一种固体氧化物燃料电池阴极材料制造技术

本发明专利技术公开了一种固体氧化物燃料电池阴极材料，该阴极材料包括与电池电解质直接接触的一层多孔的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

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物燃料电池阴极材料
本专利技术涉及燃料电池领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池的阴极材料。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，简称SOFC)可以在高温下通过电化学反应将燃料的化学能直接转化为电能，具有燃料灵活，发电效率高，环境友好等特点，是一种先进的能源转换技术。钙钛矿型复合氧化物是固体氧化物燃料电池常用的阴极材料，其具有ABO3结构，A位为稀土或碱土元素，B位为过渡金属元素。例如，锶掺杂钴酸镧La1-xSrxCoO3、锶掺杂钴酸钐Sm1-xSrxCoO3、锶掺杂钴铁酸镧La1-xSrxCo1-yFeyO3、钴铁酸锶钡Ba1-xSrxCo1-yFeyO3(BSCF)等材料具有优异的电催化氧还原活性和较高的电导率，作为固体氧化物燃料电池的阴极使用时，在中低温下显示出优异的电化学性能。但上述阴极的稳定性较差，在电池运行条件下，La1-xSrxCo1-yFeyO3阴极中Sr，La元素容易在表面富集，占据氧还原反应活性位，阻碍电荷转移反应，导致阴极性能衰减。抑制La1-xSrxCo1-yFeyO3阴极中Sr，La元素在表面富集可以提高阴极的稳定性。Ding等通过密度反函数理论计算研究了影响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)。本专利技术通过在La1-xSrxCo1-yFeyO3材料表面制备La1-xSrxMnO3-YSZ纳米复合颗粒，在La1-xSrxCo1-yFeyO3颗粒表面提供压应力，抑制Sr，La元素向表面富集，同时La1-xSrxMnO3-YSZ纳米复合颗粒之间也会相互抑制，避免电池运行条件下，La1-xSrxMnO3，YSZ纳米颗粒迅速长大，从而提高整个阴极的稳定性和性能。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种高活性和稳定性的阴极材料。本专利技术解决上述问题所采用的技术方案为：一种固体氧化物燃料电池阴极材料，其特征在于阴极材料包括与电池电解质直接接触的一层多孔的La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜，以及包覆在La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜上La1-zSrzMnO3-YSZ纳米复合颗粒，其中，La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜的厚度为0.3-10微米，La1-zSrzMnO3-YSZ纳米复合颗粒的尺寸为10-300纳米，0≤x≤0.6，0.2≤y≤1,0≤z≤0.3。本专利技术的阴极材料，其特征在于：所述多孔的La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜的厚度最优为1-5微米。本专利技术的阴极材料，其特征在于：所述La1-zSrzMnO3-YSZ纳米复合颗粒的尺寸最优为20-80纳米。本专利技术的阴极材料，其特征在于：所述La1-zSrzMnO3-YSZ纳米复合颗粒的质量比为7：3至5：5之间。本专利技术的阴极材料，其特征在于：所述La1-zSrzMnO3-YSZ纳米复合颗粒在阴极中质量分数为1-10％，最优为2-5％，La1-zSrzMnO3-YSZ纳米复合颗粒位于远离与电解质直接接触的La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜一侧。本专利技术的阴极材料，其特征在于：所述多孔的La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜制备过程的烧结温度为800-1000℃，La1-zSrzMnO3-YSZ纳米复合颗粒制备过程的烧结温度为700-1000℃。本专利技术的优点在于：(1)本专利技术的阴极材料的Sr，La元素表面富集行为得到很好地限制，阴极的稳定性显著提高。(2)本专利技术的阴极材料具有优异的电化学性能，可应用于中低温固体氧化物燃料电池技术中。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术作进一步的阐述。比较例1以NiO-YSZ为阳极(YSZ是8mol％Y2O3稳定的ZrO2，NiO与YSZ质量比1:1)，YSZ为电解质，La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3为阴极，制备成阳极支撑型固体氧化物燃料电池的膜电极。