CN108091884B - 一种固体氧化物燃料电池阴极及应用 - Google Patents

一种固体氧化物燃料电池阴极及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池阴极，其特征在于所述阴极由氧离子导体骨架，纳米电子导体和纳米氧还原催化剂组成，其中，电子导体和氧还原催化剂均匀地包覆在氧离子导体骨架上，强化了氧分子‑氧离子‑电子的传递过程，显示出优异的电化学性能和良好的稳定性。

Description

一种固体氧化物燃料电池阴极及应用
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种具有良好稳定性和性能的固体氧化物燃料电池阴极及其制备方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)在高温下通过电化学反应将燃料的化学能直接转化为电能，具有发电效率高，燃料适应性广，环境友好等优点，是非常有应用前景能源转换技术。
近年来，为了解决固体氧化物燃料电池实际应用所面临的成本、寿命和可靠性等问题，国内外致力于发展中低温固体氧化物燃料电池，研发重点集中在提高电池在中低温下(600-800℃)输出功率，发展高效阴极是提高中低温固体氧化物燃料电池性能的关键。阴极上氧还原过程涉及氧分子在阴极孔道的扩散，氧分子吸附在阴极表面，与氧还原催化剂相互作用解离成中间态氧物种，氧物种接受电子还原成氧离子，氧离子通过氧离子传导氧化物传递至电解质表面等过程。增加阴极上反应活性位以及电极-电解质-气体三相界面长度可以降低活化极化损失，强化阴极的氧离子和电子传输网络可以大大降低欧姆极化损失，而电极中合理孔径分布有利于氧气的扩散过程，降低浓差极化。本发明就是设计一种固体氧化物燃料电池阴极，调控其组成和结构以强化气体-离子-电子传输和电化学反应，可提高阴极的电化学性能，此发明具有很大的实用价值。
发明内容
本发明目的提供了一种具有良好稳定性和性能的固体氧化物燃料电池阴极。
本发明技术方案为：一种固体氧化物燃料电池阴极，其特征在于：所述阴极是由氧离子传导氧化物骨架、电子传导氧化物、氧还原催化剂组成，电子传导氧化物和氧还原催化剂均匀分散在氧离子传导氧化物骨架上，氧离子传导氧化物骨架的厚度为5～30微米，氧离子传导氧化物骨架的孔大小为1～5微米，孔隙率20％～60％，电子传导氧化物的颗粒大小5～100纳米，氧还原催化剂的颗粒大小为5～100纳米。
氧离子传导氧化物骨架为YSZ骨架、GDC骨架或LSGM骨架，电子传导氧化物为钙钛矿氧化物LaNi1-xFexO3-δ，氧还原催化剂为萤石氧化物LayCe1-yO2-γ，0.2≤x≤0.8，0.2≤y≤0.6,0≤δ<1，0<γ<0.3，优选0.3≤x≤0.5，0.4≤y≤0.55。
阴极中氧离子传导氧化物的质量分数为30％～70％，电子传导氧化物和氧还原催化剂的质量比为7/3～4/6。
阴极中氧离子传导氧化物的质量分数优选为45％～55％，电子传导氧化物和氧还原催化剂的质量比优选为1/1。
氧离子传导氧化物骨架的孔大小优选为3～5微米，电孔隙率30％～40％，子传导氧化物的颗粒大小优选10～30纳米，氧还原催化剂的颗粒大小优选为10～30纳米。
所述阴极可用于CeO2基电解质、YSZ基电解质、LSGM基电解质电池中。
所述阴极的氧离子传导氧化物骨架可通过流延法、涂覆法或丝网印刷方法优先制备到电池的电解质上，然后通过溶液浸渍或溶胶浸渍方法将电子传导氧化物和氧还原催化剂制备到氧离子传导氧化物骨架上。
本发明的优点在于：本发明固体氧化物燃料电池阴极由氧离子导体骨架，纳米电子导体和纳米氧还原催化剂组成，电子导体和氧还原催化剂均匀地包覆在氧离子导体骨架上，强化了氧分子-氧离子-电子的传递过程，提高了阴极性能。
附图说明
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述。
实施例1
YSZ为氧离子传导氧化物骨架，LaNi0.2Fe0.8O3-δ(0≤δ<1)为电子导体，La0.3Ce0.7O1.85为氧还原催化剂的阴极：以Ni-YSZ(质量比1:1)为阳极，YSZ为电解质制备成阳极支撑型的电池组件。通过涂覆法在YSZ电解质表面制备20微米的YSZ骨架，YSZ骨架的孔大小为2到5微米，孔隙率为20％。通过溶胶浸渍法在YSZ骨架上制备LaNi0.2Fe0.8O3-δ和La0.3Ce0.7O1.85氧化物，LaNi0.2Fe0.8O3-δ的颗粒大小为10～30纳米，La0.3Ce0.7O1.85氧化物的颗粒大小为10～50纳米，阴极中YSZ骨架的质量分数为50％，LaNi0.2Fe0.8O3-δ与La0.3Ce0.7O1.85的质量含量比为6/4。
在阳极侧，加湿的氢气作为燃料(体积浓度3％H2O,100ml min-1)，在阴极侧，氧气作为氧化剂(100ml min-1)。在700℃，0.8V下电池的电流密度达到0.90A.cm-2。
实施例2
GDC为氧离子传导氧化物骨架，LaNi0.4Fe0.6O3-δ为电子导体，La0.4Ce0.6O1.80为氧还原催化剂的阴极：以Ni-GDC(质量比1:1)为阳极，GDC为电解质制备成阳极支撑型的电池组件。通过流延法在GDC电解质表面制备10微米的GDC骨架，GDC骨架的孔大小为2到5微米，孔隙率为35％。通过溶液浸渍法在GDC骨架上制备LaNi0.4Fe0.6O3-δ和La0.4Ce0.6O1.80氧化物，LaNi0.4Fe0.6O3-δ的颗粒大小为30～50纳米，La0.4Ce0.6O1.80氧化物的颗粒大小为10～30纳米，阴极中GDC骨架的质量分数为55％，LaNi0.4Fe0.6O3-δ与La0.4Ce0.6O1.80的质量含量比为55/45。
在阳极侧，加湿的氢气作为燃料(体积浓度3％H2O,100ml min-1)，在阴极侧，氧气作为氧化剂(100ml min-1)。在600℃，0.8V下电池的电流密度达到1.0A.cm-2。
实施例3
YSZ为氧离子传导氧化物骨架，LaNi0.6Fe0.4O3-δ(0≤δ<1)为电子导体，La0.45Ce0.55O1.775为氧还原催化剂的阴极：以Ni-YSZ(质量比1:1)为阳极，YSZ为电解质制备成阳极支撑型的电池组件。通过涂覆法在YSZ电解质表面制备20微米的YSZ骨架，YSZ骨架的孔大小为2到5微米，孔隙率为35％。通过溶胶浸渍法在YSZ骨架上制备LaNi0.6Fe0.4O3-δ和La0.45Ce0.55O1.775氧化物，LaNi0.6Fe0.4O3-δ的颗粒大小为10～30纳米，La0.45Ce0.55O1.775氧化物的颗粒大小为10～50纳米，阴极中YSZ骨架的质量分数为50％，LaNi0.6Fe0.4O3-δ与La0.45Ce0.55O1.775的质量含量比为6/4。
在阳极侧，加湿的氢气作为燃料(体积浓度3％H2O,100ml min-1)，在阴极侧，氧气作为氧化剂(100ml min-1)。在700℃，0.8V下电池的电流密度达到1.2A.cm-2。
实施例4
LSGM为氧离子传导氧化物骨架，LaNi0.6Fe0.4O3-δ(0≤δ<1)为电子导体，La0.45Ce0.55O1.775为氧还原催化剂的阴极：以Ni-YSZ(质量比1:1)为阳极，YSZ为电解质制备成阳极支撑型的电池组件。通过涂覆法在YSZ电解质表面制备20微米的YSZ骨架，YSZ骨架的孔大小为2到5微米，孔隙率为35％。通过溶胶浸渍法在YSZ骨架上制备LaNi0.6Fe0.4O3-δ和La0.45Ce0.55O1.775氧化物，LaNi0.6Fe0.4O3-δ的颗粒大小为10～30纳米，La0.45Ce0.55O1.775氧化物的颗粒大小为10～50纳米，阴极中YSZ骨架的质量分数为50％，LaNi0.6Fe0.4O3-δ与La0.45Ce0.55O1.775的质量含量比为1/1。
在阳极侧，加湿的氢气作为燃料(体积浓度3％H2O,100ml min-1)，在阴极侧，氧气作为氧化剂(100ml min-1)。在700℃，0.8V下电池的电流密度达到1.25A.cm-2。

