本发明专利技术属于固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种高电化学性能，长时间运行稳定的固体氧化物燃料电池复合阴极及其制备方法。其步骤为：1、高温制备电解质材料组成的三维多孔骨架；2、制备阴极材料的粉体悬浮液或硝酸盐溶液；3、将粉体悬浮液或硝酸盐溶液浸渍到多孔骨架中，然后焙烧；4、多次重复步骤3的操作至达到所需的浸渍量；5、空气气氛下高温烧结，即得到具有核壳结构的三维复合阴极。本发明专利技术的工艺简单，且不需要昂贵的实验仪器。本发明专利技术得到的复合阴极具有核壳结构的复合阴极，即核为电解质骨架，壳为稳定的纳米薄膜结构的相反应层。本发明专利技术可以解决浸渍法制备的固体氧化物燃料电池阴极中的纳米颗粒稳定性低，容易烧结而导致性能衰减的问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种高电化学性能，长时间运行稳定的固体氧化物燃料电池复合阴极及其制备方法。
技术介绍
经典的固体氧化物燃料电池阴极材料是具有钙钛矿晶相结构的氧化物Laa 8Sra 2Mn03 (LSM)，它具有较好的电子电导率，与传统电解质较匹配的热膨胀系数，及较高的热化学稳定性等，目前在高温SOFCs中仍被广泛使用。然而由于LSM的纯电子导电特性，电极反应局限在LSM-电解质-空气三相界面上。在高温下，电极反应能保持较快的速率，所以LSM电极的极化电阻可以控制在合理的范围内。然而随着温度的降低，电极的活性显著下降；在850°C以下，急剧增大的电极极化电阻使得电池的功率输出不具有实际应用的价值。人们试图通过在LSM相中引入具有离子导电能力的第二相来提高电极的表观氧离子 导电能力，使得电极的活性位能扩展到电极的内部，进而有效地提高电极在低温下的性能。由于两相是通过机械混合的，电极的性能强烈依赖于制备方法及条件，一般情况下，两相只能达到微米水平的混合。研究发现，采用常规的复合电极，操作温度降到800°C左右时电极活性仍能保持较好的水平。然而当温度进一步下降时，电极极化电阻仍较大。由于纳米材料具有诸多优异的特性，近年来其在储能和能量转化领域的应用已引起众多研究者广泛的关注。纳米材料已被广泛的用作低温聚合物电解质燃料电池的氧还原反应电极催化剂。在固体氧化物燃料电池领域，纳米电极也已引起了人们的兴趣。目前研究比较多的固体氧化物燃料电池纳米颗粒修饰可以分为四类一、电极上负载纳米贵金属颗粒；二、电极上修饰具有高氧空穴浓度或高电子电导率的纳米氧化物颗粒；三、电解质骨架上负载具有纳米网络结构的贵金属；四、电解质骨架上修饰具有纳米网络结构的氧化物。纳米修饰电极的制备主要由溶液浸溃和低温烧结两步构成。通过浸溃可以把一个具有高电极活性的相引入到预先制备好的高孔隙率的多孔骨架中，进而形成具有特殊形貌的双相复合电极。与常规的复合电极相比，此浸溃法制备的电极的膨胀系数与骨架的类似，而普通的复合电极是两相的权重平均值，使得电极的热机械稳定性大大增强。另外由于特殊的形貌结构，采用较少的活性物质含量也可实现连续的通道。但是浸溃法的一个缺点是，可能会导致电极孔隙率的严重下降，进而对电极的传质产生严重影响。另外，纳米电极有一个很大的缺点是低的热稳定性。纳米粒子是一种表面能很高的非稳定物质，在SOFCs的操作温度下，加上极化电流的作用，纳米粒子间的烧结变得非常严重，从而导致性能显著衰减。因而传统的浸溃法制备的阴极在SOFCs中的应用受到很大的限制。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种获得高电化学性能，长时间运行稳定的固体氧化物燃料电池复合阴极，本专利技术的另一目的是提供上述复合阴极的制备方法。本专利技术的技术方案为一种固体氧化物燃料电池复合阴极，其特征在于复合阴极具有核壳结构；其中核为电解质材料骨架，壳为稳定的纳米薄膜结构的相反应层，其中，壳占整个复合阴极的质量分数为25%-45% ;相反应层是浸溃后的材料和骨架发生固相相反应生成的，该层中既含有浸溃液中的元素，又含有骨架中的元素。优选电解质材料骨架具有三维多孔结构，孔隙率为30%飞0% ；电解质材料骨架的厚度为10^30 Um0所述的电解质骨架材料为氧离子导体氧化物、质子导体氧化物的一种或者为氧离子导体氧化物和质子导体氧化物的混合氧化物。 优选所述的氧离子导体氧化物为掺杂的氧化铈氧离子导体氧化物、稳定的氧化锆氧离子导体氧化物、镧镓基钙钛矿型氧离子导体氧化物或镧铝基钙钛矿型氧离子导体氧化物。更优选为 Smtl 2Cetl 8O19 或 Gdci lCeci 9O19515优选所述的质子导体氧化物为锶铈基质子导体氧化物、锶锆基质子导体氧化物、钡铈基质子导体氧化物或钡锆基质子导体氧化物；更优选BaZra !Ce0.7Y0.203_ 5、BaCe0 8Y0.203_ 5 或 BaZr0.8Y0.203_ 5。本专利技术还提供上述固体氧化物燃料电池复合阴极的制备方法，其具体步骤如下一、高温烧结制备电解质材料组成的三维多孔骨架；二、制备阴极材料的粉体悬浮液或前躯体硝酸盐溶液；三、将步骤二中得到的粉体悬浮液或前躯体硝酸盐溶液浸溃到步骤一中得到的多孔骨架中，然后在40(T60(TC焙烧3(T60min ;四、重复步骤三的操作达到所需的浸溃量，即复合阴极中纳米薄膜的质量分数=纳米薄膜质量/ (纳米薄膜质量+多孔骨架质量)=25%-45% ;五、空气气氛下1000-1200°C烧结3(T300min，即得到具有核壳结构的三维复合阴极。