一种半导体薄膜电解质型燃料电池及其制作方法技术

本发明专利技术提供了一种半导体薄膜电解质型燃料电池及其制作方法，结构为阴极层、电解质层、阳极层；其中，阴极层材料为ABO3型钙钛矿氧化物材料或层状含锂氧化物材料，或其与0‑50wt.％掺杂氧化铈的复合材料；电解质层材料为二元氧化物半导体材料；阳极层材料为层状含锂氧化物材料或镍、钴氧化物材料，或其与0‑50wt.％掺杂氧化铈的复合材料。制作步骤为：压制阳极陶瓷片，然后在其一面上制备一层薄膜状电解质层，再压制阴极陶瓷片，再以电解质层贴合将阴极陶瓷片与阳极陶瓷片压制在一起并进行高温烧结，即得到本发明专利技术产品。本发明专利技术电解质薄膜厚度较薄且可调可控，电解质材料成分简单、制备温度低、价格低廉；电池具有操作温度低的特点。

A semiconductor thin film electrolyte fuel cell and its fabrication method

The present invention provides a semiconductor thin film electrolyte fuel cell and its manufacturing method, structure as the cathode layer, an electrolyte layer and the anode layer; the cathode layer is made of ABO3 type perovskite oxide materials or layered lithium oxide material, or with the 0 50wt.% doped ceria composite electrolyte layer material for two yuan; oxide semiconductor materials; anode layer material layered lithium oxide material or nickel and cobalt oxide material, or with the 0 50wt.% doped ceria composite materials. Production steps: pressing ceramic anode, and preparation of a layer in the electrolyte layer on one side, and then pressed cathode ceramic electrolyte layer to the cathode and the anode joint ceramic ceramic plates are pressed together and sintering at high temperature to obtain the product of the invention. The electrolyte film is thin and controllable, and the electrolyte material has simple composition, low preparation temperature and low price. The battery has the characteristics of low operation temperature.

