[发明专利]一种中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种中温固体氧化物燃料电池的复合阴极材料及其制备方法，属于固体氧化物燃料电池技术领域。

背景技术

固体氧化物燃料电池是所有燃料电池中能量利用效率最高的，可达90％，发电效率也能高达70％，因此在大量消耗能源的电力系统和交通运输系统有很大的竞争力，其应有潜力很大。但传统的高温(800℃-1000℃)固体氧化物燃料电池仍然存在一些问题，如电极的烧结，电解质与电极之间的界面化学扩散，陶瓷连接板成本过高以及金属连接体易于氧化等，严重阻碍了固体氧化物燃料电池商业化的进程。解决问题的方法在于降低电池的工作温度，但由于电极活性随温度的下降而迅速降低，极化电阻增大，所以传统的高温燃料电池的阴极材料一锶掺杂的锰酸镧(LSM)已不适合在中温(600℃-800℃)条件下工作，无法作为中温固体氧化物燃料电池的阴极材料应用。

将电极材料与电解质等氧离子导电材料混合制成的复合阴极可以增大电化学反应得三相界面，从而提高电极的催化活性，如La_0.8Sr_0.2Co_0.4Fe_0.6O₃与CGO混合，LSM与YSZ或SSZ混合，LBSM与ESB混合制备的复合阴极材料等能很好的提高阴极的电化学性能，但由于复合阴极中两相烧结温度的差异，在制备复合阴极的过程中，就很难同时保证复合阴极较高的孔隙率和复合阴极与电解质之间很高的结合强度。如LBSM与ESB直接混合制备的复合阴极，在高温烧结时，由于ESB促进了复合阴极的烧结活性，从而使复合阴极容易烧结导致其孔隙率下降。

发明内容

为了解决目前高温固体氧化物燃料电池的阴极材料已不适合在中温条件下工作，直接混合复合阴极两相烧结温度差异导致难以同时保证复合阴极较高孔隙率和复合阴极与电解质之间很高的结合强度的问题，本发明的目的在于提供适用于中温(600-800℃)固体氧化物燃料电池复合阴极材料及其制备方法。

本发明所述的适用于中温(600-800℃)的固体氧化物燃料电池的复合阴极材料是由氧离子导电性能优异的离子导电相Bi_1-xA’_xO_1.5和阴极材料La_0.84-yBi_ySr_0.16)Mn O_3-δ组成，所述的复合阴极材料的组成通式为Bi_1-xA’_xO_1.5-(La_0.84-yBi_ySr_0.16)MnO_3-δ(A’SB-LBSM)；其中A’为掺杂元素，0.2≤X≤0.3，0≤Y≤0.15，δ代表氧缺位；LBSM的质量百分组成为整个复合阴极的35％-55％。

特征在于所述的固体氧化物燃料电池复合阴极材料中A’掺杂元素可为La、Ba、Y或Er。

特征在于所述的固体氧化物燃料电池复合阴极材料中X＝0.3，Y＝0.10时则所述的固体氧化物燃料电池复合阴极材料中当A’为Er时，所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料的组成通式为Bi_0.7Er_0.3O_1.5-(La_0.74Bi_0.10Sr_0.16)MnO_3-δ(ESB-LBSM)。

本发明还提供了上述复合阴极的制备方法。所述复合阴极由分步制备而成，利用具有高烧结活性低烧结温度的ESB(或LBSM)在SSZ电解质制备与其结合牢固的多孔骨架作为氧离子(或电子)传输相，离子注入法引入LBSM(或ESB)作为电子(或氧离子)导电相组合成ESB-LBSM复合阴极。本发明实施例所述的复合阴极的骨架材料可以采用固相反应法，柠檬酸-硝酸盐法或共沉淀法等方法来制备。本发明的复合阴极材料中的骨架材料ESB采用固相反应法制备，骨架材料LBSM采用柠檬酸-硝酸盐法制备：(详见实施例)

具体地说，本发明提供的复合阴极材料的制备由下面两种方法中任一种：

方法一

①氧离子导电相粉体的制备；②制备好的氧离子导电相粉体制备成相应的浆料；③将制备成的浆料用丝网印刷方法印刷在固体电解质的两侧面上，形成三维多孔的氧离子导电的骨架；④配制LBSM阴极材料前驱体溶液；⑤浸渍LBSM前驱体溶液并自然干燥；⑥热处理；⑦重复步骤⑤和⑥使LBSM阴极材料在整个复合阴极中的质量百分数为35-55％。