[发明专利]抗积碳抗硫毒化固体氧化物燃料电池阳极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种抗积碳抗硫毒化固体氧化物燃料电池阳极及其制备方法，通过铜离子及钐或钆掺杂氧化铈基氧化物来制备铜钐共掺杂氧化铈或铜钆共掺杂氧化铈粉末，以掺杂氧化铈粉末为前驱粉末制得多孔陶瓷，多孔陶瓷经氢气还原后，部分铜从晶格中渗出获得抗积碳抗硫毒化固体氧化物燃料电池阳极。本发明提高了阳极的导电性能并增加阳极的三相反应界面，具有良好结构稳定性，不会发生团聚，具有优异的抗积碳抗硫毒化的性能。本发明的制备方法通过离子掺杂和脱溶作用将铜引入到阳极中，可以采用传统的压制或者流延、烧结的方法直接制备阳极支撑的固体氧化物燃料，避免了浸渍还原法制备的含铜阳极的繁琐过程，使其实现工业化成为可能。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池阳极及其制备方法，特别是涉及一种抗积碳抗硫毒化固体氧化物燃料电池阳极及其制备方法。

背景技术

燃料电池技术可以通过电化学反应过程使燃料的化学能直接转化为电能，能够大大降低污染，而且由于不受卡诺循环的限制，其能量利用率可达40％～60％，如果通过热电共生同时利用其热能，则能量的转化率可以高达80％以上。这些优点使得燃料电池技术极有可能在不久的将来成为重要的供电手段。以氢气为最佳燃料的燃料电池的最终产物是水，对环境几乎没有污染。然而，目前高纯度氢的获取、存储以及运输都存在着诸多有待解决的难题，因此以纯氢为燃料的燃料电池成本高昂，目前很难大规模推广应用。

直接以碳氢气体为燃料的中低温固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)，一方面可以使碳氢气体在阳极直接氧化，不需要任何重整过程，从而可以充分利用热力学效率，极大提高燃料的利用率；同时也避免了氢气的储存和运输问题；另一方面中低温SOFC可以减少电池中各种界面间的反应以及电极在高温下的烧结退化等导致的电池的效率与稳定性降低的问题，同时，也扩大电池关键材料—电极、双极板和电解质的选择范围。众多的优点使得直接以碳氢气体为燃料电池的中低温SOFC成为了当前能源领域研究的热点。

当直接使用碳氢气体或天然气作为燃料时，Ni基阳极的反应活性会因碳沉积的产生而迅速降低。尤其是当燃料中含有H₂S时，电池的衰减更加的严重。因此，对于以这些气体为燃料的SOFC而言，其阳极必需具有很强的抗碳沉积抗硫毒化的能力。一般常采用一些其它金属和氧化物来取代Ni催化剂。但是研究发现，Co和Fe虽然具有较好的催化活性，但同样无法避免碳沉积和硫毒化等问题；Pt、Ru等贵金属的性能很好，但价格昂贵，成本过高。一些研究重点逐渐转移到具有离子和电子混合电导的氧化物(mixed ionic and electronicconductor,MIEC)作为阳极的催化剂，如掺杂氧化铈，但是单纯以氧化物作为阳极，虽然它们的具有优良的电化学活性和抗碳沉积抗硫毒化性，由于其电子电导率较低，因此很难获得较好的电性能。Cu由于良好的电导率和抗碳沉积性而被引入到阳极的制备中。但是Cu对燃料氧化的催化活性比Ni差，而且CuO_x具有较低的溶点(1326℃)，很难用采用氧化物共混烧结再还原的方法制得Cu基阳极。铜基阳极、铈基阳极虽然具有较好的抗积碳抗硫毒化作用，但是电催化活性较低或者电导率较低，后来研究发现通过浸渍法将Cu与掺杂氧化铈引入到阳极中可以明显改善电极的电催化活性和抗碳沉积抗硫毒化性能，但浸渍法较为繁琐且重复性不好，不利于大规模生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗积碳抗硫毒化固体氧化物燃料电池阳极的制备方法，避免了浸渍还原法制备的含Cu阳极的繁琐过程，使其实现工业化生产成为可能。本发明的另一个目的是提供一种抗积碳抗硫毒化固体氧化物燃料电池阳极，其具有优异的抗积碳抗硫毒化的性能。

本发明的技术方案是这样的：一种抗积碳抗硫毒化固体氧化物燃料电池阳极的制备方法，包括以下步骤：

S1、将硝酸铈、硝酸钐或硝酸钆、硝酸铜溶于去离子水配成硝酸盐溶液，然后将氨基乙酸或者硬脂酸加入到硝酸盐溶液中，搅拌均匀并加热浓缩直至自燃得到浅棕黄色粉末，最后在500～800℃下热处理得到铜钐共掺杂氧化铈或铜钆共掺杂氧化铈粉末；