[发明专利]一种中温固体氧化物燃料电池纳米纤维复合阴极制备方法

说明书

技术领域

    本发明属于能源材料技术领域，涉及一种中温固体氧化物燃料电池纳米纤维结构复合阴极制备方法。

背景技术

工作温度在600-800℃范围的中温固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效、清洁绿色替代能源，在便携式器材、汽车辅助电源以及分散供电系统等领域具有潜在的应用前景。SOFC单电池由阴极、电解质与阳极构成，其中，阴极是限制中温SOFC输出功率的主要因素。为提高SOFC的输出功率，阴极材料必须具备高氧还原催化活性，即低极化阻抗。钴基钙钛矿结构氧化物是一种离子-电子混合导体材料，具有高氧还原催化活性，是重要的中温SOFC阴极材料。但是，该类阴极材料普遍具有较高的热膨胀系数，与电解质材料不匹配，容易导致SOFC热循环过程中的结构开裂与性能劣化。

制备复合阴极，即在钴基钙钛矿氧化物中加入氧离子导体电解质相构成复合材料，是提高SOFC阴极综合性能的可行途径。氧离子导体电解质相的加入，一方面能够降低复合阴极的热膨胀系数，实现SOFC组元材料的热膨胀匹配，从而提高SOFC在高温运行过程中的结构与性能稳定性，另一方面，还有利于提高阴极材料的离子传导，增大空气-离子传导相-电子传导相三相反应界面，进而提高阴极的氧还原催化活性，降低阴极极化阻抗。

中温SOFC复合阴极材料一般采用粉体机械球磨混合-高温烧结方法制备，采用这种制备方法，首先必须分别合成单相阴极与电解质粉体材料，然后将粉体经过机械球磨混合均匀，最后经过1000℃以上高温烧结制得。利用这种方法制备的复合阴极，虽然相对单相阴极催化活性有所提高，但由于颗粒尺寸较大（微米量级）、电极反应活化面积与三相反应界面较小，导致复合阴极600-650℃低温范围的极化阻抗依然较大，不能满足中温SOFC的要求。溶液渗透-高温烧结是另一种制备复合阴极材料的方法。2009年，中国科技大学夏长荣等人申请专利 “一种中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料及其制备方法” , 授权公告号为CN 100511788C。该专利报道了一种由阴极材料薄膜与电解质基底构成的复合阴极及其溶液浸渍-烧结制备方法：先用金属硝酸盐前驱体制备电解质粉体，并制备浆料，经过高温烧结制备电解质基底，将浆料印刷到基底上烘干、高温烧结，得到多孔三维网状电解质骨架，然后配置阴极前驱体溶液，经过多次浸渍-干燥-高温烧结循环操作，最终获得质量比为50-55%的复合阴极材料。中国科学院上海硅酸盐研究所王绍荣等人申请专利“一种中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料及其制备方法” , 授权公告号为CN 101515646 B。该专利报道了一种中温固体氧化物燃料电池复合阴极及其溶液浸渍-高温烧结制备方法：首先用固相合成法制备离子导电相电解质粉体，柠檬酸- 硝酸盐法制备阴极材料粉体，然后浆料丝网印刷到氧化钪稳定的氧化锆(SSZ) 电解质上，烘干并处理后得到三维多孔的氧离子导电相骨架( 或阴极材料骨架)，再将阴极材料( 或离子导电相材料) 前躯体溶液滴加在离子导电相骨架( 或阴极材料骨架) 上，干燥并热处理，重复多次获得质量百分比为35％-55％的复合阴极。利用以上所述溶液浸渍-高温烧结方法，能够获得高氧还原催化活性复合阴极，但是，制备过程中首先需要合成粉体、高温烧结骨架结构，并且由于每次浸渍溶液量有限，需要多次浸渍-干燥-高温烧结循环操作，才能获得所需含量的复合阴极，整个复合阴极制备过程步骤多、操作繁杂、制备周期长。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种中温固体氧化物燃料电池复合阴极

的静电纺丝制备方法，简化复合阴极制备工艺，同时通过制备纳米纤维结构提高复合阴极的氧还原催化活性。

本发明的技术方案如下：

本发明所述中温固体氧化物燃料电池纳米纤维结构复合阴极材料的制备方法，包括首先配制钙钛矿结构氧化物组分和氧离子导体电解质组分混合纺丝溶液，然后利用静电纺丝技术将以上混合溶液进行纺丝制备复合纤维，复合纤维干燥后，经过高温烧结，获得纳米纤维结构复合阴极。所制备的复合阴极纤维直径为100-600纳米，纤维由钙钛矿氧化物组分和电解质组分纳米颗粒聚集构成，复合阴极中钙钛矿氧化物组分质量百分比含量为45%-65%。本发明纳米纤维结构复合阴极具体制备步骤包括：

（1）混合纺丝溶液配制：

首先分别配制氧离子导体电解质组分前驱体溶液I和钙钛矿结构氧化物组分前驱体溶液II，然后将溶液I和溶液II混合均匀得到混合纺丝溶液。

氧离子导体电解质组分前驱体溶液I配制过程：