Claims (7)

1.一种固体氧化物燃料电池阴极，其特征在于：所述阴极是由氧离子传导氧化物骨架、电子传导氧化物、氧还原催化剂组成，电子传导氧化物和氧还原催化剂均匀分散在氧离子传导氧化物骨架上，氧离子传导氧化物骨架的厚度为5～30微米，氧离子传导氧化物骨架的孔大小为1～5微米，孔隙率20%～60%，电子传导氧化物的颗粒大小5～100纳米，氧还原催化剂的颗粒大小为5～100纳米。
2.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池阴极，其特征在于：氧离子传导氧化物骨架为YSZ骨架、GDC骨架或LSGM骨架，电子传导氧化物为钙钛矿氧化物LaNi1-xFexO3-δ，氧还原催化剂为萤石氧化物LayCe1-yO2-γ，0.2≤x≤0.8，0.2≤y≤0.6, 0≤δ<1，0<γ<0.3。
3.如权利要求2所述的固体氧化物燃料电池阴极，其特征在于：氧离子传导氧化物骨架为YSZ骨架、GDC骨架或LSGM骨架，电子传导氧化物为钙钛矿氧化物LaNi1-xFexO3-δ，氧还原催化剂为萤石氧化物LayCe1-yO2-γ，0.3≤x≤0.5，0.4≤y≤0.55, 0≤δ<1，0<γ<0.3。
4.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池阴极，其特征在于：阴极中氧离子传导氧化物的质量分数为30%～70%，电子传导氧化物和氧还原催化剂的质量比为7/3～4/6。
5.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池阴极，其特征在于：阴极中氧离子传导氧化物的质量分数为45%～55%，电子传导氧化物和氧还原催化剂的质量比为1/1。
6.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池阴极，其特征在于：氧离子传导氧化物骨架的孔大小为3～5微米，孔隙率30%～40%，电子传导氧化物的颗粒大小10～30纳米，氧还原催化剂的颗粒大小为10～30纳米。
7.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池阴极的应用，其特征在于：所述阴极用于CeO2基电解质、YSZ基电解质或LSGM基电解质电池中。
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