專利名稱：一種固體氧化物型燃料電池陰極材料及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電氣機(jī)械及器材制造領(lǐng)域，涉及一種固體氧化物型燃料電池陰極材 料。
背景技術(shù)：
作為一種新能量轉(zhuǎn)換裝置，高效且低排放或者零排放的S0FC(固體氧化物型燃料 電池)在過去20年受到了非常大的重視。常規(guī)的Solid Oxide Fuel Cell(SOFC) 一般工 作在800-100(TC，在如此高溫度下運(yùn)行，而高溫帶來一系列問題如電極燒結(jié)導(dǎo)致性能衰 退、對(duì)材料要求苛刻，成本高等，電極材料和連接體材料的選擇范圍受到限制，并且SOFC的 使用壽命大大縮短，限制了 SOFC的進(jìn)一步發(fā)展，因此降低該電池的工作溫度(一般降至 600-8000C )成為SOFC發(fā)展的必然趨勢。通常有兩種方法減小反應(yīng)溫度，一種方法是減小 電解質(zhì)厚度或者采用高電導(dǎo)率的介質(zhì)來減小燃料電池的陰極極化電阻。另一種方法是開發(fā) 一種新的陰極材料來相應(yīng)的減小電阻。考慮對(duì)薄膜片燃料電池的依賴，對(duì)于減小電解質(zhì)厚 度存在嚴(yán)重的限制。這樣，開發(fā)高效用競爭力陰極材料或許是最有可能實(shí)現(xiàn)的方法來減小 溫度。目前，高溫SOFC中使用的陰極材料是Lai_xAxMri03(A = Ca, Sr，Ba等)這種材料在高 溫下具有較高的電導(dǎo)率，對(duì)氧也有較好的催化作用，并且與固體電解質(zhì)YSZ(氧化鋯)在化 學(xué)相容性和熱膨脹等方面較匹配。但是隨著溫度的降低，傳統(tǒng)LahSrxMnO3(LSM)陰極材料 由于活化能大而導(dǎo)致其過電位將急劇增大，進(jìn)而成為限制中低溫SOFC的工作性能的主要 因素。因此尋找新的陰極材料取代原材料已經(jīng)成為發(fā)展中低溫SOFC的一個(gè)重要課題。目前，SOFC陰極要求具有如下性質(zhì)陰極材料必須能夠在氧化性氣氛中保持穩(wěn) 定，另外，和陽極材料一樣，它必須是具有多孔結(jié)構(gòu)的電子導(dǎo)體，而且這種多孔結(jié)構(gòu)必須能 夠在高溫下保持穩(wěn)定。同樣，高溫也限制了材料的選擇，通?？蛇x擇的是貴金屬和電子電導(dǎo) 率很高的氧化物。實(shí)際上，由于價(jià)格原因，貴金屬已經(jīng)被排除在外，大量使用的是氧化物。氧 化物不僅要具有高的電子電導(dǎo)率，還要具備與電解質(zhì)材料相差不大的熱膨脹系數(shù)，且在高 溫下不能與電解質(zhì)材料發(fā)生反應(yīng)。研究者對(duì)大量的摻雜氧化物進(jìn)行了研究，其中LSM(錳酸 鑭鍶)是使用得最多的陰極材料。但LSM陰極材料在較低的操作溫度下性能不佳，因此極 大的限制了 SOFC的性能。LSCF(納米鑭鍶鈷鐵，化學(xué)式=Latl6Sra4C0a2Fea8O3- δ )具有更高 的電子電導(dǎo)率，且Fe含量較低時(shí)能夠與YSZ (氧化鋯)電解質(zhì)熱膨脹相匹配，這意味著它將 是中溫SOFC最常使用的陰極材料。我國在該方向也取得了一定成果，但由于起步晚，資金 投入不足等原因發(fā)展仍較緩慢。國外已在電極材料的制備和優(yōu)化，電介質(zhì)材料的開發(fā)和薄 膜化方面做了系統(tǒng)的研究，并取得了顯著的進(jìn)展，而我國在這些領(lǐng)域的研究相對(duì)滯后，基本 處于模仿跟蹤狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種固體氧化物型燃料電池(SOFC)陰極材料及其制作方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方能實(shí)現(xiàn)一種固體氧化物型燃料電池陰極材料，其在于該固體氧化物型燃料電池陰極材料 含有 LSCF (La。.上述固體氧化物型燃料電池陰極材料，其在于向該固體氧化物型燃料電池陰極材 料中摻入SDC，制成由LSCF和SDC組成的固體氧化物型燃料電池陰極材料。上述固體氧化物型燃料電池陰極材料，其在于在該固體氧化物型燃料電池陰極材 料中摻入的SDC的重量百分含量為10% 40%，優(yōu)選為30%。