本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种铁酸镧/镍酸镧系燃料电池膜电极材料及其制备方法。
背景技术：
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。
燃料电池的工作过程实际上是电解水的逆过程，其基本原理早在1839年由英国律师兼物理学家威廉.罗泊特.格鲁夫（William Robert Grove）提出，他是世界上第一位实现电解水逆反应并产生电流的科学家。一个半世纪以来，燃料电池除了被用于宇航等特殊领域外，极少受到人们关注。只是到近十几年来，随着环境保护、节约能源、保护有限自然资源的意识的加强，燃料电池才开始得到重视和发展。
PEMFC技术是目前世界上最成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术：
1） 氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子解离为带正电的氢离子（即质子）并释放出带负电的电子。
2） 氢离子穿过电解质（质子交换膜）到达阴极；电子则通过外电路到达阴极。电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能。
3） 在电池另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极；在阴极催化剂作用下，氧与氢离子及电子发生反应生成水。
燃料电池有多种，各种燃料电池之间的区别在于使用的电解质不同。质子交换膜燃料电池以质子交换膜为电解质，其特点是工作温度低（约70-800C），启动速度快，特别适于用作动力电池。电池内化学反应温度一般不超过80度，故称为“冷燃烧”。
一是用作便携电源、小型移动电源、车载电源、备用电源、不间断电源等，适用于军事、通讯、计算机、地质、微波站、气象观测站、金融市场、医院及娱乐场所等领域，以满足野外供电、应急供电以及高可靠性、高稳定性供电的需要。PEMFC电源的功率最小的只有几瓦，如手机电池。据报道，PEMFC手机电池的连续待机时间可达1000小时，一次填充燃料的通话时间可达100小时（摩托罗拉）。适用于便携计算机等便携电子设备的PEMFC电源的功率范围大致在数十瓦至数百瓦（东芝）。军用背负式通讯电源的功率大约为数百瓦级。卫星通讯车用的车载PEMFC电源的功率一般为数千瓦级。
二是可用作助动车、摩托车、汽车、火车、船舶等交通工具动力，以满足环保对车辆船舶排放的要求。PEMFC的工作温度低，启动速度较快，功率密度较高（体积较小）因此，很适于用作新一代交通工具动力。这是一项潜力十分巨大的应用。由于汽车是造成能源消耗和环境污染的首要原因，因此，世界各大汽车集团竞相投入巨资，研究开发电动汽车和代用燃料汽车。从目前发展情况看，PEMFC是技术最成熟的电动车动力源，PEMFC电动车被业内公认为是电动车的未来发展方向。燃料电池将会成为继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系统。PEMFC可以实现零排放或低排放；其输出功率密度比目前的汽油发动机输出功率密度高得多，可达1.4KW/公斤或1.6KW/升。