專利名稱：一種固體氧化物燃料電池的梯度復(fù)合陰極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固體氧化物燃料電池的陰極，尤其涉及一種固體氧化物燃料電池的LNF梯度復(fù)合陰極，本發(fā)明還涉及這種固體氧化物燃料電池LNF梯度復(fù)合陰極的制備方法。
背景技術(shù)：
目前，在固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)的發(fā)展過程中，人們越來越認識到降低電池工作溫度的重要性。若能將電池工作溫度降低到中溫(700 800°C )，則能提高電極的穩(wěn)定性，減小熱應(yīng)力，延長電池壽命，還可使用廉價的金屬合金作為電池的雙極板材料。但是，隨著電池工作溫度的降低，傳統(tǒng)電解質(zhì)氧化釔穩(wěn)定的氧化錯(yttria stabilized zirconia, YSZ)的離子電導(dǎo)率和電極的催化活性迅速降低,從而導(dǎo)致電池的性能迅速下降。減小電解質(zhì)的厚度或者采用中低溫下具有較高離子電導(dǎo)率的材料如氧化鈧穩(wěn)定的氧化錯(scandia stabilized zirconia, ScSZ)、氧化禮摻雜的氧化鋪(gadolinium oxide-doped ceria, GDC)、氧化衫慘雜的氧化鋪(samarium oxide-dopedceria，SDC)以及具有氧空位結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦化合物L(fēng)a1 JrxGa1 yMgy03 a (LSGM)等，可以解決中低溫下電解質(zhì)電阻增大的問題。傳統(tǒng)的鈣鈦礦型鍶摻雜的錳酸鑭(La，Sr)MnO3(LSM)是目前所知與YSZ匹配性最好的陰極材料，在1000°C左右的高溫下，LSM具有較高的電子電導(dǎo)和催化活性及良好的化學(xué)穩(wěn)定性。這些優(yōu)點使LSM成為目前應(yīng)用程度最高的陰極材料。但是，作為陰極的LSM材料的催化活性會隨溫度降低而迅速下降，因而增大了陰極上電化學(xué)活化極化過電位，從而降低了電池的輸出性能。因此，解決陰極材料在中低溫下性能較差的途徑之一就是尋找在中低溫下具有較高催化活性的其它陰極材料。經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，ReiichiChiba 等人發(fā)表《An investigation of LaNi1^FexO3as a cathode material for solid oxide fuel cells))(固體氧化物燃料電池陰極材料 LaNi1^FexO3 的研究)一文，見《Solid State Ionics))(固態(tài)離子學(xué))124(3-4)(1999)281-288。該文介紹作為一種鈣鈦礦型氧化物，鐵參雜的鎳酸鑭LaNia6Fea4O3(LNF)屬斜方晶系，800°C的電導(dǎo)率為580 S/cm，是傳統(tǒng)陰極材料Laa8Sra2MnO3(180 S/cm)的三倍。LNF從室溫到1000°C的熱膨脹系數(shù)(TEC)為ΙΙ^ΧΙΟ —1，比傳統(tǒng)陰極材料Laa8Sra2MnO3(^OXK)-6K-1)更接近YSZ的熱膨脹系數(shù)10. OX KT6K'在電池工作溫度下，具有比傳統(tǒng)陰極材料Laa8Sra2MnO3更高的對氧電化學(xué)還原反應(yīng)的催化活性。