[發(fā)明專利]一種中低溫質(zhì)子傳輸固體氧化物燃料電池的復(fù)合陰極材料

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310081236.8
• 申請日: 2013-03-14
• 公開（公告）號: CN103199265A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙海雷;張欣欣;楊春陽;張翠娟;沈永娜
• 申請（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86
• 代理公司: 北京金智普華知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種由氧離子-電子導(dǎo)體相Nd_1.95NiO_4+δ與質(zhì)子導(dǎo)體相BaZr_0.1Ce_0.7Y_0.1Yb_0.1O_3-δ相互復(fù)合而形成的用于質(zhì)子傳輸固體氧化物燃料電池的高性能復(fù)合陰極材料。

技術(shù)背景

固體氧化物燃料電池（SOFC）作為新型高效的清潔能源轉(zhuǎn)換裝置，因其全固態(tài)的封裝結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換效率高、燃料適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點，受到人們的廣泛關(guān)注，是21世紀(jì)最具有發(fā)展?jié)摿Φ木G色能源之一。然而傳統(tǒng)SOFC高的操作溫度限制了其商業(yè)化發(fā)展，因此發(fā)展中低溫SOFC成為燃料電池發(fā)展的主要趨勢。

SOFC主要分為氧離子傳輸固體氧化物燃料電池（O-SOFC）和質(zhì)子傳輸固體氧化物燃料電池（H-SOFC）。由于質(zhì)子的體積小，同時在電解質(zhì)材料中是通過晶格氧之間振蕩跳躍的形式傳遞，因此質(zhì)子遷移需要克服的勢能能壘低于氧離子遷移時所需的勢能，因此相比與傳統(tǒng)的O-SOFC，H-SOFC具有更低的傳導(dǎo)活化能，有利于降低SOFC的工作溫度，在一定程度上實現(xiàn)SOFC的中溫化。因此，H-SOFC逐漸成為現(xiàn)代新能源研究熱點之一。

陰極材料的性能是影響SOFC的關(guān)鍵因素之一，相比于O-SOFC，H-SOFC的發(fā)展較晚，因而對于H-SOFC陰極材料的研究還很缺乏。目前H-SOFC陰極材料主要沿襲傳統(tǒng)的O-SOFC的陰極材料和相關(guān)理論。而實際上，H-SOFC與O-SOFC的工作原理不同，其不同的陰極氧還原反應(yīng)過程使得其對陰極材料的性質(zhì)有其獨特的要求。對于H-SOFC，O₂的吸附解離，氧還原過程，以及水的生成擴(kuò)散等過程都發(fā)生在H-SOFC的陰極側(cè)，即質(zhì)子、氧離子和電子傳輸均涉及陰極反應(yīng)過程中，因此H-SOFC陰極材料應(yīng)該具有較好的質(zhì)子、氧離子和電子的傳輸能力。

目前，對于H-SOFC陰極材料，根據(jù)陰極材料的導(dǎo)電物種的不同，可以將其分為不同類型的陰極材料。第一類是僅傳導(dǎo)電子的電子導(dǎo)電陰極，對于這類陰極材料，其反應(yīng)活性區(qū)域僅僅限制在電解質(zhì)表面與陰極材料表面的交界處。在這一類材料中，只有電子在陰極材料內(nèi)進(jìn)行體擴(kuò)散，而氧離子的擴(kuò)散僅僅局限在陰極材料的表面，質(zhì)子的傳導(dǎo)也僅到達(dá)電解質(zhì)與陰極材料的交界處，也就是三相界面。因此對于第一類材料而言，三相界面的區(qū)域是很有限的。例如La_1-xSr_xMnO_3-δ（LSM），具有高的催化活性以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，它的電子電導(dǎo)率高（>100Scm^-1），但是其離子電導(dǎo)率很低，900°C時僅為5.9×10^-7Scm^-1，是一種單純的電子導(dǎo)體（I.Yasuda,K.Ogasawara,etal.SolidStateIonics86-88(1996):1197-1201）。第二類是傳導(dǎo)氧離子-電子的混合導(dǎo)體，例如鈣鈦礦型La_1-xSr_xCoO_3-δ（LSC）（R.A.DeSouza,J.A.Kilner.SolidStateIonics106(1998):175-187），Sm_1-xSr_xCoO_3-δ（SSC）（S.Kim,L.Y.Yang,etal.SolidStateIonics106(1998):189-195），此類陰極材料不但有高的電子電導(dǎo)率，同時具有較高氧離子電導(dǎo)率，使得氧離子的傳導(dǎo)較第一類陰極材料擴(kuò)展到陰極材料的內(nèi)部，而氣相、離子相和電子相的三相界面反應(yīng)活性區(qū)擴(kuò)展到了整個電解質(zhì)表面，有利于提高電化學(xué)反應(yīng)速率，但是其質(zhì)子的傳導(dǎo)也僅到達(dá)電解質(zhì)與陰極材料交界處，因此三相界面也是很有限的。第三類陰極材料是質(zhì)子-電子混合導(dǎo)體，目前僅有少數(shù)的幾種BaCeO₃基材料，例如B位摻雜Fe、Bi元素的BaCeO₃基陰極材料（Z.Tao,L.Bi,etal.ElectrochemistryCommunication11(2009):688-690）。在這類陰極材料的電極反應(yīng)中，質(zhì)子的傳導(dǎo)可以擴(kuò)展到陰極材料內(nèi)部，電極反應(yīng)區(qū)域也可以擴(kuò)展到整個氣體與電極界面，但是這類材料的氧離子的傳導(dǎo)僅局限于陰極材料的表面，發(fā)生電極反應(yīng)時質(zhì)子需擴(kuò)散的距離不會有明顯縮短。