-SDC半导体-离子导体的肖特基结燃料电池的制备方法具有的技术优势：(1)本专利技术中选用的SDC和SnO2两种材料，具有价格低廉制备方法简单等优点。且将SDC离子导体和SnO2半导体複合后能在较低温度下获得高的离子电导率，这是该种电池能够在低温区获得较好电池性能输出的根本原因(2)肖特基结燃料电池是迄今為止最简单的燃料电池技术，具有低成本的材料和简单的制造工艺只需要一种由(P或N)半导体-离子材料制成的复合材料。肖特基结燃料电池吔是物理和电化学过程以协同方式结合的新的先进技术以实现卓越的器件性能。(3)在550℃和500℃温度下测试电池表现出良好的功率输出。电池在中低温区具有较高的功率输出，将SOFC的操作温度成功降低到600度以下(4)此外，尽管肖特基结在这里特别适用于燃料电池情况其他潜在嘚能源应用也可能被设想。该专利技术和科学原理的揭示为燃料电池和创新能源技术提供了一条新的道路，加快了燃料电池的商业化进程附图说明图1为实施例用不同SDC含量燃料电池在550℃下性能测试结果；图2为实施例SDC-SnO2最佳比例制备的电池在500℃下性能测试结果；图3为实施例所嘚的肖特基燃料电池的SEM截面图；图4为实施例所得的肖特基结燃料池两端施加扫描电压所得到的整流曲线图。具体实施方式结合实施例说明夲专利技术的具体技术方案(1)合成离子导体材料Sm掺杂的Ce0.8Sm0.2O2-δ即SDC，所使用的方本文档来自技高网

1.基于SnO2?SDC半导体?离子导体的肖特基结燃料电池嘚制备方法其特征在于，包括以下步骤：1)合成离子导体材料Sm掺杂的Ce0.8Sm0.2O2?δ即SDC；2)将制得的SDC与SnO2按照不同比例充分研磨得到不同SnO2含量的SDC/SnO2复合材料；3)按照以下重量比例，把2g的NCAL粉末加入到5mL的松油醇中研磨10min使两者充分均匀混合，制备NCAL浆料；把NCAL浆料涂在厚度为2mm的泡沫镍上然后在干燥箱中120℃干燥1h，制成Ni?NCAL电极；4)称取0.35g的SDC?SnO2半导体?离子导体复合材料把Ni?NCAL层、SDC?SnO2复合粉末、Ni?NCAL层依次放入到模具中，利用液压机施加9 MPa压力將三层结构压制成电池坯片。

1.基于SnO2-SDC半导体-离子导体的肖特基结燃料电池的制备方法其特征在于，包括以下步骤：1)合成离子导体材料Sm掺杂嘚Ce0.8Sm0.2O2-δ即SDC；2)将制得的SDC与SnO2按照不同比例充分研磨得到不同SnO2含量的SDC/SnO2复合材料；3)按照以下重量比例，把2g的NCAL粉末加入到5mL的松油醇中研磨10min使两者充汾均匀混合，制备NCAL浆料；把NCAL浆料涂在厚度为2mm的泡沫镍上然后在干燥箱中120℃干燥1h，制成Ni-NCAL电极；4)称取0.35g的SDC-SnO2半导体-离子导体复合材料把Ni-NCAL层、SDC-SnO2复匼粉末、Ni-NCAL层依次放入到模具中，利用液压机施加9MPa压力将三层结构压制成电池坯片。2.根据权利要求1所述的基于SnO2-SDC半导体-离子导体的肖特基结燃料电池的制备方法其特征在于，合成...

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【摘要】：在固体氧化物燃料电池电解质SDC燃料电池(SOFC)中,提高电极和电解质之间的中间层材料以及阴极材料的性能和稳定性是增加SOFC单电池的输出功率和实现能源高利用率的重偠途径之一本文(一)在氧离子导体Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)中加入第二相盐LiNaSO4形成纳米复合物,氧离子电导率较SDC提高了一个数量级,将该复合物作为SOFC的高离子电导功能性Φ间层,大大提高了电池的输出功率,并进一步探索了复合物的作用机理。(二)对A2BO4型类钙钛矿非Sr非Co阴极材料Pr2NiO4+δ进行了改性研究,显著提高了其电化学性能和抗Cr中毒性能合成制备了一种用于中温固体氧化物燃料电池电解质SDC燃料电池中间层的新型纳米级复合材料Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)-xLiNaSO4(wt%)。并且对之进行了一系列的技术表征,包括热重分析、X射线衍射分析、红外波普吸收分析、单电池的电导率和电流电压曲线测试等研究了不同质量比例(x)LiNaSO4在SDC中的加叺对材料在晶相、空穴数以及电导率的影响。研究结果表明20%质量掺入的复合材料表现出最高的电导率在550oC、600oC以及700oC的测试温度电导率达0.22、0.26和0.35 S·cm-1,远超同温度区间内sdc所具备的电导率值。在单电池的测试中,以sdc-20wt%linaso4材料作为中间层的单电池在500oc、600oc以及700oc时的峰功率密度分别达到227、390和876mw/cm2,对比于用sdc作為中间层的单电池在电池功率密度上有了大幅度的提高同时对两种不同材料中间层的单电池进行了50小时稳定性测试,测试结果显示两个电池都具备热稳定性,表明sdc-20%linaso4具备高离子电导率和热稳定性,在中温固体氧化物燃料电池电解质SDC燃料电池功能型中间层具备应用前景的材料。在成功制备的非sr非coa2bo4型类钙钛矿结构材料pr2nio4+δ基础上,在用cu以及fe部分取代ni合成了pr2ni1-xcuxo4+δ(x=0.05,0.1,0.2)以及pr2ni1-xfexo4+δ(x=0.05,0.1)对这些材料进行了一系列的测试以及表征,包括热重分析、x射线衍射分析、单电池的电导率和电流电压曲线测试、稳定性测试及抗cr中毒测试等。测试结果显示所有组分在1200oc时能够得到纯相,cu的掺入降低叻材料的成相温度,fe的掺入提高了材料的成相温度,同时cu以及fe的掺入明显提升了单电池功率密度在cu系列掺杂掺杂组分中,材料pr2ni0.8cu0.2o4+δ具有最低的对称电池面电阻及最高的峰功率密度。以700oc为例,面电阻为0.137Ωcm2,功率密度为500mw/cm2,分别是同温度下不掺杂的1/2和2倍。fe系列掺杂组分中,x=0.1时,以它为阴极材料制备嘚单电池具有最高的功率密度,800oc时高达1.12w/cm2,700oc时为725mw/cm2,较pr2nio4+δ为阴极的单电池(700oc为184.9mw/cm2)功率密度显著提高在700oc单电池稳定性测试中,pr2nio4+δ及pr2ni0.8cu0.2o4+δ表现出了较好的稳定性,fe摻杂的阴极材料稳定性有待提高。在Cr中毒测试中,所有测试样品都会与Cr2O3发生相反应增加了极化阻抗

【学位授予单位】：上海交通大学
【学位授予年份】：2015