[发明专利]一种具有低热膨胀系数固体氧化物燃料电池钴基阴极材料制备及其应用

说明书

本发明公开了一种热膨胀性能优异的固体氧化物燃料电池阴极材料BaNb_yZr_xCo_1‑x‑yO_3‑δ，通过在BaCoO_3‑δ中的Co位进行Nb₂O₅和ZrO₂共掺杂以降低BaCoO_3‑δ基阴极材料热膨胀系数，能够获得小的TEC值(＜15×10^‑6K^‑1)并且进一步提升材料的电化学性能，组成分子式为BaNb_yZr_xCo_1‑x‑yO_3‑δ，其中δ表示氧过剩量或缺乏量，‑1≤δ≤1；x表示ZrO₂掺杂量，0≤x≤0.5；y表示Nb₂O₅的掺杂量，0≤y≤0.5。本发明的BaNb_yZr_xCo_1‑x‑yO_3‑δ阴极材料与传统的Co基材料相比，热膨胀系数大幅度降低，并且与GDC有良好的化学相容性。在500‑850℃温度范围内有良好的氧还原催化活性，适用于中低温下固体氧化物燃料电池阴极材料。

技术领域

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法及其应用，具体 涉及一种在B位共掺杂Nb₂O₅和ZrO₂以降低BaCoO_3-δ阴极材料热膨胀系数及其 制备方法和应用。

背景技术

燃料电池是可以将燃料的化学能直接转换为电能的发电装置，它是除了火 力发电、水力发电和太阳能发电等方案之外的一项创新的思路。在众多类型的 燃料电池中，固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)具有明显的优 势：它对燃料的要求不高，氢气、煤气和各种烃类化合物都可以作为燃料加以 利用；整个电池的阳极、电解质和阴极及连接体等组成部分都是固体，不像其 它类型的电池需要进行防漏和防腐操作；能量转化效率很高，节约燃料。目前， SOFC已成为国际上的研究热点。

SOFC最核心的部分是将阳极、电解质、阴极烧结成三明治式结构，从室温 升温至操作温度下(500～800℃)进行工作。要使SOFC进行长期工作，需要 使阳极、电解质、阴极热膨胀系数(TEC)接近，保持从室温至工作温度的升温 过程以及工作期间内应力小。目前，通常用Y₂O₃稳定的ZrO₂(YSZ)或Gd₂O₃掺杂CeO₂(GDC)做电解质，热膨胀系数一般为(10～12)×10^-6K^-1，阳极材 料用NiO-YSZ复合陶瓷，热膨胀系数一般为10.8×10^-6K^-1，而通常使用的Co基钙钛矿型阴极材料的热膨胀系数远远大于电解质的热膨胀系数，较大的热膨 胀系数会明显降低电池性能。