用作电动自行车、助动车和摩托车动力的PEMFC系统，其功率范围分别是300-500W、500W-2KW、2-10KW。游览车、城市工程车、小轿车等轻型车辆用的PEMFC动力系统的功率一般为10-60KW。公交车的功率则需要100-175KW。PEMFC用作潜艇动力源时，与斯特林发动机及闭式循环柴油机相比，具有效率高、噪声低和低红外辐射等优点，对提高潜艇隐蔽性、灵活性和作战能力有重要意义。美国、加拿大、德国、澳大利亚等国海军都已经装备了以PEMFC为动力的潜艇，这种潜艇可在水下连续潜行一个月之久。
三是可用作分散型电站。PEMFC电站可以与电网供电系统共用，主要用于调峰；也可作为分散型主供电源，独立供电，适于用作海岛、山区、边远地区或新开发地区电站。与集中供电方式相比，分散供电方式有较多的优点：（1）可省去电网线路及配电调度控制系统；（2）有利于热电联供（由于PEMFC电站无噪声，可以就近安装，PEMFC发电所产生的热可以进入供热系统），可使燃料总利用率高达80％以上；（3）受战争和自然灾害等的影响比较小；（4）通过天然气、煤气重整制氢，使得可利用现有天然气、煤气供气系统等基础设施为PEMFC提供燃料，通过生物制氢、太阳能电解制氢方法则可形成循环利用系统（这种循环系统特别适用于广大的农村地区和边远地区），使系统建设成本和运行成本大大降低。因此，PEMFC电站的经济性和环保性均很好。国际上普遍认为，随着燃料电池的推广应用，发展分散型电站将是一个趋势。
现有技术的缺点在于：现有的固体氧化物燃料电池中低温膜电极多以钴基为主，然而钴原料价格较为昂贵，在膜电极中的用量较大，而且钴在中温环境下易挥发，对于用于动力电池方向的产业化有一定的限制。非钴基阴极如La系镍酸盐会与Y掺杂氧化锆发生相反应，且材料本身的结构稳定性较差，而La系铁酸盐的电子和离子电导率较差，而且通过镍、铝等直接掺杂会降低催化活性和电池性能。因此针对钙钛矿结构的非钴基阴极的研究和优化对固体氧化物燃料电池具有十分重要的实际意义。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种铁酸镧/镍酸镧系燃料电池膜电极材料及其制备方法，制备的膜电极材料结构为镧系铁酸盐包覆YSZ材料形成钙钛矿网状结构骨架，镍酸盐与La系复合为钙钛矿网格填充材料，合成一种双钙钛矿结构复合的阴极材料。可以在保持镍酸盐的高质子迁移率和电子迁移率的同时防止与YSZ电解质发生反应，同时铁盐的引入可以稳定其钙钛矿结构，解决了传统LaSrFeNiO3类材料镍掺杂后引起的催化活性下降的问题。
本发明涉及的具体技术方案如下：
一种铁酸镧/镍酸镧系燃料电池膜电极材料制备方法，包括以下步骤:
S01：将固相烧结的钇按1：（30-100）的比例掺杂氧化锆材料；
S02：掺杂后的氧化锆材料与镧系硝酸盐和铁源、含Sr助剂混合球磨，形成YSZ-La1-xSrxFeO3类材料前驱体浆料；
S03：将球磨后的YSZ-La1-xSrxFeO3类材料前驱体浆料均匀涂覆在镍酸盐基阵列上；
S04：依次经过预烧、烧结、保温、剥离基底制备得到镧系铁酸盐/镍酸盐复合阴极材料。
优选的，本发明中使用的氧化锆是高温超导薄膜的单晶基片，由于ZrO2单晶需掺入钇(Y)以稳定其结构，一般实际使用的是YSZ单晶加入钇稳定剂的氧化锆单晶。
氧化锆(ZrO2)自然界的氧化锆矿物原料，主要有斜锆石和锆英石。锆英石系火成岩深层矿物，颜色有淡黄、棕黄、黄绿等，比重4.6－4.7，硬度7.5，具有强烈的金属光泽，可为陶瓷釉用原料。
