[发明专利]钙钛矿结构、其形成方法及含其电极和燃料电池

说明书

一种钙钛矿结构，其包括第一元素X、锶、铁、钴、氧和钨；其中所述第一元素为钡和/或镧系元素，并且其中所述结构包括单钙钛矿区域和双钙钛矿区域。一种包含所述结构的电极和燃料电池，以及一种形成如权利要求1至9任一项所述的钙钛矿结构的方法，所述方法包括混合起始材料以形成混合物，其中所述起始材料包括第一元素X、锶、铁、钴、氧和钨；将所述混合物加热至第一温度，加热第一时间段，以形成单钙钛矿；以及将所述混合物加热至第二温度，加热第二时间段，以形成双钙钛矿；其中所述第一元素为钡和/或镧系元素。

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的结构。具体而言，涉及用作固体氧化物燃料电池(SOFC)中的电极的钙钛矿结构及其制造方法。

背景技术

SOFC是一种通过电化学氧化燃料气体(通常为氢基燃料气体)产生电能的电化学装置。该装置通常是陶瓷基的，使用由氧离子导电金属氧化物得到的陶瓷作为电解质。由于大多数的氧离子导体陶瓷(例如掺杂的氧化锆或掺杂的氧化铈)仅在超过500℃(对于氧化铈基电极而言)或650℃(对于氧化锆基陶瓷而言)的温度下显示出技术上相关的离子导电性，因此，SOFC在高温下运行。

与其他燃料电池相同，SOFC包括阳极和阴极，其中燃料在阳极被氧化，氧在阴极被还原。这些电极须能够催化电化学反应，在他们各自的气氛和运行(在阳极位点还原，在阴极位点氧化)温度下是稳定的，并且能够传导电子以使得通过电化学反应产生的电流可从电极-电解质界面离开。

已经开发了用作SOFC阴极的各种材料，包括钙钛矿钴晶体。含有钡和镧系元素的材料，例如BSCF和LSCF(含有钡/镧、锶和铁的钴氧化物)，其为这些材料的实例，并且由于它们高的氧离子导电性和面比电阻(ASR)，因此作为SOFC阴极表现良好。

然而，许多这样的材料(例如常规的(未掺杂的)BSCF)非常受到热稳定性差和化学稳定性差的影响。BSCF在烧结的同时具体与各种电解质反应(在≥900℃下与氧化铈基电解质反应，氧化铈基电解质为就SOFC运行温度而言最常见的BSCF的电解质类型)，并且在≤900℃(其为该材料的常规运行温度)下经历了从立方多晶体到六角多晶体的相转移，该相转移对材料的运输和催化特性不利，并且由此随着时间的推移增加了ASR，因此这样的材料不能用于SOFC应用的实际用途。

因此，期望开发在低温和中温应用中具有与BSCF和LSCF相当的或更低的ASR的材料；但是该材料更加稳定，特别是该材料显示出相转移减少并且因此随着时间的推移有能力维持更低的ASR。

已经做了一些工作来提高这些材料的特性以改善氧离子导电性，增加热稳定性和增强抗降解性。例如，已经发现重掺杂钼的BSCF能改善导电性，还能改善材料的稳定性，同时保持ASR值与BSCF的相当。

不幸的是，当被用于SOFC时，许多掺杂的材料遭受“浸没”现象，其中掺杂剂从阴极材料中出来(例如形成(Ba/Sr)MoO₄)，并且阴极的性能减弱了。另外，如果使过多的掺杂剂从阴极材料浸没出来，那么在晶体结构内部可发生结构重排，结构重排可造成电极材料断裂并降低性能。

Demont,A.,et al.,Single Sublattice Endotaxial Phase SeparationDriven by Charge Frustration in a Complex Oxide,J.Am.Chem.Soc.,2013,135,第10114–10123页，公开了使用钼作为掺杂剂材料用于制造钙钛矿结构。

因此，还期望开发不仅表现出比常规材料更优的性能，还在SOFC运行条件下可抑制掺杂剂浸没的钙钛矿晶体和陶瓷。

本发明意欲解决或者至少改善上文列出的问题中的一些问题。

发明内容