质子型固体氧化物燃料电池阴极、电池及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种质子型固体氧化物燃料电池阴极、电池及其制备方法，属于燃料电池领域，燃料电池阴极选用YCBCo作为阴极催化材料。YCBCo在200℃～400℃的低温区间内吸/脱氧性能满足质子型固体氧化物燃料电池阴极的要求，在600℃左右电子导电性70

【技术实现步骤摘要】
质子型固体氧化物燃料电池阴极、电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于质子型固体氧化物燃料电池领域，更具体地，涉及一种质子型固体氧化物燃料电池Y1‑
x
Ce
x
BaCo4O
7+δ
阴极、电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]为建设可持续发展的资源节约型和生态保护型社会，对现有的稀土、碳氢资源进行科学整合与高效利用将有效缓解环境污染与能源短缺等问题，因此，发展并大力推广可再生能源产业具有重大意义。
[0003]固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell，SOFC)是一种基于氢/碳氢燃料的极具商业化应用潜力的能量转化器件，具备安静、高效、稳定等显著优势，其全固态结构能够轻松应对机械设计制造及其自动化设计等方面的物理需求，有助于实现高度集成化的中、小型发电站的建设与大型电站的并网供电，因而在全球范围内受到了广泛的关注与深入的研究。
[0004]传统氧离子导电型SOFC(O
‑
SOFC)单电池具备三层结构，氧气经多孔阴极催化还原为氧离子并定向传导至致密氧离子导体电解质，穿过电解质层最终到达多孔阳极与燃料气体反应生成H2O/H2O+CO2并对外部负载供电。由于氧离子传导的激活能较高，传统O
‑
SOFC的工作温度通常在中、高温区间范围内(600℃
ꢀ‑
1000℃)，为了降低运行、维护成本以及更大程度的确保电池的结构稳定性，研究人员致力于将电池的运行温度由中、高温区间降至低温区间，但在低温范围内(300℃
‑
500℃)O
‑
SOFC的催化转化效率与输出功率不足以应对实际应用的性能需求。因此，人们把目光转向了低温质子导体型SOFC(H
‑
SOFC)，不同于O
‑
SOFC，在H
‑
SOFC体系中H2在多孔阳极被氧化为H
+
并通由致密电解质层定向传导至多孔阴极，与被氧化还原的O2‑
反应在阴极侧生成H2O，由此带来的优势包括：1.避免阳极侧过高的湿度导致的Ni过度氧化、催化失活； 2.质子导体电解质内阻更低，电池欧姆损失更低；3.H2O于阴极侧生成能适度稀释反应气O2以提升电池运行的安全性。
[0005]尽管业界人士正极力推进H
‑
SOFC的研究进展以期早日实现其大规模商业化运用，但H
‑
SOFC技术仍受制于一些技术问题：广泛使用的Co基阴极催化剂虽性能优异，但其过高的热膨胀系数(thermalexpansioncoefficient,TEC)与通用质子导体电解质并不适配，即使通过高温热处理阴极与电解质之间的结合力仍然很弱，电池整体的机械强度不足以应对长期运行的结构稳定性需求；而非Co基阴极催化剂的导电性与氧化原(oxygenreductionreaction，ORR)催化活性较低，这一点在低温区间内体现的尤为明显。
[0006]因此，需要权衡阴极材料的催化活性与电池整体的结构稳定性需求，开发一种新型的质子型固体氧化物燃料电池阴极催化剂。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供质子型固体氧化物燃料电池 Y1‑
x
Ce
x
BaCo4O
7+δ
阴极、电池及其制备方法，通过选用新颖的材料作为阴极催化剂，较好的权衡
了阴极材料的催化活性与电池整体的结构稳定性，本专利技术还提供了阴极的制备方法，其制备方法简单，易于工程实现。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了一种质子型固体氧化物燃料电池阴极，选用Y1‑
x
Ce
x
BaCo4O
7+δ
作为阴极催化材料，Y1‑
x
Ce
x
BaCo4O
7+δ
简称为YCBCo，其中，0≤x＜1，0≤δ＜1。
[0009]进一步的，YCBCo在200℃～400℃的低温区间内吸/脱氧性能满足质子型固体氧化物燃料电池阴极的要求，在600℃
±
100℃范围内电子导电性70
±
10 Scm
‑1，YCBCo材料的热膨胀系数为(9.20
±
1.00)
×
10
‑6K
‑1。
[0010]按照本专利技术的第二个方面，还提供一种如上所述质子型固体氧化物燃料电池阴极的燃料电池。
