[发明专利]一种具有高稳定性和催化活性的直接碳燃料SOFC阳极材料

说明书

本发明涉及一种具有高稳定性和催化活性的直接碳燃料SOFC阳极材料，属于清洁能源技术领域。本发明所合成的新材料(PrBa)_0.95Fe_2‑x‑yCu_xNb_yO_5+δ(PBFCN)作为混合型直接碳固体氧化物燃料电池阳极材料，所述阳极材料的分子式为(PrBa)_0.95Fe_2‑x‑yCu_xNb_yO_5+δ(PBFCN)，其中，所述Cu含量x数值为0.1～0.4，所述Nb含量y值为0.1～0.4。在混合型直接碳燃料电池阳极氛围中具有高稳定性，并通过Cu的掺杂调控，提高了材料对阳极室内CO的吸附、催化氧化活性，制备的单体电池实现了较高的功率输出和良好的输出稳定性，在800℃的工作温度下最大输出功率可以达到500mW/cm²，并可以稳定工作20h以上。

技术领域

本发明涉及一种具有高稳定性和催化活性的直接碳燃料SOFC阳极材料，属于清洁能源技术领域。

背景技术

随着经济发展，能源消耗也随之不断提高，传统的能源利用方式既不断污染环境也无法满足当前越来越高的能源需求，对能源的高效、清洁利用方式的需求也与日俱增。固体氧化物直接碳燃料电池(Solid Oxide Direct Carbon Fuel Cell，SO-DCFC)由于其碳燃料的原料来源广、发电效率高、运行污染小、安全性高等优点被认为非常有潜力取代传统的煤燃料火力利用方式。

直接碳固体氧化物燃料电池采用全固态结构，因此，限制其发展的主要问题就是阳极侧与固体碳的接触面积较小，导致电极三相反应界面较小，直接碳的电化学氧化较为困难，输出功率较低。目前较为有效的一个解决方法就是采用混合型的直接碳燃料电池，即向固体碳燃料中添加碳酸盐的混合物，利用其高温下变为熔融态的特点，为碳燃料提供流动介质以增加电极反应活性位点，提高电池输出性能。因此，研究在还原性氛围和熔融碳酸盐腐蚀下保持结构稳定并且具有优良的催化活性的阳极材料是SO-DCFC发展的关键。

目前混合型直接碳固体氧化物燃料电池的阳极材料多为钙钛矿型材料和镍基复合材料。已知的钙钛矿型阳极材料在还原性氛围和熔融碳酸盐较强的腐蚀作用下，很难保持稳定的相结构且对直接碳的催化活性较差，导致单电池的输出功率较低。应用较为普遍的镍基阳极材料在熔融碳酸盐的腐蚀下，镍会缓慢融入碳酸盐中，导致活性位点的不可逆损失，造成电池输出稳定性能较差。本发明人在前期工作中提出了一种具有双重电催化功能的直接碳燃料电池阳极，即铈基氧化物复合金属Ni的阳极(公开号为CN 105742653A)，改善了混合型直接碳燃料电池中碳酸盐直接腐蚀电解质的问题，加快了电池反应速率，提高了电池输出性能，但长期运行时，稳定性有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的是针对直接碳燃料电池阳极材料的相结构在碳的还原作用和熔融碳酸盐的腐蚀下不稳定，从而影响电池性能和寿命的问题，提供一种具有高稳定性和催化活性的直接碳燃料SOFC阳极材料，该阳极具有A位缺位并有序的层状结构，通过B位掺杂具有稳定相结构功能的Nb元素来提高材料稳定性，并通过B位Fe、Cu过渡金属元素掺杂调控，实现提高直接碳燃料电池输出功率和稳定性的目的。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种具有高稳定性和催化活性的直接碳燃料SOFC阳极材料，具体分子式为(PrBa)_0.95Fe_2-x-yCu_xNb_yO_5+δ(PBFCN)，所述Cu含量x数值为0.1～0.4，所述Nb含量y值为0.1～0.4。

所述PBFCN阳极材料的制备方法包括：静电纺丝法、固相法、燃烧法、溶胶-凝胶法、水热法或溶剂热法。