[發(fā)明專利]一種新型鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)發(fā)展的新一代先進燃料電池

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410657937.6
• 申請日: 2014-11-14
• 公開（公告）號: CN105655617A
• 公開（公告）日: 2016-06-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱斌;陸玉正
• 申請（專利權(quán)）人: 南京蘊納納米科技有限公司
• 主分類號: H01M8/12
• 分類號: H01M8/12;H01M8/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于固體氧化物燃料電池(SOFC)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及用新型鈣鈦礦太陽 能電池技術(shù)發(fā)展新一代的先進燃料電池，公開了材料和器件的構(gòu)造。比傳統(tǒng)的SOFC 技術(shù)構(gòu)造的燃料電池性能提高3-5倍，且廉價。

背景技術(shù)

最近太陽能電池在新型鈣鈦礦材料和技術(shù)的出現(xiàn)后得到日新月異的發(fā)展，轉(zhuǎn)換 效率是目前所有太陽能電池中最高的，達到近20％。除了其特異功能的鈣鈦礦結(jié)構(gòu) 的有機-無機雜化材料的優(yōu)異物理性能外，其特殊的器件構(gòu)造技術(shù)和結(jié)構(gòu)是另一個成 功的原因。究其器件結(jié)構(gòu)，我們知道有機-無機鈣鈦礦為關(guān)鍵的功能層，是有效產(chǎn)生 電荷載流子和電荷分離的關(guān)鍵材料，電子導(dǎo)電TiO₂層和空穴導(dǎo)電層制約器件載流子 和電流的輸出。因為有機-無機鈣鈦礦材料本身是空穴導(dǎo)電特性，加上有機空穴導(dǎo)電 材料比黃金貴10倍的價格，所以，也有大量的研發(fā)是不要空穴導(dǎo)電層的新一代太陽 能電池，雖然其轉(zhuǎn)換效率有所損失。但是，對于廉價的無機陶瓷空穴導(dǎo)電材料其造 價就根本不是問題。完全按照此先進鈣鈦礦太陽能電池來發(fā)展新一代先進燃料電池 則是絕無僅有的發(fā)明。

根據(jù)鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)和原理，我們用p-型鈣鈦礦氧化物，例如鑭(鋇) 鍶鈷鐵(La，BaSrCoFe)氧化物代替有機-無機鈣鈦礦雜化材料，同時加入高離子導(dǎo) 電材料，釤和鈣共同摻雜的氧化鈰，SmCa-CeO₂，或者La-Nd-Sm，La-Nd-Sm-Pr多 離子摻雜氧化鈰，形成半導(dǎo)體-離子的新型復(fù)合功能材料。這是關(guān)鍵的核心材料的發(fā) 明。其次用n-型電子導(dǎo)電的鈣鈦礦氧化物，如鎳、鈷、鐵修飾的鑭鍶鈣鈦氧化物或 鍶鐵鉬氧化物作為電子導(dǎo)電層，以及廉價的鎳鈷鋰或鎳鈷鋁鋰(NCL或NCAL)氧化物 為空穴導(dǎo)電層構(gòu)造新型燃料電池。進一步結(jié)合燃料電池的特點，用泡沫鎳為陽極支 撐和集電極相當(dāng)于鈣鈦礦太陽能電池的ITO或者FTO導(dǎo)電玻璃，而太陽能電池陰極 這邊的金屬集電極通常為金則可以在燃料電池省掉或者也用泡沫鎳代替。

鈣鈦礦氧化物是最有效的先進SOFC電極材料。它具有良好的電子、空穴的導(dǎo)電 性以及一定的氧離子導(dǎo)電。鈣鈦礦具有ABO₃結(jié)構(gòu)。A是大的陽離子，通常為稀土 元素鑭等，堿金屬元素鋇等，具備12-個氧離子協(xié)同構(gòu)型，而小的過渡金屬元素例 如Ti，Cr，Co，F(xiàn)e，Mn等為6度氧離子對稱協(xié)同環(huán)境。我們選擇La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-1(LSCF)為例，這是把鍶摻雜進鈷酸鑭氧化物結(jié)構(gòu)形成的A-改性鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料。 它具有高的p-型電導(dǎo)率，900℃時達到230S/cm²，并具有高的氧離子電導(dǎo)率0.2S/cm， 已發(fā)現(xiàn)LSCF在SOFC中有好的電極催化活性。

另一方面，鈦酸鹽是一類新興電子導(dǎo)電的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料，例如鑭摻雜鈦酸 鍶(LST)。但是由于其低的電子導(dǎo)電性需要進一步通過對A-位修飾而提高電子導(dǎo) 電性。另外利用B-位的離子在氧化和還原不同氣氛的變價特性提高其電化學(xué)和電 極的催化活性和燃料電池的性能，例如La_0.2Sr_0.25Ca_0.45TiO₃(LSCT)并進一步用過渡 金屬元素，Ni，Cu，Co，F(xiàn)e來改性提高導(dǎo)電性和電極催化活性。

為了實現(xiàn)燃料電池的性能，需要高性能的離子導(dǎo)電材料。我們采用摻雜或多離 子摻雜，例如Sm³⁺和Ca²⁺共摻雜，La-Pr-Nd多摻雜的氧化鈰，實現(xiàn)高的離子導(dǎo)電 性。據(jù)報道Sm³⁺和Ca²⁺共摻雜氧化鈰是迄今為止最高氧離子電導(dǎo)率的材料在溫度為 700℃時達0.1S/cm。進一步制備p-導(dǎo)電的LSCF鈣鈦礦和摻雜氧化鈰的半導(dǎo)體離子 新型功能的復(fù)合材料。我們還發(fā)現(xiàn)，用鋰摻雜的過渡金屬氧化物代替鈣鈦礦氧化物 和摻雜氧化鈰制備的半導(dǎo)體離子復(fù)合材料，能夠獲得更好的燃料電池性能，特別是 商業(yè)的鋰電池正極材料NCL和NCAL。

最后按照鈣鈦礦太陽能電池的構(gòu)造和技術(shù)來發(fā)展和構(gòu)造新一代先進燃料電池， 如下所述。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是采用最近太陽能電池的先進技術(shù)和原理發(fā)展新一代先進燃料電 池。提供固體氧化物燃料電池商業(yè)化一條新路。