[发明专利]一种用于燃料电池的钒硼共掺杂的阴极材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种用于燃料电池的钒硼共掺杂的阴极材料及制备方法，属于燃料电池阴极材料技术领域。本发明解决的技术问题是提供用于燃料电池的钒硼共掺杂的阴极材料的制备方法。该方法通过使用高价钛的钒、硼对ABO3型钙钛矿的B位进行掺杂，部分高价态的钒原子和硼原子的悬键进行自发结合，提高晶格的活化能，同时降低膜材的自发极化，降低内部极化阻抗的同时提高其结构稳定性。部分悬键作为氧离子吸附点，使氧离子跃迁势垒弯曲，提高氧离子在晶格内部的迁移能力。由本发明方法制备得到的钙钛矿结构阴极材料，在中温下的离子迁移能力和稳定性好，可应用在固体燃料电池中。

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的钒硼共掺杂的阴极材料及制备方法，属于燃料电池阴极材料技术领域。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。固体氧化物燃料电池以氢气、天然气、城市煤气、液化气、生物质气化气等为燃料，将燃料化学能直接转化为电能。由于SOFC具有燃料丰富、清洁高效、可热电联供等特点，可广泛应用于大型电站、分布式电站、家庭热电联供等，被认为是未来电站的变革性技术。

固体氧化物燃料电池单体主要组成部分由电解质、阳极或燃料极、阴极或空气极、连接体或双极板组成。固体氧化物燃料电池的工作原理与其他燃料电池相同，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。

固体氧化物燃料电池采用固体氧化物作为电解质，除了高效，环境友好的特点外，它还有其它燃料电池所不具备的优点：1)、无材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；2)、在高的工作温度下电池排出的高质量余热可以充分利用，使其综合效率可由50%提高到70%以上。当操作温度大于850℃时，电池的尾气可以与热机相结合而对余热进行综合利用，此时燃料电池的能量综合利用率可高达80%以上，所以高温固体氧化物燃料电池适合应用在MW级大型发电站；3)、它的燃料适用范围广，燃料不仅能用H2，还可直接用CO、天然气(甲烷)、煤汽化气，碳氢化合物、NH₃、H₂S等作燃料。

但是，传统的SOFC的操作温度高达1000℃。如此高的操作温度可确保电解质足够高的氧离子电导率及阴极对氧具有良好的催化活性，然而也引入了一系列的问题：促进多孔电极的烧结，加速电极与电解质之间的界面相反应从而大大增加了电池的界面极化电阻，同时对电池的密封和双极板材料及电池的附属设备提出了苛刻的要求。目前国际上普遍认为燃料电池的操作温度降低是决定SOFC在实际中得以应用的关键。当燃料电池的操作温度降至800℃以下，就可以采用金属连接体，从而大大降低电池的材料成本，同时降低了电池组件之间的相反应速率，同时电池组件热膨胀系数不同对电池稳定性的影响也变小，使得密封变得容易。

然而随着温度的降低，常规电解质支撑的SOFC的电解质欧姆电阻和电极极化电阻急剧增大，导致电池的功率密度快速下降。为了保证在低温下也具有高的功率密度，开发新型的在低温下具有高活性低极化电阻的阴极材料成为必要。由于氧的活化是一个较为困难的过程，开发新型低温高活性阴极材料已成为研究的热点。目前研究最多的是钙钛矿型陶瓷材料，由于其优良的ORR活性和较高的氧离子迁移率，使用这类不仅可以降低成本还可延长阴极的使用寿命。