盡管如此，La (Ni, Fe)03在相同的燒結(jié)溫度下，比經(jīng)典的(La, Sr) MnO3更易與ZrO2基電解質(zhì)反應(yīng)，如在溫度高于1000°C時，LaNia6Fea4O3即與ZrO2基電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成絕緣的La2Zr2O7,大幅降低其電池性能。另一方面，由于LNF材料本身的特性，如LNF陰極材料在工作溫度下的再氧化以及隨后的氧空位濃度的下降，致使LNF陰極的初始性能并不是很好(見S. I. Hashimoto, K. Kammer, P. H. Larsen, F. ff. Poulsen, M. Mogensen, Solid State Ionics176(2005) 1013)。因此，La (Ni，F(xiàn)e) O3作為極具應(yīng)用前景的中低溫陰極材料，其性能還需要進一步改善。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種固體氧化物燃料電池的梯度復(fù)合陰極及其制備方法。具體地，本發(fā)明采用LNF組成梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，將目前已知的催化性能優(yōu)良、電子電導(dǎo)率高、物理化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的陰極材料LaNia6Fea4CVs (LNF)和催化性能優(yōu)良，具有突出的氧離子儲存、釋放和傳輸能力的納米摻雜CeO2這兩種材料組合起來，使對高性能SOFC陰極的多種要求由不同的組成梯度陰極層來承擔(dān)，并使各層相互配合，利用協(xié)同作用達到優(yōu)勢互補的效果，顯著改善LNF組成梯度復(fù)合陰極的氧氣還原反應(yīng)動力學(xué)，從而達到提高SOFC性能的目的。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題一方面，本發(fā)明提供一種固體氧化物燃料電池的梯度復(fù)合陰極，該梯度復(fù)合陰極包括阻擋層，所述阻擋層的材料為LNF-摻雜CeO2;活化層，所述活化層的材料為LNF-摻雜CeO2，所述活化層位于所述阻擋層上；集電層，所述集電層的材料為LNF，所述集電層位于所述活化層上。在本發(fā)明的具體實施方式
中，所述摻雜CeO2為摻雜CeO2納米顆粒；所述LNF優(yōu)選為LaNia6Fea4O3 ;所述電解質(zhì)層的材料優(yōu)選為ScSZ。在本發(fā)明的具體技術(shù)方案中，阻擋層或活化層的LNF-摻雜CeO2中的摻雜CeO2,其摻雜離子均為Gd3+或/和Sm3+;優(yōu)選地，摻雜離子摩爾比為(Gd+Sm) Ce=2 8，即摻雜CeO2 的納米材料為 Gda2Cea8O2 或 / 和 Sm0.2Ce0.802。其中，所述LaNia6Fea4O3的制備方法為將摩爾比為La Ni Fe=I 0.6 0.4的La (NO3) 3 · 6H20、Ni (NO3) 2和Fe (NO3) 3 · 9H20溶于蒸餾水中；然后在溶液中溶入化學(xué)計量比的檸檬酸，并加入氨水將溶液調(diào)至中性，在120°C蒸發(fā)水分，直接得到褐色的干凝膠；將干凝膠放到坩堝電爐中(預(yù)熱到300°C )，干凝膠迅速冒煙燃燒，充分燃燒后得到黑色粉體；再將所得產(chǎn)物分別在650和1100°C下煅燒2小時，得到LaNia6Fea4O3,其粒徑分別為O. 05 O. 08 μ m 和 O. 5 O. 8 μ m。所述Gda2Cea8O2或Sma2Cea8O2的制備方法為將摩爾比為Gd或Sm Ce=O. 2 0.8的Gd(NO3)3 · 6H20或Sm(NO3)3 · 6H20和Ce (NO3)3 · 6H20溶于蒸餾水中；然后在溶液中溶入化學(xué)計量比的檸檬酸，并加入氨水將溶液調(diào)至中性，在110°C蒸發(fā)水分，直接得到淡黃色的干凝膠；將干凝膠放到坩堝電爐中(預(yù)熱到450)，干凝膠迅速冒煙燃燒，充分燃燒后得到淡黃色粉體；再將所得產(chǎn)物在600°C下煅燒2小時，得到Gda2Cea8O2或Sma2Cea8O2,其粒徑均為
