一种新型的中、低温固体氧化物燃料电池三元复合阴极材料，由氧离子导体氧化物、电子－氧离子混合导体氧化物及氧催化还原活性物组成。其主要特征在于：钙钛矿结构的氧离子、电子混合导体作为阴极材料的主体，其主要功能是催化还原表面气相氧为氧离子，体相传输氧离子到达电解质、阴极界面；通过添加氧离子导体，增加阴极材料的氧离子导电率从而提高氧离子的体相传输速率；通过添加氧催化还原活性氧化物，阴极材料的氧表面交换速率得以显著提高从而大幅度地增强了阴极材料的表面氧的催化活性。三元复合阴极材料的各有效成份均采用硝酸盐经ＥＤＴＡ－柠檬酸络合法合成。经单电池测试，三元复合阴极材料在显示其优越的综合性能的同时，其各有效成份显示良好的相容性。
【技术实现步骤摘要】
—种中、低温固條化物燃料电脏元复合阴极材料技术领敏本专利技术涉及到YSZ基电解质、CeOz基电解质、LSGM基电解质中、fffl固 背景駄'固体氧化物燃料电池(Solid oxide foel cell, SOFC)作为燃料电池的主要种类 之一，是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的能量转换装置。固体氧化物燃料电池主要由三大功能,组成，阳极(NegativeElectrode )、 电解质(Electrolyte)、阴极(PositiveElectrode)，简称PEN结构。阴极模块的主要作用 是将气相02还原为Cf离子，并将其微到阴极与电解质的界面；电解质的作用 是将阴极与电解质界面的Cf离子通过空位跃迁机理传输到阳极与电解质的界 面，同时作为阴极室和阳极室之间的隔膜，阻隔它们之间直接串气；阳极模块 的主要作用是催,原燃料气，^t与il^电解质传,来的C^离子发生反应。由于SOFC在能量转换过程中没有高^l烧过程，其會讀利用效率不受卡诺 循环的限制；进而，其高品质的余热还可以实现热电，进一步提高其能量利 用效率，因而SOTC能穀,效率通常在50^以上，最多可达70%，较基于热机 原理的能量转换方法有显著提高。基于全固态结构，SOFC不存在电解液流失和腐蚀问题；同时，因其电催化 剂不使用贵金属，既大幅度的降低了电池的制造成本，，免了电催化剂6^0中毒问题，进而，拓宽了燃料选择范围，斷氐了燃料的前期处理成本。正是由于没有高^^烧过程，SOFC运行过程中基本上不排放C02SiNOx,无粉尘污染 问题；同时，除辅助设备外，燃料电^i行过程基本上不产生噪声。因此，SOFC 是一种真正的绿色、环保、高效的能量转换装置。高温SOFC在拥有战优点的同时，由于工作鹏高也引发了许多问题1,电池的各组成部件如阳极、阴极、电解质戯双鹏接材料等在电池的 工作^#下容易发生高温化学反应，导致电池内阻明显升高，寿命降低；2，在800'C以上高温下操作时，双极连接体需要采用价格昂贵的铬酸镧材 。铬,难于烧结，其制备过程往往要引入气相沉积纖理方法，工 艺赫高，JJt于控抓3，高,作对电池堆各部件的热膨胀匹配性MJI出了更严格的要求；4，电解质隔膜、密封材料、双极连接材料等即要暴驗氧化性气氛下，也 要暴航还原性气氛下，对材料的化学稳定性要求较高；5，利用碳Si化合物作燃料时，,阳极容易积碳而导致失活。以J^些困,重阻碍了高温SOFC电池堆商业化的步伐。降低SOFC的操 作鹏到600 8(KrC之间，前述优点依然能够保留，舰电池关键材料性能的 要求将大大降低，而且可以拓展燃料的选择范围。尤其是可以采用韧性好、价 格低的抗氧化不鄉作为双職接材料，技柳成本优势明显。因而，斷氐SOFC 的操作驢，开发中、^MSOFC是固体氧化物燃料电池得以尽早实现商业化的 必由之路。但是，操作M^降低，电解质电阻明显增加，电极活性尤其是阴极活性显著斷氏，从而造成电池的输出功率密度大幅度下降。因此，开发中、低 温固体氧化物燃料电池的工作集中在以下方面1，研制高电导率的新型固体柳质以斷氐^lf质膜的内阻，同时开发相应 的电极材料；2,降低电解质膜厚度，制备薄膜负载型电池，从而斷氐电解质膜的内阻； 3，开发高活性的阴极电催化材料并优化阴极结构，降低阴极阻抗；4, 改善电池膜电鹏件内部各部分之间的物鹏接，降低界面电阻；5, 针对碳氢化合物作燃料，研制中皿结炭阳极；大量的研究实验表明，对于确定的电解质材料，为了保证电池稳定工作， 电解质薄膜的厚度最低极限为10 20Mm。同时，对于此类阳极负载薄膜型电池， 交流阻抗实验结果表明，当电池在600-C 800'C工作时，整个电池的内阻主要 来自电池的阴极极化电阻。因此，在开发实用型中、低温固体氧化物燃料电池 研究工作中，能否开发出高效的阴极材料是问题的关键所在。