[发明专利]一种LSM-YSZ阴极改性的方法

说明书

本发明提供了一种中低温固体氧化物燃料电池LSM‑YSZ阴极的改性方法。该方法使用溶液浸渍，在LSM‑YSZ电极表面引入尖晶石相纳米颗粒。尖晶石相纳米颗粒可以均匀分散在LSM‑YSZ电极表面，比表面积大，有效增加了阴极氧还原反应三相界面长度。与没有浸渍纳米颗粒的电极相比，浸渍后阴极的氧催化活性显著提高，浸渍后改善了阴极与电解质界面的连接性，并且电池长期运行稳定性较好。

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池阴极，具体地说是一种中低温固体氧化物燃料电池阴极改性的方法

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFCs)是将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的能量转换装置，与传统的产能技术相比，其具有产能效率高，清洁无污染，应用范围广等特点，是目前最有前景的清洁能源技术之一。降低SOFC运行温度到800℃以下基于可以使用廉价不锈钢作为连接体，降低SOFC运行成本；并且可以压制电池各部件间的反应，解决密封和电池部件热退化等难题，因此成为目前SOFC的主要发展方向之一。

Y₂O₃稳定的ZrO₂(YSZ)和Sr掺杂的LaMnO₃(LSM)基于较好的化学、物理相容性和稳定性等优势一般用作高温SOFC复合阴极(>800℃)。但当SOFC工作温度降低到中低温(<700℃)，虽然O₂分子解离吸附反应能够在LSM表面轻松实现(J.Electrochem.Soc.148(2001)A433)，但YSZ较低的表面氧交换活性和较低的氧离子电导率，造成电池极化电阻的增加，电池性能迅速降低。萤石结构氧化物YDB(Y₂O₃稳定的Bi₂O₃)拥有较高的表面交换活性和体相氧离子电导率，将其与LSM混合得到LSM-YDB复合阴极显著提高了中低温SOFC电池性能(Angew.Chem.Int.Ed.53(2014)13463)。但是电池长期运行稳定性等问题限制了其进一步应用。

使用溶液浸渍的方法，在电极表面引入纳米颗粒可以显著提高电极活性。如专利CN103887526A中介绍了向LSM-YSZ阴极中浸渍铈基萤石氧化物催化剂制备出三元复合阴极显著提高了电池中低温性能。尖晶石结构氧化物(如CoMn₂O₄)是一类广泛应用的催化材料，如CO和烷烃的催化氧化，氮氧化物的分解反应等，基于其中可变价金属的协同效应可以加速晶格氧流动性，提高表面氧化还原活性。本专利提出一种向LSM-YSZ阴极中浸渍纳米尖晶石氧化物颗粒的方法，浸渍的纳米颗粒可以均匀分散在电极表面，显著提高了电池中低温性能，并且电池长期运行稳定。

发明内容

本发明提出一种中低温固体氧化物燃料电池LSM-YSZ阴极的改性方法，具体实施步骤如下：

1)LSM基钙钛矿相制备：将含有LSM钙钛矿相的金属离子硝酸盐粉末按所需化学计量比分别加入到烧杯中搅拌溶解，溶解后加入金属离子0.5～1.5倍摩尔量的络合剂，使用氨水或硝酸调溶液pH，加热搅拌蒸发溶剂待溶液成透明粘稠状，转移至蒸发皿中加热使其自蔓延燃烧得到钙钛矿相初粉，将初粉转移至马弗炉中，800～1000℃焙烧成钙钛矿相。

2)YSZ基萤石相制备：将含有YSZ萤石相的金属离子硝酸盐粉末按所需化学计量比分别加入到烧杯中搅拌溶解，溶解后加入金属离子0.5～1.5倍摩尔量的络合剂，使用氨水或硝酸调溶液pH，加热搅拌蒸发溶剂待溶液成透明粘稠状，转移至蒸发皿中加热使其自蔓延燃烧得到萤石相初粉，将初粉转移至马弗炉中，800～1000℃焙烧成萤石相。

3)配置阴极浆料：将钙钛矿相和萤石相粉体按所需要的质量比例混合，用研钵研磨均匀后加胶配置电池阴极浆料。

4)电池阴极的烧结制备：将阴极浆料涂覆在阴极/电解质二合一上，从室温升温到800～1100℃，并于800～1100℃烧结1～2h成电池阴极。