[0011]按照本专利技术的第三个方面，还提供一种如上所述的质子型固体氧化物燃料电池阴极的方法，其包括如下步骤：
[0012]S1：将Y的硝酸盐、Ba的硝酸盐、Ce的硝酸盐、Co的硝酸盐分别溶于去离子水中，使用甘氨酸作为助燃剂，在950℃～1000℃煅烧3h～5h，获得黑色 YCBCo的粉末，
[0013]S2：将黑色YCBCo的粉末与粘结剂充分、均匀研磨成阴极浆料，印刷至电解质表面，在空气气氛下在1000℃～1100℃煅烧1.5h～2.5h，获得单相多孔 YCBCo阴极。
[0014]按照本专利技术的第四个方面，还提供一种如上所述的质子型固体氧化物燃料电池阴极的方法，其包括如下步骤：
[0015]S1：将Ba1‑
x
Zr
x
Ce1‑
y
Y
y
O3‑
δ
电解质与粘结剂充分、均匀研磨为骨架浆料，丝网印刷至电解质表面，在空气气氛下1000℃～1100℃煅烧1.5h～2.5h，获得多孔BZCY骨架，其中，Ba1‑
x
Zr
x
Ce1‑
y
Y
y
O3‑
δ
简称BZCY，其中，0＜x＜1，0＜y ＜1，
[0016]S2：将Y的硝酸盐、Ba的硝酸盐、Ce的硝酸盐、Co的硝酸盐溶于异丙醇溶剂，获得第一溶液，将甘氨酸与聚乙烯基吡咯烷酮溶于去离子水，获得第二溶液，将第二溶液逐滴加入第一溶液中，得到澄清透明YCBCo浸渍前驱液，
[0017]S3：先将YCBCo浸渍前驱液注入多孔BZCY骨架，接着在负压环境处理 0.5h～1.0h，然后在空气气氛下950℃～1050℃煅烧3h～5h，得到YCBCo
‑
BZCY 复合多孔阴极，YCBCo
‑
BZCY复合多孔阴极中，YCBCo为纳米颗粒，YCBCo 纳米颗粒均匀分散在BZCY骨架上。该步骤中，可以通过调控YCBCo浸渍前驱液浓度调控最后产物的形貌，YCBCo浸渍前驱液浓度较高时，获得的是 BZCY@YCBCo核壳结构阴极，YCBCo呈薄膜状包覆在BZCY骨架表面。 YCBCo浸渍前驱液浓度较低时，可以获得离散分布的YCBCo
‑
BZCY复合多孔阴极，YCBCo呈颗粒状分布在BZCY骨架表面。其中，YCBCo生成物是呈颗粒状还是呈薄膜状，是由YCBCo浸渍前驱液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子型固体氧化物燃料电池阴极，其特征在于，选用Y1‑
x
Ce
x
BaCo4O
7+δ
作为阴极催化材料，Y1‑
x
Ce
x
BaCo4O
7+δ
简称为YCBCo，其中，0≤x＜1，0≤δ＜1。2.如权利要求1所述的质子型固体氧化物燃料电池阴极，其特征在于，YCBCo在200℃～400℃的低温区间内吸/脱氧性能满足质子型固体氧化物燃料电池阴极的要求，在600℃
±
100℃范围内电子导电性70
±
10Scm
‑1，YCBCo材料的热膨胀系数为(9.20
±
1.00)
×
10
‑6K
‑1。3.包括如权利要求1或者2所述质子型固体氧化物燃料电池阴极的燃料电池。4.制备如权利要求1或2所述的质子型固体氧化物燃料电池阴极的方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1：将Y的硝酸盐、Ba的硝酸盐、Ce的硝酸盐、Co的硝酸盐分别溶于去离子水中，使用甘氨酸作为助燃剂，在950℃～1000℃煅烧3h～5h，获得黑色YCBCo的粉末，S2：将黑色YCBCo的粉末与粘结剂充分、均匀研磨成阴极浆料，印刷至电解质表面，在空气气氛下在1000℃～1100℃煅烧1.5h～2.5h，获得单相多孔YCBCo阴极。5.制备如权利要求1或2所述的质子型固体氧化物燃料电池阴极的方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1：将Ba1‑
x
Zr
x
Ce1‑
y
Y
y
O3‑
δ
电解质与粘结剂充分、均匀研磨为骨架浆料，丝网印刷至电解质表面，在空气气氛下1000℃～1100℃煅烧1.5h～2.5h，获得多孔BZCY骨架，其中，Ba1‑
x
Zr
x
Ce1‑
y
Y
y
O3‑
δ
简称BZCY，其中，0＜x＜1，0＜y＜1，S2：将Y的硝酸盐、Ba的硝酸盐、Ce的硝酸盐、Co的硝酸盐溶于异丙醇溶剂，获得第一溶液，将甘氨酸与聚乙烯基吡咯烷酮溶于去离子水，获得第二溶液，将第二溶液逐滴加入第一溶液中，得到澄清透明YCBCo浸渍前驱液，S3...

【专利技术属性】
技术研发人员：李矜，邓岩武，赵康杰，周鑫，王二静，赵丽，吴聪聪，董兵海，王世敏，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：