一种高密度燃料电池的阴极材料

技术领域

本发明涉及能量转换装置中的燃料电池技术领域，具体涉及一种高密度燃料电池的阴极材料。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)作为一种将燃料中的化学能直接转化为电能的能量转换装置，是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池能量转化过程中的电化学反应特性，其将燃料化学能中的吉布斯自由能进行电能转化，此能量转换过程中没有高温燃烧过程，因而不受卡诺循环效应的限制，具有极高的能量转化比(通常在50％以上，高者能到70～75％)。同时电池的全固态结构也不存在电解液流失和腐蚀问题，运行过程中也不会产生有毒、有害物质，因而还具有环保和使用寿命长的优点，是一种真正的绿色、环保、高效的能量转换装置。

目前，成本和寿命问题限制了固体氧化物燃料电池的商业化发展，由于电池在运行时，装置内的工作温度较高(能高达800～1000℃)，这使得固体氧化物燃料电池的各组成部件如阳极、阴极、电解质膜及双极连接材料等在固体氧化物燃料电池的工作条件下容易发生高温化学反应，导致固体氧化物燃料电池内阻明显升高，寿命降低。基于上述原因，降低固体氧化物燃料电池的操作温度是一个可选的技术路径，通过将固体氧化物燃料电池的工作温度从高温段(800～1000℃)将至中低温段(600～700℃)，可以减缓电池部件之间的电化学反应并稳定电极的微观结构，从而降低阳极、电解质和阴极的技术要求、扩大材料的使用范围，并延长固体氧化物燃料电池寿命，因而，开发中、低温固体氧化物燃料电池是固体氧化物燃料电池得以尽早实现商业化的必由之路，有利于降低固体氧化物燃料电池的制造和运行成本。

而由于固体氧化物燃料电池在运行时，阴极的性能是决定电池寿命的关键材料之一，阴极的作用在于将气相O

基于上述原因，在设计中、低温固体氧化物燃料电池时，需要一种性能优异的阴极材料。而传统高性能阴极材料以钴基材料为主，虽然具有能量密度高、适应性好的优点，能保证固体氧化物燃料电池阴极的氧还原反应的速率，但价格昂贵、热膨胀系数大、热稳定性较差，制约了其在中温段内的应用。目前，市面上主要有单钙钛矿型(ABO

基于上述原因，可以对Ruddlesden-Popper型氧化物进行元素掺杂改性来获得具有优异性能的固体氧化物燃料电池阴极材料。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种高密度燃料电池的阴极材料，具有较佳的氧还原(ORR)活性，并具有稳定的结构相，可满足固体氧化物燃料电池的工业化生产需要，以解决上述技术背景中的缺陷。

一种高密度燃料电池的阴极材料，其化学式为La

S1、取Ruddlesden-Popper型氧化物La

S2、将混合物粉体干压成条块状，在1200～1250℃的温度条件下进行焙烧处理，焙烧时长为8～12h，焙烧完成后取出，得到A位掺杂的La

S3、参照化学计量比称，利用超声金属雾化工艺将铜单质以雾化粉末的形式喷涂于La

作为进一步限定，所述Ruddlesden-Popper型氧化物La

利用La(OH)

所述热处理过程中先将固态物投入炉体中，设置氮气环境，以30～40℃/min的速度将炉体温度升至500～550℃，保温处理90～120min后以10～15％N/min的速度缓慢通入氧气，N为炉体容积，并保持10～15min，然后将炉温以60～90℃/min的速度快速升温至1050～1200℃，保持30～45min即完成所述热处理步骤。

作为进一步限定，在步骤S2以及步骤S3中将粉体物料干压成条块状时，干压设备的干压压力为250～300Mpa。

作为进一步限定，利用超声金属雾化工艺对铜单质进行处理时，控制技术参数为：超声频率35～42kHz；超声功率150～180W；雾化颗粒度D90≤200μm；雾化量5～8L/h。

有益效果：本发明的高密度燃料电池的阴极材料在室温下具有稳定的立方结构，具有良好的化学稳定性及结构稳定性，对外表面出优异的氧非化学计量比和氧离子空位浓度，其与SDC、GDC、LSGM等固体氧化物燃料电池电解质材料体系在中温(650～750℃)条件下具有优异的化学相容性和较低的极化阻抗，并具有优异的氧传输性能、氧体扩散系数和表面交换系数，而通过氧还原动力学研究表明，其氧还原(ORR)活性佳，而在燃料电池中进行应用时，其单电池最大输出功率密度大于650mW/cm

附图说明

图1是化学式为La

图2是化学式为La

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

除非另有定义，本文所使用的术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实施例首先提供了一种高密度燃料电池的阴极材料，这种高密度燃料电池的阴极材料的化学式为La

制备时上述阴极材料时先制备作为母体的Ruddlesden-Popper型氧化物La

将前驱体溶液过滤后，放入恒温干燥箱，在100℃的设定温度条件下加热干燥，得到固态玻璃体物质，将得到的固态玻璃体物质破碎成小块后加入焙烧炉中进行焙烧处理，焙烧处理前设置氮气保护环境，在氮气环境下先以35℃/min的升温速率将炉体温度升至500℃，保温处理100min后，以12％N/min的速度缓慢通入氧气，N为炉体容积，并保持10min，然后将炉温以70℃/min的速度快速升温至1100℃，保持40min，冷却后研磨成合适粒径即得到作为母体的La

在本实施例中，块状焙烧配合氮气环境能在第一段解热过程中，使得玻璃体物质中的有机基团处于高比例的激活态状态条件下，在此情况下，再通入氧气可以使得作为前驱体的玻璃体物质在焙烧过程中有机基团能够得到充分分解，并使得其中的碳元素在燃烧后排出，相比于传统的将固态玻璃体物质研磨后再进行焙烧的技术方案，其得到的母体La

而制备阴极材料时将上述技术方案中得到的La

将获得的La

将得到的料块在CH

该阴极材料的XRD谱图如图1所示。

而将制得的La

由说明书附图可以发现，阴极材料的XRD谱图的衍射峰与阴极材料和GDC的衍射峰一一对应，没有出现新的衍射峰或者发生衍射峰位置的偏移，表明本实施例的阴极材料在700℃(固体氧化物燃料电池的中温代表温度)的温度条件下具有良好的化学相容性。

本实施例的阴极材料La

由上表可以得出La

另外，本实施例的阴极材料La

为了获得上述性能增强，本实施例的阴极材料以为Ruddlesden-Popper型氧化物La

本实施例的技术方案中，在进行B位掺杂处理时还利用到超声金属雾化工艺，这种超声金属雾化工艺是一类用于纳米金属粉体加工的工艺，其通过超声波产生的高频振动使中、低熔点的熔融金属在气相中形成微小的雾滴，经金属雾滴经加压后喷出，并在介质上冷却后凝固成具有高活性的纳米态金属粉末。而在本实施例中，其利用超声处理得到雾化的铜单质，然后将雾化的铜单质直接喷涂于La

另外，B位掺杂Cu元素还能有效稳定La

另外，本实施例中的阴极材料还能通过纳米氧化物颗粒进行阴极材料表面处理的方法进行性能增强，其可用于进行表面的纳米氧化物颗粒为纳米CuO、纳米Fe

而在上述实施例中，考虑到纳米氧化物的饱和溶液中对应的纳米氧化物受范德华力作用极易发生团聚且易沉降在浸渍液底部，从而影响真空浸渍效果，在进行真空浸渍处理时还可以利用磁力搅拌器进行辅助以优化其浸渍处理效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。