上述固體氧化物型燃料電池陰極材料，其在于對(duì)該固體氧化物型燃料電池的陰極 材料進(jìn)行加壓處理。一種固體氧化物型燃料電池陰極材料制作方法，其在于該固體氧化物型燃料電池 陰極材料含有LSCF。上述固體氧化物型燃料電池陰極材料制作方法，其在于向該固體氧化物型燃料電 池陰極材料中摻入SDC，制成由LSCF和SDC組成的固體氧化物型燃料電池陰極材料。上述固體氧化物型燃料電池陰極材料制作方法，其在于在該固體氧化物型燃料電 池陰極材料中摻入的SDC的重量百分含量為10% 40%，優(yōu)選為30%。上述固體氧化物型燃料電池陰極材料制作方法，其在于對(duì)固體氧化物型燃料電池 的陰極材料進(jìn)行加壓處理。具體方案為選取兩種陰極材料，一種為純態(tài)的LSCF(Laa6Sra4C0a2Fea8C)3- δ )陰極材料，另一 種為由LSCF (La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.803- δ )和SDC (氯異氰尿酸鈉)組成的復(fù)合陰極材料，在復(fù)合 陰極材料中SDC的重量百分含量為10 40%，優(yōu)選30%，對(duì)部分陰極材料進(jìn)行加壓處理。 加壓方法為常規(guī)技術(shù)手段，將純態(tài)LSCF陰極材料或按比例進(jìn)行混合的LSCF和SDC的復(fù)合 陰極材料倒入Φ 10 (直徑為IOmm)模具中，采用7個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)對(duì)純態(tài)LSCF陰極材料或 按比例進(jìn)行混合的LSCF和SDC的復(fù)合陰極材料進(jìn)行加壓處理，然后將加壓處理后的陰極材 料粉碎后制備成漿料。分別采用加壓處理過的純態(tài)LSCF陰極材料、加壓處理過的LSCF和 SDC組成的復(fù)合陰極材料、未加壓處理過的純態(tài)LSCF陰極材料和未加壓的LSCF和SDC組成 的復(fù)合陰極材料制作固體氧化物型燃料電池，固體氧化物型燃料電池的其它材料及制作工 藝與常規(guī)技術(shù)相同。本發(fā)明的有益效果摻SDC復(fù)合陰極的歐姆電阻和極化電阻均小于純態(tài)LSCF陰極材料，進(jìn)行加壓處理 后的純態(tài)LSCF陰極材料的歐姆電阻和極化電阻小于未經(jīng)加壓處理的純態(tài)LSCF陰極材料， 而在復(fù)合陰極中加壓處理后的陰極材料的歐姆電阻和極化電阻又均小于未經(jīng)處理的陰極 復(fù)合材料。由此可以得出加壓處理和摻SDC均能明顯的降低固體氧化物型燃料電池的電 阻。


圖1陽極支撐型固體氧化物型燃料電池實(shí)物圖。圖2 700°C不同陰極材料的阻抗譜。三種不同陰極材料制作的單電池阻抗情況，-☆-曲線為加壓處理后的LSCF陰極
4材料單電池阻抗譜；_ Δ -曲線為LSCF+30% SDC復(fù)合陰極材料單體電池阻抗譜；-□-曲 線為加壓處理后的LSCF+30% SDC復(fù)合陰極材料單體電池阻抗譜。圖3單電池電化學(xué)測試示意圖。I-YSZ膜2-陰極3-陽極4_引線5_瓷管6_細(xì)瓷管7_電化學(xué)綜合測試 儀
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例的方式進(jìn)一步說明本發(fā)明，但并不將本發(fā)明限制在實(shí)施例所述的 范圍之內(nèi)。實(shí)施例1利用加壓的LSCF(Laa6Sra4C0a2Fea8O3)作為陰極材料制作陽極支撐體固 體氧化物型燃料電池陽極支撐體質(zhì)量為0. 25g半徑為13mm的YSZ+NiO+面粉片，將其1000°C高溫煅燒 2小時(shí)。因YSZ經(jīng)高溫煅燒后表面會(huì)比較光滑，不易于陰極的涂覆，所以要對(duì)其進(jìn)行粗糙化 處理，即將YSZ與粘結(jié)劑按適量比例混合配制成漿料，然后旋涂在YSZ片的表面上。在陽極 支撐體上旋涂YSZ漿料三層，每旋一層400°C烘15分鐘，最后再粗糙化一層，其中在旋涂二、 三、四層時(shí)注意牙簽不能碰到下面一層，從而保證電解質(zhì)的致密，高溫程控爐中1400°C高溫 煅燒4小時(shí)，制成后如圖1所示。將過渡層漿料SDC均勻旋涂在電解質(zhì)層上(防止LSCF與 YSZ電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng))，1300°C高溫煅燒4小時(shí)。