[发明专利]一种原位析出碳气化反应催化剂的直接碳燃料电池阳极材料

说明书

本发明涉及一种原位析出碳气化反应催化剂的直接碳燃料电池阳极材料，属于清洁能源技术领域。本发明提供的材料具有A位有序的层状钙钛矿结构，且B位掺杂具有稳定相结构功能的Nb元素，并通过Fe、Ni过渡金属元素掺杂调控，使材料在直接碳固体氧化物燃料电池阳极还原性氛围中可以原位析出镍铁合金，并保持钙钛矿相不变，从而提高对碳气化(Boudouard)反应的催化活性，避免了向固体碳燃料中添加碳酸盐、金属催化剂等添加物，催化效果更好，也有效的提高了电池的使用寿命，使用本材料作为阳极的单体电池实现了高性能输出，在800℃的工作温度下最大输出功率可达600mW/cm²，在750℃下可稳定工作50h以上，是常见的DCFC在高温下工作寿命的2倍以上。

技术领域

本发明涉及一种原位析出碳气化反应催化剂的直接碳燃料电池阳极材料，特别涉及一种具有高催化活性并且在直接碳燃料电池阳极氛围下可以析出Ni- Fe合金催化碳气化反应(Boudouard反应)的电极材料，属于清洁能源技术领域。

背景技术

我国进入经济高速发展的阶段，但是随着经济发展，能源消耗也随之不断提高，再加上我国“富煤、贫油、少气”的能源结构，煤炭、生物质炭等碳基燃料仍是我们主要的能量来源，而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，对煤炭的高效、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 OxideDirect 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。

固体氧化物直接碳燃料电池采用全固态结构，因此目前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，而且阳极活性材料对固体碳催化氧化活性相对较差，导致碳的电化学氧化较为困难，造成了电池工作温度较高，而输出功率较低。目前较为有效的解决方法包括向碳燃料中添加金属催化剂，如铁、钙等，可以有效的催化碳气化反应(Boudouard反应)，生成较容易被电化学氧化的CO来提高电池性能，但这种方法稳定性较差，在燃料内部生成的CO仍需进一步扩散至阳极反应活性位点处才可进一步发生电化学氧化，在一定程度上影响了电池的输出性能。因此，研究在阳极还原性氛围下保持结构稳定并且具有良好的催化活性的阳极材料是SO-DCFC发展的关键。

目前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，然而由于目前所研究材料对直接碳催化氧化活性较差的限制，电池性能的提高主要靠添加碳酸盐、铁、钙等附加催化剂，这样既提高了成本也不利于SO- DCFC的稳定性。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材料，即铈基氧化物复合金属Ni的阳极材料(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，但是较高的功率输出仍依赖于碳酸盐的添加，且长期运行时，稳定性有待进一步提高。现有的专利(公开号为CN102088100A)采用向燃料中添加金属盐催化剂的方法来降低电池工作温度，提高输出性能，但是加入的金属盐催化剂，如碳酸盐、硝酸盐等，在高温下容易腐蚀阳极或电解质，减少电池寿命，且会生成污染性气体，而且这种方法使用的催化剂量较大，成本较高。

发明内容

本发明的目的是针对固体氧化物直接碳燃料电池阳极材料对固体碳燃料的催化活性较差，较为依赖碳酸盐、金属单质等催化剂的添加来实现高输出性能，导致效率较低且电池运行稳定性较差的问题，提供一种原位析出碳气化反应催化剂的直接碳燃料电池阳极材料，该材料具有A位有序的层状钙钛矿结构，且 B位掺杂具有稳定相结构功能的Nb元素，并通过Fe、Ni过渡金属元素掺杂调控，使材料在直接碳固体氧化物燃料电池阳极还原性氛围中可以原位析出镍铁合金，并保持钙钛矿相不变，从而提高对Boudouard反应的催化活性，避免了向固体碳燃料中添加碳酸盐、金属催化剂等添加物，催化效果更好，也有效的提高了电池的使用寿命，使用本材料作为阳极的单体电池实现了高性能输出。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。