[发明专利]一种用于固体氧化物燃料电池的阴极材料及制备方法

说明书

本发明属于燃料电池领域，提供一种用于固体氧化物燃料电池的CuO/CuAl₂O₄基阴极材料及制备方法，使用水合异丙醇铝、硝酸、掺杂盐混合制得溶胶，之后将相应量的硝酸铜滴入溶胶并进行搅拌，之后进行预烧、烧结、冷却、粉碎、筛分获得粉体材料，加入造孔剂进行二次烧结获得多孔阴极材料。本发明解决了传统固体氧化物燃料电池阴极对于氧气的吸附能力差的特点，通过氧化铜基的储氧能力保持阴极附近氧分压的平衡，使氧离子的迁移和反应可以得到控制。

技术领域

本发明属于燃料电领域，具体涉及一种用于固体氧化物燃料电池的阴极材料及制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池是一种新型发电装置，其高效率、无污染、全固态结构和对多种燃料气体的广泛适应性等，是其广泛应用的基础。固体氧化物燃料电池单体主要组成部分由电解质(electrolyte)、阳极或燃料极(anode，fuel electrode)、阴极或空气极(cathode，air electrode)和连接体(interconnect)或双极板(bipolar separator)组成。固体氧化物燃料电池的工作原理与其他燃料电池相同，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如：氢气(H2)、甲烷(CH4)、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。单体电池只能产生1V左右电压，功率有限，为了使得SOFC具有实际应用可能，需要大大提高SOFC的功率。为此，可以将若干个单电池以各种方式(串联、并联、混联)组装成电池组。 SOFC组的结构主要为：管状(tubular)、平板型(planar)和整体型(unique)三种，其中平板型因功率密度高和制作成本低而成为SOFC的发展趋势。

常压运行的小型SOFC发电效率能达到45%-50%。高压SOFC与燃气轮机结合，发电效率能达到70%。国外的公司及研究机构相继开展了SOFC电站的设计及试验，100kW管式SOFC电站己经在荷兰运行。Westinghouse公司不但试验了多个kW级SOFC，而且正在研究MW级SOFC与燃气轮机发电系统。日本的三菱重工及德国的Siemens公司都进行了SOFC发电系统的试验研究。一般的SOFC发电系统包括燃料处理单元、燃料电池发电单元以及能量回收单元。空气经过压缩器压缩，克服系统阻力后进入预热器预热，然后通入电池的阴极。天然气经过压缩机压缩后，克服系统阻力进入混合器，与蒸汽发生器中产生的过热蒸汽混合，蒸汽和燃料的比例为，混合后的燃料气体进入加热器提升温度后通入燃料电池阳极。阴阳极气体在电池内发生电化学反应，电池发出电能的同时，电化学反应产生的热量将未反应完全的阴阳极气体加热。阳极未反应完全的气体和阴极剩余氧化剂通入燃烧器进行燃烧，燃烧产生的高温气体除了用来预热燃料和空气之外，也提供蒸汽发生器所需的热量。经过蒸汽发生器后的燃烧产物，其热能仍有利用价值，可以通过余热回收装置提供热水或用来供暖而进一步加以利用。

目前固体氧化物燃料电池的极板大多选用多孔金属氧化物材料，主要材料为稀土金属及贵金属材料，材料成本较高，而且极板难以对吸附的氧气含量进行控制，在高温反应下吸附速率不足会降低电池整体的反应速率。因此对于阴极极板材料的改进具有十分重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于固体氧化物燃料电池的阴极材料及制备方法，通过氧化铜/铝酸铜在高温下通过吸附CO和CO₂的脱附氧气能力，保持阴极附近的高浓度氧分压平衡，同时高浓度的氧分压可以促进氧气的催化。