[发明专利]一种低热膨胀系数固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池的技术领域，具体涉及到一种低热膨胀系数固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备和应用。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SolidOxygenFuelCell，SOFC)是一种直接将化学能转变为电能的电化学器件，它具有高效、洁净、全固态结构的特点，被称为21世纪的绿色能源。近年来，国内外都在研发中低温固体氧化物燃料电池技术，但是阴极材料或者在电催化活性方面或者在运行稳定性方面还达不到应用要求。研究表明，阴极材料是SOFC的关键组件，其上的欧姆损失在整个SOFC的欧姆损失中约占65％，所以开发高性能阴极材料具有重要意义。以往研究表明，钴基阴极材料一般具有优良的电化学催化活性，然而大多钴基阴极材料的热膨胀系数都比较高，与常用电解质材料不能良好匹配，导致电池不能在高温下长时间运行，制约SOFC的发展。所以，能否开发一种含钴的阴极材料，并且其热膨胀系数较低，能够与常用电解质相匹配，将决定SOFC的发展走向。

本发明通过对低热膨胀系数(Tb，Ca，In)BaCo_3.2Ga_0.8O_7+δ材料进行研究，将以往的氧存储材料应用在SOFC阴极上，通过Tb位Ca和In掺杂与Co位Ga离子掺杂来抑制材料高温分解，提高材料高温稳定性和电化学性能。本发明提供了一种获得低热膨胀系数钴基阴极材料的方法，同时也解决了该系列材料高温稳定性问题，获得了一类性能优良的新型阴极材料。

发明内容

为了改进现有钴基阴极材料高热膨胀系数的缺点，发明一种新的具有层状钴氧化物结构的阴极材料。本发明将Ca、In和Ga分别掺杂到TbBaCo₄O_7+δ的Tb位和Co位元素中，获得一种在中温下具有稳定性好且热膨胀系数低的新型阴极材料。

本发明是用固相法制备出低热膨胀系数中温固体氧化物燃料电池阴极材料。

本发明的具体技术方案为：一种低热膨胀系数中温固体氧化物燃料电池阴极材料，其组成通式为(Tb，Ca，In)BaCo_3.2Ga₀₈O_7+δ，性能最佳阴极材料组分为：TbBaCo₃₂Ga_0.8O_7+δ(TBCG)，Tb_0.5Ca_0.5BaCo₃₂Ga₀₈O_7+δ(TCBCG)，Tb_0.5In₀₅BaCo₃₂Ga_0.8O_7+δ(TIBCG)，Tb₀₅Ca_0.4In₀₁BaCo_3.2Ga_0.8O_7+δ(TCIBCG)。

该系列钴基阴极材料通过Ca、In和Ga的掺杂使材料的高温热稳定性显著提高，掺杂后材料在高温长时间煅烧仅有少量分解，好的稳定性为材料应用于中温固体氧化物燃料电池提供了前提条件；该系列材料在30-900℃范围内的热膨胀系数分别为：TBCG：9.4x10^-6K^-1，TCBCG：9.7x10^-6K^-1，TIBCG：8.8x10^-6K^-1，TCIBCG：9.4x10^-6K^-1，低的热膨胀系数使其与常用电解质材料有良好的热匹配性；该系列材料电导率随温度变化符合半导体传导机制，TCBCG材料在体现了最高的电导率；改系列材料在中温区具有优良的催化活性，界面极化电阻在800℃分别为：TBCG：0.038Ωcm²，TCBCG：0.034Ωcm²，TIBCG：0.081Ωcm²，TCIBCG：0.059Ωcm²，TCBCG体现最高的催化活性。

本发明的低热膨胀系数阴极材料采用固相反应法制备，步骤如下：