[发明专利]中温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的技术领域，特别涉及双钙钛矿结构中温固体氧化物燃料电池的阴极材料及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池是一种高效清洁能源，它由阴极、阳极和介于两者之间的电解质组合而成。固体氧化物燃料电池阴极材料，要求在高温氧化气氛中具有较好的稳定性和高的电子-离子混合导电性，同时还必须具有良好的催化性能，还要与相应的电解质材料具有好的化学匹配性。与本发明最接近的现有技术是2008年发表的两篇双钙钛矿结构阴极材料的论文，题名分别为“LnBaCo₂O_5+δOxides as Cathodes for Intermediate-Temperature Solid Oxide Fuel Cells，Journal of The Electrochemical Society，155(4)(2008)B385-B390”和“Synthesis，characterization and evaluation of cation-ordered LnBaCo2O5+d as materials of oxygen permeation membranes and cathodes of SOFCs，Acta Materialia 56(2008)4876-4889”。该系列材料在中温固体氧化物燃料电池工作温度范围内(600～800℃)具有较高的电子-离子混合电导率，同时还有较高的氧扩散系数和表面交换系数，对氧还原具有好的催化活性，与有些固体电解质材料有好的化学匹配性。但由于稀土元素价格较昂贵，会限制该系列阴极材料的发展；特别是这些材料的热膨胀系数比较高，导致与固体电解质材料热匹配性较差，会致使阴极层在电池制备过程中或电池工作过程中脱落或电池开裂。因此该系列材料仍需改进才能进一步做中温固体氧化物燃料电池的阴极材料。

发明内容

本发明拟解决的技术问题是，用碱土金属元素Ca、Sr等部分的代替现有技术LnBaCo₂O_5+δ中的稀土金属元素Ln，不仅可以降低原阴极材料热膨胀系数，同时由于本发明中的Ca或Sr的氧化物比Ln的氧化物具有更低廉的价格，因此可以明显降低阴极材料的成本。

本发明是用固相法制备出双钙钛矿结构中温固体氧化物燃料电池阴极材料。

本发明的双钙钛矿结构中温固体氧化物燃料电池阴极材料的分子式通式为Ln_1-xA_xBaCo₂O_5+δ，其中，Ln为稀土金属元素Pr、Nd、Sm、Gd或Y，A为碱土金属元素Ca或Sr；0＜x≤0.5。最佳阴极材料组分为：0.05≤x≤0.3。

本发明阴极材料制备方法的技术方案如下。

一种中温固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法，以稀土氧化物为稀土金属原料，以CaCO₃或SrCO₃为碱土金属原料，以BaCO₃为钡金属原料，以Co₂O₃或Co₃O₄为钴金属原料；按Ln_1-xA_xBaCo₂O_5+δ式中金属离子化学计量比称取金属原料置于研钵中，其中0＜x≤0.5；以无水乙醇为研磨介质，研磨混合1小时，将研磨后的粉体压制成型，在1000～1050℃第一次煅烧10～15小时；再以无水乙醇为研磨介质，将碾碎研磨后的粉体压制成型，在1050～1100℃第二次煅烧10～15小时；最后再碾碎研磨压制成型，在1100～1150℃烧结10～20小时。

所述的稀土氧化物，是Nd₂O₃、Sm₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃或Pr₅O₁₁。

所述的压制成型，可以在200～350MPa压力下成型。

本发明的双钙钛矿结构中温固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法可以进一步的叙述如下：