將LSCF陰極材料倒入Φ 10 (直徑為 IOmm)模具中用7個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)加壓處理后粉碎并制成漿料，將加壓過的LSCF陰極漿料 攪拌后均勻地涂在粗糙化的電解質(zhì)過渡層上，面積約為0. 11cm2，用管式程控爐950°C下煅 燒2小時(shí)，得到完整單電池。圖3為單電池電化學(xué)性能測試示意圖。電池制備完成后進(jìn)行封接，將電池接到瓷 管5上，用銀膏密封，400°C加熱10-20分鐘，以保證電池工作時(shí)不漏氣，封接時(shí)陰極2朝外， 陽極3朝里，陰極和陽極之間為YSZ膜1，陰陽極各引出兩條引線4，管內(nèi)兩引線外套細(xì)瓷管 6隔離，防止造成引線短路影響電池性能測試。另外加一熱電偶測量溫度，熱電偶的頂端應(yīng) 與電池盡量接近，以保證測量溫度的準(zhǔn)確。實(shí)施例2利用LSCF(Laa6Sra4C0a2Fea8O3)和30% SDC的復(fù)合材料作為陰極材料制 作陽極支撐體固體氧化物型燃料電池陽極支撐體質(zhì)量為0. 25g半徑為13mm的YSZ+NiO+面粉片，將其1000°C高溫煅燒 2小時(shí)。因YSZ經(jīng)高溫煅燒后表面會(huì)比較光滑，不易于陰極的涂覆，所以要對(duì)其進(jìn)行粗糙化 處理，即將YSZ與粘結(jié)劑按適量比例混合配制成漿料，然后旋涂在YSZ片的表面上。在陽極 支撐體上旋涂YSZ漿料三層，每旋一層400°C烘15分鐘，最后再粗糙化一層，其中在旋涂二、 三、四層時(shí)注意牙簽不能碰到下面一層，從而保證電解質(zhì)的致密，高溫程控爐中1400°C高溫 煅燒4小時(shí)，制成后如圖1所示。將過渡層漿料SDC均勻旋涂在電解質(zhì)層上(防止LSCF與 YSZ電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng))，1300°C高溫煅燒4小時(shí)。將復(fù)合陰極漿料(SDC占30% )均勻 地涂在粗糙化的電解質(zhì)過渡層上，面積約為0. 11cm2，用管式程控爐950°C下煅燒2小時(shí)，得 到完整單電池。電池制備完成后進(jìn)行封接，將電池接到瓷管上，用銀膏密封，400°C加熱10-20分 鐘，以保證電池工作時(shí)不漏氣，封接時(shí)陰極2朝外，陽極3朝里，陰極和陽極之間為YSZ膜1，
5陰陽極各引出兩條引線4，管內(nèi)兩引線外套細(xì)瓷管隔離，防止造成引線短路影響電池性能測 試。另外加一熱電偶測量溫度，熱電偶的頂端應(yīng)與電池盡量接近，以保證測量溫度的準(zhǔn)確。 單電池電化學(xué)性能測試示意圖如圖3所示。實(shí)施例3利用加過壓的LSCF(Laa6Sra4C0a2Fea8O3)和30% SDC的復(fù)合材料作為陰 極材料制作陽極支撐體固體氧化物型燃料電池陽極支撐體質(zhì)量為0. 25g半徑為13mm的YSZ+NiO+面粉片，將其1000°C高溫煅燒 2小時(shí)。因YSZ經(jīng)高溫煅燒后表面會(huì)比較光滑，不易于陰極的涂覆，所以要對(duì)其進(jìn)行粗糙化 處理，即將YSZ與粘結(jié)劑按適量比例混合配制成漿料，然后旋涂在YSZ片的表面上。在陽極 支撐體上旋涂YSZ漿料三層，每旋一層400°C烘15分鐘，最后再粗糙化一層，其中在旋涂二、 三、四層是注意牙簽不能碰到下面一層，從而保證電解質(zhì)的致密，高溫程控爐中1400°C高溫 煅燒4小時(shí)，制成后如圖1所示。將過渡層漿料SDC均勻旋涂在電解質(zhì)層上(防止LSCF與 YSZ電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng))，13000C高溫煅燒4小時(shí)。將70 %的LSCF和30 %的SDC混合 后倒入Φ10(直徑為IOmm)模具中用7個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)加壓處理后粉碎并制成漿料，將加 過壓的復(fù)合陰極漿攪拌(SDC占30% )后均勻地涂在粗糙化的電解質(zhì)過渡層上，面積約為 0. 11cm2，用管式程控爐950°C下煅燒2小時(shí)，得到完整單電池。