[發明專利]一種用于燃料電池的釩硼共摻雜的陰極材料及制備方法

在審

• 申請號: 201810154958.4
• 申請日: 2018-02-23
• 公開（公告）號: CN108455980A
• 公開（公告）日: 2018-08-28
• 發明（設計）人: 陳慶;廖健淞
• 申請（專利權）人: 成都新柯力化工科技有限公司
• 主分類號: C04B35/16
• 分類號: C04B35/16;C04B35/44;C04B35/50;C04B35/622;H01M4/86;H01M4/88;H01M4/90
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本發明涉及一種用于燃料電池的釩硼共摻雜的陰極材料及制備方法，屬于燃料電池陰極材料技術領域。本發明解決的技術問題是提供用于燃料電池的釩硼共摻雜的陰極材料的制備方法。該方法通過使用高價鈦的釩、硼對ABO3型鈣鈦礦的B位進行摻雜，部分高價態的釩原子和硼原子的懸鍵進行自發結合，提高晶格的活化能，同時降低膜材的自發極化，降低內部極化阻抗的同時提高其結構穩定性。部分懸鍵作為氧離子吸附點，使氧離子躍遷勢壘彎曲，提高氧離子在晶格內部的遷移能力。由本發明方法制備得到的鈣鈦礦結構陰極材料，在中溫下的離子遷移能力和穩定性好，可應用在固體燃料電池中。

技術領域

本發明涉及一種用于燃料電池的釩硼共摻雜的陰極材料及制備方法，屬于燃料電池陰極材料技術領域。

背景技術

固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡稱SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環境友好地轉化成電能的全固態化學發電裝置。固體氧化物燃料電池以氫氣、天然氣、城市煤氣、液化氣、生物質氣化氣等為燃料，將燃料化學能直接轉化為電能。由于SOFC具有燃料豐富、清潔高效、可熱電聯供等特點，可廣泛應用于大型電站、分布式電站、家庭熱電聯供等，被認為是未來電站的變革性技術。

固體氧化物燃料電池單體主要組成部分由電解質、陽極或燃料極、陰極或空氣極、連接體或雙極板組成。固體氧化物燃料電池的工作原理與其他燃料電池相同，在原理上相當于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和固體氧化物電解質組成，陽極為燃料發生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑。工作時相當于一直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。

固體氧化物燃料電池采用固體氧化物作為電解質，除了高效，環境友好的特點外，它還有其它燃料電池所不具備的優點：1)、無材料腐蝕和電解液腐蝕等問題；2)、在高的工作溫度下電池排出的高質量余熱可以充分利用，使其綜合效率可由50%提高到70%以上。當操作溫度大于850℃時，電池的尾氣可以與熱機相結合而對余熱進行綜合利用，此時燃料電池的能量綜合利用率可高達80%以上，所以高溫固體氧化物燃料電池適合應用在MW級大型發電站；3)、它的燃料適用范圍廣，燃料不僅能用H2，還可直接用CO、天然氣(甲烷)、煤汽化氣，碳氫化合物、NH₃、H₂S等作燃料。

但是，傳統的SOFC的操作溫度高達1000℃。如此高的操作溫度可確保電解質足夠高的氧離子電導率及陰極對氧具有良好的催化活性，然而也引入了一系列的問題：促進多孔電極的燒結，加速電極與電解質之間的界面相反應從而大大增加了電池的界面極化電阻，同時對電池的密封和雙極板材料及電池的附屬設備提出了苛刻的要求。目前國際上普遍認為燃料電池的操作溫度降低是決定SOFC在實際中得以應用的關鍵。當燃料電池的操作溫度降至800℃以下，就可以采用金屬連接體，從而大大降低電池的材料成本，同時降低了電池組件之間的相反應速率，同時電池組件熱膨脹系數不同對電池穩定性的影響也變小，使得密封變得容易。

然而隨著溫度的降低，常規電解質支撐的SOFC的電解質歐姆電阻和電極極化電阻急劇增大，導致電池的功率密度快速下降。為了保證在低溫下也具有高的功率密度，開發新型的在低溫下具有高活性低極化電阻的陰極材料成為必要。由于氧的活化是一個較為困難的過程，開發新型低溫高活性陰極材料已成為研究的熱點。目前研究最多的是鈣鈦礦型陶瓷材料，由于其優良的ORR活性和較高的氧離子遷移率，使用這類不僅可以降低成本還可延長陰極的使用壽命。