[发明专利]一种低温固体氧化物燃料电池复合阴极及其制备方法

说明书

本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，尤其涉及一种低温固体氧化物燃料电池复合阴极及其制备方法。该方法包括如下步骤：S1、将NCA和GDC粉体进行混合，得到NCA/GDC混合粉体；S2、将所述NCA/GDC混合粉体和粘结剂混合，得到阴极浆料；所述粘结剂中含有乙基纤维素和松油醇；S3、将所述阴极浆料制备在GDC电解质片的一侧；S4、将涂有阴极浆料的GDC电解质片进行烧结，得到NCA/GDC复合阴极。所述NCA/GDC复合阴极既有高化学性能又与GDC电解质热膨胀匹配。

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，尤其涉及一种低温固体氧化物燃料电池复合阴极及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置,被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。

目前研究较多的是高温SOFC，但传统高温SOFC带来一系列问题，如SOFC性能衰减，成本高等，严重阻碍了SOFC商业化的进程。解决问题的方法是通过降低电池的操作温度来保持其性能，但随着SOFC操作温度的降低，阴极材料的氧还原反应(ORR)的催化活性大幅下降，并导致阴极侧极化电阻大幅增加，从而降低SOFC电化学性能。有报道显示传统的纯电子导体La_xSr_1-xMnO₃(LSM)不能满足低温固体氧化物燃料电池的需要。La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO₃、La_0.6Sr_0.4CoO₃、Sm_0.5Sr_0.5CoO₃、Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ等具有离子和电子混合导电(MIEC)能力的阴极和层状钙钛矿氧化物LnBaCo₂O_5+δ(L＝镧系元素)具有很高的氧离子电导率，这些材料可以将阴极和电解质界面处非常窄的三相界面(TPB)扩展至整个MIEC材料表面。但是直接使用MIEC电极将SOFC的操作温度降低(即燃烧环境)到600℃以下并不容易。

人们认为通过增加TPB区域的ORR活性点的数量可以降低阴极的低温极化电阻，并在这方面进行了大量研究。有报道称通过浸渍法可以将活性材料均匀分散在阴极内部并且使阴极颗粒的连接性变得更好从而提升电池性能。据报道，纳米复合阴极可以显著增加电极的比表面积。然而，当前为了让SOFC在低温下具有很高的电化学性能，仍然需要通过复杂的工艺制备非常薄的电解质薄膜才能实现，说明当前使用的阴极材料的ORR催化活性仍然不能满足低温固体氧化物燃料电池(LTSOFC)的需要。

改善阴极性能的另一个策略就是开发在低温具有高的MIEC和良好的ORR催化活性的新型阴极材料。锂化过渡金属氧化物通常用作锂离子电池正极材料，并且通常具有高电子电导率，如果这种材料能具有一定程度的氧离子传导性，则可以作为潜在的MIEC阴极材料使用。近年来，锂化过渡金属氧化物作为SOFC的阴极材料引起了相当的关注，已经有不少文章报道了含锂氧化物作为SOFC阴极材料，并且取得显著的电化学性能。

在低温SOFC中，经常将GDC作为电解质片。然而，由于热膨胀性不匹配的原因，NCA却很难单独烧结在GDC电解质上。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有存在的技术问题，本发明提供一种高电化学性能的低温固体氧化物燃料电池复合阴极及其制备方法，得到既有高化学性能又与GDC电解质热膨胀匹配的复合阴极。

(二)技术方案

本发明提供了一种低温固体氧化物燃料电池复合阴极的制备方法，包括如下步骤：