【技术实现步骤摘要】
一种半导体薄膜电解质型燃料电池及其制作方法
本专利技术属于固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种半导体薄膜电解质型燃料电池及其制作方法。
技术介绍
固体氧化物燃料电池是一种具有高转换效率的清洁能源转换装置。固体氧化物燃料电池于1839年专利技术至今，已经经历了170多年的发展历史。传统的固体氧化物燃料电池主要由三层材料构成：阳极、电解质、阴极。其核心部件电解质层主要是钇稳定氧化锆材料。该材料需要在1000℃以上的高温下方可获得0.1S/cm的离子电导率。因此，固体氧化物燃料电池一般需要在较高的操作温度下工作，但是，高温引起的各种问题由此产生。比如，阳极、电解质、阴极三层材料的热膨胀系数的匹配问题，以及密封件和连接件的高温耐受性问题；因此降低固体氧化物燃料电池的操作温度一直都是研究的重点。目前，采用掺杂氧化铈或者质子传导性电解质替代传统的钇稳定氧化锆电解质材料，可以有效降低固体氧化物燃料电池的工作温度。同时，低温下电极材料的催化活性也是影响电池性能输出的关键因素。近年来，有研究表明，将传统固体氧化物燃料电池的电极材料与电解质材料混合，制备得到的燃料电池在低温下具有较高的性能输出。这种电池被称为“无电解质隔膜燃料电池”，也被称为“单部件燃料电池”。该电池中，传导离子的不是对电子绝缘的纯离子导电电解质材料，而是具有电子-离子混合导电性的复合材料。该电池的工作机理至今仍未得到广泛的理解。目前，一种解释是该类型电池中，由于半导体pn结或肖特基结的存在，避免了电池内部的短路。这种电池在低温下具有良好的催化性能和功率输出，是解决固体氧化物燃料电池低温化的重要举措。氧化物半导体是目前广泛研究的功能材料，具有许多优异的性能。氧化物半导体中的缺陷可作为传导离子的重要载体，因此本专利技术涉及的一种半导体电解质型燃料电池，是在单部件电池的科学基础上，以氧化物半导体基材料作为固体氧化物燃料电池的电解质，以期推动固体氧化物燃料电池的低温化。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有固体氧化物燃料电池技术对电解质层的限制，提供一种半导体薄膜电解质型燃料电池，不用对电子绝缘的纯离子导体作为电解质，而用具有半导体导电特性的氧化物薄膜作为电解质层，增加固体氧化物燃料电池对电解质材料的选择范围，降低电池的操作温度。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：1)一种半导体薄膜电解质型燃料电池，它包括依次紧密接触的阴极层(1)、电解质层(2)、阳极层(3)；所述的阴极层(1)材料为ABO3型钙钛矿氧化物材料或层状含锂氧化物LiNixCo1-x-yAlyO2(0≤x≤0.8,0≤y≤0.5,0≤x+y≤1，材料，或其与0-50wt.％掺杂氧化铈的复合材料；所述ABO3型钙钛矿氧化物材料指具有ABO3型钙钛矿结构的氧化物材料，包括MxSr1-xCo0.2Fe0.8O3(M＝La,Ba；x＝0.7,0.6)、La0.7Sr0.3MxMn1-xO3(M＝Cr,Fe；0≤x≤0.2)、Sr2FexMo2-xO6(0≤x≤1.5)等但不限于此。所述的电解质层(2)材料为二氧化钛、氧化锌、三氧化二铝、二氧化铈、三氧化钨等二元氧化物半导体材料；所述的阳极层(3)材料为层状含锂氧化物LiNixCo1-x-yAlyO2(0≤x≤0.8,0≤y≤0.5,0≤x+y≤1材料或镍、钴氧化物材料，或其与0-50wt.％掺杂氧化铈的复合材料。2)一种半导体薄膜电解质型燃料电池的制备方法，其特征在于具体制作步骤如下：(a)将粉末状的阳极材料压制成100-1500微米厚的陶瓷片；(b)在上述获得的阳极陶瓷片上制备一层50-2000纳米厚的薄膜状电解质层；(c)将粉末状的阴极材料以泡沫镍为支撑压制成50-1000微米厚的陶瓷片；(d)将上述阴极陶瓷片的阴极材料所在的面与阳极陶瓷片上的电解质层压制在一起，于450—650℃进行高温烧结，得到半导体薄膜电解质型燃料电池。上述步骤(b)所述薄膜状电解质可以通过流延法、浆料涂覆法、溶胶凝胶法、磁控溅射法、原子层沉积法等方法获得。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本专利技术提供了一种全新的燃料电池电解质材料选择方法和构建燃料电池的思路；选用半导体氧化物作为电解质材料，可以从半导体能带结构的角度，避免电池内部发生短路；选用二元半导体氧化物作为电解质，大大简化了材料的成分和材料制备工艺，降低制作成本；选用薄膜状的电解质层，可以有效降低电解质层的欧姆电阻，降低电池操作温度。本专利技术提供的一种半导体薄膜电解质型燃料电池的电解质薄膜厚度较薄且可调可控，电解质材料成分简单、制备温度低、价格低廉；电池具有操作温度低的特点。