[发明专利]一种固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池阴极材料，由尖晶石型氧化物和电解质系列材料组成，尤其是其设计、制备及应用于中低温固体氧化物燃料电池。

背景技术

传统的高温固体氧化物燃料电池由于其较高的运行温度(通常在800-1000℃)导致了很多问题，如电池原材料选择范围窄、制备工艺苛刻且成本高、使用寿命短等。降低操作温度至中低温，其所有优点依然能够保留，不仅对电池原材料性能的要求大大降低，而且可以拓展电池原材料的选择范围，尤其是可以采用韧性好、价格低的抗氧化不锈钢作为双向连接体材料，技术和成本优势明显。在中低温范围内以不锈钢作为双向连接体材料，其操作寿命可长达40,000小时，远远大于目前存在阴极材料的寿命，除La_1-xSr_xMnO_3-δ(LSM)阴极材料以外。而众所周之，LSM与掺杂的氧化锆电解质在制备焙烧过程中易发生反应生成高电阻相物质锆酸盐，使电池的极化电阻剧增而电池性能骤降；另外，在800℃以下，LSM对氧分子的催化活化能力速降，这给电池功率输出性能带来很大的困扰。其他钙钛矿型复合掺杂氧化物是良好的氧离子和电子混合导电材料，但其热膨胀系数与电解质材料相差较大，同时其化学稳定性和材料结构稳定性均不佳，在阴极制备过程中易与电解质发生化学反应而生成高电阻相物质。因此为了促进固体氧化物燃料电池的发展，研究开发高稳定、低成本和长寿命的固体氧化物燃料电池阴极材料是必要和迫切的。

当以不锈钢作为双向连接体材料时，研究学者们发现尖晶石型材料可以很好地覆盖在不锈钢双向连接体材料表面，可以有效地保护不锈钢避免氧化并抑制其电阻增加，同时可以阻止不锈钢表面的Cr元素扩散到阴极使其中毒。选择合适的组成元素，尖晶石型材料将会有较高的电子电导率和良好的热膨胀性，比如在800℃尖晶石型材料的电子电导率每厘米可达几十甚至上百西门子，而在20-800℃温度范围内的热膨胀系数为11-12×10^-6K^-1，与其他电池组件的热膨胀系数相接近(摘自Journal of Power Sources，vol 195，2010，p1529)。尖晶石型氧化物材料不含碱土元素和稀土元素，因此其化学结构很稳定且不易于电解质材料发生反应而生成高电阻相物质。与传统的LSM材料相似，尖晶石型氧化物的氧离子电导率较小(摘自Surface&Coatings Technology，vol 201，2006，p4476)，所以通过一定量的氧离子电导材料掺入可提高其综合电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稳定性高、兼容性好和对氧化还原反应催化活性良好的固体氧化物燃料电池阴极材料。

本发明提供一种固体氧化物燃料电池阴极材料，其特征在于：所述阴极材料由尖晶石型氧化物材料与氧离子电导材料粉末组成；其中，尖晶石型氧化物材料粉末的质量占阴极材料总质量的10％～100％，氧离子电导材料粉末的质量为余量，其中所述的尖晶石型氧化物的化学式为：(A，B)₃O₄；其中A和B均选自Li、B、Mg、Al、Si、K、Ca、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Mo、Ag、W、Au、La、Ce、Nd、Sm、Gd、Yb、Bi中的一种或几种。

本发明的固体氧化物燃料电池阴极材料中，所述的尖晶石型氧化物的化学式为M_xMn_yCo_3-x-yO₄其中M选自Mg、Al、Fe、Ni、Cu、Zn、Y、Ag中的一种或几种，且0≤x≤2.0，0≤y≤3.0，3-x-y≥0；M优选为Fe、Ni、Ag中的一种或几种。

本发明所述的氧离子电导材料的组成和结构与燃料电池电解质材料一致或同系列。其中，氧离子电导材料的组成选自：掺杂的氧化锆系列电解质材料；或掺杂的氧化铈系列电解质材料；或镓酸镧系列电解质材料；优选以Sc₂O₃、CeO₂或Y₂O₃掺杂的氧化锆或以Sm₂O₃或Gd₂O₃掺杂的氧化铈。

本发明提供的固体氧化物燃料电池阴极材料的具体制备方法如下：

(1)制备尖晶石型氧化物材料和氧离子电导材料粉末；