本发明中氧化锆的制备方法可以采用以下两种办法：
法氯氧化锆热解法锆英石与烧碱在650℃熔融，热水浸出熔融体，硅呈硅酸钠形态与锆酸钠分离。再用硫酸处理，得硫酸锆溶液，进一步除杂质后加氨水，沉淀出氢氧化锆。加盐酸溶解氢氧化锆，得到氯氧化锆，经蒸发浓缩、冷却结晶、粉碎、焙烧，即得二氧化锆成品。溶胶凝胶法在锆的醇盐如ZrO(C3H7）4中加入醇和水，再加入酸作催化剂进行混合，开始进行加水分解反应，最后形成溶胶，然后进行聚合反应成为凝胶，进一步在500～1000℃高温下加热，进行无机化处理，制得氧化锆。
或；取相当于4g Zr的氟锆酸钾（K2ZrF6）置于铂皿中，放入5mL纯制过的氢氟酸和15mL特纯硫酸在石墨板上加热溶解，待溶解完全后继续加热至发生SO3 时取下，用热的三次蒸馏水浸出并将浸出液注入1L烧杯中，加入三次蒸馏水至溶液体积达600～800mL，煮沸使溶液澄清（不澄清时应当过滤），取下，冷却后，向溶液中滴加纯制氨水使Zr呈四氢氧化锆形式沉淀出来，用3号玻璃滤器抽滤析出的沉淀，并用三次蒸馏水洗到无(NH4)2SO4为止。将洗好的氢氧化锆置于200mL烧杯中，用50mL纯制浓盐酸溶解。溶解液分为两部分各置于1L烧杯中，按下法沉淀：加入400mL 16%的苦杏仁酸溶液，120mL纯制浓HCl，三次蒸馏水使溶液体积为900mL，在80～85℃下加热20～40mn，此时生成苦杏仁酸锆沉淀。用3号玻璃滤器抽滤沉淀，用2%的苦杏仁酸洗液洗涤5～6次，将洗好的沉淀置于铂皿中，在电炉上烘干、灰化，然后在马弗炉中900℃下灼烧1～2h，取出冷却后即得到提纯的氧化锆。
所述制备得到镧系铁酸盐/镍酸盐复合阴极材料结构为镧系铁酸盐包覆YSZ材料形成钙钛矿网状结构骨架，镍酸盐与La系复合为钙钛矿网格填充材料，合成一种双钙钛矿结构复合的阴极材料。
所述YSZ-La1-xSrxFeO3，其中x为0-0.5。
作为本方案的进一步改进，所述铁源是硫酸铁或三氧化二铁。
作为本方案的进一步改进，所述氧化锆材料与镧系硝酸盐、铁源三者之间的比例为（30-50）：3：10。
作为本方案的进一步改进，所述预烧的温度控制在200℃以下，预烧时间3-10分钟。
作为本方案的进一步改进，所述烧结温度控制在500℃-1000℃，烧结时间3-5小时。
作为本方案的进一步改进，所述保温是指烧结工艺结束后保持温度在300℃左右维持3-5小时，温度误差不超过5℃。
作为本方案的进一步改进，所述剥离基底是在200℃条件下进行剥离，在200℃条件下可以使其具备较好的延展性，不至于在剥离过程中发生结构损伤。
本发明与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：利用本方法制备的膜电极材料结构为镧系铁酸盐包覆YSZ材料形成钙钛矿网状结构骨架，镍酸盐与La系复合为钙钛矿网格填充材料，合成一种双钙钛矿结构复合的阴极材料。可以在保持镍酸盐的高质子迁移率和电子迁移率的同时防止与YSZ电解质发生反应，同时铁盐的引入可以稳定其钙钛矿结构，解决了传统LaSrFeNiO3类材料镍掺杂后引起的催化活性下降的问题。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
