[發(fā)明專(zhuān)利]鈣鐵石結(jié)構(gòu)中溫固體氧化物燃料電池陰極材料

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010117697.2
• 申請(qǐng)日: 2010-03-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101794885A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李強(qiáng);趙輝;霍麗華;程曉麗
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 黑龍江大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/86
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/86
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 韓末洙

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于陰極材料領(lǐng)域；具體涉及鈣鐵石結(jié)構(gòu)中溫固體氧化物燃料電池陰極材料。

背景技術(shù)

固體氧化物燃料電池作為一種新型能源轉(zhuǎn)換裝置，因其高效、潔凈等方面的優(yōu)點(diǎn)正日益受到各國(guó)廣泛的重視。傳統(tǒng)的固體氧化物燃料電池由于其運(yùn)行溫度（1000℃左右）較高而導(dǎo)致了其穩(wěn)定性差和壽命短的問(wèn)題。開(kāi)發(fā)中溫固體氧化物燃料電池已成為其研究領(lǐng)的熱點(diǎn)方向之一。但電極催化活性隨反應(yīng)溫度的下降而迅速降低，極化電阻增大。傳統(tǒng)的高溫固體氧化物電池陰極材料La_l-xSr_xMnO₃（LSM）由于其在800℃以下較低的電導(dǎo)率和催化活性而不再適用于中溫固體氧化物燃料電池。而在整個(gè)固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的歐姆損失中陰極的歐姆損失占了很大的比重。為此，尋找在中溫條件下具有高性能的新陰極材料成為發(fā)展中溫燃料電池的重要任務(wù)。目前主要的解決方案是發(fā)展氧離子-電子混合導(dǎo)體材料。一般而言，對(duì)于中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的基本要求是：材料在中溫區(qū)具有較高的氧離子-電子混合電導(dǎo)率，同時(shí)還需要有較高的氧擴(kuò)散系數(shù)和表面交換系數(shù)，以及具有較好的熱穩(wěn)定性（與固體電解質(zhì)匹配的熱膨脹系數(shù)）和化學(xué)穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物陰極材料La_1-xSr_xCo_yFe_1-yO₃(LSCF)在中溫區(qū)具有優(yōu)良的氧滲透性和離子-電子的混合導(dǎo)電性能，但其熱膨脹系數(shù)與固體電解質(zhì)（SDC）熱匹配性相差較大，熱穩(wěn)定性能不好，同時(shí)該類(lèi)材料在中溫區(qū)的機(jī)械性能也相對(duì)較差。為此，開(kāi)發(fā)滿足以上要求的新型混合導(dǎo)體固體氧化物燃料電池的陰極材料成為人們研究的熱點(diǎn)。目前有人報(bào)道過(guò)雙層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)Ln_2-xBa_xCo₂O_5+δ（Ln=Gd、Sm、Pr）氧化物作為固體氧化物陰極材料，但該材料對(duì)氧氣的催化活性不好，同時(shí)與固體電解質(zhì)熱匹配性相對(duì)較差。綜上所述，現(xiàn)有陰極材料不適合在中溫條件下工作問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有陰極材料不適合在中溫條件下工作問(wèn)題；而提供鈣鐵石結(jié)構(gòu)中溫固體氧化物燃料電池陰極材料。本發(fā)明所述陰極具有氧空位類(lèi)型鈣鐵石結(jié)構(gòu)，使其在中溫區(qū)對(duì)氧氣有較好的催化活性，以及具有較高的氧離子-電子混合電導(dǎo)率和較低的極化電阻，同時(shí)有較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，進(jìn)一步滿足中溫固體氧化物燃料電池對(duì)陰極材料的要求。

本發(fā)明中鈣鐵石結(jié)構(gòu)中溫固體氧化物燃料電池陰極材料組成通式為A₂Fe_2-xM_xO_5±δ,其中A為主族堿土金屬，M為過(guò)渡金屬元素，0.1＜x＜1.0，δ=0～0.01。所述的A為Ca、Sr或Ba，所述的M為Co、Mn或Ni。

本發(fā)明所述的陰極材料采用甘氨酸-硝酸鹽法來(lái)進(jìn)行制備。通過(guò)控制合成條件，可以得到具有大比表面積的氧化物粉末。本發(fā)明所述的陰極材料在中溫區(qū)（500～800℃）表現(xiàn)出高的氧離子-電子混合電導(dǎo)率（10～80Scm^-1），低的電極極化電阻，且陰極極化過(guò)電位數(shù)值均小于該鐵礦鈣鈦礦結(jié)構(gòu)La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O₄陰極材料。以本發(fā)明所述的陰極材料為陰極，在800℃以下該材料表現(xiàn)出很好的熱、化學(xué)穩(wěn)定性和氧催化還原性質(zhì)；本發(fā)明所述的陰極材料的熱膨脹系數(shù)(11～13×10^-6cm/cm℃)與固體電解質(zhì)Sm_0.5Ce_0.2O_1.9（SDC）材料接近，而且本發(fā)明所述的陰極材料具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，1000℃空氣氣氛下燒結(jié)24小時(shí)不與SDC電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)該陰極材料與電解質(zhì)有較好的熱匹配性，兩者的熱膨脹系數(shù)接近。本發(fā)明所述的陰極材料在中溫區(qū)有較高的氧離子-電子混合電導(dǎo)率，低的陰極極化過(guò)電位。并與傳統(tǒng)的鈣鈦礦型固體氧化物燃料電池陰極材料相比，在相同測(cè)試條件下，其陰極極化電阻也相對(duì)較小，適合作為固體氧化物燃料電池的陰極材料使用。

附圖說(shuō)明