[发明专利]一种固体氧化物燃料电池阴极的改性方法

说明书

本发明提供了一种固体氧化物燃料电池Co/Fe基钙钛矿阴极的改性方法。该方法使用射频磁控反应溅射在Co/Fe基钙钛矿阴极与电解质间制备一层由纳米颗粒组成的多孔Co/Fe基钙钛矿过渡层。该过渡层的使用，有效改善了Co/Fe基钙钛矿阴极与电解质的界面接触，增加了阴极氧还原反应三相界面，不仅提高了电池性能，而且提高了电池的长期稳定性和可靠性。

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池阴极，具体地说是一种固体氧化物燃料电池 Co/Fe基钙钛矿阴极的改性方法

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。

Co/Fe基钙钛矿材料(如La_xSr_1-xCo_yFe_1-yO_3-δ(LSCF), Ba_xSr_1-xCo_yFe_1-yO_3-δ(BSCF))基于良好的表面交换特性，较高的体相电子电导率和氧离子电导率，成为目前应用最为广泛的SOFC中低温阴极材料。在YSZ电解质表面制备一层铈基电解质隔层可以有效阻止Co/Fe基钙钛矿材料与YSZ电解质之间的高温反应，维持了中低温SOFC的高性能(Solid StateIonics 179(2008) 919-923)。有文献表明，当电池运行温度在650℃以下时，阴极氧的催化活性位点主要集中于有限的阴极/铈基电解质隔层/O₂三相界面(Journal of PowerSources 269(2014)180-188)。传统浆料涂覆高温烧结制备电池阴极很容易造成电极颗粒粗化长大，电极有效反应三相界面损失严重，导致电池性能较低。因此本专利提出通过射频磁控反应溅射，在铈基电解质隔层表面制备一层Co/Fe基钙钛矿相多孔过渡层，该过渡层颗粒粒径较小，比表面积大，与铈基电解质隔层界面接触良好，明显增加了有效电极反应三相界面长度，因此显著提高了电池中低温性能。

发明内容

本发明提出一种固体氧化物燃料电池Co/Fe基钙钛矿阴极的改性方法，具体实施步骤如下：

1)电极粉体合成：将含有Co/Fe基钙钛矿相的金属离子硝酸盐粉末按所需化学计量比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，加热搅拌溶液。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粉体初粉。将初粉转移至马弗炉中，800～1000℃焙烧成相。

2)配置阴极浆料：将成相的Co/Fe基钙钛矿相粉体用研钵研磨均匀后加胶配置电池阴极浆料。

3)Co/Fe基钙钛矿纳米过渡层的制备：在阳极/电解质/铈基电解质隔层三合一基底或铈基电解质膜基底上，通过射频磁控溅射制备一层多孔Co/Fe基钙钛矿纳米过渡层，并且在400～1000℃之间进行退火处理，退火时间为0.5～4h。

4)电池阴极的烧结制备：将阴极浆料涂覆在多孔Co/Fe基钙钛矿纳米过渡层表面，从室温升温到800～1100℃，并于800～1100℃烧结1～10h成电池阴极。