一种铁酸镧/镍酸镧系燃料电池膜电极材料制备方法，首先将固相烧结的钇按1：50的比例掺杂氧化锆材料；然后将掺杂后的氧化锆材料与镧系硝酸盐和铁源、含Sr助剂混合球磨，形成YSZ-La1-xSrxFeO3类材料前驱体浆料；接着将球磨后的YSZ-La1-xSrxFeO3类材料前驱体浆料均匀涂覆在镍酸盐基阵列上；最后依次经过预烧、烧结、保温、剥离基底制备得到镧系铁酸盐/镍酸盐复合阴极材料。所述制备得到镧系铁酸盐/镍酸盐复合阴极材料结构为镧系铁酸盐包覆YSZ材料形成钙钛矿网状结构骨架，镍酸盐与La系复合为钙钛矿网格填充材料，合成一种双钙钛矿结构复合的阴极材料。
上述含Sr助剂中包3%的锶类氧化物，铁源是硫酸铁，氧化锆材料与镧系硝酸盐、铁源三者之间的比例为50：3：10；预烧的温度控制在200℃以下，预烧时间4分钟；烧结温度控制在800℃，烧结时间5小时；保温是指烧结工艺结束后保持温度在300℃左右维持5小时，温度误差不超过5℃，所述剥离基底采用的工艺是在200℃条件下进行剥离。
催化活性测量：
在反应器中加入10ml 1mol/L 的KOH溶液和5ml3%的H2O2溶液及20ml H2O，准确称取0.5g本发明制备得到的阴极材料加入反应器托盘中塞好瓶塞并检查是否漏气调节水准使量气筒初始液面在零刻度。 关闭旋塞摇动锥形瓶洗入催化剂同时开始计时开动电磁搅拌器并记录产生每ml体积的O2 所经历的时间；测得时间为1.4秒。
实施例2
一种铁酸镧/镍酸镧系燃料电池膜电极材料制备方法，首先将固相烧结的钇按1：100的比例掺杂氧化锆材料；然后将掺杂后的氧化锆材料与镧系硝酸盐和铁源、含Sr助剂混合球磨，形成YSZ-La1-xSrxFeO3类材料前驱体浆料；接着将球磨后的YSZ-La1-xSrxFeO3类材料前驱体浆料均匀涂覆在镍酸盐基阵列上；最后依次经过预烧、烧结、保温、剥离基底制备得到镧系铁酸盐/镍酸盐复合阴极材料。所述制备得到镧系铁酸盐/镍酸盐复合阴极材料结构为镧系铁酸盐包覆YSZ材料形成钙钛矿网状结构骨架，镍酸盐与La系复合为钙钛矿网格填充材料，合成一种双钙钛矿结构复合的阴极材料。
上述含Sr助剂中包5%的锶类氧化物，铁源是三氧化二铁，氧化锆材料与镧系硝酸盐、铁源三者之间的比例为50：3：10；预烧的温度控制在200℃以下，预烧时间10分钟；烧结温度控制在1000℃，烧结时间5小时；保温是指烧结工艺结束后保持温度在300℃左右维持5小时，温度误差不超过5℃，所述剥离基底采用的工艺是在200℃条件下进行剥离。
催化活性测量：
在反应器中加入10ml 1mol/L 的KOH溶液和5ml3%的H2O2溶液及20ml H2O，准确称取0.5g本发明制备得到的阴极材料加入反应器托盘中塞好瓶塞并检查是否漏气调节水准使量气筒初始液面在零刻度。 关闭旋塞摇动锥形瓶洗入催化剂同时开始计时开动电磁搅拌器并记录产生每ml体积的O2 所经历的时间；测得时间为1.5秒。
实施例3
一种铁酸镧/镍酸镧系燃料电池膜电极材料制备方法，首先将固相烧结的钇按1：50的比例掺杂氧化锆材料；然后将掺杂后的氧化锆材料与镧系硝酸盐和铁源、含Sr助剂混合球磨，形成YSZ-La1-xSrxFeO3类材料前驱体浆料；接着将球磨后的YSZ-La1-xSrxFeO3类材料前驱体浆料均匀涂覆在镍酸盐基阵列上；最后依次经过预烧、烧结、保温、剥离基底制备得到镧系铁酸盐/镍酸盐复合阴极材料。所述制备得到镧系铁酸盐/镍酸盐复合阴极材料结构为镧系铁酸盐包覆YSZ材料形成钙钛矿网状结构骨架，镍酸盐与La系复合为钙钛矿网格填充材料，合成一种双钙钛矿结构复合的阴极材料。
