[发明专利]具有石榴果实结构的固体氧化物燃料电池阴极材料及制备

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有石榴果实结构的高性能中低温固体氧化物燃料电池复合阴极，具体为LSCF-GDC“石榴籽”层层叠叠附着在YSZ骨架“隔膜”上的LSCF-GDC&YSZ纳米复合阴极。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的能源转化装置，可以用于便携式电源，热电联供以及大型发电设备，其效率高，无污染，燃料选择范围广，氢气、甲烷，生物气等碳氢化合物都可以用作固体氧化物燃料电池的燃料，应用前景广阔，因而成为众多学者研究的热点。高温固体氧化物燃料电池由于需要昂贵的铬酸镧作为连接体，成本极高，不利于固体氧化物燃料电池的应用。为了降低固体氧化物燃料电池的成本，需要将其工作温度降到700℃以下来利用廉价的金属连接体，但是随着工作温度的降低，SOFC经典的阴极材料LSM/YSZ复合阴极的性能急剧降低,主要原因是LSM材料在低温下催化氧还原的能力较低，产生的极化损失较大，因而成为制约电池性能的主要因素【V.A.C.Haanappeletal./JournalofPowerSources,141,(2005),216–226；Y.J.Lengetal./InternationalJournalofHydrogenEnergy29,(2004),1025–1033.】。为了提高电池在中低温下的性能，开发研制出了一系列新的阴极材料，如(La_1-xSr_x)CoO_3-δ(LSC)【O.Yamamoto；Y.Takeda；R.Kanno；M.Noda./SolidStateIonics,22,(1987),241–246.】,(La_1-xSr_x)(Co_1-yFe_y)O_3-δ(LSCF)【H.Y.Tu；Y.Takeda；N.Imanishi；O.Yamamoto/SolidStateIonics,117,(1999),277–281.】,(Ba_1-xSr_x)(Co_1-yFe_y)O_3-δ(BSCF)【Z.P.Shao；S.M.Haile./Nature,431,(2004),170-173.】等，其中低温下的性能较LSM都有很大的提高，但是这些材料Sr元素容易在表面偏析，与常用电解质YSZ反应生成La₂Zr₂O₇和SrZrO₃等高阻相，因而需要使用铈基电解质或在YSZ电解质上添加一层铈基氧化物隔层来阻止该反应。由于电极的烧结温度较高，铈基电解质也会和YSZ反应生成高阻相铈锆固溶体，降低电池性能。

本专利提供一种具有石榴果实结构的高性能中低温固体氧化物燃料电池复合阴极，具体为LSCF-GDC“石榴籽”层层叠叠附着在YSZ骨架“隔膜”上的LSCF-GDC&YSZ纳米复合阴极。该阴极是通过将LSCF-GDC的原驱体溶液浸渍到高温烧结好的YSZ骨架表面，600～900℃烧结后得到的，其中“石榴籽”LSCF-GDC颗粒尺寸为10～20nm，YSZ“隔膜”是由200nm左右的颗粒连接而成，“长”在YSZ电解质膜(“石榴皮”)上。采用该阴极进行电池测试，700℃和600℃在0.7V的输出功率分别达到1.88Wcm^-2和0.85Wcm^-2(空气为氧化气，氢气为燃料气)，远远高于文献报道的电池性能。原因是LSCF-GDC纳米复合材料颗粒密布在YSZ骨架表面，氧还原反应发生的活性位-三相界面大大增加，YSZ“隔膜”经高温烧结后与电解质膜“长”在一起形成畅通的离子导电通道，并且LSCF-GDC纳米复合颗粒中且GDC的加入抑制了Sr在LSCF表面的富集，从而抑制了高阻相SrZrO₃的生成，显著提高了电极的性能和稳定性，600℃，0.8V定电压放电，300h无明显衰减。

发明内容

本专利提出一种具有石榴果实结构的高性能中低温固体氧化物燃料电池LSCF-GDC&YSZ纳米复合阴极。