附图说明图1是一种半导体薄膜电解质型燃料电池的结构示意图；图2是阳极陶瓷片上采用浆料涂覆法获得的二氧化钛薄膜的微观表面；图3是一种半导体薄膜电解质型燃料电池的微观截面；图4是使用LiNi0.8Co0.15Al0.05O2作为阴极材料和阳极材料、二氧化钛作为电解质材料的燃料电池在550摄氏度时的电化学性能曲线。具体实施方式实施例1：将粉末状的阳极材料LiNi0.8Co0.2O2(此处Aly，y＝0)压制成1500微米厚的陶瓷片；然后，在上述获得的阳极陶瓷片上利用磁控溅射法制备一层500纳米厚的薄膜状氧化铈电解质层；接着，将粉末状的阴极材料La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3以泡沫镍为支撑压制成500微米厚的陶瓷片；最后，将上述阴极陶瓷片的阴极材料所在的面与阳极陶瓷片上的电解质层压制在一起于500摄氏度下进行高温烧结，得到半导体薄膜电解质型燃料电池。实施例2：将粉末状的阳极材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2压制成100微米厚的陶瓷片；然后，在上述获得的阳极陶瓷片上利用溶胶凝胶法制备一层50纳米厚的薄膜状二氧化钛电解质层；接着，将粉末状的阴极材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2以泡沫镍为支撑压制成1000微米厚的陶瓷片；最后，将上述阴极陶瓷片的阴极材料所在的面与阳极陶瓷片上的电解质层压制在一起于650摄氏度下进行高温烧结，得到半导体薄膜电解质型燃料电池。实施例3：将粉末状的阳极材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2与重量比为50wt.％的钐掺杂氧化铈混合并压制成800微米厚的陶瓷片；然后，在上述获得的阳极陶瓷片上利用流延法制备一层2000纳米厚的薄膜状氧化锌电解质层；接着，将粉末状的阴极材料LiNi0.8Co0.15Al0.05O2与重量比为50wt.％的钐掺杂氧化铈混合并以泡沫镍为支撑压制成50微米厚的陶瓷片；最后，将上述阴极陶瓷片的阴极材料所在的面与阳极陶瓷片上的电解质层压制在一起于600摄氏度下进行高温烧结，得到半导体薄膜电解质型燃料电池。实施例4：将粉末状的阳极材料NiO2压制成1000微米厚的陶瓷片；然后，在上述获得的阳极陶瓷片上利用原子层沉积法制备一层100纳米厚的薄膜状三氧化二铝电解质层；接着，将粉末状的阴极材料LiCoO2与重量比为20wt.％的钐掺杂氧化铈混合并以泡沫镍为支撑压制成800微米厚的陶瓷片；最后，将上述阴极陶瓷片的阴极材料所在的面与阳极陶瓷片上的电解质层压制在一起于450摄氏度下进行高温烧结，得到半导体薄膜电解质型燃料电池。实施例5：将粉末状的阳极材料LiCo0.5Al0.5O2与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体薄膜电解质型燃料电池，它包括依次紧密接触的阴极层(1)、电解质层(2)、阳极层(3)，其特征在于：所述的阴极层(1)材料为ABO3型钙钛矿氧化物材料或层状含锂氧化物LiNixCo1‑x‑yAlyO2材料，0≤x≤0.8,0≤y≤0.5,0≤x+y≤1，或其与0‑50wt.％掺杂氧化铈的复合材料；所述ABO3型钙钛矿氧化物材料指具有ABO3型钙钛矿结构的氧化物材料MxSr1‑xCo0.2Fe0.8O3，M＝La,Ba，x＝0.7,0.6；或者是La0.7Sr0.3MxMn1‑xO3，M＝Cr,Fe，0≤x≤0.2；或者是Sr2FexMo2‑xO6，0≤x≤1.5；所述的电解质层(2)材料为二氧化钛、氧化锌、三氧化二铝、二氧化铈、三氧化钨二元氧化物半导体材料；所述的阳极层(3)材料为层状含锂氧化物LiNixCo1‑x‑yAlyO2，0≤x≤0.8,0≤y≤0.5,0≤x+y≤1材料或镍、钴氧化物材料，或其与0‑50wt.％掺杂氧化铈的复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种半导体薄膜电解质型燃料电池，它包括依次紧密接触的阴极层(1)、电解质层(2)、阳极层(3)，其特征在于：所述的阴极层(1)材料为ABO3型钙钛矿氧化物材料或层状含锂氧化物LiNixCo1-x-yAlyO2材料，0≤x≤0.8,0≤y≤0.5,0≤x+y≤1，或其与0-50wt.％掺杂氧化铈的复合材料；所述ABO3型钙钛矿氧化物材料指具有ABO3型钙钛矿结构的氧化物材料MxSr1-xCo0.2Fe0.8O3，M＝La,Ba，x＝0.7,0.6；或者是La0.7Sr0.3MxMn1-xO3，M＝Cr,Fe，0≤x≤0.2；或者是Sr2FexMo2-xO6，0≤x≤1.5；所述的电解质层(2)材料为二氧化钛、氧化锌、三氧化二铝、二氧化铈、三氧化钨二元氧化物半导体材料；所述的阳极层(3)材料为层状含锂氧化物LiNixCo1-x-yAlyO2，0≤x≤0....

【专利技术属性】
技术研发人员：董文静，朱斌，童雨竹，朱晶，冯楚，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42