[发明专利]一种固体氧化物燃料电池的阳极材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种固体氧化物燃料电池的阳极材料及其制备方法。燃料气体首先在固体氧化物燃料电池内部发生重整反应，然后扩散到阳极进行电化学反应，阳极材料以镍基材料作为基体，将基体与添加材料复合，并且沿着燃料气体的流动方向，添加材料的含量逐渐减小，添加材料对燃料气体的催化重整活性小于镍。采用该阳极材料的固体氧化物燃料电池内部重整反应速率分布均匀，有利于提高电池的稳定性与寿命。

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池的阳极材料及其制备方法。

背景技术

自从工业化发展以来，全球的能源消耗呈现不断上升的趋势，环境污染以及全球气候变化引起了人们的普遍关注，世界各国政府都对寻找新的清洁能源和发展现有能源清洁高效的解决方案给予重点支持，而燃料电池因其清洁高效的优点在众多解决方案中脱颖而出。

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种可以通过电化学反应直接将化学能转换为电能的清洁高效的全固态能量转换设备，其工作在较高的温度(600℃～1000℃)下，表现出对甲烷、氨气、醇类等多种燃料广泛的适应性，成为继磷酸燃料电池、融融碳酸盐燃料电池之后第三代燃料电池发电技术。

SOFC的电极材料可分为阳极材料与阴极材料。阳极材料一般要求具有较强的电催化能力、较高的离子电导率与电子电导率，并与相邻功能层之间形成良好的热应力匹配。同时，电极材料要有足够的孔隙率保证反应气体的传输并提供足够多的三相界面。阳极材料主要有镍基材料、铜基材料、钙钛矿型材料等。其中镍基材料包括NiO/GDC、NiO/SDC、NiO/SSZ、NiO/YSZ等；铜基材料包括CuO₂/CeO₂/SDC、CuO₂/CeO/YSZ、CuO₂/YSZ、Cu/YZT等；钙钛矿型材料包括La_1-xSr_xCrO₃、La_1-xSr_xCr_1-yM_yO₃、LST、LAC等。另外还有一些贵金属材料也可以作为SOFC的阳极材料，如Pt与Ru等。

镍基材料是当下SOFC中最常应用的阳极材料。例如，将NiO与相应的电解质材料GDC、SDC、SSZ、YSZ等组成复合材料作为SOFC的阳极，经过还原后分别形成Ni/GDC、Ni/SDC、Ni/SSZ、Ni/YSZ复合材料多孔电极，不仅满足了阳极的传质要求，还增加了三相线区域(即，Ni-电解质材料-孔隙这三个区域的交线)数量并使其热膨胀系数与相应的电解质匹配，另外电解质材料的存在对Ni颗粒高温下的团聚现象具有一定的抑制作用。但是，镍基材料也具有一定的局限性，例如易发生硫中毒、易形成积碳等缺点，特别在研究CO₂电解时，当燃料中还原组分较少时，Ni很容易被氧化为NiO、NiOH、Ni(OH)₂等。与镍基材料相比，金属或者合金材料等其他材料作为SOFC的阳极材料时不易发生积碳行为，但是其反应活性低，降低了电池的整体性能。

固体氧化物燃料电池能直接使用的燃料气体主要为还原性质的氢气、一氧化碳等气体。当固态氧化物燃料电池采用氢气作为燃料时反应机理为：

阳极：2H₂+2O^2--4e^-＝2H₂O

阴极：O₂+4e^-＝2O^2-

总反应：2H₂+O₂＝2H₂O

但是，氢气的储能密度较低，难以大规模储存和运输；另外，当阳极通入氢气时阴极需通入过量空气进行散热，以防止电池内部因热量积累造成破坏。