[发明专利]一种长期稳定的固体氧化物燃料电池高活性阴极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种长期稳定的固体氧化物燃料电池高活性阴极的制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将化学能直接转化为电能的发电装置。在固体氧化物燃料电池电堆中由于很高的操作温度(1000℃-600℃)对连接体等配套设施的材料提出了很高要求，从而极大地提高了生产成本。降低操作温度可以降低材料成本，但同时对电池的阴极活性提出了新的要求。BSCF、LSCF，LSC，LSF等高活性阴极材料在制备过程中容易与常见电解质YSZ发生反应，通过浸渍方法可以避免高温煅烧过程缓解了与YSZ的反应，但浸渍方法得到的纳米材料会在运行过程中颗粒粗化，导致性能的迅速衰减。

因此，本领域迫切需要一种能够长期稳定的固体氧化物燃料电池高活性阴极。

发明内容

为克服在放电过程中固体氧化物燃料电池阴极纳米颗粒粗化，本发明提供了一种简单有效的抑制颗粒粗化的方法，通过将离子导体和电子导体混合的浸渍液浸渍煅烧的方法得到了相互稳定的离子导体和电子导体纳米颗粒。

本发明所提供的长期稳定的固体氧化物燃料电池高活性阴极的制备方法包括如下步骤：

(1)制备骨架层；

(2)将复合浸渍液浸渍到骨架层中，高温煅烧得到阴极。

本发明中步骤(1)所述骨架层的孔隙率在20-60vol％；骨架层材料满足不与电解质及阴极材料发生强烈反应，具体为氧化锆、氧化钇稳定氧化锆、氧化铈、钆或钐掺杂氧化铈、氧化铝、或氧化镁。

本发明中步骤(1)所述骨架层通过将骨架层材料与造孔剂、粘结剂混合后通过泥浆涂覆，丝网印刷，旋转涂覆或溶液钐滴涂中的一种方法覆盖电解质表面，在800-1300℃煅烧得到；造孔剂为石墨、淀粉或PMMA、PS、PVDF聚合物，粘结剂为PVB、乙基纤维素或水杨酸的有机溶液，造孔剂与骨架层材料的质量比0.05-1，粘结剂与骨架层材料的质量比0.5-2。

本发明中步骤(2)所述的浸渍方法为溶液浸渍-煅烧-溶液浸渍-煅烧，重复溶液浸渍-煅烧过程次数6-15次。

本发明中步骤(2)所述的复合浸渍液是硝酸盐的柠檬酸铵、甘氨酸、尿素、EDTA中的一种或二种以上络合液；所述浸渍液中硝酸盐的金属种类和比例由电子导体/离子导体摩尔比例决定，电子导体/离子导体摩尔比例为9/1-3/7。

本发明中步骤(2)所述的煅烧温度为750℃-1000℃，煅烧时间1-4h，从室温升温到煅烧温度的升温速率为1-5℃/min。

本发明中所述络合剂与硝酸盐中金属离子的比例为1/1-2/1。

本发明中所述电子导体是掺杂的锰酸镧、掺杂的钴酸镧、掺杂的铁酸镧或掺杂的铁酸钡钙钛矿材料；所诉离子导体的是掺杂的氧化锆、掺杂的氧化铈或掺杂 的氧化铋。

本发明的有益效果是：解决了浸渍方法制备的高活性纳米电极稳定性的问题；所述的长期稳定的固体氧化物燃料电池高活性阴极的制备方法在保留浸渍方法通过离子导体和电子导体纳米粒子的相互稳定，解决了浸渍电极由于纳米粒子粗化而引起的迅速衰减问题，同时还提高了阴极的电化学性能

具体实施方式

实施例1

将YSZ与50wt％石墨及100wt％阴极胶(含6wt％乙基纤维素的松油醇溶液)混合后通过泥浆涂覆的方式涂覆到阳极支撑电池二合一的电解质YSZ表面上，1200℃煅烧2h，骨架层孔隙率70％。硝酸盐按LSM/YSZ摩尔比6/4的比例溶解于水中，用1.5倍柠檬酸铵络合，将复合浸渍液浸渍到骨架层中，重复10次，850℃煅烧。得到的电池800℃采用氢气/氧气为燃料气和氧化气体时最大功率为2.4Wcm^-2，并且在100-1000h的衰减率只有0.02％。

实施例2

将YSZ与50wt％PMMA(平均粒径3um)及150wt％阴极胶(含6wt％乙基纤维素的松油醇溶液)混合后通过丝网印刷的方式涂覆到阳极支撑电池二合一的电解质YSZ表面上，1100℃煅烧2h，骨架层孔隙率80％。硝酸盐按LSC/GDC摩尔比7/3的比例溶解于水中，用1.2倍柠檬酸铵络合，将复合浸渍液浸渍到骨架层中，重复8次，750℃煅烧。得到的电池700℃采用氢气/氧气为燃料气和氧化气体时最大功率为1.8Wcm^-2，并且在500-1000h无衰减。

实施例3

将Al₂O₃与50wt％PMMA(平均粒径3um)及100wt％阴极胶(含6wt％乙基纤维素的松油醇溶液)混合后通过丝网印刷的方式涂覆到阳极支撑电池二合一的电解质YSZ表面上，1200℃煅烧2h，骨架层孔隙率50％。硝酸盐按LSF/GDC摩尔比5/5的比例溶解于水中，用1.倍EDTA加1.2倍甘氨酸络合，将复合浸渍液浸渍到骨架层中，重复12次，800℃煅烧。得到的电池700℃采用氢气/氧气为燃料气和氧化气体时最大功率为1.2Wcm^-2，并且在400-1000h基本无衰减。