[发明专利]稀土元素掺杂的BaFeO3-δ基的ABO3型钙钛矿燃料电池阴极材料及其用途

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种稀土元素掺杂的BaFeO_3-δ基的ABO₃型钙钛矿中低温固体氧化物燃料电池阴极材料。

背景技术

固体氧化物燃料电池作为一种电化学能量转换装置，将燃料中的化学能直接转化为电能，具有能量转化效率高、污染物排放少和燃料适用范围广等突出优点。传统的SOFC的操作温度高达1000℃，如此高的操作温度可确保电解质有足够高的氧离子电导率及阴极对氧具有良好的催化活性。然而也引入了一系列的问题：促进多孔电极的烧结，加速电极与电解质之间的界面相反应从而大大增加了电池的界面极化电阻，同时对电池的密封和双极板材料及电池的附属设备提出了苛刻的要求。

传统的SOFC阴极材料为La_1-xSr_xMnO₃(LSM)，由于其与Y₂O₃稳定的ZrO₂(YSZ)电解质具有优异的相容性，高化学和结构稳定性和高电子电导率等突出优点，其仍然是目前最为常用的高温阴极材料。LSM的一个显著特点是在没有极化电流的情况下为纯电子导体，因而氧在以LSM为阴极的电池上的电化学还原严格局限在电极-电解质-空气三相界面上。然而随着温度的降低，LSM阴极极化电阻急剧上升，导致电池的功率密度快速下降。如何提高阴极的中低温性能成为目前SOFC中低温化的关键所在。采用混合氧离子电子导体氧化物作为阴极材料，可成功地将电极反应区域从传统的三相界面扩展到整个电极的表面，进而大大提高了电极在低温下对氧的活化性能，因而近年来开发新型的混合导电型阴极材料成为固体氧化物燃料电池中低温化最为热门的研究领域。

目前混合导体氧化物多为含钴氧化物，其突出特点是对氧电化学反应还原具有好的催化活性，但是此类含钴氧化物通常都具有较高的热膨胀系数及较低的化学结构稳定性。非钴基的钙钛矿型阴极和LSM阴极相比，在中低温时具有更高的电化学性能，和含钴的钙钛矿型材料相比，又具有低热膨胀系数，高化学稳定性和热稳定性，是一类非常有潜力的阴极材料。

发明内容

本发明目的为了改进现有中低温固体氧化物燃料电池阴极材料的不足而提供一种稀土元素掺杂的BaFeO_3-δ基的ABO₃型钙钛矿燃料电池阴极材料，本发明的另一目的是提供上述阴极材料在中低温固体氧化物燃料电池阴极材料中的应用。

本发明的技术方案为：稀土元素掺杂的BaFeO_3-δ基的ABO₃型钙钛矿燃料电池阴极材料，其特征在于所述材料的分子式为Ba_1-xLn_xFe_1-yLn_yO_3-δ的钙钛矿氧化物，其中Ln选自Sc，Y或镧系元素的一种；x，y有且只有一个为0，且0≤x＜1，0≤y＜1，优选0≤x≤0.2，0≤y≤0.2；δ为氧空穴浓度，-0.5＜δ＜0.5。

优选所述的镧系元素为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy或Yb的一种。

本发明在BaFeO_3-δ基的A位或B位进行少量稀土元素掺杂，可以提高阴极材料的性能，增强材料的混合导电性能，这些优点使得本发明的材料成为中低温固体氧化物燃料电池阴极的理想材料。