[發明專利]雙鈣鈦礦型中溫固體氧化物燃料電池陰極材料及制備方法

有效

• 申請號: 201510324997.0
• 申請日: 2015-06-14
• 公開（公告）號: CN104900887B
• 公開（公告）日: 2017-07-21
• 發明（設計）人: 賀天民;金芳軍
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司22201
• 代理人: 王恩遠

技術領域

本發明涉及固體氧化物燃料電池的技術領域，特別是涉及到雙鈣鈦礦結構的中溫固體氧化物燃料電池陰極材料及其制備方法。

背景技術

固體氧化物燃料電池是一種將化學能直接轉換成電能的電化學發電裝置，它由陰極、陽極和電解質組成。作為固體氧化物燃料電池的陰極材料，要求該材料在氧化氣氛中具有高的電子電導率和適宜的離子電導率，良好的熱穩定性和化學穩定性，以及高的氧還原催化活性。傳統的高溫固體氧化物燃料電池陰極材料是摻雜LaMnO_3-δ，這種陰極材料只有在高溫(～1000℃)才會呈現出高的性能，當溫度降低到800℃以下時，摻雜LaMnO_3-δ陰極的極化阻抗會急劇增大，導致電池性能下降。因此該材料不適合于作為中溫(600～800℃)固體氧化物燃料電池的陰極材料。2008年，Kim等人報道了A位有序的AA'B₂O_5+δ型雙鈣鈦礦結構的陰極材料LnBaCo₂O_5+δ(LnBaCo₂O_5+δOxides as Cathodes for Intermediate-Temperature Solid Oxide Fuel Cells，Journal of The Electrochemical Society，155(4)(2008)B385-B390)，這里Ln為鑭系稀土元素(Ln＝La，Pr，Nd，Sm，Gd，Y)。這類材料在中溫固體氧化物燃料電池工作溫度范圍(600～800℃)表現出很好的氧催化活性，但是高的熱膨脹系數和高的稀土價格也限制了這類材料的實際應用。另外，這種高鈷含量的陰極材料，化學穩定性也不是很好。

本發明公布了另一類B位有序的A₂BB'O_5+δ型雙鈣鈦礦結構陰極材料A₂CoFeO_5+δ，通過用更低廉的元素堿土金屬元素替代稀土元素，用Fe部分替代Co，本發明的陰極不僅可以降低陰極材料熱膨脹系數，而且所制備的陰極材料成本明顯降低。同時也解決了單一的Co基和Fe基鈣鈦礦氧化物在高溫下的結構不穩定性問題，明顯改善材料的化學穩定性。

發明內容

本發明要解決的技術問題是，提供一種A₂BB'O_5+δ型雙鈣鈦礦結構化合物，并作為中溫固體氧化物燃料電池的陰極材料。背景技術陰極材料中的稀土元素Ln在本發明中被堿土金屬元素完全替換，及通過M對Co的進一步部分替換，解決了由于鈷含量而導致的熱膨脹系數過高的問題，進一步降低成本，改善化學穩定性。

本發明提供的中溫固體氧化物燃料電池陰極材料為A₂BB'O_5+δ型雙鈣鈦礦結構陰極材料，可歸納為B位是Co和Fe有序共存的母本化合物、在母本化合物基礎上用金屬M部分替代Co得到的衍生化合物的兩種技術方案。具體的技術方案如下。

一種雙鈣鈦礦型中溫固體氧化物燃料電池陰極材料，其特征是，分子式為A₂CoFeO_5+δ，其中A為Ca、Sr或Ba元素。

另一種雙鈣鈦礦型中溫固體氧化物燃料電池陰極材料，其特征是，分子式為A₂Co_1–xM_xFeO_5+δ，其中，A為Ca、Sr或Ba元素，M為Mo，Nb，Ti，Al，Ni或Cu金屬元素，0<x<1。

優選的雙鈣鈦礦型中溫固體氧化物燃料電池陰極材料，是0.4≤x≤0.6。

更優選的雙鈣鈦礦型中溫固體氧化物燃料電池陰極材料，是化合物Sr₂Co_0.6Al_0.4FeO_5+δ、Sr₂Co_0.6Cu_0.4FeO_5+δ、Sr₂Co_0.4Ti_0.6FeO_5+δ。