为此，研究人员通过大量的实验，筛选出了一些比较有效的阴极材料，它 们大都是呈转钛矿结构的氧化物(ABCb),为了提高氧化物的离子导电率，通常 采用A位掺杂碱dl^属离子。进一步的实验表明，舰掺杂，单一的转钛矿结构 氧化物(ABQ3)的离子导电率虽然有了显著的提高，但仍然儆氏。为此，进一 步通过在阴极材料中机械混合加入适量的电解质以提高整个阴极的离子导电 率，也受到了一定的效果。然而，到目前为止，阴极材料的研究进展状况与实 用型中、fffi固体氧化物燃料电舰相关阴极材料的要求还有相当的魏。我们实验室在大量相关实验的基础上，得出如下初步结论即对于确定的 阴极材料，其电子导电性、离子导电舰録面催化離三位一体，协同作用, 共同完成气相氧的催化还原、氧离子的传输功能。由于以往人们的注意力主要 集中在前两点上，而忽略了相对关键的第三点，因此，我们实验室在提高阴极 材料的氧表面催化活性方面开展了尝试性的研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于设计和合成出一种全新的复合阴极材料，以期在中、低 温操作条件下能够大幅度地提高电池的输出功率密度，同时实现阴极材料与电 池其他组件之间的化学相容及热膨胀系数的匹配。具体逃本专利技术鹏了一种中、^M固体氧化物燃料电MH元复合阴极材料， 其特征在于所述阴极材料由氧离子导体、氧离子-电子混合导体和氧催化还原 活性氧化物组成；氧离子导体为具有萤石结构的、镧系元素掺杂的钸基氧化物， 混合导体为稀土元素为主要成份的AB03型韩钛矿结构的复賴化物，氧催化还 原,物为Fe、 Co、 Mn、 Cu ^:渡金属的简#*化物；氧离子导体、氧离子-电 子混合导体及氧催舰原活性氧化物的质量分数分别为5%-70%、 10% 90%、 5% 70%。本专利技术中、低温固体氧化物燃料电池三元复合阴极材料中，所述氧离子导 体是高稳定性的快氧离子导体LnxCei.xO^，混合离子一电子导体为 LriLyMlyM20^钙钛矿，氧催化还原活性物为M30^;其中，Ln为镧系元素中 的一种或几种的混合，Ml为Ba、 Sr、 Ca元素中的一种§^种的混合，M2为 Mn、 Fe、 Co、 Ga元素中的一种^种的混合，M3为Mn、 Fe、 Co、 Mo、 Bi、 Cu元素中一种或几种的混合，其中0^0.5， 0^1， (fe^。本专利技术中、低温固体氧化 料电脏元复合阴极材料中，对于L^C^Q^ 中的Ln, ttj^地，Ln为Sm、 Gd、 Dy、 Er、 Yb、 Y中的一种或几种。本专利技术中、低温固体氧化物燃料电池三元复合阴极材料中，对于 LnLyMlyM20w中的Ln，优选地，Ln为La、 Pr、 Nd、 Sm、 Gd、 Yb、 Y中的一 种或几种。本专利技术中、^M固体氧化物燃料电脏元复合阴极材料中，对于M30^中 的M3，,地，M3为Mn、 Fe、 Co、 Mo、 Bi、 Cu中的一种或几种。本专利技术的中、低温固体氧化物燃料电池三元复合阴极材料中，最,地， 复合阴极材料的化学组成为(wt%) 15%~50%的1^^^0^、 30% 60% LriLySryCoOw、 15% 50%M3O3.z。其中，0.1^0.3， 0.2;$y^0.7， 0^2， Ln为 Sm、 Gd^La， M3为Co、 Mn、 Fe—种^种的混合。其中SmxCe^Q^、 G4Ce^0^ 饥3xCeLxO^分别简写为SD本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种中、低温固体氧化物燃料电池三元复合阴极材料，其特征在于：所述阴极材料由氧离子导体、氧离子－电子混合导体和氧催化还原活性氧化物组成；氧离子导体为具有萤石结构的、镧系元素掺杂的铈基氧化物，混合导体为稀土元素为主要成份的ＡＢＯ↓［３］型钙钛矿结构的复合氧化物，氧催化还原活性物为Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｕ过渡金属的简单氧化物；氧离子导体、氧离子－电子混合导体及氧催化还原活性氧化物的质量分数分别为５％～７０％、１０％～９０％、５％～７０％。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨维慎，张海洲，丛铀，
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：91[中国|大连]
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