O.05^0. 06 μ m。在所述阻擋層中，LNF-摻雜CeO2中LNF與摻雜CeO2的質(zhì)量比優(yōu)選為6 7 4 3。在所述活化層中，LNF-摻雜CeO2中LNF與摻雜CeO2的質(zhì)量比優(yōu)選為7 8 3 2。在本發(fā)明的具體實施方式
中，優(yōu)選地，所述阻擋層的厚度為8 10微米，所述活化層的厚度為10微米，所述集電層的厚度為8 10微米。另一方面，本發(fā)明還提供一種上述固體氧化物燃料電池的梯度復(fù)合陰極的制備方法。該方法可適用于工業(yè)化生產(chǎn)制備大尺寸高性能固體氧化物燃料電池LNF組成梯度復(fù)合陰極，具體包括以下步驟步驟一，將LNF粉體和摻雜CeO2的混合物與松油醇混合成漿料，將該漿料沉積于電解質(zhì)上，并于110°C干燥O. 5小時后制成LNF-摻雜CeO2阻擋層；步驟二，將LNF粉體和摻雜CeO2的混合物與松油醇混合成漿料，將該漿料沉積于LNF-摻雜CeO2阻擋層上，并于110°C干燥O. 5小時后制成LNF-摻雜CeO2活化層；步驟三，將質(zhì)量比為I : I的LNF粉體與松油醇混合成漿料，將該漿料沉積于LNF-摻雜CeO2活化層上，并于110°C干燥O. 5小時后制成LNF集電層，得到固體氧化物燃料電池梯度復(fù)合陰極的坯體；步驟四，將上述所制得的坯體燒結(jié)，冷卻后得到固體氧化物燃料電池的梯度復(fù)合陰極。
本發(fā)明中的漿料均使用現(xiàn)有技術(shù)中通用的絲網(wǎng)印刷法，分別印刷在電解質(zhì)層、阻擋層或活化層上。本發(fā)明所提到的燒結(jié)，是在空氣中燒結(jié)。所述燒結(jié)的溫度為1050°C 110(TC，所述燒結(jié)的時間為2小時 3小時。優(yōu)選地，將所制得的坯體在1100°C燒結(jié)2小時。在本發(fā)明的較佳實施方式中，步驟一中，所述LNF與摻雜CeO2的質(zhì)量比為6 7 4 3。步驟二中，所述LNF與摻雜CeO2的質(zhì)量比為疒8 3 2。在本發(fā)明的梯度復(fù)合陰極的制備方法中，步驟一、二中，所述LNF和摻雜CeO2的混合物與松油醇的質(zhì)量比均為I : I。本發(fā)明所述梯度復(fù)合陰極的制備方法中的化學(xué)計量比通過以下原理計算LaNia6Fea4O3'摻雜 CeO2 (Gda2Cea8O2 或 Sma2Cea8O2)所需原料配比計量采用了推進化學(xué)的熱化學(xué)理論Jain 等人(S. R. Jain, K. C. Adiga, V. R. P. Vemeker, A new approach tothermochemical calculation of condensed fuel-oxidizer mixtures, Combustion andFlame, 1981，40(1) :71-76.)定義了一種計算氧化還原反應(yīng)特性的簡單方法，假定所有元素都以它在產(chǎn)物(如C02，H2(^PN2等)中存在的價態(tài)進行計算，那么還原性元素C和H的價態(tài)分別為+4和+1，氧化性元素O的價態(tài)為-2，元素N的價態(tài)被認為是O。將此概念加以外推，產(chǎn)物陶瓷氧化物(如ZnO，Bi2O3和ZrO2等)中的金屬元素Zn，Bi和Zr可當(dāng)作還原性元素，其價態(tài)分別為+2，+3和+4 ;梓檬酸C6H8O7 ·Η20的價態(tài)為+18 ;二價金屬硝酸鹽的總化學(xué)價為_10 ；三價的金屬硝酸鹽的總化學(xué)價為-15 ;結(jié)晶水的存在與否不影響硝酸鹽的總化學(xué)價的計算。