[发明专利]含有碱金属或碱土金属元素的固体氧化物燃料电池的阳极材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一类含有碱金属或碱土金属元素的固体氧化物燃料电池的阳极材料及其制备方法和用途。

背景技术

目前，对能源需求的日益增加刺激了对高效、低成本和环境友好的替代能量转化和储存系统的研发。

固体氧化物燃料电池（简称SOFCs）是一类可以将燃料气体的化学能以高效而环境友好的方式直接转化为电能的电化学反应器。固体氧化物燃料电池与目前研究的其它燃料电池相比，基于氧离子导体氧化物或高温质子导体氧化物的电解质材料的SOFCs具有可以使用经济合理的材料组件、对燃料中杂质低的敏感性和高的能量转化效率等优点[1]。但是目前SOFCs从成本和耐久性上与传统的内燃机都还无法竞争。最近10多年研究主要集中开发可以直接氧化碳氢化合物燃料的中低温固体氧化物燃料电池，但是传统的阳极材料镍/氧化钇稳定的氧化锆(Ni/YSZ)金属陶瓷阳极材料在使用碳基燃料时存在积碳和硫中毒的问题。因此，研究替代的阳极材料、重整和脱硫催化剂对于开发碳基燃料的SOFCs及其商业化非常重要。为了设计具有高性能和长期稳定性的固体氧化物燃料电池非常迫切地需要开发低成本、高效、稳定的材料。

虽然近年来报道的一些阳极材料具有一些抗积碳和/或抗硫中毒性能，例如Cu-CeO₂[2,3]、(La_0.75Sr_0.25)_0.9Cr_0.5Mn_0.5O₃(LSCM)[4]、La₄Sr₈Ti₁₁Mn_0.5Ga_0.5O_37.5[5]、Sr₂Mg_1-xMn_xMoO_6-δ(SMM)[6]、BaZr_0.1Ce_0.7Y_0.2-xYb_xO_3-δ(BZCYYb)[7]、Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6-δ（SFM）[8]和Pr_0.8Sr_1.2(Co,Fe)_0.8Nb_0.2O_4+δ[9]。但是，迄今为止这些阳极材料仍然存在一些问题，主要是与Ni相比具有低的催化活性。此外，在高温工作条件下，一些材料还不够稳定[1]。为了改善电池的电化学性能和长期稳定性，这些阳极材料的组成和微观结构也需要进一步优化。

固体氧化物电解池（简称SOECs）以SOFCs逆方式工作。SOECs是一种重要的能量转化系统，它可以合理而有效地将风能、潮汐能和太阳能等可再生能源转化为化学能，因此是有效的能量储存手段。

最近，利用固体氧化物电解池电解水和二氧化碳产生燃料重新引起了关注。共电解H₂O/CO₂（其反应为：H₂O+CO₂→H₂+CO+O₂）的优点在于既可以缓解化石资源短缺的问题，也可以降低温室气体的排放。制备的合成气可以利用现有的基础设施管道进行输运，也可以通过成熟的费托合成工艺（Fischer-Topsch）进一步合成液体燃料。而传统的合成气制备过程是煤汽化或天然气水汽重整，这两个过程既消耗化石燃料，也排放温室气体。因此，利用可再生能源共电解水蒸汽和二氧化碳是一条同时解决能源和环境问题的有效手段[10,11]。

但是，目前SOECs的长期稳定性仍然是一个问题，人们提出了一些衰退和失效的机理，包括氧化硅杂质在Ni-YSZ界面偏析，当暴露于高水汽条件下Ni在Ni-YSZ电极中的迁移，阳极分层等，因此仍需寻找高效而稳定的负极材料。

参考文献

[1]Sun,C.W.;Stimming U.Recent anode advances in solid oxide fuel cells,J.Power Sources.2007,171,247-260.