[发明专利]燃料电池阳极、燃料电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地说，涉及一种燃料电池阳极、燃料电池及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效清洁的新型能量转换装置，其制备工艺以及相应的电池构型和电池堆设计等已受到全世界科研工作者和科研机构的普遍关注。目前用于固体氧化物燃料电池的阳极材料体系主要有两大类，一类是金属陶瓷阳极，如Ni基金属陶瓷阳极和铜基金属陶瓷阳极，另一类是混合导体氧化物阳极，如A、B位掺杂的钙钛矿型氧化物等。其中Spacil提出的复合电极的概念在很长时间内得到了广泛的采用，复合阳极应优化了电荷传输特性（电子和离子导电）和催化特性。由于镍具有很高的电子导电率，通过在其中添加高离子导电率的第二相，从而形成电子-离子复合阳极。目前、低温广泛采用的是Ni/YSZ（掺杂Y₂O₃）或Ni/DCO（掺杂CeO₂）复合阳极，其多孔的金属陶瓷结构由互相贯穿、彼此联系的Ni金属网络和氧化物陶瓷网络组成。

以Ni/YSZ复合阳极为例，普遍的观点认为YSZ在复合阳极内部的作用除了改善电解质和Ni的匹配性以及抑制Ni粒子长大之外，最重要的方面是提供一个氧离子导电网络，从而将三相界(TPB)从电解质/阳极界面拓展到阳极体内10~20μm的区域内。电化学活性位的增加使得电极界面极化电阻大幅下降，电池性能也得到明显改善。由于DCO在中、低温下具有比YSZ高的多的电导率和更佳的催化活性，Ni/DCO复合阳极具有比Ni/YSZ更高的电极性能。Eguchi等人报道了Ni/SDC，Ni/CeOx和Ni/PrO_x的性能比Ni/YSZ大为提高，并指出Ni基陶瓷阳极对H₂的氧化活性为：Ni/YSZ<Ni/CeO_x<Ni/SDC<Ni/PrO_x。Joerger和Gauckler研究了Ni/GDC复合阳极对H₂和CH₄的氧化反应，发现其电催化活性比Ni/YSZ要高。在800℃0.5A cm^-2下，Ni/GDC复合阳极的H₂氧化反应过电位约20mV，仅仅为同样情况下Ni/YSZ复合阳极的1/6。而Ni/GDC在两种燃料下的活化能都低于Ni/YSZ。总之，越来越多的实验数据表明阳极中离子导电性的增加对应于界面极化电阻的降低。

对于混合导体氧化物复合阳极，研究人员对其的选择更多的是考虑了其电子-离子导电的特性，而并非催化活性。目前高离子电导的氧化物主要采用掺杂的DCO，通常采用的为两种，一是采用Sm₂O₃（20%）掺杂CeO₂，称之为SDC；或者是Gd₂O₃(15%)掺杂CeO₂，称之为GDC。但是，离子导电相的氧化物例如DCO的制备需要进行掺杂，工艺比较复杂，且每批次生成物的离子电导率不能保证完全一致，影响实验重复性。

在研究人员试图通过加入高离子电导率的SDC或YSZ来改善金属陶瓷阳极性能的同时，一个不可忽略的事实是，SDC或YSZ材料的加入也带来了阳极催化活性的增加，同时不同研究者使用的不同制备方法也会导致阳极微结构和形貌的改变，从而很难将离子导电对电极性能的影响与催化活性和微结构分离开来，成为分析阳极过程的一个难题。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种不含离子导电相的燃料电池阳极，本发明还提供一种利用上述燃料电池阳极的燃料电池及其制备方法，该燃料电池具有良好的催化氧化活性和电池输出性能。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种燃料电池阳极，由氧化镍和单一镧系氧化物组成。

优选的，所述单一镧系氧化物为CeO₂、Sm₂O₃、Gd₂O₃或Eu₂O₃。

本发明还提供一种燃料电池，包括依次连接的上述技术方案所述的燃料电池阳极、电解质薄膜和阴极。

优选的，所述阴极由镧锶锰基材料制备得到。

优选的，还包括：

孔隙率为40%~60%的多孔支撑体，所述燃料电池阳极填充于所述多孔支撑体的孔隙内。

相应的，本发明还提供一种燃料电池的制备方法，包括以下步骤：