以合成LaNia6Fea4CVs為例，所需要的1^(勵3)3.6!120、附(NO3)2和Fe (NO3)3 ·9Η20的摩爾比為I : 0.6 : 0.4，它們的總氧化價為-15 X 1+(-10 X 0.6)+ (-15 X 0. 4)=-27 ;如以檸檬酸為燃料，則原料中總還原價為+18價，所以，氧化劑與檸檬酸的摩爾比為18 27=2 3，即η(La(NO3)3 ·6Η20) η (Ni (NO3)2) η (Fe (NO3)3 *9Η20) η (C6H8O7 ·H2O) = I : O. 6 : O. 4 : I. 5。以合成 Gda2Cea8O2 為例，所需要的 Gd (NO3) 3 · 6Η20 和 Ce (NO3) 3 · 6Η20 的摩爾比為 0. 2 0. 8，它們的總氧化價為-15X0. 2+(-15Χ0. 8)=-15 ;如以檸檬酸為燃料，則原料中總還原價為+18價，所以，氧化劑與檸檬酸的摩爾比為18 15=6 5, BPn(Gd(NO3)3^H2O) η (Ce (NO3) 3 ·6Η20) n (C6H8O7 · H2O) =0.2 0.8 (5/6)。在本發(fā)明的具體實施方式
中，所述電解質(zhì)為適用于固體氧化物燃料電池領(lǐng)域中已知的任意電解質(zhì)，優(yōu)選地，為氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯(ScSZ)。本發(fā)明所述的固體氧化物燃料電池的LNF組成梯度復(fù)合陰極能與現(xiàn)有技術(shù)中任意固體氧化物燃料電池的陽極共同搭配使用。在本發(fā)明的另一較佳實施方式中，本發(fā)明的固體氧化物燃料電池的梯度復(fù)合陰極與陽極為NiO-YSZ/ScSZ復(fù)合膜共同搭配使用。其陽極NiO-YSZ/ScSZ支撐復(fù)合膜的制備方法包括如下步驟，以下各組分均以質(zhì)量份數(shù)來表示步驟一、將10份ScSZ粉體加入到8份丁酮和4份乙醇的混合溶劑中，然后加入
O.5份分散劑，優(yōu)選三乙醇胺；并球磨2小時以控制粉體團聚的程度，獲得高質(zhì)量的穩(wěn)定懸浮液，使粉體均勻分散在漿料中；向第一次球磨后的混合漿料中加入O. 4份粘結(jié)劑聚乙烯醇縮丁醛、I. 5份增塑劑聚乙二醇，并再次球磨2小時以使粉體漿料在流延成型時具有最好的流變特性，將球磨好的漿料在真空中保持10分鐘以消除漿料中的氣泡，得到流延漿料步驟二、將50份氧化鎳(NiO)和50份氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)混合粉體加入到48份丁酮和24份乙醇的混合溶劑中，然后加入3份分散劑，并球磨2小時以控制粉體團聚的程度，獲得高質(zhì)量的穩(wěn)定懸浮液，使粉體均勻分散在漿料中；向第一次球磨后的混合漿 料中加入10份粘結(jié)劑聚乙烯醇縮丁醛、13. 5份增塑劑聚乙二醇，并再次球磨2小時以使粉體漿料在流延成型時具有最好的流變特性；將球磨好的漿料在真空中保持10分鐘消除漿料中的氣泡，得到流延漿料二 ；步驟三、將均一、穩(wěn)定的流延漿料一倒入流延機的料倉中流延成型，待其干燥后，將流延漿料二倒入其上進行二次流延成型；通過干燥、切片制得NiO-YSZ/ScSZ陽極復(fù)合膜素坯，素坯于600°C熱處理3h以燒除素坯中有機物；最后于1350 1450°C燒結(jié)3h，得到NiO-YSZ/ScSZ陽極復(fù)合膜。其中，所選用的原材料氧化鎳(NiO)、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)、氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯(ScSZ)的平均粒徑均為O. 