[发明专利]一种固体氧化物燃料电池的阴极材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种固体氧化物燃料电池的阴极材料，化学分子式为A’_1‑x‑yA”_yZn_xBO₃、A’_2‑x‑yA”_yZn_xB₂O₅、A’_2‑x‑yA”_yZn_xBO₄，其中，A’与A”为两种不同的元素，并且A’为非Sr碱金属，A”为非Sr碱金属；B为Fe、Ni、Mn中的一种；0.2X0.8，0.1Y0.5。该阴极材料中不含常用的Sr、Co元素，A位为包括廉价碱金属Zn的三掺杂元素，成本低，便于阴极材料有高催化活性的同时实现商业化量产。该材料高温下的热膨胀系数与电解质的热膨胀系数接近，能够显著降低因热膨胀系数不匹配造成的阴极衰减，延长固体氧化物燃料电池的耐久性。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池的阴极材料及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，具有高效率、无污染、全固态结构的优点，能适应多种燃料气体，且不需要额外的重整装置。

固体氧化物燃料电池结构主要包括阴极、阳极、电解质、支撑体等。其中，阴极是在高温下阴极材料催化氧气形成氧离子的电极。随着研究的进展，阴极材料发展出多种材质，从材质结构上可分为单钙钛矿ABO₃、双钙钛矿A₂B₂O₅、尖晶石型AB₂O₄，以及层状钙钛矿A₂BO₄，A位通常为碱金属或稀土金属元素，B位通常为Fe、Co、Ni等过度元素。

目前，钙钛矿阴极材料存在如下问题：(1)一般含有Sr、Co元素；现有的高催化活性材料中含Sr、Co元素，阴极材料的Sr元素在高温下向电解质扩散形成 SrZrO₃杂相；阴极材料的Co元素易造成材料热膨胀系数过大，与电解质材质热膨胀系数不匹配，在长时间运行条件下阴极易脱落，增加电池衰减速率，另外Co 在实际使用中价格较贵，不利于商业化规模量产。(2)为了提高阴极材料高温催化活性，Pt、Ag等贵金属掺杂钙钛矿材料，虽然有利于提高材料性能，但是增加了商业化成本。(3)阴极所用稀土原材料Co、Pr、Nb、Ta较贵，不利于商业化量产。(4)现有报道的钙钛矿阴极材料均为在A位双元素掺杂或在B位双元素掺杂、三元素掺杂，而鲜有报道在A位进行三元素掺杂。