[发明专利]一种抑制高温燃料电池阴极与电解质间界面反应的方法

说明书

本发明公开了一种抑制固体氧化物燃料电池阴极与电解质间界面反应的方法，采用钙钛矿型复合氧化物与适量MO₂(M＝Ti,Nb,Ce,Ru,Sn)氧化物均匀混合构成复合阴极，将复合阴极直接烧结在电解质表面，利用MO₂氧化物容易与钙钛矿型氧化物反应形成对氧还原无有害影响的反应产物，从而抑制复合阴极中钙钛矿型氧化物与电解质反应及低电导率相的形成，提高电池性能。本发明可以有效地抑制钙钛矿型复合氧化物阴极与氧化锆基电解质间界面反应，将高性能的钙钛矿型复合氧化物阴极材料直接应用于氧化锆基电解质上，无需在电解质表面制备氧化铈基隔层，减少了电池制备工艺的复杂性，降低了电池制备成本。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种抑制高温燃料电池阴极与电解质间界面反应的方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)可以在高温下通过电化学反应将燃料的化学能转化为电能，具有燃料灵活，发电效率高，环境友好等特点，是一种非常先进的能源转换技术。

SOFC膜电极具有“三明治”结构，致密的电解质膜位于中间层，两侧分别为多孔阳极和阴极。钙钛矿型复合氧化物具有ABO₃结构，是固体氧化物燃料电池常用的阴极材料。其中，A位为稀土或碱土元素，B位为过渡金属元素。锶掺杂亚锰酸镧La_1-xSr_xMnO₃是典型的高温SOFC阴极材料，与YSZ电解质化学相容性较好，但La_1-xSr_xMnO₃阴极在低温下催化氧还原活性较低，不能满足中低温SOFC的性能要求。锶掺杂钴酸镧La_1-xSr_xCoO₃、锶掺杂钴酸钐Sm_1-xSr_xCoO₃、锶掺杂钴铁酸镧La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃、钴铁酸锶钡Ba_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃(BSCF)等材料在中低温下显示出很好的催化氧还原活性，提高了中低温电池的性能，但是这些含钴类阴极与YSZ电解质的化学相容性较差，当其直接应用于YSZ电解质表面时，在阴极高温(≥950℃)烧结过程中，阴极与电解质会反应形成低电导率相SrZrO₃和La₂Zr₂O₇，引起阴极阴极/电解质界面电阻增加，导致电池性能降低。

为了避免或减少含钴类阴极与YSZ电解质间有害界面反应，研究者开展了相关研究。例如，在YSZ电解质表面优先制备氧离子导体骨架，然后将含钴类阴极溶胶浸渍到氧离子导体骨架上，并在相对低的温度下(≤800℃)焙烧，得到复合阴极，从而有效抑制阴极与电解质间界面反应(A.Samson,M.R.Knibbe,N.Bonanos,Journal of TheElectrochemical Society,158(6)B650-B659(2011)；LF.Nie,MF.Liu,YJ.Zhang,ML.Liu,Journal of Power Sources,195(2010)4704-4708)。但是该方法制备的阴极通常为纳米级，电池长期运行时，阴极存在严重烧结问题，并且通过溶胶浸渍制备阴极，单次阴极浸渍量很少，通常要经过反复多次浸渍、焙烧后，复合阴极的量才能达到要求，增加电池制备的复杂性。研究者通过在YSZ电解质与阴极间制备一层氧化铈基隔层，从而抑制含钴类阴极与YSZ电解质间界面反应(一种固体氧化物燃料电池氧化铈基电解质隔层及其制备，申请号：201210147079.1)。但该方法要额外引入隔层制备设备，增加了电池制备成本。可见，如何采用简单、有效、低成本的方法将高性能的钙钛矿型复合氧化物阴极材料直接应用在YSZ电解质表面，是固体氧化物燃料电池研发的一个重要问题。

发明内容