5-10微米。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明中構(gòu)成固體氧化物燃料電池的梯度復(fù)合陰極各功能層的材料LaNi0 6Fe0 403_δ及摻雜CeO2皆是米用低溫燃燒法合成的，該法已經(jīng)成功的應(yīng)用于許I多簡單或復(fù)雜的化合物體系，在較低的溫度下即可簡便而快捷的制備出氧化物超細粉體，是一種新穎的先進陶瓷制備途徑。本發(fā)明采用低溫燃燒法合成的氧化物L(fēng)aNia6Fea4CVs粉體和摻雜CeO2粉體，其顆粒尺寸為納米級(< IOOnm)，粉體的比表面積大。這樣，固體氧化物燃料電池梯度復(fù)合陰極各功能層可在較低溫度下如1000 1100°C燒結(jié)而能保持較好的多孔結(jié)構(gòu)和較佳的氧氣還原反應(yīng)動力學(xué)性能。本發(fā)明所述的固體氧化物燃料電池梯度復(fù)合陰極，從功能上分析，LNF具有較高的電導(dǎo)率和對氧電化學(xué)還原反應(yīng)的催化活性，極佳的物理化學(xué)穩(wěn)定性；摻雜CeO2的摻入，增加了陰極材料的離子電導(dǎo)率，尤其是粒徑較小的摻雜CeO2粉體包裹在粒徑較大的LNF粉體顆粒(1100下燒結(jié))上進行燒結(jié)后在陰極內(nèi)部形成離子-電子導(dǎo)電路徑。一方面抑制了 LNF與電解質(zhì)ScSZ發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成絕緣的La2Zr2O7，導(dǎo)致陰極歐姆電阻增加；另一方面也增加了 LNF與電解質(zhì)ScSZ的三相反應(yīng)界面，使得陰極極化電阻大幅降低，從而提高了 LNF的電化學(xué)催化性能。因此，摻雜CeO2的相對含量、LNF和摻雜CeO2的燒結(jié)溫度、LNF和摻雜CeO2晶粒尺寸等決定了該層的催化活性，這就要求對LNF與摻雜CeO2質(zhì)量比、LNF和摻雜CeO2的燒結(jié)溫度等工藝參數(shù)進行優(yōu)化。改變CeO2中的摻雜離子，從而調(diào)整其氧離子電導(dǎo)率等，也是催化活性優(yōu)化的途徑之一。為提高LNF-摻雜CeO2阻擋層的電化學(xué)催化性能及其與電解質(zhì)ScSZ的化學(xué)相容性，在該阻擋層中，摻雜CeO2與LNF的質(zhì)量比優(yōu)選為3 4 : 7飛，LNF粉體的燒結(jié)溫度優(yōu)選為1100°C，摻雜CeO2粉體的燒結(jié)溫度優(yōu)選為600°C，LNF粉體與摻雜CeO2粉體的平均顆粒粒徑比優(yōu)選為擴16。LNF-摻雜CeO2阻擋層的燒結(jié)溫度優(yōu)選為1100°C。LNF既具有很高的離子導(dǎo)電性，又具有足夠高的電子導(dǎo)電性，并具有很高的活性，但由于其在高溫下會與電解質(zhì)ScSZ發(fā)生反應(yīng)，本發(fā)明將其置于組成梯度層的頂部，主要發(fā)揮其高電導(dǎo)率的作用。為提高LNF集電層的性能，在該功能層中，LNF粉體的燒結(jié)溫度優(yōu)選為1100°C。對于LNF-摻雜CeO2活化層，其極化過電位小，反應(yīng)活性強，本發(fā)明將其置于LNF-摻雜CeO2阻擋層的保護之下，以充分發(fā)揮LNF-摻雜CeO2對氧氣還原反應(yīng)的電化學(xué)催化性能。為提高LNF-摻雜CeO2 活化層的電化學(xué)催化性能，在該功能層中，摻雜CeO2與LNF的質(zhì)量比優(yōu)選為2 3 8^7,LNF粉體的燒結(jié)溫度優(yōu)選為700°C，摻雜CeO2粉體的燒結(jié)溫度優(yōu)選為600°C，LNF-摻雜CeO2活化層的燒結(jié)溫度優(yōu)選為1100°C。