[发明专利]一种A缺位型钙钛矿结构固体氧化物燃料电池阴极材料

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池阴极材料，具体地说就是一种A缺位型、B位高价离子掺杂的钙钛矿结构的固体氧化物燃料电池阴极材料及包含该阴极材料的阴极和固体氧化物燃料电池。

背景技术

传统固体氧化物燃料电池(SOFC)的性能主要受阴极的氧还原过程限制。特别是在H₂作燃料的阳极支撑电池里，电解质和阳极的电阻相对很小，阴极极化较大。ABO₃型(A＝Ln(La系元素)，Ca，Sr，Ba；B＝Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Ga，In)钙钛矿材料具有混合电导性能，可以用作SOFC阴极。Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ(BSCF)在低温下具有高的性能(Nature，2004.431(7005)：p.170-173；)，但是这种材料在CO₂中稳定性差(Applied Catalysis B：Environmental，2006.66：p.64-71；Applied Catalysis B：Environmental，2007.76：p.320-327.)。A位大离子半径粒子取代可以提高钙钛矿的自由体积，大的自由体积可以提供宽的氧离子通道，从而提高体相氧离子电导率，由于Ba的离子半径大于Sr，用Ba部分或全部取代A位Sr可以提高BSCF的比自由体积，提高氧离子电导率。为了提高BaCoO₃基钙钛矿材料的结构稳定性，可以在B位适当掺杂一些其他元素。Nagai等(Solid State Ionics，2007.178：p.3433-3444)发现使用Nb在B位掺杂Co基钙钛矿氧化物，有效提高了相稳定性。Ba(Co_1-x-yFe_xM_y)O_3-δ作为一种阴极材料，表现出高的氧还原催化活性。通常A缺位的阴极要比不缺位的阴极具有更低的热膨胀系数和电子电导率，而降低的电子电导率主要用于产生额外的氧空位，促进氧离子向体相扩散。

发明内容

本发明中，申请人以传统Ba系ABO₃阴极材料作为新阴极开发的基础，通过在B位掺杂高价过渡金属元素同时再调整A位Ba含量，获得一种新型的固体氧化物燃料电池的阴极材料。通过大量实验，本发明人发现，在B位掺杂高价过渡金属元素Zr、V、Nb、Ti、W、Mo、Ta、Hf可以提高阴极的稳定性，而调整A位Ba含量可以提高BCFM阴极材料的氧还原活性，降低阴极极化。

在本发明中，提供以下技术方案为：

阴极材料：阴极材料的组成为Ba_1-z(Co_1-x-yFe_xM_y)O_3-δ(x＝0-0.9，y＝0.1-0.5，z＝0.01-0.3)(在本发明中也简写为BCFM)，其中M为Zr、V、Nb、Ti、W、Mo、Ta、Hf等+4价和+5价高价金属元素，优选+5价金属元素，例如Nb、V、W等；阴极材料可以采用固相合成法、水热合成法、燃烧合成法、溶胶凝胶法等方法制备。

在本发明中，可以由BCFM材料单独构成SOFC阴极；该BCFM材料具有离子和电子混合电导(MIEC)，可以同时催化和传导氧离子、运输电子，A位缺位可以提高材料的氧空位浓度，即氧催化能力，B位掺杂M高价元素，可以稳定材料结构，提高材料稳定性。