固体氧化物燃料电池阴极材料制造技术

固体氧化物燃料电池阴极材料，它涉及一种阴极材料。本发明专利技术解决了现有中温氧化物燃料电池阴极材料性能差的问题，本发明专利技术的组成通式为Ｌｎ↓［１＋ｘ］Ａ↓［１－ｘ］′ＣｕＯ↓［４±δ］，其中Ｌｎ为稀土元素，Ａ′为主族碱土金属，０．５＜ｘ＜１，δ＝０～０．０１。本发明专利技术的材料在氧分压为１０↑［－５］至１ａｔｍ范围内，表现出很高的氧离子一电子混合电导率，且其氧离子电导率（８００度空气下大于０．０６Ｓｃｍ↑［－１］）高于钙钛矿结构的阴极材料，如ＬＳＣＦ的氧离子电导率（８００度下约为０．０３Ｓｃｍ↑［－１］）。以其为阴极，在８００度以下材料表现出很好的热、化学稳定性和氧催化还原性质。这类材料的热膨胀系数（１２～１３×１０↑［－６］ｃｍ／ｃｍ℃）与ＣＧＯ材料接近，适合作为固体氧化物燃料电池的阴极材料使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种阴极材料。
技术介绍
中温氧化物燃料电池的发展近来引起了人们的关注。随着使用温度的降低(600～800℃)，传统阴极材料的电化学性能也随之下降，极化电阻增大。研究表明La0.85Sr0.15MnO3(LSM)的极化电阻从1000℃时的几个欧姆猛增到800℃时的几千欧姆。为此，寻找新的能在中温条件下使用的阴极材料成为发展中温燃料电池的重要任务。目前主要的解决方案是发展氧离子-电子混合导电材料。一般而言，对于中温氧化物燃料电池阴极材料的基本要求是：材料在中低温区有比较高的氧离子一电子混合电导率，同时还需要有较好的化学稳定性和热稳定性(即与电解质匹配的热膨胀系数)。钙钛矿结构的过渡族金属复合氧化物材料，比如La0.8Sr0.2Co0.4Fe0.6O3(LSCF)在中低温区具有较好的混合导电率，但是它的热膨胀系数与CGO电解质材料之间相差较大，热稳定性能不好。因而开发能够满足上述基本要求的新材料成为人们研究的热点。目前有人报道过间隙氧类型的Nd2-xCexCuO4作为中温氧化物燃料电池的阴极材料，但是性能不好。在以前的研究中，我们曾报道过镍体系的Sr1-xSm1+xNi1-yCoyO4(专利申请号2005100102769)，性能比上述材料有改善。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有中温氧化物燃料电池阴极材料性能差的问题，而提供一种固体氧化物燃料电池阴极材料，开发氧空位类型K2NiF4结构新型中温氧化物燃料电池阴极材料，使其在中低温区有比较高的氧离子-电子混合电导率(800度空气中材料的混合电导率接近100Scm-1)，同时有较好的化学稳定性(1000度空气气氛下烧结24小时材料不与CGO电解质发生化学反应)和热稳定性(即与电解质匹配的热膨胀系数)。本专利技术的组成通式为Ln1+xA1-x′CuO4±δ，其中Ln为稀土元素，A′为主族碱土金属，0.5＜x＜1，δ＝0～0.01。Ln代表周期表中稀土元素(La、Ce、Pr、Nd、Sm、-->Gd、Dy或Eu等)，A′为主族碱土金属(Ca、Sr或Ba等)。本专利技术的材料采用甘氨酸-硝酸盐法制备。通过控制合成条件，可以得到很大比表面积的氧化物粉末。本专利技术的材料在氧分压为10-5至1atm范围内，表现出很高的氧离子-电子混合电导率，且其氧离子电导率(800度空气下大于0.06Scm-1)高于钙钛矿结构的阴极材料，如LSCF的氧离子电导率(800度下约为0.03Scm-1)。以其为阴极，在800度以下材料表现出很好的热、化学稳定性和氧催化还原性质。这类材料的热膨胀系数(12～13×10-6cm/cm℃)与CGO材料接近，适合作为固体氧化物燃料电池的阴极材料使用。本专利技术采用甘氨酸-硝酸盐法制备了一类新型固体氧化物燃料电池阴极材料。这种合成方法在850度空气中烧结6小时得到纯相产品，比传统的高温固相反应(1200～1400度烧结24小时)降低合成温度，减少合成时间。本专利技术得到的材料作为中温固体氧化物燃料电池阴极材料使用时的优点和主要技术指标如下：1、化学稳定性描述：Ln1+xA1-x′CuO4±δ材料具有很好的化学稳定性。1000度空气气氛下烧结24小时材料不与CGO电解质发生化学反应，并且材料与CGO电解质形成良好的接触界面。这些结论可以用XRD和SEM加以证明(参见图1b和图3)。2、热稳定性描述：作为中温固体氧化物燃料电池阴极材料使用时，要求材料与电解质具有接近的热膨胀系数，以此减少由于温度波动造成的电极-电解质界面开裂和电池性能下降。Ln1+xA1-x′CuO4±δ的热膨胀系数随组分的变化而改变，但本专利涉及的这类结构的所有组成化合物，其空气气氛下的热膨胀系数均接近CGO电解质材料(参见图4)。3、电极性能描述：作为中温固体氧化物燃料电池阴极材料使用时，要求其混合导电率接近100Scm-1，以此减少电极极化电阻造成的电池输出功率消耗。