本發(fā)明制備的固體氧化物燃料電池的梯度復(fù)合陰極具有優(yōu)異的電化學(xué)催化性能，便于提高燃料電池的功率密度，保證燃料電池的穩(wěn)定運行。所采用的工藝能成型質(zhì)量均勻的大面積固體氧化物燃料電池梯度復(fù)合陰極，其工藝簡單，制備周期短，成本低廉，適于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
具體實施例方式實施例中所用的原料如下(下列原料中的試劑，未注明純度的，均為分析純)ScSZ 粉體Zr。. S9ScaiCeatllO2 (ScSZ，Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo，Japan)，YSZ Zr0 92Y0 Q8O2 (YSZ, Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo, Japan),聚乙烯醇縮丁醛航空級，丁醛基459Γ49%，生產(chǎn)廠家為國藥集團化學(xué)試劑有限公司，聚乙二醇化學(xué)純，平均分子量19(Γ210，生產(chǎn)廠家為國藥集團化學(xué)試劑有限公司，松油醇分析純，純度> 99%，生產(chǎn)廠家為國藥集團化學(xué)試劑有限公司，丁酮分析純，純度> 99%,乙醇分析純，純度彡99. 7%，三乙醇胺、Ni0、La(N03)3 WH2CKNi(NO3)2Je(NO3)3 .OT2CKGd(NO3)3 WH2CKSm(NO3)3'Ce (NO3)3 · 6Η20、檸檬酸C6H8O7 · H2O :生產(chǎn)廠家均為國藥集團化學(xué)試劑有限公司。實施例中的絲網(wǎng)印刷法為將粉體與松油醇混合成的漿料通過80目的篩網(wǎng)分別印刷在電解質(zhì)層ScSZ、阻擋層以及活化層上即可。實施例I :將重量為10克的ScSZ粉體，加入8克的丁酮與4克乙醇的混合溶劑中，然后加入三乙醇胺O. 5克球磨混合2小時，再加入O. 4克聚乙烯醇縮丁醛，I. 5克聚乙二醇并繼續(xù)球磨2小時得到穩(wěn)定、均一的漿料，將球磨好的漿料在真空度100毫巴條件下保持10分鐘消除漿料中的氣泡，此為漿料一；將50g NiO和50g YSZ混合粉體加入到48克的丁酮與24克乙醇的混合溶劑中，然后加入3克三乙醇胺球磨混合2小時，再加入10克聚乙烯醇縮丁醛，13. 5克聚乙二醇并繼續(xù)球磨2小時得到穩(wěn)定、均一的漿料，將球磨好的漿料在真空度100毫巴條件下保持10分鐘消除漿料中的氣泡，此為漿料二 ；將均一、穩(wěn)定的漿料一倒入流延機的料倉中流延成型，待其干燥后，將漿料二倒入其上進行二次流延成型；通過干燥、切片制得NiO-YSZ/ScSZ陽極復(fù)合膜素坯，素坯于600°C熱處理3h以燒除素坯中有機物，最后于1350°C燒結(jié)3h，得到NiO-YSZ/ScSZ陽極復(fù)合膜。將O. 6g LNF粉體和O. 4g Gd摻雜CeO2 (Gd0.2Ce0.802，GDC)粉體的混合物與Ig松油醇混合成漿料，經(jīng)絲網(wǎng)印刷法沉積在ScSZ電解質(zhì)層上并于110°C干燥O. 5小時后，即制成LNF-GDC阻擋層，阻擋層的厚度為8 10微米；然后，將O. 7g LNF粉體和O. 3g⑶C粉體的混合物與Ig松油醇混合成漿料，經(jīng)絲網(wǎng)印刷法沉積在LNF-GDC阻擋層上并于110°C干燥O. 5小時后，即制成LNF-GDC活化層，活化層的厚度為8 10微米；最后，將Ig LNF粉體與Ig松油醇混合成漿料，經(jīng)絲網(wǎng)印刷法沉積在LNF-GDC活化層上并于110°C干燥O. 5小時后，即制成LNF集電層，集電層的厚度為8 10微米；將得到的固體氧化物燃料電池的梯度復(fù)合陰極的坯體在1100燒結(jié)2小時，即得到固體氧化物燃料電池的LNF組成梯度復(fù)合陰極。