[发明专利]阴极材料、含其的阴极和含其的固体氧化物燃料电池

说明书

技术领域

本公开内容涉及用于燃料电池的阴极材料、包括所述材料的用于燃料电池的阴极和包括所述材料的固体氧化物燃料电池。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是高效且生态环境友好的电化学发电单元，其将燃料气体的化学能直接转化为电能，同时使用固体氧化物作为电解质。相比于其它类型的燃料电池，SOFC具有许多的优点，在于例如它使用相对便宜的燃料材料且具有对于燃料杂质的相对高的耐受性、混合发电能力和高效率。此外，SOFC可直接使用基于烃的燃料而不需要将燃料重整为氢气，这简化使用SOFC的燃料电池系统且因此降低成本。SOFC包括其中燃料例如氢气或烃被氧化的阳极、其中氧气被还原为氧离子(O^2-)的阴极、和对于氧离子(O^2-)传导性的离子传导固体氧化物电解质。

常规的SOFC具有几个问题，在于它必须使用可经受高温的合金或昂贵的陶瓷材料，因为SOFC在约800℃-约1000℃的高温范围下运行，它需要长的用于初始系统驱动的时间，且遭受在长时间运行后材料耐久性的下降。因此，SOFC的总成本是使SOFC商业化的最大障碍。

因此，存在许多正在进行的关于降低SOFC的运行温度到低于800℃的研究。然而，SOFC的运行温度的降低造成SOFC的阴极材料的电阻的显著增加，且这样的增加是对SOFC输出密度降低产生影响的主要因素。这样，因为SOFC的运行温度的降低显著地影响SOFC的阴极中的电阻的大小，因此已积极尝试当在低/中温下运行SOFC时降低SOFC的阴极的电阻。

发明内容

提供降低阴极中的极化电阻的用于燃料电池的阴极材料。

提供包括所述用于燃料电池的阴极材料的用于燃料电池的阴极。

提供包括所述用于燃料电池的阴极材料的固体氧化物燃料电池。

其它方面将部分地在随后的描述中阐明，和部分地从所述描述明晰或者可通过所呈现的实施方式的实践而获知。

根据本发明的一个方面，用于燃料电池的阴极材料，包括钙钛矿型金属氧化物；和用至少两种镧系元素共掺杂的基于二氧化铈的金属氧化物，所述镧系元素具有约0.95-约的平均半径。

所述钙钛矿型金属氧化物可由如下式1表示：

[式1]

A_1-xBO_3±δ

其中A是选自镧系元素和碱土金属元素的至少一种元素，B是选自过渡金属元素的至少一种元素，0≤x≤0.2，且δ表示氧过剩量或缺乏量。

根据实施方式，在式1中，A可为选自La、Ba、Sr、Sm、Gd和Ca的至少一种元素，且B可为选自Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ti、Nb、Cr和Sc的至少一种元素。

根据实施方式，所述钙钛矿型金属氧化物可由如下式2表示：

[式2]

A’_1-y-zA”_y-z′B′O_3±δ

其中A’是选自Ba、La和Sm的至少一种元素，A”是与A’不同的选自Sr、Ca和Ba的至少一种元素，B′是选自Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ti、Nb、Cr和Sc的至少一种元素，0≤y＜1，0≤z≤0.2，0≤z′≤0.2(其中0≤y+z＜1，y＞z′和0≤z+z′≤0.2)，且δ表示氧过剩量或缺乏量。

所述基于二氧化铈的金属氧化物可具有萤石晶体结构，且双重掺杂在基于二氧化铈的金属氧化物中的所述镧系元素的平均半径可为约0.90-约例如约0.96-约根据实施方式，所述基于二氧化铈的金属氧化物用选自Sm、Pr、Nd、Pm、Eu、Gd、Tb、Dy和其合金的至少两种元素共掺杂。

根据实施方式，所述基于二氧化铈的金属氧化物由如下式3表示：

[式3]

Ce_1-a-bSm_aM_bO₂

其中M是选自Pr、Nd、Pm、Eu、Gd、Tb、Dy和其合金的至少一种，0＜a≤0.20，0＜b≤0.20和0＜a+b≤0.3。

在式3中，b可为a/2或更小。

所述钙钛矿型金属氧化物与所述基于二氧化铈的金属氧化物的重量比可为约1∶9-约9∶1，且更特别地，约3∶7-约7∶3。

根据实施方式，除了所述钙钛矿型金属氧化物和所述基于二氧化铈的金属氧化物之外，所述用于燃料电池的阴极材料可进一步包括尖晶石型金属氧化物。