一種固體氧化物燃料電池陰極材料制造技術

本發明專利技術公開了一種固體氧化物燃料電池陰極材料，該陰極材料包括與電池電解質直接接觸的一層多孔的La

Solid oxide fuel cell cathode material

A cathode material for a solid oxide fuel cell includes a porous La that is directly in contact with a battery electrolyte

【技術實現步驟摘要】
一種固體氧化物燃料電池陰極材料
本專利技術涉及燃料電池領域，具體涉及一種固體氧化物燃料電池的陰極材料。
技術介紹
固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell，簡稱SOFC)可以在高溫下通過電化學反應將燃料的化學能直接轉化為電能，具有燃料靈活，發電效率高，環境友好等特點，是一種先進的能源轉換技術。鈣鈦礦型復合氧化物是固體氧化物燃料電池常用的陰極材料，其具有ABO3結構，A位為稀土或堿土元素，B位為過渡金屬元素。例如，鍶摻雜鈷酸鑭La1-xSrxCoO3、鍶摻雜鈷酸釤Sm1-xSrxCoO3、鍶摻雜鈷鐵酸鑭La1-xSrxCo1-yFeyO3、鈷鐵酸鍶鋇Ba1-xSrxCo1-yFeyO3(BSCF)等材料具有優異的電催化氧還原活性和較高的電導率，作為固體氧化物燃料電池的陰極使用時，在中低溫下顯示出優異的電化學性能。但上述陰極的穩定性較差，在電池運行條件下，La1-xSrxCo1-yFeyO3陰極中Sr，La元素容易在表面富集，占據氧還原反應活性位，阻礙電荷轉移反應，導致陰極性能衰減。抑制La1-xSrxCo1-yFeyO3陰極中Sr，La元素在表面富集可以提高陰極的穩定性。Ding等通過密度反函數理論計算研究了影響La1-xSrxCo1-yFeyO3中Sr，La元素向表面富集的因素(DingHP,VirkarAV,LiuML,LiuF,SuppressionofSrsurfacesegregationinLa1-xSrxCo1-yFeyO3：afirstprinciplesstudy.PhysChemChemPhys2013；15:489-96)。本專利技術通過在La1-xSrxCo1-yFeyO3材料表面制備La1-xSrxMnO3-YSZ納米復合顆粒，在La1-xSrxCo1-yFeyO3顆粒表面提供壓應力，抑制Sr，La元素向表面富集，同時La1-xSrxMnO3-YSZ納米復合顆粒之間也會相互抑制，避免電池運行條件下，La1-xSrxMnO3，YSZ納米顆粒迅速長大，從而提高整個陰極的穩定性和性能。
技術實現思路
本專利技術目的在于提供一種高活性和穩定性的陰極材料。本專利技術解決上述問題所采用的技術方案為：一種固體氧化物燃料電池陰極材料，其特征在于陰極材料包括與電池電解質直接接觸的一層多孔的La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜，以及包覆在La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜上La1-zSrzMnO3-YSZ納米復合顆粒，其中，La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜的厚度為0.3-10微米，La1-zSrzMnO3-YSZ納米復合顆粒的尺寸為10-300納米，0≤x≤0.6，0.2≤y≤1,0≤z≤0.3。本專利技術的陰極材料，其特征在于：所述多孔的La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜的厚度最優為1-5微米。本專利技術的陰極材料，其特征在于：所述La1-zSrzMnO3-YSZ納米復合顆粒的尺寸最優為20-80納米。本專利技術的陰極材料，其特征在于：所述La1-zSrzMnO3-YSZ納米復合顆粒的質量比為7：3至5：5之間。本專利技術的陰極材料，其特征在于：所述La1-zSrzMnO3-YSZ納米復合顆粒在陰極中質量分數為1-10％，最優為2-5％，La1-zSrzMnO3-YSZ納米復合顆粒位于遠離與電解質直接接觸的La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜一側。本專利技術的陰極材料，其特征在于：所述多孔的La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜制備過程的燒結溫度為800-1000℃，La1-zSrzMnO3-YSZ納米復合顆粒制備過程的燒結溫度為700-1000℃。本專利技術的優點在于：(1)本專利技術的陰極材料的Sr，La元素表面富集行為得到很好地限制，陰極的穩定性顯著提高。(2)本專利技術的陰極材料具有優異的電化學性能，可應用于中低溫固體氧化物燃料電池技術中。具體實施方式下面通過實施例對本專利技術作進一步的闡述。比較例1以NiO-YSZ為陽極(YSZ是8mol％Y2O3穩定的ZrO2，NiO與YSZ質量比1:1)，YSZ為電解質，La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3為陰極，制備成陽極支撐型固體氧化物燃料電池的膜電極。