[发明专利]包覆结构复合导电陶瓷材料和阴极接触层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于能源材料领域，具体涉及一种包覆结构复合导电陶瓷用于固体氧化物燃料电池（SOFC；Solid Oxide Fuel Cell）阴极接触层及其制备方法。

背景技术

SOFC输出性能的提高，主要在于提高电极催化活性并尽量减小电堆内阻损耗，同时应尽量保持各部件及部件间性能及界面结构的稳定，以保证电堆长期运行时的稳定性。SOFC电堆内阻主要包括各部件自身电阻及各个部件间的接触电阻。当电解质薄膜化及合金连接体的应用使这些部件电阻得到明显降低后，SOFC的内阻就主要表现在各部件间的接触或界面电阻，特别是阴极与电解质的界面电阻及阴极与连接体之间的接触电阻。阴极与连接体之间的接触电阻变化所导致电堆内阻的增加，将极大地影响电堆长期寿命，从而成为制约SOFC发展的主要瓶颈之一[Gazzarri JI,et,al.Journal of Power Sources,2008,176:138-154；Liu SX,et,al.Journal of Power Sources,2008,183:214-225.]。

通常，在阴极与连接体之间加入一层接触层材料，可有效地增加接触面积，并改善其界面电导性能及电堆的长期稳定性。目前电堆中常使用的阴极接触层材料主要为钙钛矿结构材料或贵金属材料。钙钛矿类氧化物陶瓷材料由于在高温下具有较高的电子电导率且与阴极材料具有相同或相近的热膨胀系数，成为一类研究相对较多的接触层材料(Montero X,et,al.Journal of Power Sources,2009,188:148-155;Michael C,et,al.Journal of Power Sources,2011,196:8313-8322.)。但钙钛矿材料一般均具有较高的烧结温度，且在电堆制作温度下(900℃或以下)烧结活性及致密性较差，因此这类材料用于接触层与阴极或连接体结合较弱，从而使其接触面积明显减小，进而导致接触电阻增加，长期稳定性下降。钙钛矿材料作为接触材料一般须在1000℃或更高的温度下才能更好地烧结以保证其与相邻阴极及合金连接体的良好结合，但目前常用的铁素体不锈钢连接体很难承受此温度。常用的贵金属材料如金、铂、钯、银等原则上也可作为阴极接触材料(Sugita S,et,al.Journal of Power Sources,2008,185:932-936)，这类材料虽然表现出较高的电导性能，但贵金属昂贵的价格或高温挥发性（如银）限制了其实际应用。

因此，探索性能优越、廉价实用且稳定的阴极-连接体之间接触层材料，是保证SOFC长期稳定运行的关键，也是SOFC能够真正得到实际应用的必然选择。这种新型阴极接触层材料应具有相对较高的电子电导率，在SOFC电堆实际使用温度具有较高的烧结活性，从而保证其与阴极及连接体具有良好的结合强度。

为克服现有技术的不足，本发明设计开发出一类新型包覆结构复合导电陶瓷材料并应用于SOFC阴极接触层。

发明内容

面对现有技术存在的上述问题，本发明人在此提供一种新型的具有包覆结构的复合导电陶瓷材料。所述复合导电陶瓷材料可作为SOFC阴极-连接体之间的接触层，具有由尖晶石结构相包覆钙钛矿结构相形成的包覆结构。此类复合材料在表现出还原尖晶石材料的低温烧结活性的同时，由于高致密度及高电导钙钛矿颗粒的使用，可有效地提高复合材料的电导性能，其结合了钙钛矿电导率高及还原后的尖晶石粉体烧结活性好的优点。此类包覆结构复合材料成本低廉，性能优越，有望取代昂贵的贵金属作为接触层材料，可极大地降低SOFC制备成本，具有极高的应用价值。

本发明还提供一种具备本发明的包覆结构复合导电陶瓷材料结构的SOFC阴极接触，所述阴极接触层形成于固体氧化物燃料电池的阴极和连接体之间。优选地，所述连接体为涂层合金或合金连接体。本发明提供的阴极接触层，具有由尖晶石结构相包覆钙钛矿结构相形成的包覆结构，其与相邻阴极及连接体结合强度高，表现出明显低的接触电阻及高的稳定性。

本发明提供的SOFC阴极接触层，在SOFC工作环境下，其接触电阻较小、保持低于20mΩ·cm²；优选地保持低于6mΩ·cm²。