一种中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于燃料电池材料技术领域，特别涉及一种中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料，从化学组成上，所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料的化学式为x[Bi

A composite cathode material for medium temperature solid oxide fuel cell and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料及其制备方法和应用
本专利技术属于燃料电池材料
，特别涉及一种中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将燃料的化学能直接转换成电能的发电装置，具有能量转换效率高、燃料适用范围广、污染物排放量低等优点。近年来，人们普遍认为降低操作温度是实现SOFC商业化的关键，降低电池操作温度不仅可以有效地降低各个部件的老化速率、提高SOFC的稳定性、延长使用寿命，还可以使用廉价的不锈钢金属材料作为连接材料，大大降低成本。因此，降低操作温度(<800℃)已成为SOFC的主要研究方向之一。阴极是SOFC的重要组件之一，它为氧的还原提供电化学反应场所，其性能的好坏直接影响了整个电池的性能。目前一些常用的中温SOFC阴极材料有La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ、Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ和PrBaCo2O5+δ等，虽然具有良好的氧还原反应催化活性，但由于这些材料中都含有稀土元素和碱土元素，所以存在一些直接影响SOFC性能的关键性问题，如：高温下的化学和结构稳定性较差、易与传统电解质材料发生不良化学反应以及抗CO2中毒能力差。针对这些问题，不含稀土和碱土元素、具有尖晶石结构的阴极材料引起了人们的关注。目前具有尖晶石结构的SOFC阴极材料主要是由过渡金属元素构成的(Co,Mn)3O4、(Cu,Mn)3O4或(Cu,Co)3O4等氧化物，因不含稀土或碱土元素，故其与SOFC中相接触的其他组件材料间的化学相容性较好；另外，该类材料对氧还原反应的催化活性通常高于传统的阴极材料(La,Sr)MnO3。但是，由于这些材料主要由过渡金属元素构成，所以具有很强的金属-氧键能；同时，氧在该材料的结构中密排堆叠，导致氧在材料中很难传导，这些材料基本都属于纯电子导体，电化学性能仍无法满足中低温条件下SOFC的使用需求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料，不含稀土或碱土元素，具有电子传导性和优良的氧还原催化活性，在中温条件下表现出了优良的电化学性能；本专利技术还提供了一种中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料的制备方法和应用。为了实现上述专利技术的目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料，从化学组成上，所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料的化学式为x[Bi2CuO4]·(1-x)[Gd0.1Ce0.9O1.95]，x＝40wt.％～70wt.％。优选的，所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料中的Bi2CuO4具有尖晶石结构；所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料中的Gd0.1Ce0.9O1.95具有萤石结构。本专利技术还提供了上述技术方案所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料的制备方法，包括以下步骤：提供Bi2CuO4粉体；将Bi2CuO4粉体与Gd0.1Ce0.9O1.95粉体混合球磨，得到球磨料；将所述球磨料干燥，得到所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料。优选的，所述Bi2CuO4粉体与Gd0.1Ce0.9O1.95粉体的质量比为4：6～7：3。优选的，所述Bi2CuO4粉体的粒径为1～2μm；所述Gd0.1Ce0.9O1.95粉体的粒径为60～90nm。优选的，所述球磨用研磨球为玛瑙球；所述研磨球的直径为5～7mm；所述Bi2CuO4粉体与Gd0.1Ce0.9O1.95粉体的总质量与研磨球的比例为5g：(25～40)个。优选的，所述球磨用液体介质为无水乙醇；所述Bi2CuO4粉体与Gd0.1Ce0.9O1.95粉体的总质量与液体介质的比例为5g：(20～30)mL。优选的，所述球磨的转速为200～300rpm，时间为5～10h。优选的，所述干燥的温度为80～120℃，时间为2～6h。本专利技术还提供了上述技术方案所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料或上述技术方案所述制备方法制得的中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料在燃料电池中的应用。本专利技术提供了一种中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料，从化学组成上，所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料的化学式为x[Bi2CuO4]·(1-x)[Gd0.1Ce0.9O1.95]，x＝40wt.％～70wt.％。在本专利技术中，Bi2CuO4中Bi特有的6s轨道孤对电子使得铋离子周围的电子云分布高度不均匀，由此导致与之配位的氧离子排列呈现出高度的弛豫形变，这有利于促进氧的快速迁移，增大材料的氧体扩散系数和氧表面交换系数，进而使得复合阴极材料具有良好的氧输运性能；同时，Bi2CuO4材料在700℃以上表现出混合氧离子-电子导电性，但700℃以下，Bi2CuO4表现为纯电子导体，将其与适量的氧离子导体材料Gd0.1Ce0.9O1.95混合制成复合阴极材料，氧离子导体相的加入不仅可增大阴极内的氧离子传导性，还可有效扩大阴极内的氧还原反应活性区域，进而有利于提高复合阴极对氧还原反应的催化活性。实施例结果表明，以本专利技术提供的中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料为阴极材料制备得到的对称电池，在700℃时的极化电阻RP仅为0.40Ω·cm2，是纯BCO阴极在相同条件下极化电阻(0.59Ω·cm2)的67.8％；以本专利技术提供的中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料为阴极材料制备得到的对称电池在550℃的极化电阻为5.45Ω·cm2，是纯BCO阴极在相同条件下极化电阻(14.88Ω·cm2)的36.6％；以本专利技术提供的中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料为阴极材料制备得到的阳极支撑型单电池(其构型为Ni-YSZ/YSZ/GDC/阴极)，在700℃时的最大输出功率高达326mW/cm2，中温条件下表现出了优异的电化学性能。附图说明图1为本专利技术实施例1和对比例1～2的XRD测试图；图2为本专利技术实施例3和对比例2组成的对称电池的阻抗测试图；图3为本专利技术实施例3组成的单电池在550℃～700℃的I-V和I-P曲线。具体实施方式本专利技术提供了一种中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料，从化学组成上，所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料的化学式为x[Bi2CuO4]·(1-x)[Gd0.1Ce0.9O1.95]，x＝40wt.％～70wt.％。在本专利技术中，所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料中的Bi2CuO4具有尖晶石结构；所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料中的Gd0.1Ce0.9O1.95具有萤石结构。本专利技术还提供了上述技术方案所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料的制备方法，包括以下步骤：提供Bi2CuO4粉体；将Bi2CuO4粉体与Gd0.1Ce0.9O1.95粉体混合球磨，得到球磨料；将所述球磨料干燥，得到所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料。本专利技术提供Bi2CuO4粉体。在本专利技术中，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料，其特征在于，从化学组成上，所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料的化学式为x[Bi

【技术特征摘要】
1.一种中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料，其特征在于，从化学组成上，所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料的化学式为x[Bi2CuO4]·(1-x)[Gd0.1Ce0.9O1.95]，x＝40wt.％～70wt.％。


2.根据权利要求1所述的中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料，其特征在于，所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料中的Bi2CuO4具有尖晶石结构；所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料中的Gd0.1Ce0.9O1.95具有萤石结构。


3.权利要求1或2所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供Bi2CuO4粉体；
将Bi2CuO4粉体与Gd0.1Ce0.9O1.95粉体混合球磨，得到球磨料；
将所述球磨料干燥，得到所述中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述Bi2CuO4粉体与Gd0.1Ce0.9O1.95粉体的质量比为4：6～7：3。


5.根据权利要求3或4所述的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：李娜，孙丽萍，赵辉，
申请(专利权)人：黑龙江大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23