[发明专利]一种具有新型纳米结构的中低温固体氧化物燃料电池阴极的制备方法

说明书

本发明涉及一种新型的材料制备技术，将具有高离子电导性的钙钛矿材料ABO3‑δ应用到中低温固体氧化物燃料电池阴极中，制备出具有纳米结构的单相阴极。钙钛矿结构材料通式为M1‑xSrxCoyN1‑yO3‑δ，M和N为稀土金属离子或碱土金属离子中的一种或者几种，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤δ≤1。该技术显著特征是利用了超低温冷冻成型和冷冻干燥技术制备前驱体，并且在前驱体煅烧时，首先对前驱体进行氮气气氛下的碳化，然后在空气中采用一步煅烧成型。本发明可以解决目前中低温固体氧化物燃料电池的阴极孔隙率低，表面活性位少，表面氧空穴浓度低导致的氧还原活性差的问题，从而对中低温固体氧化物燃料电池的发展做出贡献。

技术领域

本发明涉及一种具有新型纳米结构的中低温固体氧化物燃料电池阴极的制备方法，属于固体氧化物燃料电池领域。

背景技术

具有高能量转换效率的固体氧化物燃料电池，作为一种非常有前景的能量转化装置，已经引起了人们极大的关注。目前发展中低温固体氧化物燃料电池（SOFC）的瓶颈是缺乏在中低温下具有良好催化活性和稳定性的阴极。在低温下可以通过两种方法来改进SOFC阴极性能：一是通过开发低温下具有较高催化性能的新型阴极材料，二是通过优化阴极微观结构来增大氧还原反应活性位点并降低气体传输引起的极化阻抗。

一些含钴的具有离子电子混合电导的材料，如钙钛矿型Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ、Sm0.5Sr0.5CoO3-δ（SSC）以及LnBaCo2O5+δ（Ln=La、Nd、Sm、Gd和Y）层状钙钛矿对氧还原具有较优的电催化活性。但是这些材料却存在着与电解质之间的相稳定性较差以及热膨胀系数不匹配等问题。为了充分利用单相阴极材料的优势并克服单相阴极材料的缺陷，需要采用新型的电极结构或者电极制备工艺。

目前人们在电极结构优化方面进行的工作主要表现为用丝网印刷或者静电纺丝技术制备具有高离子电导性能的基体骨架，然后将金属硝酸盐溶液浸渍到基体骨架，经过煅烧形成具有纳米结构的复合阴极。该复合电极具有很好的催化性能，但是电极制备工艺复杂且难以重现。主要是因为基体骨架的孔隙曲折因子大，孔隙狭窄，浸渍溶液受到毛细管力的影响难以进入孔隙内部，需要反复多次浸渍和煅烧才能在基体骨架的表面形成连续相，因此该工艺能耗大，不可控因素多，实验重现性差。一些实验结果表明该复合电极的长期稳定性差，电极经过长时间运行，表面的纳米粒子逐渐的长大，促使电极性能恶化。因此寻求制备工艺简单、性能优异且稳定的电极成为发展中低温固体氧化物燃料电池的关键所在。该发明提出的新型阴极采用一步法烧结制备，电极具有特殊的纳米结构，电极内部是致密结构，电极的外表层被分布均匀的纳米颗粒包覆，从而形成具有大比表面积、高催化活性的阴极。该新型结构阴极目前还未见在固体氧化物燃料电池领域的应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有新型纳米结构并且电极工艺简单、成本较低、性能稳定的中低温固体氧化物燃料电池阴极的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：