[发明专利]三元催化剂在固体氧化物燃料电池三元复合阴极中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及到燃料电池领域，具体涉及到三元催化剂在固体氧化物燃料电池三元复合阴极中的应用，得到高性能高稳定性的中温固体氧化物燃料电池三元复合阴极。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFCs）是一种将化学能转化成电能的装置，具有能量利用率高、可选择的燃料范围广、对环境友好等特点，是最具有发展潜力的燃料电池。目前制约SOFCs商业化的主要问题是成本和寿命，降低SOFC的操作温度不仅能够降低制备成本还能够提高系统的寿命（当操作温度降低时，可以使用金属合金做连接体；操作温度降低，还能够提高电池电极的稳定性）。降低SOFC的操作温度是目前SOFC领域的发展趋势和研究热点，而阴极的极化电阻是影响Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ电池性能的主要因素。

为了提高中温固体氧化物燃料电池的性能，研究者做了大量的工作，主要是采用新型的高性能的阴极材料替代LSM-YSZ传统阴极，或改变LSM-YSZ阴极结构和制备方法。如专利CN101267038A中介绍了一种新型的阴极材料(Ba_0.6Sr_0.4)_1-xLa_xCo_0.85Ti_0.15O_3-δ,0.05≤x≤0.15，在低温区具有很高的电导率和热稳定性。专利CN101083324A介绍了将阴极材料浸渍到具有三维孔隙的电解质上，然后在低温焙烧生成纳米级的阴极材料，大大提高了电池的低温性能。专利CN102479957A介绍了不同复合材料通过不同的方法一起合成后，电池性能得到了很大提高.

以上专利发明的新材料和方法，应用到中温固体氧化物燃料电池的阴极中，电池的性能提高并不高，并且与电解质的化学相容性不好。本人在专利CN102479958A中介绍了一种催化剂，通过向LSM-YSZ阴极中添加此催化剂，电池的低温性能得到了大大的提高并且稳定性好。向LSM-YSZ阴极中添加催化剂制备出三元复合阴极是提高中温固体氧化物燃料电池性能的很好方法。向CeO₂中添加过渡元素如Mn,Fe,Co,Cu等能够有效的增大CeO₂的储放氧能力，同时加速了氧的解离吸附过程，而La,Zr等的掺杂能够有效的稳定CeO₂的结构，从而提高了催化剂的稳定性。本发明就是将CeO₂与过渡元素和La系元素复合制备成三元复合材料，将其掺杂到LSM-YSZ阴极中形成三元复合阴极，利用催化剂的高的催化氧还原活性来提高电池的中低温性能，此发明具有很大的实用价值。

发明内容

本发明提供了三元催化剂在固体氧化物燃料电池三元复合阴极中的应用。该催化剂修饰LSM-YSZ形成三元复合阴极，此三元复合阴极具有高的氧还原活性和低阴极极化电阻特点，主要是三元催化剂对氧的吸附解离、氧物种传递和电荷转移过程具有高的催化活性，提高中温固体氧化物燃料电池阴极活性和电池的稳定性。

本发明的技术方案如下：

三元催化剂在固体氧化物燃料电池三元复合阴极中的应用，其特征在于：所述催化剂的活性成份是Ce_1-x-yM_xN_yO_2-δ，其中M=Mn,Fe,Co,Ni,Cu中的一种或二种以上;N=Zr,Sm,Gd,La，Pr中的一种或二种以上;x=0.05-0.5,y=0.05-0.5,0.5≥δ≥0；所述催化剂在三元复合阴极中的重量含量是2-30%。

所述催化剂活性成份中M的含量占5-50%，活性成份中N的含量占5-50%，按摩尔百分比计。所述催化剂在三元复合阴极中的含量10-30%，按重量百分比计。

三元复合阴极由催化剂、LSM和YSZ组成，其中LSM为La_1-xSr_xMnO₃，1＞x＞0；YSZ为5-30mol%Y₂O₃稳定的ZrO₂；LSM与YSZ的质量比是1-4。

所述催化剂主要是修饰LSM-YSZ形成三元复合阴极，此三元复合阴极的具有很高的氧还原活性。

此催化剂可采用柠檬酸法、水热合成法、甘氨酸法、共沉淀法制备。

本发明催化剂修饰LSM-YSZ形成三元复合阴极的方法如下：

采用机械混合、硝酸盐浸渍、溶胶浸渍、蒸汽沉积或高温固相扩散方法来修饰电池阴极。

本发明的优点在于：