本實施例制得的固體氧化物燃料電池的梯度復(fù)合陰極的坯體具有優(yōu)異的電化學(xué)催化性能，其在750°C的陰極極化面電阻僅為O. 52 Ω cm2 ;而對于純LNF陰極，其在750°C的陰極極化面電阻為O. 70 Ω cm2。實施例2 NiO-YSZ/ScSZ陽極復(fù)合膜的制備方法與實施例I中相同。將O. 6g LNF粉體和O. 4g Sm摻雜CeO2 (Sm0.2Ce0.802，SDC)粉體的混合物與Ig松油醇混合成漿料，經(jīng)絲網(wǎng)印刷法沉積在ScSZ電解質(zhì)層上并于110°C干燥O. 5小時后，即制成LNF-SDC阻擋層，阻擋層的厚度為8 10微米；然后，將O. 7g LNF粉體和O. 3g SDC粉體的混合物與Ig松油醇混合成漿料，經(jīng)絲網(wǎng)印刷法沉積在LNF-SDC阻擋層上并于110°C干燥O. 5小時后，即制成活化層LNF-SDCjg化層的厚度為8 10微米；最后，將Ig LNF粉體與Ig松油醇混合成漿料，經(jīng)絲網(wǎng)印刷法沉積在LNF-SDC活化層上并于110°C干燥O. 5小時后，即制成LNF集電層，集電層的厚度為8 10微米；將得到的固體氧化物燃料電池梯度復(fù)合陰極的坯體在1100°C燒結(jié)2小時，即得到固體氧化物燃料電池的LNF組成梯度復(fù)合陰極。本實施例制備的固體氧化物燃料電池梯度復(fù)合陰極也具有優(yōu)異的電化學(xué)催化性能，其在750°C的陰極極化面電阻僅為O. 46 Ω cm2。實施例3 NiO-YSZ/ScSZ陽極復(fù)合膜的制備方法與實施例I中相同。將O. 6g LNF粉體、O. 2g⑶C粉體和O. 2g SDC粉體的混合物與Ig松油醇混合成漿料，經(jīng)絲網(wǎng)印刷法沉積在ScSZ電解質(zhì)層上并于110°C干燥O. 5小時后，即制成LNF-GDC-SDC阻擋層，阻擋層的厚度為8 10微米；然后，將O. 7g LNF粉體、O. 15g⑶C粉體和O. 15g SDC粉體的混合物與Ig松油醇、混合成漿料，經(jīng)絲網(wǎng)印刷法沉積在LNF-GDC-SDC阻擋層上并于110°C干燥O. 5小時后，即制成LNF-GDC-SDC活化層，活化層的厚度為8 10微米；最后，將Ig LNF粉體與Ig松油醇混合成漿料，經(jīng)絲網(wǎng)印刷法沉積在LNF_GDC_SDC活化層上并于110°c干燥O. 5小時后，即制成LNF集電層，集電層的厚度為8 10微米；將得到的固體氧化物燃料電池梯度復(fù)合陰極在1100°C燒結(jié)2小時即得到固體氧化物燃料電池的LNF組成梯度復(fù)合陰極。本實施例的固體氧化物燃料電池梯度復(fù)合陰極具有較好的電化學(xué)催化性能，其在750 0C的陰極極化面電阻僅為O. 48 Ω cm2。以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此 ，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種固體氧化物燃料電池的梯度復(fù)合陰極，其特征在于，包括 阻擋層，所述阻擋層的材料為LNF-摻雜CeO2 ； 活化層，所述活化層的材料為LNF-摻雜CeO2，所述活化層位于所述阻擋層上； 集電層，所述集電層的材料為LNF，所述集電層位于所述活化層上； 所述CeO2中的摻雜離子均為Gd3+或/和Sm3+。
