[发明专利]镁和稀土元素共改性的固体氧化物燃料电池镍基复合阳极

说明书

技术领域

   本发明涉及固体氧化物燃料电池，具体地说是一种镁和稀土元素共同改性的镍基固体氧化物燃料电池复合阳极，通过采用镁和稀土元素复合与传统阳极材料相复合，得到的复合阳极具有材料分布均匀，电极材料间网络连接紧密等特点，降低电池的极化电阻,提高电池的输出性能，改善电池对甲烷等碳氢化合物燃料的性能。直接对于甲烷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。

对于天然气等碳氢化合物燃料的应用对固体氧化物燃料电池技术实用化的发展具有重要的意义，因此适应于天然气等碳氢化合物燃料的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，难实现应用发展；贵金属阳极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^oC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，导致在高温还原过程中镍颗粒还会不断长大，从而导致阳极活性较低，积碳较为严重。

发明内容

为了克服传统复合阳极的缺点，本发明的目的在于提供一种固体氧化物燃料电池复合阳极，通过镁和稀土元素共同改性制备新型复合阳极，具有良好的电极结构，提高阳极的活性，从而提高电池的输出性能，提高电极对甲烷等碳氢化合物燃料的活性，抑制积碳。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种固体氧化物燃料电池复合阳极，按重量百分比，复合阳极的重量组成为，NiO占30-69.9%，氧化镁占0.01-30%,稀土材料占0.1-35%,氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)占30-69.9%。该固体氧化物燃料电池复合阳极是在传统的氧化镍与氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）中添加碱土材料镁和稀土材料复合而成。本发明的复合阳极通过镁和稀土元素修饰改善了电极材料间的界面接触，降低极化电阻，提高电极活性等特点，改善电池的输出性能，并且提高了电池对甲烷等碳氢化合物燃料的输出性能。

该新型复合阳极可应用于平板型、管型和扁管型固体氧化物燃料电池。

所述复合阳极的制备过程如下：

1） A．可采用先将镁和稀土元素与氧化镍复合然后再与YSZ混合，得复合阳极材料；

将镁和稀土元素与氧化镍复合的过程可通过镍的金属盐或氧化物与碱土元素的金属盐或氧化物的共分解、共沉淀、浸渍、机械混合和/或高温固相反应来完成，其中金属盐可为镍或镁和稀土的硝酸盐、碳酸盐、醋酸盐和/或草酸盐；

B．或先将镁和稀土元素与YSZ复合然后再与氧化镍混合，得复合阳极材料；

将镁和稀土元素与YSZ复合的过程可采用沉淀、浸渍、机械混合和/或高温固相反应来完成，其中镁可为氧化物、氢氧化物、硝酸盐、碳酸盐、醋酸盐和/或草酸盐，稀土材料可为稀土元素的氧化物、氢氧化物、硝酸盐、碳酸盐、醋酸盐和/或草酸盐；

C．或直接将镁和稀土元素与氧化镍和YSZ的混合物复合，得复合阳极材料；

直接将镁和稀土元素与氧化镍和YSZ的混合物复合的过程可采用沉淀、浸渍、机械混合和/或高温固相反应来完成，其中镁可以为氧化物、氢氧化物、硝酸盐、碳酸盐、醋酸盐和/或草酸盐，稀土材料可为稀土元素的氧化物、氢氧化物、硝酸盐、碳酸盐、醋酸盐和/或草酸盐；

２）采用压制成型的方法制备0.3-2 mm厚的复合阳极基底，在1000^oC-1700^oC烧结2-10h，得到复合阳极。