其中，將La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(0.5g)與適量粘結劑(正丁醇，0.5g)混合研磨，制備成漿料，涂覆La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3陰極漿料(0.012g)到YSZ電解質表面，在800℃焙燒2h。電池陰極面積為0.5cm2。在陽極側，加濕的氫氣作為燃料(體積濃度3％H2O,100ml.min-1)，在陰極側，氧氣作為氧化劑(100ml.min-1)。在700℃，0.8V下電池的電流密度是0.20A.cm-2。實施例1以NiO-YSZ(質量比1:1)為陽極，YSZ為電解質，La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-8wt.％La0.8Sr0.2MnO3-YSZ為陰極。其中，La0.8Sr0.2MnO3-YSZ的質量比為6：4。將La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(0.5g)與適量粘結劑(正丁醇，0.5g)混合研磨，制備成漿料，涂覆La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3陰極漿料(0.008g)到YSZ電解質表面，在800℃焙燒2h，La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3厚度為10微米，面積0.5cm2。配置La0.8Sr0.2MnO3-YSZ原驅體溶液：按照化學計量比稱取LSM-YSZ復合陰極中La、Sr、Mn、Y、Zr金屬離子的硝酸鹽，溶于去離子水中，完全溶解后加入檸檬酸銨，調節體系pH為1-2，使其澄清，加熱絡合2～3h后，浸漬La0.8Sr0.2MnO3-YSZ原驅體溶液到已燒結在電解質表面的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3中，控制La0.8Sr0.2MnO3-YSZ在陰極中的質量分數為8％，然后在800℃焙燒2h。在陽極側，加濕的氫氣作為燃料(體積濃度3％H2O,100mlmin-1)，在陰極側，氧氣作為氧化劑(100mlmin-1)。在700℃，0.8V下電池的電流密度是0.55A.cm-2，電池運行200小時，性能無明顯衰減。實施例2以NiO-YSZ(質量比1:1)為陽極，YSZ為電解質，La0.5Sr0.5Co0.3Fe0.7O3-5wt.％La0.8Sr0.2MnO3-YSZ為陰極。其中，La0.8Sr0.2MnO3-YSZ的質量比為5：5。將La0.5Sr0.5Co0.3Fe0.7O3(0.5g)與適量粘結劑(正丁醇，0.5g)混合研磨，制備成漿料，涂覆La0.5Sr0.5Co0.3Fe0.7O3陰極漿料(0.008g)到YSZ電解質表面，在900℃焙燒2h，La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3厚度為10微米，面積0.5cm2。配置La0.8Sr0.2MnO3-YSZ原驅體溶液：按照化學計量比稱取LSM-YSZ復合陰極中La、Sr、Mn、Y、Zr金屬離子的硝酸鹽，溶于去離子水中，完全溶解后加入檸檬酸銨，調節體系pH為1-2，使其澄清，加熱絡合2～3h后，浸漬La0.8Sr0.2MnO3-YSZ原驅體溶液到已燒結在電解質表面的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3中，控制本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種固體氧化物燃料電池陰極材料，其特征在于：所述陰極材料包括與電池電解質直接接觸的一層多孔的La

【技術特征摘要】
1.一種固體氧化物燃料電池陰極材料，其特征在于：所述陰極材料包括與電池電解質直接接觸的一層多孔的La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜，以及包覆在La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜上La1-zSrzMnO3-YSZ納米復合顆粒，其中，La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜的厚度為0.3-10微米，La1-zSrzMnO3-YSZ納米復合顆粒的尺寸為10-300納米，0≤x≤0.6，0.2≤y≤1,0≤z≤0.3。2.如權利要求1所述的固體氧化物燃料電池陰極材料，其特征在于：所述多孔的La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜的厚度最優為1-5微米。3.如權利要求1所述的固體氧化物燃料電池陰極材料，其特征在于：所述La1-zSrzMnO3-YSZ納米復合顆粒的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙哲，程謨杰，
申請(專利權)人：中國科學院大連化學物理研究所，
類型：發明
國別省市：遼寧,21