[发明专利]一种高温化学稳定的SOFC钙钛矿阳极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池阳极材料技术领域，具体涉及一种高温化学稳定的SOFC钙钛矿阳极材料及其制备方法。

背景技术

高效且低碳化的使用化石能源是降低环境污染、减少二氧化碳排放和解决能源稳定供给问题的最重要手段。以煤炭为燃料的火力发电作为我国的主力发电系统是造成当前空气污染的最主要原因之一。如何提高以化石燃料为主发电系统的能源转化效率是各国科研机构解决二氧化碳排放和减少能源浪费的最关注课题。利用燃气轮机的驱动力和燃气轮机的排热来发电的煤气化复合发电系统（IGCC）和以煤气化系统、固体氧化物燃料电池系统（SOFC）、燃气轮机和蒸气轮机系统组成的煤气化燃料电池复合发电系统（IGFC）的开发受到越来越多的重视；其中SOFC成为整个系统中提高能源转换效率和降低二氧化碳排放的最重要组成部分。

SOFC是一种可以直接以氢气、碳氢燃料和煤气化气体等为燃料的发电装置。与传统的以燃料燃烧为主体的火电站不同，SOFC不需要经过燃烧过程，不受卡诺循环的限制，其能量转化效率可以达到很高的比例。SOFC单电池主要由三部分组成：阴极、电解质和阳极。其发电原理是：通入阴极侧的氧气被阴极材料吸附后得到电子被还原成氧离子，氧离子在氧浓度差和电位差的驱动下由阴极开始通过电解质材料中的氧空位传递到阳极侧，和通入阳极侧的燃料(H₂ 和CH₄等)发生电化学反应产生电子，电子再流入外回路带动用电器工作。SOFC的运行温度一般在400 ~ 1000 ^oC范围内，反应产生的高温水蒸气可以用来取暖或者推动蒸汽轮机等，没有参与反应的燃料可以回收后循环利用或者带动燃气轮机继续发电，能大幅度提高燃料的能源利用效率。SOFC可以做成几个千瓦级的家庭电站或便携式移动电源，也可以组装成大容量中心的发电站，有非常广阔的应用前景。2011年10月，日本一种以天然气为燃料的家庭用SOFC发电系统已经上市，发电效率高达46.5%，能源的综合利用效率可以达到90%。美国能源部从2005年开始资助GE HPGS等三家美国公司研究开发100MW级的大型SOFC发电站，为大型SOFC电池堆的开发奠定了基调。

之所以能够成为提高能源转化效率和降低碳排放的最有潜力新技术， SOFC最大的优势是和其他类型燃料电池相比具有很宽泛的燃料选择性，大于700 ^oC的高运行温度使大部分碳氢燃料，如：天然气、生物气、煤气化气体、乙醇和汽油等都能成为其燃料。这种宽泛的燃料选择性使得SOFC能够显著提高能源转换效率、有效降低碳排放同时解决当前能源短缺带来的一些问题。随着SOFC商业化的日趋发展，除了成本之外，电池材料的长期稳定性和耐久性成了另外一个抑制SOFC商业化发展的重要因素。

SOFC单电池由阳极、电解质和阴极组成，SOFC电解质材料的主要作用是传导氧离子，以氧化锆(ZrO₂)基电解质应用最为广泛，典型的ZrO₂基电解质有YSZ(Y₂O₃ stabilized ZrO₂)和ScSZ(Sc₂O₃ stabilized ZrO₂ )，其中以ScSZ电导率更高，力学性能更好。SOFC阳极材料性能的好坏直接影响电池的性能，因此对SOFC阳极材料有以下要求：

（1）具有较好的电子导电性和一定的离子导电性，这样的阳极材料可为阳极反应提供立体反应区域；

（2）与电解质等其他相关组件具有相匹配的热膨胀系数和很好的相容性，这能保证电池稳定运行，高温下没有热应力的出现和化学反应的发生；

（3）具有足够的催化活性以催化阳极反应的进行，降低电位损失；

（4）具有一定的多孔性以保证反应物与产物的进出。