[发明专利]一种中、低温固体氧化物燃料电池三元复合阴极材料

说明书

技术领域：

本发明涉及到YSZ基电解质、CeO₂基电解质、LSGM基电解质中、低温固体氧化物燃料电池阴极材料的合成以及相应的电池阴极的制备。

背景技术：

固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell，SOFC)作为燃料电池的主要种类之一，是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的能量转换装置。

固体氧化物燃料电池主要由三大功能模块组成，阳极(Negative Electrode)、电解质(Electrolyte)、阴极(Positive Electrode)，简称PEN结构。阴极模块的主要作用是将气相O₂还原为O^2-离子，并将其传输到阴极与电解质的界面；电解质的作用是将阴极与电解质界面的O^2-离子通过空位跃迁机理传输到阳极与电解质的界面，同时作为阴极室和阳极室之间的隔膜，阻隔它们之间直接串气；阳极模块的主要作用是催化还原燃料气，使之与通过电解质传递过来的O^2-离子发生反应。

由于SOFC在能量转换过程中没有高温燃烧过程，其能量利用效率不受卡诺循环的限制；进而，其高品质的余热还可以实现热电联供进一步提高其能量利用效率，因而SOFC能量利用效率通常在50％以上，最多可达70％，较基于热机原理的能量转换方法有显著提高。

基于全固态结构，SOFC不存在电解液流失和腐蚀问题；同时，因其电催化剂不使用贵金属，既大幅度的降低了电池的制造成本，又避免了电催化剂的CO中毒问题，进而，拓宽了燃料选择范围，降低了燃料的前期处理成本。正是由于没有高温燃烧过程，SOFC运行过程中基本上不排放CO2和NOx，无粉尘污染问题；同时，除辅助设备外，燃料电池运行过程基本上不产生噪声。因此，SOFC是一种真正的绿色、环保、高效的能量转换装置。

高温SOFC在拥有上述优点的同时，由于工作温度高也引发了许多问题：

1，电池的各组成部件如阳极、阴极、电解质膜及双极连接材料等在电池的工作条件下容易发生高温化学反应，导致电池内阻明显升高，寿命降低；

2，在800℃以上高温下操作时，双极连接体需要采用价格昂贵的铬酸镧材料(LaCrO₃)。铬酸镧难于烧结，其制备过程往往要引入气相沉积等物理方法，工艺成本高，且难于控制；

3，高温操作对电池堆各部件的热膨胀匹配性质提出了更严格的要求；

4，电解质隔膜、密封材料、双极连接材料等即要暴露在氧化性气氛下，也要暴露在还原性气氛下，对材料的化学稳定性要求较高；

5，利用碳氢化合物作燃料时，镍基阳极容易积碳而导致失活。

以上这些困难严重阻碍了高温SOFC电池堆商业化的步伐。降低SOFC的操作温度到600～800℃之间，前述优点依然能够保留，但对电池关键材料性能的要求将大大降低，而且可以拓展燃料的选择范围。尤其是可以采用韧性好、价格低的抗氧化不锈钢作为双极连接材料，技术和成本优势明显。因而，降低SOFC的操作温度，开发中、低温SOFC是固体氧化物燃料电池得以尽早实现商业化的必由之路。但是，操作温度降低，电解质电阻明显增加，电极活性尤其是阴极活性显著降低，从而造成电池的输出功率密度大幅度下降。因此，开发中、低温固体氧化物燃料电池的工作集中在以下方面：

1，研制高电导率的新型固体电解质以降低电解质膜的内阻，同时开发相应的电极材料；

2，降低电解质膜厚度，制备薄膜负载型电池，从而降低电解质膜的内阻；

3，开发高活性的阴极电催化材料并优化阴极结构，降低阴极阻抗；

4，改善电池膜电极组件内部各部分之间的物理连接，降低界面电阻；

5，针对碳氢化合物作燃料，研制中温抗结炭阳极；

大量的研究实验表明，对于确定的电解质材料，为了保证电池稳定工作，电解质薄膜的厚度最低极限为10～20μm。同时，对于此类阳极负载薄膜型电池，交流阻抗实验结果表明，当电池在600℃～800℃工作时，整个电池的内阻主要来自电池的阴极极化电阻。因此，在开发实用型中、低温固体氧化物燃料电池研究工作中，能否开发出高效的阴极材料是问题的关键所在。