上述含Sr助剂中包3%-5%的锶类氧化物，铁源是硫酸铁，氧化锆材料与镧系硝酸盐、铁源三者之间的比例为45：3：10；预烧的温度控制在200℃以下，预烧时间10分钟；烧结温度控制在900℃，烧结时间5小时；保温是指烧结工艺结束后保持温度在300℃左右维持4小时，温度误差不超过5℃，所述剥离基底采用的工艺是在200℃条件下进行剥离。
催化活性测量：
在反应器中加入10ml 1mol/L 的KOH溶液和5ml3%的H2O2溶液及20ml H2O，准确称取0.5g本发明制备得到的阴极材料加入反应器托盘中塞好瓶塞并检查是否漏气调节水准使量气筒初始液面在零刻度。 关闭旋塞摇动锥形瓶洗入催化剂同时开始计时开动电磁搅拌器并记录产生每ml体积的O2 所经历的时间；测得时间为1.7秒。
实施例4
一种铁酸镧/镍酸镧系燃料电池膜电极材料制备方法，首先将固相烧结的钇按1：30的比例掺杂氧化锆材料；然后将掺杂后的氧化锆材料与镧系硝酸盐和铁源、含Sr助剂混合球磨，形成YSZ-La1-xSrxFeO3类材料前驱体浆料；接着将球磨后的YSZ-La1-xSrxFeO3类材料前驱体浆料均匀涂覆在镍酸盐基阵列上；最后依次经过预烧、烧结、保温、剥离基底制备得到镧系铁酸盐/镍酸盐复合阴极材料。所述制备得到镧系铁酸盐/镍酸盐复合阴极材料结构为镧系铁酸盐包覆YSZ材料形成钙钛矿网状结构骨架，镍酸盐与La系复合为钙钛矿网格填充材料，合成一种双钙钛矿结构复合的阴极材料。
上述含Sr助剂中包3%的锶类氧化物，铁源是硫酸铁，氧化锆材料与镧系硝酸盐、铁源三者之间的比例为30：3：10；预烧的温度控制在200℃以下，预烧时间3分钟；烧结温度控制在500℃，烧结时间3小时；保温是指烧结工艺结束后保持温度在300℃左右维持3小时，温度误差不超过5℃，所述剥离基底采用的工艺是在200℃条件下进行剥离。
催化活性测量：
在反应器中加入10ml 1mol/L 的KOH溶液和5ml3%的H2O2溶液及20ml H2O，准确称取0.5g本发明制备得到的阴极材料加入反应器托盘中塞好瓶塞并检查是否漏气调节水准使量气筒初始液面在零刻度。 关闭旋塞摇动锥形瓶洗入催化剂同时开始计时开动电磁搅拌器并记录产生每ml体积的O2 所经历的时间；测得时间为1.2秒。
实施例5
一种铁酸镧/镍酸镧系燃料电池膜电极材料制备方法，首先将固相烧结的钇按1：50的比例掺杂氧化锆材料；然后将掺杂后的氧化锆材料与镧系硝酸盐和铁源、含Sr助剂混合球磨，形成YSZ-La1-xSrxFeO3类材料前驱体浆料；接着将球磨后的YSZ-La1-xSrxFeO3类材料前驱体浆料均匀涂覆在镍酸盐基阵列上；最后依次经过预烧、烧结、保温、剥离基底制备得到镧系铁酸盐/镍酸盐复合阴极材料。所述制备得到镧系铁酸盐/镍酸盐复合阴极材料结构为镧系铁酸盐包覆YSZ材料形成钙钛矿网状结构骨架，镍酸盐与La系复合为钙钛矿网格填充材料，合成一种双钙钛矿结构复合的阴极材料。
上述含Sr助剂中包4%的锶类氧化物，铁源是三氧化二铁，氧化锆材料与镧系硝酸盐、铁源三者之间的比例为35：3：10；预烧的温度控制在200℃以下，预烧时间5分钟；烧结温度控制在600℃，烧结时间4小时；保温是指烧结工艺结束后保持温度在300℃左右维持4小时，温度误差不超过5℃，所述剥离基底采用的工艺是在200℃条件下进行剥离。
