[发明专利]基于应力设计提高固体氧化物燃料电池阴极稳定性的方法

说明书

基于应力设计提高固体氧化物燃料电池阴极稳定性的方法，它涉及提高固体氧化物燃料电池阴极稳定性的方法。它是为了解决现有的固体氧化物燃料电池长期工作过程中阴极Sr元素偏析而造成阴极稳定性差的技术问题，本方法是：在阴极材料表面包覆一层热膨胀系数小于阴极材料的第二相材料，形成核壳结构复合材料制备阴极材料；再烧结在电解质片的一侧，得到复合阴极。本发明基于材料晶格应力的角度来设计高稳定性的固体氧化物燃料电池阴极。用第二相材料与阴极材料之间热膨胀系数的差异，对阴极材料内部产生压应力，抑制元素表面偏析，从而提高阴极的稳定性。可用于固体氧化物燃料电池领域。

技术领域

本发明涉及提高固体氧化物燃料电池阴极稳定性的方法。

背景技术

目前，石油、煤炭、天然气等化石能源是全世界的主要能源。然而由于卡诺循环等热力学循环的存在，火力发电、内燃机等能量转换方式的能量转化效率受到限制，通常为40％左右。固体氧化物燃料电池可以将化石能源中的化学能直接转化为电能，是一种高效的能量转化装置。由于不遵从卡诺循环过程，其能量利用率可以达到60％，热电联供情况下更是高达80％以上。此外，固体氧化物燃料电池还具有燃料选择多样、环境友好、全固态结构等优点，使得其受到了研究者的广泛关注。然而，长期工作过程中固体氧化物燃料电池性能逐渐衰减阻碍了其商业化进程，尤其是阴极性能的衰减。其中，元素偏析是引起阴极性能衰减的主要因素之一。作为最普遍使用的阴极材料，ABO₃型钙钛矿氧化物通常会在A位、B位进行其他元素的掺杂以改良钙钛矿氧化物的氧还原能力、电导性、氧表面交换系数等。其中，Sr元素是最常见的A位掺杂元素。但由于应力驰豫及表面电荷最小化等因素，Sr元素在弹性驱动力和静电驱动力的协同作用下，从体相向表面迁移，发生元素表面偏析，导致阴极性能衰减。

因此，通过设计电极结构、改变电极组成等方式以抑制Sr元素的表面偏析现象，是提高固体氧化物燃料电池阴极长期稳定性的途径。

发明内容

本发明是为了解决现有的固体氧化物燃料电池长期工作过程中阴极Sr元素偏析而造成阴极稳定性差的技术问题，而提供一种基于应力设计提高固体氧化物燃料电池阴极稳定性的方法。

本发明的基于应力设计提高固体氧化物燃料电池阴极稳定性的方法是：

一、制备阴极材料；

二、在阴极材料表面包覆一层第二相材料，形成核壳结构复合材料；其中第二相材料是热膨胀系数小于阴极材料的一种或几种材料组合，阴极材料与第二相材料之间不发生固相反应；

三、再将核壳结构复合材料烧结在电解质片的一侧，得到复合阴极。

更进一步地，步骤一中所述的阴极材料为A位掺杂Sr元素，并在阴极极化过程中存在Sr元素表面偏析现象的ABO₃型钙钛矿氧化物及其衍生物；

更进一步地，步骤一中所述的阴极材料为La_1-xSr_xCo_1-yFe_yO_3-δ(LSCF)，其中0＜x≤0.4，0＜y＜1；

或者所述的阴极材料为Ba_1-xSr_xCo_1-yFe_yO_3-δ(BSCF)，其中0＜x≤0.4，0＜y＜1；

或者所述的阴极材料为La_1-xSr_xCoO_3-δ(LSC)，其中0＜x≤0.4；

或者所述的阴极材料为La_1-xSr_xMnO_3-δ(LSM)，其中0＜x≤0.4；