[发明专利]用于固体氧化物燃料电池和离子传输膜的新型阴极和电解质材料

说明书

政府赞助

本发明是在由能源部给予的DE-FC26-03NT41960的政府赞助下进行的。美国政府在本发明中具有某种权利。

相关申请

本申请要求于2005年8月9日提交的美国临时专利申请序列号No.60/706,836的优先权。

技术领域

本发明涉及新型阴极和电解质材料，用于中等温度固体氧化物燃料电池和离子传输膜，基于具有钙钛矿相关结构和A位阳离子的有序排列的氧化物。

更具体地，本发明涉及一类组合物，其包括至少一种具有通式(I)的化合物：

              (ABO₃)_p(A’BO_2+x)_q(A’O_2+x)_r    (I)

其中p、q和r为整数，x为实数，A为二价金属，A’为三价金属，且B为能够在其正三价氧化态和其正四氧化态之间迅速转化的金属或者这种金属的混合物或组合，且其中该阴极组合物同时具有氧离子扩散性和电子传导性。阴极组合物也可应用于离子传输氧分离膜和阴极。

更具体地，本发明还涉及一类电解质组合物，其包括至少一种具有下列通式的化合物：

              (AB’O₃)_p(A’B’O_2+x)_q(A’O_2+x)_r    (II)

其中p、q和r为整数，x为实数，A为二价金属，A’为三价金属，且B’为非过渡金属，且其中该电解质组合物为纯离子导体。电解质组合物可以用于化学传感器。

更具体地，本发明还涉及包括式(I)和/或(II)的组合物的燃料电池和分离池，和制备与使用其的方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有改进能量效率和为社会提供生产清洁能源的技术的前景。操作的高温使固体氧化物燃料电池能够采用现有化石燃料良好操作，且能够用于热电联合应用或者有效地与涡轮机结合，以实现燃料向电力的非常高效率的转化。SOFC是安静的且无污染的，且它们固有的高效率导致较低的温室气体排放。

目前，在1000℃下操作的固体氧化物燃料电池利用氧化钇稳定的氧化锆电解质(YSZ)、镧锶水锰矿阴极、和镍-YSZ金属陶瓷阳极。电池通过镧锶铬铁矿双极板连接。已研究了用于电池设计的多种几何形状，但是最发达的为Siemens-Westinghouse管状构型，其中将YSZ电解质膜(30～40μm)负载在1.5m长的多孔镧锶水锰矿管上。该Siemens-Westinghouse设计已在100kW规模上成功地展示。

虽然已成功地建立了该技术，但是成本仍保持太高而不能容许SOFC广泛地引入市场。降低成本要求改进材料特别是电极的性能和开发廉价的制作工艺两者。降低操作温度通过容许在互联和热交换器中使用较价廉的材料而显著影响成本。较低的温度还通过减少与热循环相关的问题和由于各种组分的相互扩散或反应引起的性能降低，导致SOFC系统的可靠性增加。美国的一些组织正在开发在3～10kW规模下平面和管状构型两者的中等温度SOFC，用于分散的热电联合与用于辅助电源。

中等温度(500～800℃)下SOFC的操作要求新的电解质和电极材料的组合，其将提供横跨电解质和电极-电解质界面的快速离子传输以及氧还原与燃料氧化反应的有效电催化两者。

混合的离子电子传导(MIEC)氧化物为离子传输膜(ITM)的主要功能组分。ITM在高温下通过如下操作：在一个膜表面催化氧分子的离解和还原，随后偶联传输阳离子和两个电子空穴通过松散材料。在第二表面上，氧化物离子用作用于烃如甲烷的催化反应的氧化剂以形成合成气或者再结合以获得将电子释放回膜的分子氧。在后者情形中，该膜起到高温氧分离器件的作用。离子传输膜体系在设计方面比SOFC简单，因为无需外部电路，但是同时材料要求非常苛刻，因为横跨该膜的氧活性的大梯度。ITM的整体性能由强烈地偶联在一起的松散传输和表面反应来确定。

由此，本领域中需要一类新型材料，其容许SOFC和ITM在中等温度下操作。

发明内容

本发明提供了一种新型的阴极组合物，具有优异的用于氧还原的性能，其适合在约400℃～约800℃的中等温度下使用。

本发明提供了一种新型的电解质组合物，其在约400℃～约800℃的中等温度下具有优异性能。