[发明专利]抗二氧化碳的中低温固体氧化物燃料电池阴极材料及应用

说明书

技术领域

本发明涉及到燃料电池领域，具体涉及一种抗二氧化碳的中低温固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备和应用。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)是一种在高温下通过化学反应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发电装置，是最有前景的清洁能源技术之一。降低成本是SOFC商业化的关键问题。因此，降低SOFC的运行温度，发展中低温固体氧化物燃料电池已成为SOFC的研发热点。固体氧化物燃料电池致力于应用到大型固定分布式电站，其商业化的设计寿命至少要高于40000h。在长期的运行过程中，很多因素引起了SOFC的衰减。提高SOFC的稳定性是其商业化需要解决的重要问题之一。SOFC常用的阴极材料是钙钛矿型复合氧化物，这些氧化物多含有碱土和稀土元素。当空气直接作为SOFC的氧化剂时，空气中的微量的二氧化碳、二氧化硫、水汽等易吸附在阴极表面并与阴极反应形成碳酸盐、硫酸盐和氢氧化物等，严重地降低SOFC的性能。因此，研发一种抗二氧化碳的中低温固体氧化物燃料电池阴极是非常重要的。

Ding等人在《Phys.Chem.Chem.Phys》(Phys.Chem.Chem.Phys.15,489-496,2013)指出SrO在La_1-xSr_xCo_yFe_1-yO_3-δ表面的富集。Yokokawa等人在《Journal of Alloys and Compounds》(Journal of Alloys and Compounds452,41-47,2008)计算了(La,Sr)MO_3-δ(M=Mn,Fe,Co)表面的SrO的活度，SrO活度按如下顺序依次降低：(La,Sr)CoO₃>(La,Sr)FeO₃>(La,Sr)MnO₃。在阴极极化条件下，La_1-xSr_xCo_yFe_1-yO_3-δ阴极的Sr元素会进一步向阴极表面富集，而La_0.8Sr_0.2MnO_3+d不会出现这种Sr元素表面富集现象。阴极表面富集的SrO很容易与二氧化碳、二氧化硫、水汽等反应，阻碍了氧在阴极表面交换和氧物种表面扩散过程。如果能够抑制阴极表面SrO的富集，可能会提高阴极抗空气中杂质气毒化的稳定性。La_1-xSr_xCo_yFe_1-yO_3-δ阴极在中低温范围内显示了优良的性能，但会出现表面Sr富集。而La_0.8Sr_0.2MnO_3+d是典型的高温SOFC阴极，不会出现Sr元素表面富集现象，但其在中低温范围的性能非常低。如果将二者的性能和稳定性的优点很好的结合，可能会开发出一种抗二氧化碳的中低温SOFC阴极。本发明就是将Ln_0.8Sr_0.2MnO_3+d（Ln为La,Ce,Pr,Nd,Ga,Sm;0≤d≤0.05）制备到La_1-xSr_xCo_yFe_1-yO_3-δ表面，抑制Sr元素的表面富集，提高阴极的抗二氧化碳的稳定性，此发明具有很大的实用价值。

发明内容

本发明目的在于克服中低温固体氧化物燃料电池阴极不抗二氧化碳毒化的缺点，提供了一种抗二氧化碳的中低温固体氧化物燃料电池阴极材料。

本发明将Ln_0.8Sr_0.2MnO_3+d（Ln为La,Ce,Pr,Nd,Ga,Sm；0≤d≤0.05）制备到La_1-xSr_xCo_yFe_1-yO_3-δ中，得到复合阴极材料。在中低温范围内，该阴极显示了良好的电化学性能，展示了非常好的抗二氧化碳的稳定性。

为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：