電池制備完成后進(jìn)行封接，將電池接到瓷管上，用銀膏密封，400°C加熱10-20分 鐘，以保證電池工作時(shí)不漏氣，封接時(shí)陰極2朝外，陽極3朝里，陰極和陽極之間為YSZ膜1， 陰陽極各引出兩條引線4，管內(nèi)兩引線外套細(xì)瓷管隔離，防止造成引線短路影響電池性能測 試。另外加一熱電偶測量溫度，熱電偶的頂端應(yīng)與電池盡量接近，以保證測量溫度的準(zhǔn)確。 單電池電化學(xué)性能測試示意圖如圖3所示。實(shí)施例4電池阻抗測試采用三電極法對(duì)陰極進(jìn)行電化學(xué)性能的測試，實(shí)施例1、2、3制得的電池的阻抗測 試曲線如圖2所示，圖2為700°C下不同陰極材料的阻抗譜。曲線與X軸的截距為單電池的歐姆電阻，截距越大，歐姆電阻越大，各曲線的曲率 半徑為單電池的極化電阻，半徑越大，極化電阻越大。從圖中可以看出摻SDC復(fù)合陰極的歐 姆電阻和極化電阻均小于純態(tài)LSCF陰極材料，而在復(fù)合陰極中加壓處理后的陰極材料的 歐姆電阻和極化電阻又均小于未經(jīng)處理的陰極復(fù)合材料。由此可以得出加壓處理或摻SDC 均能明顯的降低燃料電池的電阻。
權(quán)利要求
一種固體氧化物型燃料電池陰極材料，其特征在于該固體氧化物型燃料電池陰極材料含有LSCF。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物型燃料電池陰極材料，其特征在于向該固體氧化 物型燃料電池陰極材料中摻入SDC，制成由LSCF和SDC組成的固體氧化物型燃料電池陰極 材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體氧化物型燃料電池陰極材料，其特征在于在該固體氧化 物型燃料電池陰極材料中摻入的SDC的重量百分含量為10% 40%。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體氧化物型燃料電池陰極材料，其特征在于在該固體氧化 物型燃料電池陰極材料中摻入的SDC的重量百分含量為30%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任意一項(xiàng)所述的固體氧化物型燃料電池陰極材料，其特征在 于對(duì)該固體氧化物型燃料電池的陰極材料進(jìn)行加壓處理。
6.一種固體氧化物型燃料電池陰極材料制作方法，其特征在于該固體氧化物型燃料電 池陰極材料含有LSCF。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固體氧化物型燃料電池陰極材料制作方法，其特征在于向該 固體氧化物型燃料電池陰極材料中摻入SDC，制成由LSCF和SDC組成的固體氧化物型燃料 電池陰極材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固體氧化物型燃料電池陰極材料制作方法，其特征在于在該 固體氧化物型燃料電池陰極材料中摻入的SDC的重量百分含量為10% 40%。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的固體氧化物型燃料電池陰極材料制作方法，其特征在于在該 固體氧化物型燃料電池陰極材料中摻入的SDC的重量百分含量為30%。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-9中任意一項(xiàng)所述的固體氧化物型燃料電池陰極材料制作方法， 其特征在于對(duì)固體氧化物型燃料電池的陰極材料進(jìn)行加壓處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種固體氧化型燃料電池陰極材料及其制作方法，該固體氧化物型燃料電池陰極材料含有LSCF，向該固體氧化物型燃料電池陰極材料中摻入重量百分含量為10％-40％的SDC，制成由LSCF和SDC組成的固體氧化物型燃料電池陰極材料，對(duì)該固體氧化物型燃料電池的陰極材料進(jìn)行加壓處理。摻入SDC后的陰極材料性能明顯提升，再經(jīng)加壓處理后電池性能更進(jìn)一步提升，歐姆電阻和極化電阻明顯降低。
文檔編號(hào)H01M4/86GK101924219SQ20101023999
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月29日
發(fā)明者李恩國 申請(qǐng)人:江蘇雙登集團(tuán)有限公司