[发明专利]一种高温燃料电池阴极材料及其制备和应用

说明书

本专利提供一种高温燃料电池阴极材料及其制备和应用。其特征在于所述阴极材料由YSZ，LNF与LDC复合而成，其中，YSZ优先制备到电解质膜上，YSZ颗粒尺寸为50‑500纳米，孔隙率为20‑80％；LNF和LDC颗粒尺寸为5‑100纳米，LNF和LDC颗粒均匀分散在YSZ颗粒表面。在所述阴极上，氧还原反应的活性位分布于LNF和YSZ以及LNF和LDC纳米颗粒之间，氧还原反应速率大大加快。采用所述阴极的电池在800℃，以空气为氧化剂，输出功率达到2W/cm²以上，稳定运行500h无衰减。本发明能够显著提高高温燃料电池的性能和稳定性，对推动高温燃料电池实用化具有重大的意义。

技术领域

本发明涉及高温燃料电池领域，具体地说是一种高温燃料电池阴极材料及其制备和应用。

背景技术

高温燃料电池，又称为固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)，或陶瓷燃料电池，它在高温下将燃料的化学能转化为电能，是一种高效、清洁、低碳的发电技术。近年来，为了解决高温燃料电池实际应用所面临的成本、寿命和可靠性等问题，国内外致力于发展中低温固体氧化物燃料电池，研发重点集中在提高电池在中低温下(600-800℃)输出功率。

高温燃料电池的膜电极具有“三明治”结构，致密的电解质膜位于中间层，两侧为多孔的阳极层和阴极层。阴极是氧还原反应发生的位置，发挥了传输氧分子、电子、氧离子及催化氧分子电化学还原的作用。随着运行温度降低，阴极的极化损失显著增加，导致电池性能显著降低，开发出高性能的阴极结构和材料已成为本领域的热点问题。阴极的电化学性能与其微结构密切相关。例如，增加阴极上反应活性位、提高电极-电解质-气体三相界面长度可以降低活化极化损失【J.Fleig/J.Power Sources 105(2002)228–238；T.Horita,K.Yamaji,N.Sakai,Y.Xiong,T.Kato,H.Yokokawa,T.Kawada/J.Power Sources 106(2002)224–230】，强化膜电极的氧离子和电子传输网络可以大大降低欧姆极化损失，而电极中合理孔径分布有利于氢气或氧气的扩散，降低浓差极化。

在膜电极制备方面，通常采用高温共烧结方法将阴极制备到电解质膜上。为了实现电极与电解质间良好的结合，烧结温度一般在1000℃以上，导致电极中孔结构比较单一，往往不能同时满足强化气相传质、增加反应活性位、延长三相界面长度的要求。本发明提出一种高温燃料电池阴极材料，它是由YSZ、LNF和LDC组成的复合阴极。在该复合阴极中，YSZ具有较高的氧离子传导率，传导氧离子至电解质；LNF具有非常高的电子电导率且与YSZ的热膨胀系数匹配，可以传输电子；LDC具有较高的催化氧还原活性，催化氧还原。在复合电极制备过程中，优先制备具有微米级大孔的YSZ骨架，可以改善氧分子的扩散过程，在YSZ骨架的孔道上制备具有纳米级LNF和LDC复合颗粒，形成小孔道，可以大大增加反应活性位以及延长三相界面长度。从而实现阴极较高的电化学性能输出。

发明内容

本发明提出一种高温燃料电池阴极材料及其制备和应用。

所述的一种高温燃料电池阴极材料，具体如下特征：

所述阴极材料由YSZ(8％mol Y₂O₃稳定的ZrO₂)，LNF(LaNi_0.6Fe_0.4O₃)与LDC(La_0.45Ce_0.55O₂)复合而成，其中，YSZ优先制备到电解质膜上，YSZ颗粒尺寸为50-500纳米，孔隙率为20-80％；LNF和LDC颗粒尺寸为5-100纳米，LNF和LDC颗粒均匀分散在YSZ颗粒表面，LNF与LDC质量比为20:80～80:20，LNF和LDC质量总和与YSZ质量比为30:70～70:30。

YSZ颗粒尺寸优选为100-300纳米，孔隙率优选为35-55％；