[发明专利]一种基于p-n异质结双层电解质的固体氧化物燃料电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于p‑n异质结双层电解质的固体氧化物燃料电池及其制备方法，制备方法包括如下步骤：按照自上而下或者自下而上的顺序将电极片、n型半导体材料、p型半导体材料、电极片平铺堆叠，通过干压法得到所述固体氧化物燃料电池；其中，n型半导体材料为ZnO粉末；p型半导体材料为CuFeO₂粉末。本发明以P型半导体铜铁矿(CuFeO₂)与宽带隙n型半导体氧化锌(ZnO)制备了分层复合的双层电解质，在其复合区域界面上构建异质结，有效促进离子传导，使得电导率明显提升，其制得的燃料电池在低温下表现出良好的性能。

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于p-n异质结双层电解质的固体氧化物燃料电池及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将储存在燃料中的化学能转化为电能的电化学装置，具有高效、环保、燃料灵活性强等优点。目前，由于较高的运行温度，SOFC仍面临着商业化的挑战。比如，钇稳定氧化锆(YSZ)因为具有较高的离子电导率(0.1S/cm)，而被广泛应用为高温电解质材料(650℃～1000℃工作温度)。但由于SOFC较高的操作温度(800℃)会引发电池热膨胀系数不匹配，导致设备发生启动或关闭缓慢、燃料电池性能下降速度过快等问题，YSZ还未能在SOFC中实现大规模商业应用。因此，降低燃料电池的操作温度是实现SOFC商业化的关键。

开发在低温下具有高离子电导率的新型电解质材料是降低SOFC工作温度的重要策略。最近的研究发现天然矿石在低温SOFC中具有优异的性能。例如，铜铁矿(CuFeO₂)由于其高稳定性和空穴导电性，在降低燃料电池工作温度方面具有更大的优势。另外，大量研究表明半导体及其异质结构复合材料在低温下比传统的离子电解质具有更多的优势。例如，使用典型的质子电解质BaCe_0.7Zr_0.1Y_0.1Yb_0.1O_3-δ(BCZYY)和三重电荷(H⁺/O^2-/e^-)导电阴极BaCo_0.4Fe_0.4Zr_0.1Y_0.1O_3-δ(BCFZY)的SOFC在500℃低温下输出功率为445mWcm^-2，但BCFZY在与氧化锌(ZnO)形成p-n异质结构时，表现出更高离子电导率。所以，结合上述两种方法开发基于天然矿物的SOFC，构建基于p-n结异质结构的半导体电解质有望于开发出低温下具有高离子电导率的新型电解质材料，从而设计出低温固体氧化物燃料电池。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于p-n异质结双层电解质的固体氧化物燃料电池及其制备方法。本发明将p型半导体CuFeO₂与宽带隙n型半导体ZnO结合，制备了分层复合的双层电解质，在其复合区域界面上构建异质结，得到了p-n异质结双层电解质固体氧化物燃料电池，这种电池在低温下可以表现出良好的性能。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一方面，本发明提供一种基于p-n异质结双层电解质的固体氧化物燃料电池的制备方法，包括如下步骤：

按照自上而下或者自下而上的顺序将电极片、n型半导体材料、p型半导体材料、电极片平铺堆叠，通过干压法得到所述固体氧化物燃料电池；

其中，所述n型半导体材料为ZnO粉末；所述p型半导体材料为CuFeO₂粉末。

作为优选地实施方式，所述n型半导体材料与p型半导体材料的质量比为ZnO：CuFeO₂＝(5～8)：(2～5)，优选为ZnO：CuFeO₂＝7：3；

优选地，所述ZnO粉末的粒径为0.6～1.0微米，优选为0.8微米；