其中，将La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(0.5g)与适量粘结剂(正丁醇，0.5g)混合研磨，制备成浆料，涂覆La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3阴极浆料(0.012g)到YSZ电解质表面，在800℃焙烧2h。电池阴极面积为0.5cm2。在阳极侧，加湿的氢气作为燃料(体积浓度3％H2O,100ml.min-1)，在阴极侧，氧气作为氧化剂(100ml.min-1)。在700℃，0.8V下电池的电流密度是0.20A.cm-2。实施例1以NiO-YSZ(质量比1:1)为阳极，YSZ为电解质，La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-8wt.％La0.8Sr0.2MnO3-YSZ为阴极。其中，La0.8Sr0.2MnO3-YSZ的质量比为6：4。将La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(0.5g)与适量粘结剂(正丁醇，0.5g)混合研磨，制备成浆料，涂覆La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3阴极浆料(0.008g)到YSZ电解质表面，在800℃焙烧2h，La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3厚度为10微米，面积0.5cm2。配置La0.8Sr0.2MnO3-YSZ原驱体溶液：按照化学计量比称取LSM-YSZ复合阴极中La、Sr、Mn、Y、Zr金属离子的硝酸盐，溶于去离子水中，完全溶解后加入柠檬酸铵，调节体系pH为1-2，使其澄清，加热络合2～3h后，浸渍La0.8Sr0.2MnO3-YSZ原驱体溶液到已烧结在电解质表面的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3中，控制La0.8Sr0.2MnO3-YSZ在阴极中的质量分数为8％，然后在800℃焙烧2h。在阳极侧，加湿的氢气作为燃料(体积浓度3％H2O,100mlmin-1)，在阴极侧，氧气作为氧化剂(100mlmin-1)。在700℃，0.8V下电池的电流密度是0.55A.cm-2，电池运行200小时，性能无明显衰减。实施例2以NiO-YSZ(质量比1:1)为阳极，YSZ为电解质，La0.5Sr0.5Co0.3Fe0.7O3-5wt.％La0.8Sr0.2MnO3-YSZ为阴极。其中，La0.8Sr0.2MnO3-YSZ的质量比为5：5。将La0.5Sr0.5Co0.3Fe0.7O3(0.5g)与适量粘结剂(正丁醇，0.5g)混合研磨，制备成浆料，涂覆La0.5Sr0.5Co0.3Fe0.7O3阴极浆料(0.008g)到YSZ电解质表面，在900℃焙烧2h，La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3厚度为10微米，面积0.5cm2。配置La0.8Sr0.2MnO3-YSZ原驱体溶液：按照化学计量比称取LSM-YSZ复合阴极中La、Sr、Mn、Y、Zr金属离子的硝酸盐，溶于去离子水中，完全溶解后加入柠檬酸铵，调节体系pH为1-2，使其澄清，加热络合2～3h后，浸渍La0.8Sr0.2MnO3-YSZ原驱体溶液到已烧结在电解质表面的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3中，控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体氧化物燃料电池阴极材料，其特征在于：所述阴极材料包括与电池电解质直接接触的一层多孔的La

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池阴极材料，其特征在于：所述阴极材料包括与电池电解质直接接触的一层多孔的La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜，以及包覆在La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜上La1-zSrzMnO3-YSZ纳米复合颗粒，其中，La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜的厚度为0.3-10微米，La1-zSrzMnO3-YSZ纳米复合颗粒的尺寸为10-300纳米，0≤x≤0.6，0.2≤y≤1,0≤z≤0.3。2.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池阴极材料，其特征在于：所述多孔的La1-xSrxCo1-yFeyO3薄膜的厚度最优为1-5微米。3.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池阴极材料，其特征在于：所述La1-zSrzMnO3-YSZ纳米复合颗粒的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵哲，程谟杰，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21