[發明專利]一種抑制高溫燃料電池陰極與電解質間界面反應的方法

有效

• 申請號: 201410380673.4
• 申請日: 2014-08-04
• 公開（公告）號: CN105322205B
• 公開（公告）日: 2018-12-07
• 發明（設計）人: 程謨杰;劉偉星;趙哲
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/1213
• 分類號: H01M8/1213;H01M8/1253
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明公開了一種抑制固體氧化物燃料電池陰極與電解質間界面反應的方法，采用鈣鈦礦型復合氧化物與適量MO₂(M＝Ti,Nb,Ce,Ru,Sn)氧化物均勻混合構成復合陰極，將復合陰極直接燒結在電解質表面，利用MO₂氧化物容易與鈣鈦礦型氧化物反應形成對氧還原無有害影響的反應產物，從而抑制復合陰極中鈣鈦礦型氧化物與電解質反應及低電導率相的形成，提高電池性能。本發明可以有效地抑制鈣鈦礦型復合氧化物陰極與氧化鋯基電解質間界面反應，將高性能的鈣鈦礦型復合氧化物陰極材料直接應用于氧化鋯基電解質上，無需在電解質表面制備氧化鈰基隔層，減少了電池制備工藝的復雜性，降低了電池制備成本。

技術領域

本發明涉及燃料電池領域，具體涉及一種抑制高溫燃料電池陰極與電解質間界面反應的方法。

背景技術

固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡稱SOFC)可以在高溫下通過電化學反應將燃料的化學能轉化為電能，具有燃料靈活，發電效率高，環境友好等特點，是一種非常先進的能源轉換技術。

SOFC膜電極具有“三明治”結構，致密的電解質膜位于中間層，兩側分別為多孔陽極和陰極。鈣鈦礦型復合氧化物具有ABO₃結構，是固體氧化物燃料電池常用的陰極材料。其中，A位為稀土或堿土元素，B位為過渡金屬元素。鍶摻雜亞錳酸鑭La_1-xSr_xMnO₃是典型的高溫SOFC陰極材料，與YSZ電解質化學相容性較好，但La_1-xSr_xMnO₃陰極在低溫下催化氧還原活性較低，不能滿足中低溫SOFC的性能要求。鍶摻雜鈷酸鑭La_1-xSr_xCoO₃、鍶摻雜鈷酸釤Sm_1-xSr_xCoO₃、鍶摻雜鈷鐵酸鑭La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃、鈷鐵酸鍶鋇Ba_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃(BSCF)等材料在中低溫下顯示出很好的催化氧還原活性，提高了中低溫電池的性能，但是這些含鈷類陰極與YSZ電解質的化學相容性較差，當其直接應用于YSZ電解質表面時，在陰極高溫(≥950℃)燒結過程中，陰極與電解質會反應形成低電導率相SrZrO₃和La₂Zr₂O₇，引起陰極陰極/電解質界面電阻增加，導致電池性能降低。

為了避免或減少含鈷類陰極與YSZ電解質間有害界面反應，研究者開展了相關研究。例如，在YSZ電解質表面優先制備氧離子導體骨架，然后將含鈷類陰極溶膠浸漬到氧離子導體骨架上，并在相對低的溫度下(≤800℃)焙燒，得到復合陰極，從而有效抑制陰極與電解質間界面反應(A.Samson,M.R.Knibbe,N.Bonanos,Journal of TheElectrochemical Society,158(6)B650-B659(2011)；LF.Nie,MF.Liu,YJ.Zhang,ML.Liu,Journal of Power Sources,195(2010)4704-4708)。但是該方法制備的陰極通常為納米級，電池長期運行時，陰極存在嚴重燒結問題，并且通過溶膠浸漬制備陰極，單次陰極浸漬量很少，通常要經過反復多次浸漬、焙燒后，復合陰極的量才能達到要求，增加電池制備的復雜性。研究者通過在YSZ電解質與陰極間制備一層氧化鈰基隔層，從而抑制含鈷類陰極與YSZ電解質間界面反應(一種固體氧化物燃料電池氧化鈰基電解質隔層及其制備，申請號：201210147079.1)。但該方法要額外引入隔層制備設備，增加了電池制備成本。可見，如何采用簡單、有效、低成本的方法將高性能的鈣鈦礦型復合氧化物陰極材料直接應用在YSZ電解質表面，是固體氧化物燃料電池研發的一個重要問題。

發明內容