催化活性测量：
在反应器中加入10ml 1mol/L 的KOH溶液和5ml3%的H2O2溶液及20ml H2O，准确称取0.5g本发明制备得到的阴极材料加入反应器托盘中塞好瓶塞并检查是否漏气调节水准使量气筒初始液面在零刻度。 关闭旋塞摇动锥形瓶洗入催化剂同时开始计时开动电磁搅拌器并记录产生每ml体积的O2 所经历的时间；测得时间为1.5秒。
实施例6
一种铁酸镧/镍酸镧系燃料电池膜电极材料制备方法，首先将固相烧结的钇按1：100的比例掺杂氧化锆材料；然后将掺杂后的氧化锆材料与镧系硝酸盐和铁源、含Sr助剂混合球磨，形成YSZ-La1-xSrxFeO3类材料前驱体浆料；接着将球磨后的YSZ-La1-xSrxFeO3类材料前驱体浆料均匀涂覆在镍酸盐基阵列上；最后依次经过预烧、烧结、保温、剥离基底制备得到镧系铁酸盐/镍酸盐复合阴极材料。所述制备得到镧系铁酸盐/镍酸盐复合阴极材料结构为镧系铁酸盐包覆YSZ材料形成钙钛矿网状结构骨架，镍酸盐与La系复合为钙钛矿网格填充材料，合成一种双钙钛矿结构复合的阴极材料。
上述含Sr助剂中包3%-5%的锶类氧化物，铁源是硫酸铁，氧化锆材料与镧系硝酸盐、铁源三者之间的比例为50：3：10；预烧的温度控制在200℃以下，预烧时间10分钟；烧结温度控制在500℃-1000℃，烧结时间3小时；保温是指烧结工艺结束后保持温度在300℃左右维持3小时，温度误差不超过5℃，所述剥离基底采用的工艺是在200℃条件下进行剥离。
催化活性测量：
在反应器中加入10ml 1mol/L 的KOH溶液和5ml3%的H2O2溶液及20ml H2O，准确称取0.5g本发明制备得到的阴极材料加入反应器托盘中塞好瓶塞并检查是否漏气调节水准使量气筒初始液面在零刻度。 关闭旋塞摇动锥形瓶洗入催化剂同时开始计时开动电磁搅拌器并记录产生每ml体积的O2 所经历的时间；测得时间为1.4秒。
对比例1
一种铁酸镧/镍酸镧系燃料电池膜电极材料制备方法，首先将固相烧结的钇按1：100的比例掺杂氧化锆材料；然后将掺杂后的氧化锆材料与镧系硝酸盐和铁源剂混合球磨，形成YSZ-LaFeO3类材料前驱体浆料；接着将球磨后的YSZ-LaFeO3类材料前驱体浆料均匀涂覆在镍酸盐基阵列上；最后依次经过预烧、烧结、保温、剥离基底制备得到镧系铁酸盐/镍酸盐复合阴极材料。所述制备得到镧系铁酸盐/镍酸盐复合阴极材料结构为镧系铁酸盐包覆YSZ材料形成钙钛矿网状结构骨架，镍酸盐与La系复合为钙钛矿网格填充材料，合成一种双钙钛矿结构复合的阴极材料。
铁源是硫酸铁，氧化锆材料与镧系硝酸盐、铁源三者之间的比例为50：3：10；预烧的温度控制在200℃以下，预烧时间10分钟；烧结温度控制在500℃-1000℃，烧结时间3小时；保温是指烧结工艺结束后保持温度在300℃左右维持3小时，温度误差不超过5℃，所述剥离基底采用的工艺是在200℃条件下进行剥离。
催化活性测量：
在反应器中加入10ml 1mol/L 的KOH溶液和5ml3%的H2O2溶液及20ml H2O，准确称取0.5g本发明制备得到的阴极材料加入反应器托盘中塞好瓶塞并检查是否漏气调节水准使量气筒初始液面在零刻度。 关闭旋塞摇动锥形瓶洗入催化剂同时开始计时开动电磁搅拌器并记录产生每ml体积的O2 所经历的时间；测得时间为3.4秒。