[發明專利]固體氧化物燃料電池用低熱膨脹陰極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201710668758.6
• 申請日: 2017-08-08
• 公開（公告）號: CN107394213B
• 公開（公告）日: 2019-11-29
• 發明（設計）人: 李德川;張永興;朱光平;汪徐德
• 申請（專利權）人: 淮北師范大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 11530 北京華識知識產權代理有限公司
• 代理人: 李浩<國際申請>=<國際公布>=<進入國

本發明公開一種固體氧化物燃料電池用低熱膨脹陰極材料，所述低熱膨脹陰極材料由鋇、鍶、鈷、鐵和錳組成，其中Mn部分替代Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3?δ基陰極材料中Co；替代發生在鈣鈦礦結構的B位；錳在陰極中的物質含量不超過15%，而化學式中Co和Mn的比例為0.8?x:x；陰極組成為Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8?xFe_0.2Mn_xO_3?δ，其中0<x<0.3。本發明陰極材料釋放晶格氧的速度放緩，晶格中氧空位濃度得到控制，熱膨脹性隨溫度的升高而變化緩慢，提高了此陰極與電解質的熱匹配性，同時，陰極的電學性能并沒有減弱；制備方法簡單，設備簡單，成本低，重復性好，易實現產業化生產。

技術領域

本發明涉及一種用于SOFC的Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ (BSCF)基陰極材料及其制備方法，屬于固體氧化物燃料電池技術領域。

背景技術

BSCF基陰極是鐵-鈷酸鹽中的一種，這類材料在SOFC的中溫階段(600-800^oC)有著較高的電導率，其氧的表面交換系數和氧的自擴散系數都很高。對氧的還原有較高的催化活性，且該陰極材料與鈰基電解質不發生化學反應，具有良好的化學相容性。該材料屬于ABO₃型鈣鈦礦結構，其A和B位元素都具有較強的開放性，可以被替代或摻雜。一般情況下，A位摻雜可以增加此鈣鈦礦結構中的氧空位，增加氧離子的電導率，但是氧空位的濃度決定與材料的熱膨脹性密切相關。而B位的變價元素影響著材料的電子導電能力，從而影響發生化學反應的進程。同時，當溫度升高時，B位離子被還原，導致晶格中的氧流失，間接的導致氧空位濃度增加，熱膨脹系數增大。曾經有文獻報道，通過選擇某些特定的A位、B位、A和B位元素摻雜，可以提高陰極的電化學性能。

但是，從目前的文獻分析來看，一、材料的電學性能增強。此類材料在擁有較高的電化學活性的同時，還伴隨著擁有較大的熱膨脹系數。當這類材料作為陰極與電解質直接匹配時，由于在升溫過程中，熱膨脹系數差異較大，直接導致陰極與電解質的剝落、斷裂和分離等，最終影響電池在熱循環啟動中壽命。這種情況一般使用功能梯度材料，減低各個組件間的熱膨脹差異，同時，各個功能層的厚度要嚴格控制到納米級，對工藝要求極高。另外一種情況，把陰極和電解質按照一定的比例混合作復合陰極，降低復合陰極的整體熱膨脹系數，來適配電解質，但長時間運行后，由于材料間熱膨脹系數的差異，復合陰極性能也會逐漸減弱。二、材料的熱膨脹減弱，電學性能降低。

發明內容

本發明的目的在于提供一種固體氧化物燃料電池用低熱膨脹陰極材料及其制備方法，通過用Mn部分替代Co，控制陰極材料中氧空位的形成速度，使得BSCF基陰極的熱膨脹隨溫度的升高緩慢的增長，同時，降低BSCF基陰極的熱膨脹系數，使得該陰極材料可以直接與CeO₂基、ZrO₂基等電解質直接裝配，且電學性能保持良好。

本發明采用的技術方案如下：

固體氧化物燃料電池用低熱膨脹陰極材料，所述低熱膨脹陰極材料由鋇、鍶、鈷、鐵和錳組成，其中Mn部分替代Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ 基陰極材料中Co。

進一步的，所述替代發生在鈣鈦礦結構的B位。

進一步的，所述陰極組成為Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8-xFe_0.2Mn_xO_3-δ，其中0<x<0.3。