[发明专利]一种新型钙钛矿太阳能电池技术发展的新一代先进燃料电池

说明书

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池(SOFC)技术领域，具体涉及用新型钙钛矿太阳 能电池技术发展新一代的先进燃料电池，公开了材料和器件的构造。比传统的SOFC 技术构造的燃料电池性能提高3-5倍，且廉价。

背景技术

最近太阳能电池在新型钙钛矿材料和技术的出现后得到日新月异的发展，转换 效率是目前所有太阳能电池中最高的，达到近20％。除了其特异功能的钙钛矿结构 的有机-无机杂化材料的优异物理性能外，其特殊的器件构造技术和结构是另一个成 功的原因。究其器件结构，我们知道有机-无机钙钛矿为关键的功能层，是有效产生 电荷载流子和电荷分离的关键材料，电子导电TiO₂层和空穴导电层制约器件载流子 和电流的输出。因为有机-无机钙钛矿材料本身是空穴导电特性，加上有机空穴导电 材料比黄金贵10倍的价格，所以，也有大量的研发是不要空穴导电层的新一代太阳 能电池，虽然其转换效率有所损失。但是，对于廉价的无机陶瓷空穴导电材料其造 价就根本不是问题。完全按照此先进钙钛矿太阳能电池来发展新一代先进燃料电池 则是绝无仅有的发明。

根据钙钛矿太阳能电池的结构和原理，我们用p-型钙钛矿氧化物，例如镧(钡) 锶钴铁(La，BaSrCoFe)氧化物代替有机-无机钙钛矿杂化材料，同时加入高离子导 电材料，钐和钙共同掺杂的氧化铈，SmCa-CeO₂，或者La-Nd-Sm，La-Nd-Sm-Pr多 离子掺杂氧化铈，形成半导体-离子的新型复合功能材料。这是关键的核心材料的发 明。其次用n-型电子导电的钙钛矿氧化物，如镍、钴、铁修饰的镧锶钙钛氧化物或 锶铁钼氧化物作为电子导电层，以及廉价的镍钴锂或镍钴铝锂(NCL或NCAL)氧化物 为空穴导电层构造新型燃料电池。进一步结合燃料电池的特点，用泡沫镍为阳极支 撑和集电极相当于钙钛矿太阳能电池的ITO或者FTO导电玻璃，而太阳能电池阴极 这边的金属集电极通常为金则可以在燃料电池省掉或者也用泡沫镍代替。

钙钛矿氧化物是最有效的先进SOFC电极材料。它具有良好的电子、空穴的导电 性以及一定的氧离子导电。钙钛矿具有ABO₃结构。A是大的阳离子，通常为稀土 元素镧等，碱金属元素钡等，具备12-个氧离子协同构型，而小的过渡金属元素例 如Ti，Cr，Co，Fe，Mn等为6度氧离子对称协同环境。我们选择La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-1(LSCF)为例，这是把锶掺杂进钴酸镧氧化物结构形成的A-改性钙钛矿结构材料。 它具有高的p-型电导率，900℃时达到230S/cm²，并具有高的氧离子电导率0.2S/cm， 已发现LSCF在SOFC中有好的电极催化活性。

另一方面，钛酸盐是一类新兴电子导电的钙钛矿结构材料，例如镧掺杂钛酸 锶(LST)。但是由于其低的电子导电性需要进一步通过对A-位修饰而提高电子导 电性。另外利用B-位的离子在氧化和还原不同气氛的变价特性提高其电化学和电 极的催化活性和燃料电池的性能，例如La_0.2Sr_0.25Ca_0.45TiO₃(LSCT)并进一步用过渡 金属元素，Ni，Cu，Co，Fe来改性提高导电性和电极催化活性。

为了实现燃料电池的性能，需要高性能的离子导电材料。我们采用掺杂或多离 子掺杂，例如Sm³⁺和Ca²⁺共掺杂，La-Pr-Nd多掺杂的氧化铈，实现高的离子导电 性。据报道Sm³⁺和Ca²⁺共掺杂氧化铈是迄今为止最高氧离子电导率的材料在温度为 700℃时达0.1S/cm。进一步制备p-导电的LSCF钙钛矿和掺杂氧化铈的半导体离子 新型功能的复合材料。我们还发现，用锂掺杂的过渡金属氧化物代替钙钛矿氧化物 和掺杂氧化铈制备的半导体离子复合材料，能够获得更好的燃料电池性能，特别是 商业的锂电池正极材料NCL和NCAL。

最后按照钙钛矿太阳能电池的构造和技术来发展和构造新一代先进燃料电池， 如下所述。

发明内容

本发明的目的是采用最近太阳能电池的先进技术和原理发展新一代先进燃料电 池。提供固体氧化物燃料电池商业化一条新路。