[發明專利]一種固體氧化物燃料電池陰極材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201010233408.5
• 申請日: 2010-07-22
• 公開（公告）號: CN102340008A
• 公開（公告）日: 2012-02-01
• 發明（設計）人: 楊維慎;劉煥英;朱雪峰;叢鈾
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 張晨

技術領域

本發明涉及固體氧化物燃料電池陰極材料，由尖晶石型氧化物和電解質系列材料組成，尤其是其設計、制備及應用于中低溫固體氧化物燃料電池。

背景技術

傳統的高溫固體氧化物燃料電池由于其較高的運行溫度(通常在800-1000℃)導致了很多問題，如電池原材料選擇范圍窄、制備工藝苛刻且成本高、使用壽命短等。降低操作溫度至中低溫，其所有優點依然能夠保留，不僅對電池原材料性能的要求大大降低，而且可以拓展電池原材料的選擇范圍，尤其是可以采用韌性好、價格低的抗氧化不銹鋼作為雙向連接體材料，技術和成本優勢明顯。在中低溫范圍內以不銹鋼作為雙向連接體材料，其操作壽命可長達40,000小時，遠遠大于目前存在陰極材料的壽命，除La_1-xSr_xMnO_3-δ(LSM)陰極材料以外。而眾所周之，LSM與摻雜的氧化鋯電解質在制備焙燒過程中易發生反應生成高電阻相物質鋯酸鹽，使電池的極化電阻劇增而電池性能驟降；另外，在800℃以下，LSM對氧分子的催化活化能力速降，這給電池功率輸出性能帶來很大的困擾。其他鈣鈦礦型復合摻雜氧化物是良好的氧離子和電子混合導電材料，但其熱膨脹系數與電解質材料相差較大，同時其化學穩定性和材料結構穩定性均不佳，在陰極制備過程中易與電解質發生化學反應而生成高電阻相物質。因此為了促進固體氧化物燃料電池的發展，研究開發高穩定、低成本和長壽命的固體氧化物燃料電池陰極材料是必要和迫切的。

當以不銹鋼作為雙向連接體材料時，研究學者們發現尖晶石型材料可以很好地覆蓋在不銹鋼雙向連接體材料表面，可以有效地保護不銹鋼避免氧化并抑制其電阻增加，同時可以阻止不銹鋼表面的Cr元素擴散到陰極使其中毒。選擇合適的組成元素，尖晶石型材料將會有較高的電子電導率和良好的熱膨脹性，比如在800℃尖晶石型材料的電子電導率每厘米可達幾十甚至上百西門子，而在20-800℃溫度范圍內的熱膨脹系數為11-12×10^-6K^-1，與其他電池組件的熱膨脹系數相接近(摘自Journal?of?Power?Sources，vol?195，2010，p1529)。尖晶石型氧化物材料不含堿土元素和稀土元素，因此其化學結構很穩定且不易于電解質材料發生反應而生成高電阻相物質。與傳統的LSM材料相似，尖晶石型氧化物的氧離子電導率較小(摘自Surface&Coatings?Technology，vol?201，2006，p4476)，所以通過一定量的氧離子電導材料摻入可提高其綜合電化學性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種穩定性高、兼容性好和對氧化還原反應催化活性良好的固體氧化物燃料電池陰極材料。

本發明提供一種固體氧化物燃料電池陰極材料，其特征在于：所述陰極材料由尖晶石型氧化物材料與氧離子電導材料粉末組成；其中，尖晶石型氧化物材料粉末的質量占陰極材料總質量的10％～100％，氧離子電導材料粉末的質量為余量，其中所述的尖晶石型氧化物的化學式為：(A，B)₃O₄；其中A和B均選自Li、B、Mg、Al、Si、K、Ca、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Mo、Ag、W、Au、La、Ce、Nd、Sm、Gd、Yb、Bi中的一種或幾種。

本發明的固體氧化物燃料電池陰極材料中，所述的尖晶石型氧化物的化學式為M_xMn_yCo_3-x-yO₄其中M選自Mg、Al、Fe、Ni、Cu、Zn、Y、Ag中的一種或幾種，且0≤x≤2.0，0≤y≤3.0，3-x-y≥0；M優選為Fe、Ni、Ag中的一種或幾種。

本發明所述的氧離子電導材料的組成和結構與燃料電池電解質材料一致或同系列。其中，氧離子電導材料的組成選自：摻雜的氧化鋯系列電解質材料；或摻雜的氧化鈰系列電解質材料；或鎵酸鑭系列電解質材料；優選以Sc₂O₃、CeO₂或Y₂O₃摻雜的氧化鋯或以Sm₂O₃或Gd₂O₃摻雜的氧化鈰。

本發明提供的固體氧化物燃料電池陰極材料的具體制備方法如下：

(1)制備尖晶石型氧化物材料和氧離子電導材料粉末；