2.如權(quán)利要求I所述的固體氧化物燃料電池的梯度復(fù)合陰極，其中，所述阻擋層中，所述LNF-摻雜CeO2中LNF與摻雜CeO2的質(zhì)量比為6 7 4 3。
3.如權(quán)利要求I所述的固體氧化物燃料電池的梯度復(fù)合陰極，其中，所述活化層中，所述LNF-摻雜CeO2中LNF與摻雜CeO2的質(zhì)量比為疒8 3 2。
4.如權(quán)利要求I所述的固體氧化物燃料電池的梯度復(fù)合陰極，其特征在于，所述CeO2中的摻雜離子摩爾比為(Gd+Sm) Ce=2 8。
5.一種制備如權(quán)利要求I所述的固體氧化物燃料電池的梯度復(fù)合陰極的方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一、將LNF和摻雜CeO2的混合物與松油醇混合成漿料，將該漿料附著于電解質(zhì)上，并于110干燥O. 5小時干燥后，即制成所述阻擋層； 所述LNF與所述摻雜CeO2的質(zhì)量比為6 7 4^3 ； 步驟ニ、將LNF和摻雜CeO2的混合物與松油醇混合成漿料，將該漿料附著于所述阻擋層上，并于110°C干燥O. 5小時干燥后，即制成所述活化層； 所述LNF與所述摻雜CeO2的質(zhì)量比為疒8 3 2 ; 步驟三、將LNF與松油醇混合成漿料，將該漿料附著于所述活化層上，并于110干燥O. 5小時干燥后，即制成所述集電層，得到固體氧化物燃料電池梯度復(fù)合陰極的坯體； 步驟四、將所述固體氧化物燃料電池梯度復(fù)合陰極的坯體在1100°C燒結(jié)2小時，冷卻后得到所述固體氧化物燃料電池的梯度復(fù)合陰極。
6.如權(quán)利要求5所述的梯度復(fù)合陰極的制備方法，其中，所述步驟一中LNF和摻雜CeO2的混合物與所述松油醇、所述步驟ニ中LNF和摻雜CeO2的混合物與所述松油醇或所述步驟三中LNF與松油醇的質(zhì)量比為I : I。
7.如權(quán)利要求5所述的梯度復(fù)合陰極的制備方法，其中，所述步驟中漿料附著于所述活化層、電解質(zhì)層或阻擋層上的方法是絲網(wǎng)印刷法。
8.ー種固體氧化物燃料電池，其特征在于，所述固體氧化物燃料電池的陰極為權(quán)利要求1-4任一項所述的梯度復(fù)合陰極。
9.如權(quán)利要求8所述的固體氧化物燃料電池，其特征在于，所述電解質(zhì)層的材料為ScSZ0
10.如權(quán)利要求8所述的固體氧化物燃料電池，其特征在于，所述固體氧化物燃料電池的陽極為NiO-YSZ/ScSZ復(fù)合膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種固體氧化物燃料電池的陰極及其制備方法。該固體氧化物燃料電池的梯度復(fù)合陰極包括材料為LNF-摻雜CeO2的阻擋層；位于阻擋層上的材料為LNF-摻雜CeO2的活化層；位于活化層上的材料為LNF的集電層。該梯度復(fù)合陰極的制備方法為步驟一、將阻擋層的漿料附著于電解質(zhì)上并干燥，即制成阻擋層；步驟二、將活化層的漿料附著于阻擋層上并干燥，即制成活化層；步驟三、將集電層的漿料附著于活化層上并干燥，即制成集電層，得到坯體；步驟四、將坯體燒結(jié)。本發(fā)明制備的固體氧化物燃料電池的梯度復(fù)合陰極具有優(yōu)異的電化學(xué)催化性能，該梯度復(fù)合陰極的制備方法簡單，制備周期短，成本低廉，適于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
文檔編號H01M4/88GK102683720SQ201210147879
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月11日
發(fā)明者丁小益, 任睿軒, 劉宗堯, 劉燁彬, 呂堯, 朱新堅, 胡一星, 黃波 申請人:上海交通大學(xué)