[发明专利]一种浸渍法制备固体氧化物燃料电池的纳米复合阴极材料的方法

说明书

本发明提供一种浸渍法制备固体氧化物燃料电池的纳米复合阴极材料的方法，其包括以下步骤：采用丝网印刷法，在YSZ电解质的表面涂覆YSZ‑LSM复合浆料，并高温烧结制得LSM‑YSZ/YSZ/LSM‑YSZ对称的阴极骨架；制得浓度为0.1~0.5 mol/L的YDC浸渍溶液；将阴极骨架浸入YDC浸渍溶液中，并抽成真空；干燥移入高温炉在500~800℃下煅烧1~4 h，使硝酸盐转变为YDC纳米颗粒；重复步骤（3）、（4），制得纳米复合阴极材料。本发明采用的溶液浸渍法，可大幅降低阴极在中温范围内的极化电阻，提高单体电池的输出性能。

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种浸渍法制备固体氧化物燃料电池的纳米复合阴极材料的方法。

技术背景

能源是人类社会赖以生存和发展的重要基础。当今社会，化石能源(煤炭、石油、天然气)仍然是世界范围内最主要的能源资源，但是这些能源将随着人类社会的高速发展陆续被消耗殆尽。而且，化石能源在燃烧的过程中会排放出大量的废水、废气，加剧了环境污染和温室效应。因此，为了实现人类社会的可持续性发展，寻找一种新的能源技术迫在眉睫。

固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种全固态的发电装置，能够将燃料中的化学能直接转化为电能，不受卡诺循环的限制，因此能量转化效率非常高。目前，La_0.8Sr_0.2MnO₃(LSM)依然是最具商业潜力的阴极材料，它具备其它钙钛矿型阴极所没有的优点，如：与(Y₂O₃)_0.08(ZrO₂)_0.92(YSZ)电解质的热膨胀系数更加匹配，因而具有更好的热力学稳定性；在电极的高温制备过程中不与YSZ发生固相反应，化学稳定性更好。但是随着操作温度的降低，LSM阴极的性能会快速衰减，其主要原因是阴极极化电阻的增加以及LSM在中低温下较弱的氧还原催化活性。因此，优化LSM阴极材料的电化学性能是降低SOFC操作温度的一个重要途径。

溶液浸渍是一种高效、经济的电极修饰手段，可以通过浸渍的方法在电极表面及内部引入纳米级颗粒，而纳米尺度的氧化物具有更高的表面氧空位浓度以及更高的离子、电子电导，因而可以在很大程度上提高电极的电催化性能。此外，大量的数值模拟研究(1.‘A review of wet impregnation-An alternative method for the fabrication ofhigh performance and nano-structured electrodes of solid oxide fuel cells’.Materials Science and Engineering A.2006,418:199-210.2.‘Nanoscale and nano-structured electrodes of solid oxide fuel cells by infiltration: Advances andchallenges’.International Journal of Hydrogen Energy. 2012,37:449-470.3.‘Nano-structured composite cathodes for intermediate-temperature solid oxidefuel cells via an infiltration/impregnation technique’.ElectrochimicaActa.2010, 55:3595-3605.)发现电极颗粒的尺寸与三相反应界面(TPB)有着密切的联系，减小颗粒尺寸可以有效地扩大TPB，提高电极的电化学性能。

本发明通过在LSM-YSZ阴极中浸渍Ce_0.8Y_0.2O_1.9(YDC)纳米颗粒，制备纳米复合阴极YDC-LSM-YSZ。纳米YDC颗粒具有更高的电催化活性和比表面积，能够改善电极与电解质之间的界面接触，提供更多的电化学反应活性点，扩大氧还原反应的TPB，加速氧还原反应电荷转移的过程，有效降低了LSM-YSZ阴极的极化电阻。