基于半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)的固體氧化物燃料電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，尤其是涉及一種P-η結(jié)固體氧化物燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)最有希望的清潔能源技術(shù)之一。通常燃料電池被劃分為5類:質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、磷酸燃料電池和堿性燃料電池。但實(shí)際上，目前研究的重點(diǎn)主要集中在質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池上。質(zhì)子交換膜燃料電池具有工作溫度低、維護(hù)方便、啟動速度快等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)有很多成功的示范項(xiàng)目，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到商業(yè)化應(yīng)用的要求。首先，貴金屬鉑的使用一方面造成產(chǎn)品價格居高不下，另一方面對氫氣純度有極高要求，因?yàn)闃O其微量的雜質(zhì)氣體都可以造成催化劑中毒，從而使電池失效;其次，低溫運(yùn)行使得生成的產(chǎn)物為液態(tài)水，容易造成氣路栓塞等問題，所以質(zhì)子膜燃料電池需要很好地設(shè)計水管理、熱管理等，從而使得系統(tǒng)復(fù)雜。不能直接使用化石燃?xì)?，也是質(zhì)子交換膜燃料電池的一個很大的缺陷。固體氧化物燃料電池相比來說，有很多優(yōu)點(diǎn):1.高溫運(yùn)行保證了足夠迅速的動力學(xué)過程，從而可以不使用貴金屬作為催化劑;2.產(chǎn)物為氣態(tài)物質(zhì)，容易排出電池堆，不會造成氣路堵塞;3.可以適應(yīng)各種燃料;4.可以進(jìn)行熱電聯(lián)供，極大地提高燃料利用效率。
[0003]雖然固體氧化物燃料電池具備很多優(yōu)點(diǎn)，但是其本身的一些缺點(diǎn)使得它難以進(jìn)入實(shí)用化階段。通常固體氧化物燃料電池都是三層結(jié)構(gòu):陰極、陽極和電解質(zhì)。這種結(jié)構(gòu)雖然保證了燃料電池能夠?qū)崿F(xiàn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)換，但是結(jié)構(gòu)上有一些先天缺陷。三層結(jié)構(gòu)使得燃料電池在制備上工藝復(fù)雜，帶來比較高的工藝成本;三層結(jié)構(gòu)必然包含兩個界面:電解質(zhì)陽極界面和電解質(zhì)陰極界面，這兩個界面會造成很大的電氣界面輸運(yùn)損耗，造成燃料電池功率和效率損耗;界面之間彼此會擴(kuò)散甚至反應(yīng)，從而直接影響到電池的運(yùn)行壽命；中間層電解質(zhì)會帶來很大的歐姆損耗，這也是固體氧化物燃料電池需要在高溫下操作的主要原因。電解質(zhì)只有在足夠高的溫度下才能有很好的離子導(dǎo)電率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主要目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種全新的固體氧化物燃料電池構(gòu)型。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]—種基于半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)的固體氧化物燃料電池，其結(jié)構(gòu)包括陰極和陽極以及位于陰極外側(cè)的陰極集流體和位于陽極外側(cè)的陽極集流體，其特征在于，所述的陰極是具有η型半導(dǎo)體特性的質(zhì)子/氧離子導(dǎo)體材料，所述的陽極是具有P型半導(dǎo)體特性的質(zhì)子/氧離子導(dǎo)體材料，在陰極和陽極的界面處，有陰極和陽極共同形成的載流子耗盡層。
[0007]本發(fā)明的一種基于半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)的固體氧化物燃料電池中，所述的陰極優(yōu)選1130.206().4021(記為了00和氧化鈷按摩爾比為1:0.02構(gòu)成的二元復(fù)合材料(記為了00+(:0);所述的陽極優(yōu)選鋰電池正極材料LiNiQ.8COQ.15Al().()502-y(記為LNCA)或氫分離膜陶瓷材料BaZr0.3Ce0.6Y().1Zn().()503-z，其中x、y、z是非化學(xué)計量數(shù)，x、y、z均大于-1且小于I。
[0008]本發(fā)明的一種基于半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)的固體氧化物燃料電池中，所述的陽極集流體優(yōu)選泡沫鎳或泡沫銅，所述的陰極集流體也優(yōu)選泡沫鎳或泡沫銅。