Ln1+xA1-x′CuO4±δ的混合电导率在800度空气气氛下随组分变化而改变，但大部分的化合物电导率基本接近、或者超过100Scm-1的要求(参见图5)。其阴极工作极化曲线在相同温度下优于LSM，与LSCF相当。-->4、与文献报道的Nd2-xCexCuO4的比较：阴极极化电阻的大小是衡量阴极性能优劣的主要技术指标。我们的研究发现氧空位型Ln1+xA1-x′CUO4+δ的阴极极化电阻很小。La1.7Sr0.3CuO4具有最小的极化电阻。在700℃空气中测量得到的极化电阻值(ASR)为0.16ohm.cm2，远远优于报道的间隙氧型Nd2-xCexCuO4材料(同样测试条件下的值大约为8ohm.cm2)(参见图6)。5、与Sr1-xSm1+xNi1-yCoyO4体系的比较：与Sr1-xSm1+xNi1-yCoyO4比较，Ln1+xA1-x′CuO4±δ具有较低的阴极过电位。700℃空气条件下，Ln1+xA1-x′CuO4±δ电极在100mAcm-2电流密度下的阴极极化电势小于60mV。而相同测试条件下，Sr0.5Sm1.5NiO4的阴极极化电势大于250mV，800℃、100mAcm-2电流密度下Sr0.5Sm1.5Ni0.8Co0.2O4的阴极极化电势为75mV。由此可见Ln1+xA1-x′CuO4±δ的性能优于Sr1-xSm1+xNi1-yCoyO4体系(参见图7)。附图说明图1是La1.7Sr0.3CuO4的合成及化学稳定性XRD检测结果图，图中a表示合成的La1.7Sr0.3CuO4的XRD检测结果图，b表示La1.7Sr0.3CuO4与CGO混合后在1000度烧结24小时的XRD检测结果图，c表示La1.7Sr0.3CuO4与CGO混合后在800度下连续烧结7天的XRD检测结果图，+代表La1.7Sr0.3CuO4，○代表CGO；图2是900度4小时烧结后电极表面形貌图，图3是800度热冲击实验后阴极/电解质横截面的微观形貌图；图4是CGO、LSCF、La1.7Sr0.3CuO4材料的热膨胀系数测量图，其中-■-表示La1.7Sr0.3CuO4在不同温度下的热膨胀系数，--表示CGO在不同温度下的热膨胀系数，-★-表示LSCF在不同温度下的热膨胀系数；图5是空气气氛下La2-xSrxCuO4材料的直流电导率测试结果图，图中表示La2CuO4在空气气氛下直流电导率测试结果，●表示La1.9Sr0.1CuO4在空气气氛下直流电导率测试结果，表示La1.7S0.3CuO4在空气气氛下直流电导率测试结果，■表示La1.5Sr0.5CuO4在空气气氛下直流电导率测试结果；图6是La1.7Sr0.3CuO4在700度空气中的复阻抗谱图；图7是La1.7Sr0.3CuO4阴极与LSM和LSCF的直流极化曲线对比图，口表示LSM的直流极化曲线，☆表示LSCF的直流极化电势，★表示La1.7Sr0.3CuO4的直流极化极化电势，◇表示Sr0.5Sm1.5NiO4的直流极化极化电势，◆表示-->Sr0.5Sm1.5Ni0.8Co0.2O4的直流极化极化电势。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的固体氧化物燃料电池阴极材料的组成通式为Ln1+xA1-x′CuO4±δ，其中Ln为稀土元素，A′为主族碱土金属，0.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
固体氧化物燃料电池阴极材料，其特征在于它的组成通式为Ｌｎ↓［１＋ｘ］Ａ′↓［１－ｘ］ＣｕＯ↓［４±δ］，其中Ｌｎ为稀土元素，Ａ′为主族碱土金属，０．５＜ｘ＜１，δ＝０～０．０１。

【技术特征摘要】
1、固体氧化物燃料电池阴极材料，其特征在于它的组成通式为Ln1+xA1-x′CuO4±δ，其中Ln为稀土元素，A′为主族碱土金属，0.5＜x＜1，δ＝0～0.01。2、根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池阴极材料，其特征在于所述稀土元素为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy或Eu。3、根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池阴极材料，其特征在于所述主族碱土金属为Ca、Sr或Ba。4、根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池阴极材料，其特征在于当Ln为La，A′为Sr，δ＝0...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵辉，李强，霍丽华，孙丽萍，程晓丽，高山，
申请(专利权)人：黑龙江大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]