[发明专利]固体氧化物燃料电池用低热膨胀阴极材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种固体氧化物燃料电池用低热膨胀阴极材料，所述低热膨胀阴极材料由钡、锶、钴、铁和锰组成，其中Mn部分替代Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3‑δ基阴极材料中Co；替代发生在钙钛矿结构的B位；锰在阴极中的物质含量不超过15%，而化学式中Co和Mn的比例为0.8‑x:x；阴极组成为Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8‑xFe_0.2Mn_xO_3‑δ，其中0<x<0.3。本发明阴极材料释放晶格氧的速度放缓，晶格中氧空位浓度得到控制，热膨胀性随温度的升高而变化缓慢，提高了此阴极与电解质的热匹配性，同时，阴极的电学性能并没有减弱；制备方法简单，设备简单，成本低，重复性好，易实现产业化生产。

技术领域

本发明涉及一种用于SOFC的Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ (BSCF)基阴极材料及其制备方法，属于固体氧化物燃料电池技术领域。

背景技术

BSCF基阴极是铁-钴酸盐中的一种，这类材料在SOFC的中温阶段(600-800^oC)有着较高的电导率，其氧的表面交换系数和氧的自扩散系数都很高。对氧的还原有较高的催化活性，且该阴极材料与铈基电解质不发生化学反应，具有良好的化学相容性。该材料属于ABO₃型钙钛矿结构，其A和B位元素都具有较强的开放性，可以被替代或掺杂。一般情况下，A位掺杂可以增加此钙钛矿结构中的氧空位，增加氧离子的电导率，但是氧空位的浓度决定与材料的热膨胀性密切相关。而B位的变价元素影响着材料的电子导电能力，从而影响发生化学反应的进程。同时，当温度升高时，B位离子被还原，导致晶格中的氧流失，间接的导致氧空位浓度增加，热膨胀系数增大。曾经有文献报道，通过选择某些特定的A位、B位、A和B位元素掺杂，可以提高阴极的电化学性能。

但是，从目前的文献分析来看，一、材料的电学性能增强。此类材料在拥有较高的电化学活性的同时，还伴随着拥有较大的热膨胀系数。当这类材料作为阴极与电解质直接匹配时，由于在升温过程中，热膨胀系数差异较大，直接导致阴极与电解质的剥落、断裂和分离等，最终影响电池在热循环启动中寿命。这种情况一般使用功能梯度材料，减低各个组件间的热膨胀差异，同时，各个功能层的厚度要严格控制到纳米级，对工艺要求极高。另外一种情况，把阴极和电解质按照一定的比例混合作复合阴极，降低复合阴极的整体热膨胀系数，来适配电解质，但长时间运行后，由于材料间热膨胀系数的差异，复合阴极性能也会逐渐减弱。二、材料的热膨胀减弱，电学性能降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固体氧化物燃料电池用低热膨胀阴极材料及其制备方法，通过用Mn部分替代Co，控制阴极材料中氧空位的形成速度，使得BSCF基阴极的热膨胀随温度的升高缓慢的增长，同时，降低BSCF基阴极的热膨胀系数，使得该阴极材料可以直接与CeO₂基、ZrO₂基等电解质直接装配，且电学性能保持良好。

本发明采用的技术方案如下：

固体氧化物燃料电池用低热膨胀阴极材料，所述低热膨胀阴极材料由钡、锶、钴、铁和锰组成，其中Mn部分替代Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ 基阴极材料中Co。

进一步的，所述替代发生在钙钛矿结构的B位。

进一步的，所述阴极组成为Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8-xFe_0.2Mn_xO_3-δ，其中0<x<0.3。