[發明專利]一種低溫固體氧化物燃料電池復合陰極及其制備方法

有效

• 申請號: 201811293548.4
• 申請日: 2018-11-01
• 公開（公告）號: CN109360991B
• 公開（公告）日: 2021-12-14
• 發明（設計）人: 陳剛;劉海亮;張雪柏;何楊;耿樹江
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86
• 代理公司: 北京易捷勝知識產權代理事務所(普通合伙) 11613
• 代理人: 韓國勝

本發明屬于固體氧化物燃料電池技術領域，尤其涉及一種低溫固體氧化物燃料電池復合陰極及其制備方法。該方法包括如下步驟：S1、將NCA和GDC粉體進行混合，得到NCA/GDC混合粉體；S2、將所述NCA/GDC混合粉體和粘結劑混合，得到陰極漿料；所述粘結劑中含有乙基纖維素和松油醇；S3、將所述陰極漿料制備在GDC電解質片的一側；S4、將涂有陰極漿料的GDC電解質片進行燒結，得到NCA/GDC復合陰極。所述NCA/GDC復合陰極既有高化學性能又與GDC電解質熱膨脹匹配。

技術領域

本發明屬于固體氧化物燃料電池技術領域，尤其涉及一種低溫固體氧化物燃料電池復合陰極及其制備方法。

背景技術

固體氧化物燃料電池(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,被普遍認為是在未來會與質子交換膜燃料電池一樣得到廣泛普及應用的一種燃料電池。

目前研究較多的是高溫SOFC，但傳統高溫SOFC帶來一系列問題，如SOFC性能衰減，成本高等，嚴重阻礙了SOFC商業化的進程。解決問題的方法是通過降低電池的操作溫度來保持其性能，但隨著SOFC操作溫度的降低，陰極材料的氧還原反應(ORR)的催化活性大幅下降，并導致陰極側極化電阻大幅增加，從而降低SOFC電化學性能。有報道顯示傳統的純電子導體La_xSr_1-xMnO₃(LSM)不能滿足低溫固體氧化物燃料電池的需要。La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃、La_0.6Sr_0.4CoO₃、Sm_0.5Sr_0.5CoO₃、Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ等具有離子和電子混合導電(MIEC)能力的陰極和層狀鈣鈦礦氧化物LnBaCo₂O_5+δ(L＝鑭系元素)具有很高的氧離子電導率，這些材料可以將陰極和電解質界面處非常窄的三相界面(TPB)擴展至整個MIEC材料表面。但是直接使用MIEC電極將SOFC的操作溫度降低(即燃燒環境)到600℃以下并不容易。

人們認為通過增加TPB區域的ORR活性點的數量可以降低陰極的低溫極化電阻，并在這方面進行了大量研究。有報道稱通過浸漬法可以將活性材料均勻分散在陰極內部并且使陰極顆粒的連接性變得更好從而提升電池性能。據報道，納米復合陰極可以顯著增加電極的比表面積。然而，當前為了讓SOFC在低溫下具有很高的電化學性能，仍然需要通過復雜的工藝制備非常薄的電解質薄膜才能實現，說明當前使用的陰極材料的ORR催化活性仍然不能滿足低溫固體氧化物燃料電池(LTSOFC)的需要。

改善陰極性能的另一個策略就是開發在低溫具有高的MIEC和良好的ORR催化活性的新型陰極材料。鋰化過渡金屬氧化物通常用作鋰離子電池正極材料，并且通常具有高電子電導率，如果這種材料能具有一定程度的氧離子傳導性，則可以作為潛在的MIEC陰極材料使用。近年來，鋰化過渡金屬氧化物作為SOFC的陰極材料引起了相當的關注，已經有不少文章報道了含鋰氧化物作為SOFC陰極材料，并且取得顯著的電化學性能。

在低溫SOFC中，經常將GDC作為電解質片。然而，由于熱膨脹性不匹配的原因，NCA卻很難單獨燒結在GDC電解質上。

發明內容

(一)要解決的技術問題

針對現有存在的技術問題，本發明提供一種高電化學性能的低溫固體氧化物燃料電池復合陰極及其制備方法，得到既有高化學性能又與GDC電解質熱膨脹匹配的復合陰極。

(二)技術方案

本發明提供了一種低溫固體氧化物燃料電池復合陰極的制備方法，包括如下步驟：