[发明专利]一种具有抗积碳功能的固体氧化物燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及化学电源，具体涉及基于镍阳极的固体氧化物燃料电池，更具体涉及一种具有抗积碳功能的固体氧化物燃料电池。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有能量转化效率高、燃料适用范围广，无污染等优点使其成为新一代可用于固定式电站、交通工具辅助式电源以及小型移动电源的燃料电池。镍基陶瓷复合阳极由于其具有高电化学活性、高电子电导、稳定性好、价格低廉等优点，在以氢气为燃料时表现出稳定的性能，迄今仍是最常用的阳极材料。然而鉴于在氢气的生产、储存和运输方面的技术限制，以氢气为燃料的SOFC在未来数年内不可能取得广泛的应用。由于SOFC是一种高温发电装置(500度-1000度)，现行的碳基燃料原则上都可以在SOFC工作条件下生成可用于发电的氢气和CO，比如天然气、煤层气、页岩气，生物沼气、汽油，液化石油气等,因此这些物质都可以作为SOFC燃料。然而在SOFC高温工作条件下，碳氢燃料都不可避免会发生裂解生成积碳沉积在Ni阳极上，一方面堵塞了Ni表面活性位点，催化性能下降，另一方面由于积碳与阳极材料的热膨胀性能不匹配，随着积碳的增多，电池发生涨裂。目前许多课题组正在积极开展具有抗积碳性能的SOFC镍阳极的改进。其中一种方法是在阳极表面覆盖一层促进碳氢燃料重整的催化剂涂层使得碳氢燃料在到达Ni阳极发生电化学反应之前首先被催化重整为CO和氢气，然后氢气和CO在阳极三相界面区发生电化学氧化反应从而产生电能。然而多数催化剂材料与阳极材料的热膨胀性能不一致，如果把催化剂涂层利用喷涂或印刷方式直接覆盖在电池阳极表面，在电池升温过程中由于材料的热膨胀性能不匹配，常常导致还未升到所需温度电池就发生涨裂(图2a)。因此现行的采用喷涂或印刷方法制备的催化剂层使用的催化剂量必须很少，但是催化剂用量不足又引起燃料重整不充分的问题。另外，催化剂直接覆盖在阳极表面也堵塞了一部分阳极气孔，增大燃气扩散电阻。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的基于镍阳极的固体氧化物燃料电池应用于碳氢燃料时容易产生阳极积碳的问题，提供一种稳定的可用于碳氢燃料并具有抗积碳功能的固体氧化物燃料电池。

本发明提供的一种基于镍阳极的固体氧化物燃料电池，包括阴极、电解质、阳极、石英导气管，其特征在于，在阳极侧设置独立的催化剂层。

所述的催化剂层通过包括如下步骤的方法制备得到：(1)将基底材料与少量造孔剂混合均匀，用压片机模压成薄片；(2)将催化剂与少量造孔剂混合均匀，铺洒在步骤(1)制成的薄片表面，共压成型，脱模，置于马弗炉中焙烧即成。

所述的基底材料为Al₂O₃、二氧化锆、二氧化硅等硬度高的氧化物材料。

所述的造孔剂如有机物、碳材料等高温可燃物。

所述的催化剂为对碳氢燃料具有高的氧化催化活性的材料，包括可以产生氧空穴的钙钛矿材料，如Sr₂MoFeO_6-δ，La_0.6Sr_0.4Co_0.9Fe_0.1O_3-δ等；还包括含有过渡金属如镍、铜、铁、钴、钼、铈及其氧化物的材料，如NiO/BaO/CeO₂/Al₂O₃，NiO/BaO/CeO₂。

本发明提供的一种基于镍阳极的固体氧化物燃料电池的制备方法，包括如下步骤：

1)将高硬度的氧化物材料与少量造孔剂混合均匀，用压片机模压成薄片；

2)将催化剂与少量造孔剂混合均匀，铺洒在步骤1)制成的薄片表面，共压成型，脱模，置于马弗炉中焙烧，得到由基底和催化剂组成的催化剂层；

3)将上述制备的催化剂层放置于石英导气管的上端，催化剂朝燃料侧，用银浆固定；

4)在电池的阴极和阳极分别粘接银导线，并按阳极侧朝催化剂层放置于催化剂层的上方，用高温导电银浆将电池和催化剂层一起密封于石英管上。