本专利技术所述的高温制备电解质材料组成的三维多孔骨架采用常规的方法，优选烧结温度为125(Tl400°C，烧结时间为4 8h。本专利技术所述的阴极材料的粉体悬浮液是通过常规的溶胶-凝胶法、固相法、水热合成法制备后的粉体，和分散剂、有机溶剂以及表面活性剂混合而成的悬浮液；其中所述的粉体为 LnxCo2_x0y，其中 Ln=Y, La, Pr, Nd, Sm, Gd 或 Dy，SrxCo2_x0y，BaxCo2_x0y, Co3O4, Co2O3 或CoO的一种或几种，I彡x>0,3彡y>2 ;更优选所述的粉体为SrCoO3, Co3O4 ;所述的有机溶剂为乙醇、乙二醇、1，2-丁二醇或丙酮中的一种或几种；其中粉体与有机溶剂的用量比例为8(Tl20g/L ;所述的分散剂为聚乙二醇或聚乙烯醇，其中分散剂与有机溶剂的体积比为r3 :10 ;所述的表面活性剂为柠檬酸、乙二胺四乙酸、尿素、甘氨酸或三乙醇胺中的一种或几种，其中表面活性剂的质量是粉体质量的r2倍。优选阴极材料的前驱体硝酸盐溶液为硝酸盐、络合剂和表面活性剂的混合水溶液；其中前驱体硝酸盐溶液的浓度为0. r2mol/L ;优选所述的硝酸盐为Co (NO3)3、或者是Ln(NO3)3' Sr(NO3)3或Ba(NO3)3中的一种或几种和Co (NO3)3的混合，Co与其他金属离子的的摩尔比为I :(0. 5 1.5)，其中Ln=Y, La, Pr, Nd, Sm，Gd或Dy ;更优选所述的硝酸盐为Co (NO3) 3，或者是Co (NO3) 3和Sr(NO3)3的金属离子的摩尔比为I : (0. 5 I. 5)混合。所述的络合剂为柠檬酸、乙二胺四乙酸、尿素或甘氨酸中的一种或几种，其中络合剂的用量为总的金属离子的物质的量的广3倍；所述的表面活性剂为乙醇，其中硝酸盐溶液与乙醇的体积比为1 4。为了达到所需的浸溃量，即复合阴极中纳米薄膜的质量分数=纳米薄膜质量/(纳米薄膜质量+多孔骨架质量)=25%-45% ;一般需要重复步骤三的操作次数为3飞次。步骤五所述的高温烧结是反应烧结，即浸溃后的材料和多孔骨架发生固相相反应，生成的相反应层中既含有浸溃液中的元素，又含有多孔骨架中的元素。有益效果本专利技术所得到的复合阴极除了浸溃法制备复合阴极的优点，还具有孔隙率高、热稳定性好的优点，从而保证该复合阴极具有高的电化学性能和长时间运行的稳定性。附图说明图I是实施例I中Sma2Cea8Ou电解质材料为多孔骨架的微观形貌图。图2是实施例I制备的具有核壳结构的三维复合阴极的示意图。图3是实施例2制备的Sma2Cea8Ou本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池复合阴极，其特征在于复合阴极具有核壳结构，其中核为电解质材料骨架，壳为稳定的纳米薄膜结构的相反应层，壳占整个复合阴极的质量分数为25%-45% ;相反应层是浸溃后的阴极材料和骨架发生固相相反应生成的，该层中既含有浸溃液中的元素，又含有骨架中的元素。2.根据权利要求I所述的一种固体氧化物燃料电池复合阴极，其特征在于电解质材料骨架具有三维多孔结构，孔隙率为30%飞0% ;电解质材料骨架的厚度为l(T30iim ;所述的电解质材料骨架为氧离子导体氧化物和/或质子导体氧化物组成的骨架。3.根据权利要求I所述的一种固体氧化物燃料电池复合阴极，其特征在于氧离子导体氧化物为掺杂的氧化铈氧离子导体氧化物、稳定的氧化锆氧离子导体氧化物、镧镓基钙钛矿型氧离子导体氧化物或镧铝基钙钛矿型氧离子导体氧化物中的一种；质子导体氧化物为锶铈基质子导体氧化物、锶锆基质子导体氧化物、钡铈基质子导体氧化物或钡锆基质子导体氧化物中的一种。4.一种制备如权利要求I所述的固体氧化物燃料电池复合阴极的方法，其具体步骤如下一、高温烧结制备电解质材料组成的三维多孔骨架；二、制备阴极材料的粉体悬浮液或前驱体硝酸盐溶液；三、将步骤二中得到的粉体悬浮液或硝酸盐溶液浸溃到步骤一中得到的多孔骨架中，然后在40(T60(TC焙烧3(T60min;四、重复步骤三达到所需的浸溃量；五、空气气氛下1000-1200°C高温烧结3(T300min，即得到具有核壳结构的三维复合阴极。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于步骤一中的高温烧结制备三维多孔骨架的温度为125(Tl400°C，烧结时间为4 8h。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于步骤二中阴极材料的粉体悬浮液是通过溶胶-凝胶法、固相法、水...
【专利技术属性】
技术研发人员：邵宗平，王富存，陈登洁，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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