[发明专利]固体氧化物燃料电池的阳极保护层及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池领域，更具体地，涉及一种用于以碳氢化合物为燃料的中温固体氧化物燃料电池的阳极保护层。

背景技术

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)是通过电化学反应将化石燃料(煤、石油、天然气等)、生物质燃料或其它碳氢化合物燃料中的化学能直接转换为电能的发电系统。与以燃烧为基础的传统火力发电方式相比，SOFC技术极大地降低了燃料的能量损失和对生态环境的冲击。SOFC在固定电站、移动电源、交通运输以及军事和海洋等领域有着广泛的应用前景，对于缓解能源危机、满足电力需求、保护生存环境以及保障国家安全都具有重大的意义。

传统SOFC以氢气作为燃料，但是，制备氢气需要消耗能量和/或产生温室气体排放；而直接采用含碳燃料，如煤气、天然气、一氧化碳或生物质气等，有利于SOFC能量转换效率的提高和温室气体的收集。SOFC阳极的作用是氧化燃料气体，其性能的好坏直接影响到SOFC的性能。已经证明，Ni基金属陶瓷是催化性能良好的SOFC阳极材料，在中温条件下具有足够的电化学活性。然而，在以天然气、一氧化碳等化合物为直接燃料的情况下，Ni基金属陶瓷阳极会存在碳沉积的问题。沉积在阳极表面上的碳覆盖了反应活性位置，导致SOFC性能衰减；碳纤维的生成同时还造成Ni结构粉化，导致SOFC破裂。尽管加入足够的水蒸气可以避免或缓解碳沉积，然而，水蒸气的加入会降低燃料气体的浓度和电转化效率，并形成不均匀的温度分布，所产生的应力将破坏SOFC结构。比如已经报道的Cu-CeO₂-YSZ复合阳极、LaCrO₃和SrTiO₃系列阳极都具有比较好的抗积碳性能。但是这些新型的阳极，在导电性、电化学活性等方面远不如传统的Ni基金属陶瓷阳极，其长效性也没有得到充分的验证。

如何解决目前的固体氧化物燃料电池中阳极容易碳沉积提高抗积碳性且又不降低燃料气体的浓度和电转化效率，而且具有较高的导向性和电化学性能，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明的目的在于提供一种用于固体氧化物燃料电池的阳极保护层及其制备方法和应用，可以在燃料电池的阳极设置该保护层，可以有效地提高阳极的抗积碳性能和燃料利用率。

按照本发明的一个方面，提供一种固体氧化物燃料电池的阳极保护层，其原位还原烧结在固体氧化物燃料电池的阳极表面，其特征在于，该阳极保护层的前体材料为尖晶石材料、或为尖晶石与Gd_0.1Ce_0.9O_1.95-δ(GDC)、BaZr_0.1Ce_0.7Y_0.1Yb_0.1O_3-δ(BZCYYb)、BaZr_0.2Ce_0.7Y_0.1O_3-δ(BZCY)或Sm_0.2Ce_0.8O_1.95-δ(SDC)这些氧化物中的一种的复合物。

通过原位还原预烧结在阳极表面的上述复合物形成阳极保护层，这个保护层对于甲烷部分氧化和重整反应有很好的催化活性，能够避免里层阳极碳沉积的发生。

作为本发明的改进，所述尖晶石材料可以是MnNi₂O₄、CuFe₂O₄、NiFe₂O₄和Ni_0.5Cu_0.5Fe₂O₄中的一种，也可以是其他一些含Ni或含Fe的尖晶石材料。

作为本发明的改进，添加的GDC或BZCYYb等的质量分数在20％-40％。

作为本发明的改进，所述前体材料采用湿化学法制备，具体为：

按化学计量比称取金属硝酸盐，用去离子水溶解，加入甘氨酸或柠檬酸，然后将溶液搅拌加热，直至自燃成絮状前驱体，最后将前驱体研磨后热处理2个小时，即制得粉末。