[发明专利]含镁的固体氧化物燃料电池阳极催化材料及制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池阳极催化材料，具体地说是一种含镁元素的固体氧化物燃料电池阳极催化材料及其制备，此阳极催化材料可以改善阳极的微结构，提高阳极的活性，降低电池的极化电阻，提高电池的输出性能，提高电池在采用甲烷等碳氢化合物燃料时的输出性能。电池性能的提高及直接对天然气等碳氢化合物燃料的应用对于推动固体氧化物燃料电池技术向应用技术的发展具有重要的意义。

背景技术

固体氧化物燃料电池是将化学能直接转化为电能的能量转换装置，采用全固态结构，具有发电效率高、可直接采用天然气等碳氢化合物为燃料、应用范围广等特点，是理想的分散发电和集中电站技术，也可以应用于车辆辅助电源、便携式电源等。固体氧化物燃料电池主要是由阴极、电解质膜、阳极三部分组成。目前阳极主要采用的是Ni-YSZ多孔金属陶瓷，实现阳极的气体传质、电子传导、离子传导、催化重整和电催化反应等功能。电解质通常采用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，也可以是掺杂的氧化铈、氧化钪稳定的氧化锆(ScSZ)、掺杂的镓酸镧(LSGM)等。阴极电催化剂一般采用钙钛矿氧化物与电解质材料构成复合阴极，如广泛使用的LSM-YSZ复合阴极，也可以是钴酸镧、钴酸锶钐等钙钛矿。

直接采用天然气等碳氢化合物为燃料是固体氧化物燃料电池的一个重要特点，也是目前在固体氧化物燃料电池应用中最主要的研究对象，但其存在着几个比较严重的问题：(1)在电极上的积碳问题，积碳导致电极活性不断降低，电极结构被破坏，最终使得电极失去活性。(2)电极活性较低，电极催化剂经过高温烧结后活性较低，并且电化学氧化甲烷等碳氢化合物燃料的过程非常复杂和困难，从而导致电池的输出性能很低。这些问题已成为制约固体氧化物燃料电池发展的关键因素。因此各种阳极材料得到了广泛研究，主要包括：镍基阳极、铜基阳极、铈基阳极、钙钛矿型阳极以及贵金属阳极等。其中铜基阳极、铈基阳极和钙钛矿型阳极虽然具有较好的抗积碳作用，但存在活性低等问题，很难实现应用发展；镍基阳极虽然电极活性得到了改善，但较难达到抗积碳的目标；贵金属阳极在活性和抗积碳方面都有很大的改善，但其成本很高，不易于应用。

镍基阳极是目前固体氧化物燃料电池普遍采用的阳极材料，但由于电池在制备过程中需要高温烧结(＞1300℃获得致密的电解质膜)，导致镍基催化剂烧结严重，并且镍基催化剂与氧化锆基材料之间不易浸润，相互作用不强，导致经过高温还原后镍与电解质材料YSZ接触不好，从而导致阳极活性较低，极化电阻较大，特别是对甲烷等碳氢化合物燃料的活性更低。

发明内容

为了克服传统阳极催化剂的缺点，本发明的目的在于提供一种含碱土元素镁的固体氧化物燃料电池阳极催化材料，应用时，降低电池的极化电阻，提高电极活性和电池的输出性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种含镁元素的固体氧化物燃料电池阳极催化材料，其组成包括NiOxMgyOz，其可以为此组成的氧化物，也可以为含有镍元素和镁元素能够通过焙烧等方法处理获得此组成催化材料的氧化物、氢氧化物、硝酸盐、碳酸盐、醋酸盐、草酸盐、甘氨酸盐、柠檬酸盐和/或乙二胺四乙酸盐等的混合物；NiOxMgyOz中Ni代表镍，Mg代表镁，0代表氧，其中0＜x＜2，0＜y＜0.5，0＜z＜0.5；所述通式各物质存在状态可为镍和/或镁的单质和/或氧化物的混合物或固溶体。

该阳极催化材料的制备方法可为：通过镍的金属盐或氧化物与镁元素的金属盐或氧化物的共分解、共沉淀、浸渍、机械混合和/或高温固相反应等方法制备。其中镍的金属盐或氧化物与镁元素的金属盐或氧化物可以为，镍与镁元素的氧化物、氢氧化物、硝酸盐、碳酸盐、醋酸盐和/或草酸盐，以及甘氨酸盐、柠檬酸盐和/或乙二胺四乙酸盐等各种有机物络合物。

所述的阳极催化材料可以为具有一种结构的氧化物固溶体，也可以为含有镍元素和镁元素能够通过焙烧等方法处理获得此结构催化材料的氧化物、氢氧化物、硝酸盐、碳酸盐、醋酸盐、草酸盐、甘氨酸盐、柠檬酸盐和/或乙二胺四乙酸盐等的混合物。其可应用的固体氧化物燃料电池的构造可以采用平板型、管型、扁管型及其它各种构造方式；所述的固体氧化物燃料电池可以采用电解质膜自支撑型、阴极支撑型、阳极支撑型、金属支撑型等多种结构；所用电池电解质隔膜可采用掺杂的氧化锆电解质或掺杂的氧化铈电解质或其它钙钛矿型电解质。电解质制备方法可以采用高温烧结、气相沉积、溶胶-凝胶、等离子喷涂等各种无机膜的制备方法。

本发明具有如下优点：