[发明专利]非钴中温固体氧化物燃料电池稳定阴极材料及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种燃料电池技术领域的材料，具体是一种非钴基中温固体氧化物燃料电池（SOFC）阴极材料及其作为阴极和复合阴极的应用。

背景技术

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells，SOFCs）是一种可将化石燃料高效、低排直接转化为电能的装置，具有燃料灵活、全固态结构和不使用贵金属作为催化剂等优点，是节能减排和实现可持续发展的一种有效替代能源。传统的SOFC由于工作温度高（800-1000℃），电池材料的在高温下稳定性差、寿命短、材料价格成本高、对电池维护与其他附属设备（如连接体）要求苛刻等，严重地阻碍了其商业化进程。SOFC的中低温化（600-800℃）可扩大电池材料和连接材料等的选择范围，有效降低SOFC的制备和运行成本，并有利于其长期稳定运行和快速启闭，因而中温SOFC(IT-SOFC)引起了人们的广泛关注。但是随着工作温度的降低，阴极过电位迅速增加是阻碍SOFC单电池性能提高和成本降低的瓶颈之一。因此开发具有更高氧还原催化活性、化学稳定性和热膨胀性与电解质匹配的新型阴极材料非常重要。

含钴的钙钛矿氧化物Ln_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃（LnSCF，Ln=稀土元素和碱土金属元素）因具有良好的混合离子-电子导电性和氧传输性质，而被广泛用作中低温固体氧化物燃料电池阴极材料。但是由于LnSCF材料中钴的易挥发、易还原等特性，使得含钴钙钛矿阴极材料存在着高温结构稳定性和化学稳定性较差，热膨胀系数较大，其热膨胀系数与常用中低温电解质材料如掺杂二氧化铈不匹配等问题。所以研究稳定的高性能非钴阴极材料非常重要，因此引起了人们的重视。

从文献《International journal of hydrogen energy》（37，2012，11963-11968；中文译名:国际氢能学报，公开日：2012-06-22）以及中国专利201310158671.6，“一种中温固体氧化物燃料电池的阴极材料及其制备”（公开日：2013-7-31）中发现，人们已经对SrFeO_3-δ钙钛矿氧化物进行A位和B位掺杂得到非钴阴极材料La_xSr_1-xFe_1-yCu_y，虽然改善了SrFeO_3-δ的氧还原催化活性，但阴极阻抗仍然较大，如La_0.6Sr_0.4Fe_0.8Cu_0.2O_3-δ的阴极阻抗700℃为0.306Ω·cm²，并且材料在中温范围的（600-800℃）的稳定性不明。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103296286A，公开日2013-09-11，公开了“一种新型CO₂和H₂O高温共电解的超晶格复合氧电极”，在半电解池片的电解质层上覆盖锶掺杂钴铁酸钡或锶掺杂钴铁酸镧基底层，锶掺杂钴基层状钙钛矿材料活性层覆盖在锶掺杂钴铁酸钡或锶掺杂钴铁酸镧基底层上，锶掺杂钴基层状钙钛矿材料活性层与锶掺杂钴铁酸钡或锶掺杂钴铁酸镧基底层构成新型CO₂和H₂O高温共电解的超晶格复合氧电极；其中，锶掺杂钴铁酸钡或锶掺杂钴铁酸镧基底层为SOEC复合氧电极的基底层，锶掺杂钴基层状钙钛矿材料活性层为SOEC复合氧电极的活性层；SOEC为固体氧化物电解池，BSCF为锶掺杂钴铁酸钡，LSCF为锶掺杂钴铁酸镧，M₂-zSrzCoO₄+δ为锶掺杂钴基层状钙钛矿材料，YSZ为氧化钇稳定的氧化锆，SDC为氧化钐掺杂的二氧化铈，GDC为氧化钆掺杂的氧化铈，Ni-YSZ为镍-氧化钇稳定的氧化锆，Ni-SDC为镍-氧化钐掺杂的二氧化铈，Ni-GDC为镍-氧化钆掺杂的氧化铈。但该技术所用基底层为含钴的钙钛矿材料，存在着高温结构稳定性和化学稳定性较差，热膨胀系数较大，其热膨胀系数与所用的电解质层YSZ、SDC和GDC不匹配，高温长时间工作容易出现因结构变化而出现的性能下降和分层开裂等问题。

发明内容