[发明专利]一种固体氧化物燃料电池的梯度复合阴极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池的阴极，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池的LNF梯度复合阴极，本发明还涉及这种固体氧化物燃料电池LNF梯度复合阴极的制备方法。

背景技术

目前，在固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)的发展过程中，人们越来越认识到降低电池工作温度的重要性。若能将电池工作温度降低到中温(700～800℃)，则能提高电极的稳定性，减小热应力，延长电池寿命，还可使用廉价的金属合金作为电池的双极板材料。但是，随着电池工作温度的降低，传统电解质氧化钇稳定的氧化锆(yttria stabilized zirconia，YSZ)的离子电导率和电极的催化活性迅速降低，从而导致电池的性能迅速下降。减小电解质的厚度或者采用中低温下具有较高离子电导率的材料如氧化钪稳定的氧化锆(scandia stabilized zirconia，ScSZ)、氧化钆掺杂的氧化铈(gadolinium oxide-doped ceria，GDC)、氧化钐掺杂的氧化铈(samarium oxide-doped ceria，SDC)以及具有氧空位结构的钙钛矿化合物(LSGM)等，可以解决中低温下电解质电阻增大的问题。传统的钙钛矿型锶掺杂的锰酸镧(La，Sr)MnO₃(LSM)是目前所知与YSZ匹配性最好的阴极材料，在1000℃左右的高温下，LSM具有较高的电子电导和催化活性及良好的化学稳定性。这些优点使LSM成为目前应用程度最高的阴极材料。但是，作为阴极的LSM材料的催化活性会随温度降低而迅速下降，因而增大了阴极上电化学活化极化过电位，从而降低了电池的输出性能。因此，解决阴极材料在中低温下性能较差的途径之一就是寻找在中低温下具有较高催化活性的其它阴极材料。

经文献检索发现，Reiichi Chiba等人发表《An investigation of LaNi_l-xFe_xO₃ as a cathode material for solid oxide fuel cells》(固体氧化物燃料电池阴极材料LaNi_l-xFe_x0₃的研究)一文，见《Solid State Ionics》(固态离子学)124(3-4)(1999)281-288。该文介绍：作为一种钙钛矿型氧化物，铁参杂的镍酸镧LaNi_0.6Fe_0.4O₃(LNF)属斜方晶系，800℃的电导率为580 S/cm，是传统阴极材料La_0.8Sr_0.2MnO₃(180 S/cm)的三倍。LNF从室温到1000℃的热膨胀系数(TEC)为11.4×10^-6K^-1，比传统阴极材料La_0.8Sr_0.2MnO₃(12.0×10^-6K^-1)更接近YSZ的热膨胀系数10.0×10^-6K^-1。在电池工作温度下，具有比传统阴极材料La_0.8Sr_0.2MnO₃更高的对氧电化学还原反应的催化活性。尽管如此，La(Ni,Fe)O₃在相同的烧结温度下，比经典的(La,Sr)MnO₃更易与ZrO₂基电解质反应，如在温度高于1000℃时，LaNi_0.6Fe_0.4O₃即与ZrO₂基电解质发生反应生成绝缘的La₂Zr₂O₇，大幅降低其电池性能。另一方面，由于LNF材料本身的特性，如LNF阴极材料在工作温度下的再氧化以及随后的氧空位浓度的下降，致使LNF阴极的初始性能并不是很好(见S.I.Hashimoto,K.Kammer,P.H.Larsen,F.W.Poulsen,M.Mogensen,Solid State Ionics 176(2005)1013)。因此，La(Ni,Fe)O₃作为极具应用前景的中低温阴极材料，其性能还需要进一步改善。

发明内容