[0009]本發(fā)明的一種基于半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)的固體氧化物燃料電池中，為了獲得更好的性能，在陰極和陰極集流體之間或/和在陽極和陽極集流體之間，還有修飾層，所述的修飾層是多孔結(jié)構(gòu)的與對應(yīng)的陰極或陽極相同的材料。
[0010]本發(fā)明一種基于半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)的固體氧化物燃料電池的制備方法，有以下步驟:[0011 ] I)稱取0.2gTDC+Co，再稱取0.2g LNCA或者BaZr0.3Ce0.6Υο.ιΖηο.05O3-Z；
[0012]2)準(zhǔn)備兩塊直徑12.8毫米厚度Imm的泡沫鎳或泡沫銅圓片；
[0013]3)按泡沫鎳或泡沫銅圓片、TDC+Co、LNCA或者BaZr0.3Ce0.eY0.1Zn0.Q5O3-z、泡沫鎳或泡沫銅圓片的順序把它們依次填放到直徑13mm的不銹鋼模具中，保證樣品鋪撒均勻；
[0014]4)在200_300MPa的壓強(qiáng)下干壓成型，得到一個成品燃料電池；
[0015]所述的TDC+Co是TbtL2Ce0.4θ2-χ和氧化鈷按摩爾比為1:0.02構(gòu)成的二元復(fù)合材料，所述的LNCA是鋰電池正極材料LiNiQ.8CoQ.15Al().()502一y。
[0016]所述的TDC+Co可以用常用的共沉淀法或者溶膠凝膠法制備，具體可參見文獻(xiàn)Balaguer,M.a.,C.Solis,and J.M.Serra,Study of the Transport Properties of theMixed 1nic ElectronicConductor Ce1-xTbx02-5+Co(x = 0.1,0.2)and Evaluat1n AsOxygen-Transport Membrane.Chemistry of Materials,2011.23(9):p.2333-2343.
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的明顯優(yōu)勢是:
[0018]1、本發(fā)明的雙層燃料電池省去了固體電解質(zhì)層，從而把電解質(zhì)造成的歐姆損耗降到零。
[0019]2、本發(fā)明把傳統(tǒng)燃料電池的兩個界面減少到一個界面，從而降低了界面輸運(yùn)損耗。
[0020]3、本發(fā)明的雙層結(jié)構(gòu)極大地簡化了制備工藝從而降低生產(chǎn)成本。
[0021]4、本發(fā)明采用商業(yè)化鋰電池材料，在材料方面具備商業(yè)化前景，同時巧妙地利用了商業(yè)化鋰電池材料內(nèi)過渡金屬氧化物的催化活性和其層狀結(jié)構(gòu)的離子輸運(yùn)特性，使得電池的操作溫度得以減低到600攝氏度以下。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的基于半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)的固體氧化物燃料電池的電鏡截面圖；
[0023]圖2為本發(fā)明的基于半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)的固體氧化物燃料電池的輸出特性曲線；
[0024]圖3為本發(fā)明的基于半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)的固體氧化物燃料電池的結(jié)特性測試(整流曲線)；
[0025]圖4為本發(fā)明的基于半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)的固體氧化物燃料電池的工作原理圖；
[0026]圖5為本發(fā)明的基于半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)的固體氧化物燃料電池采用修飾層結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖6為本發(fā)明的基于半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)的固體氧化物燃料電池的等效電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]本發(fā)明的特征及優(yōu)點(diǎn)將通過實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明ο
[0029]實(shí)施例1燃料電池的制備
[0030]以采用TDC+Co和LNCA為例來說明本電池的制備方法。
[0031]稱取0.2g TDC+Co樣品和0.2g LNCA;準(zhǔn)備兩塊直徑12.8毫米厚度Imm的泡沫鎳圓片；按泡沫鎳圓片、TDC+Co樣品、LNCA、泡沫鎳圓片的順序把它們依次填放到直徑13mm的不銹鋼模具中，保證樣品鋪撒均勻;在200-300MPa的壓強(qiáng)下干壓成型，即可得到一個成品燃料電池。
[0032]請參考圖1，圖1中是本發(fā)明基于半導(dǎo)體結(jié)效應(yīng)的固體氧化物燃料電池的截面電鏡圖，圖中可以清晰地看到電池由兩層構(gòu)成，疏松的一層(即左邊)為LNCA層，而致密的一層為TDC+Co層，兩層之間界面清晰。兩層