[发明专利]一种固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法，其特征在于所述阴极材料是钙钛矿氧化物和修饰在钙钛矿氧化物表面的氧化物MO₂(M＝Ti,Zr,Nb,Ce,Ru,Sn)组成的复合阴极。其中，复合阴极中氧化物MO₂的质量含量为1％‑20％，氧化物MO₂颗粒大小为0.5‑100纳米，复合阴极中氧化物MO₂包覆在钙钛矿氧化物的表面。可通过涂覆法、丝网印刷、流延法等方法将钙钛矿氧化物优先制备到电池的电解质或隔层表面，然后通过溶液浸渍、溶胶浸渍、磁控溅射等方法将氧化物MO₂修饰在阴极中钙钛矿氧化物表面。本发明的阴极材料显示出优异的电化学性能和良好的稳定性。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种具有良好稳定性和性能的固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)可以在高温下通过电化学反应将燃料的化学能转化为电能，具有燃料灵活，发电效率高，环境友好等特点，被看作二十一世最先进的能源转换技术之一。

钙钛矿氧化物是固体氧化物燃料电池常用的阴极材料，具有ABO₃结构，A位通常为稀土或碱土元素，B位通常为第四周期的VIIIB族过渡金属元素。锶掺杂亚锰酸镧(LSM)是典型的高温SOFC阴极材料，具有良好的稳定性，但其催化活性不能满足中低温SOFC的要求。锶掺杂钴酸镧(LSC)、锶掺杂钴酸钐(SSC)、锶掺杂钴铁酸镧(LSCF)、钴铁酸锶钡(BSCF)等具有很高的催化氧还原活性，提高了中低温电池的性能，但是这些阴极的性能在电池工作条件下衰减较快。例如，以(La_0.6Sr_0.4)_0.98Co_0.2Fe_0.8O_3-δ为阴极的电池在750℃运行500h后，电池性能下降了约30％，X射线光电子能谱分析(XPS)表明一些含锶物种形成于Ce_0.8Sm_0.2O_1.9隔层与LSCF阴极界面以及LSCF阴极与Au集流体界面区。一些非活性的绝缘相SrO、Sr(OH)₂等覆盖在阴极表面，不仅减少了氧还原反应区面积，阻碍电荷转移过程，也会加剧空气中微量的CO₂等杂质气体在阴极表面的吸附和反应。我们课题组之前的研究已发现CO₂对钙钛矿型阴极的毒化作用，CO₂与BSCF、LSC、LSCF阴极反应形成SrCO₃覆盖在阴极表面，导致阴极性能损失。

可见，固体氧化物燃料电池的钙钛矿型阴极的A位碱土元素偏析，如锶元素在表面富集、偏析是引起阴极性能衰减的主要因素，大大制约了固体氧化物燃料电池技术的发展。因此，控制钙钛矿氧化物阴极的表面不发生锶元素偏析是保证阴极催化活性稳定的关键。在传统的固体氧化物燃料电池的钙钛矿氧化物阴极表面修饰其他氧化物，利用不同物质间界面相互作用，既可以保持钙钛矿氧化物阴极的高性能，又可以抑制钙钛矿氧化物阴极的锶元素偏析，提高阴极稳定性。

发明内容

本发明目的在于克服固体氧化物燃料电池的钙钛矿氧化物阴极在电池运行条件下性能衰减的问题，提供了一种具有良好稳定性和性能的固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法，其特征在于所述阴极材料是钙钛矿氧化物A1_1-yA2_yBO_3-δ和修饰在钙钛矿氧化物表面的四价态氧化物MO₂组成的复合阴极，所述复合阴极显示出优异的电化学性能和良好的稳定性。