[发明专利]一种储氢燃料及其制备方法

说明书

本发明提供一种储氢燃料及其制备方法，涉及二次固体氧化物燃料电池(SOFC)。其特征在于包括金属燃料，由氧化物与催化剂构成的第一包覆层和碳构成的第二包覆层。本发明基于多层包覆策略，通过催化剂的催化作用与储氢燃料内部气体通道的调控，有效维持了储氢燃料的高温稳定性、提高了储氢燃料的反应动力学，从而提升了电池的功率和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及高温燃料电池，属于电化学领域。

背景技术

高温固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种基于高温电化学反应的发电装置，只能进行发电，不能进行电能存储。专利CN102652379B提出一种可以进行可逆充放电的SOFC，即二次SOFC。其在SOFC的基础上，通过在阳极一侧设置密闭的储氢部件，利用储氢部件中的储氢燃料与水蒸气的反应进行氢气的可逆存储与释放，从而实现SOFC的二次化。储氢燃料可使用多种金属或其合金和碳，典型的储氢燃料为铁。在放电过程中，铁与水蒸气反应产生氢气和四氧化三铁，氢气进一步与氧气通过电化学反应发电，并生成水蒸气。在充电过程中，二次SOFC首先通过电解水蒸汽产生氢气，氢气进一步与四氧化三铁反应生成铁和水蒸气，实现氢气的存储。

然而，该二次SOFC也具有不足。由于体系在高温下工作，典型的工作温度为700℃，储氢燃料往往会发生高温烧结，造成储氢燃料的表面积减小、反应气体传输通道受阻。同时，氢气还原金属氧化物的反应动力学缓慢。以上问题都会影响二次SOFC的功率和循环性能。文献提出采用制备金属纳米颗粒的技术或通过添加Pd催化剂提升氢气还原金属氧化物的反应动力学；文献提出以金属氧化物包覆铁燃料或将铁燃料负载在固态电解质材料上，以缓解高温下的烧结。然而，以上文献都不能同时解决储氢燃料反应动力学慢及高温烧结问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种储氢燃料及其制备方法，以解决上述背景技术中的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种储氢燃料及其制备方法，其特征在于：包括储氢金属、由催化剂与氧化物构成的第一包覆层、由碳构成的第二包覆层。

所述储氢可以与水蒸气反应并产生氢气，包括单不限于镁、钙、铝、锌、铁、锰、铅、锡、镍、钼、钨、钛或其合金。优选的，所述金属燃料为铁。

所述储氢金属的粒径为100nm～50μm。优选的，粒径为200nm～10μm。

所述储氢金属可以为任意形状。优选的，所述储氢金属为类球形。

所述储氢燃料的制备过程中以储氢金属为原料，或者以储氢金属对应的储氢金属氧化物为原料、通过还原反应制备得到储氢金属。优选的，以储氢金属氧化物作为原料。

所述催化剂为具有催化氢气还原金属氧化物功能的所有催化剂。优选的，催化剂为Pd、Pt、CeO₂等。所述催化剂的用量在0.5wt％～5wt％(所有质量百分比都以金属燃料的质量为基准)，粒径在5nm～100nm。优选的，催化剂用量为0.5wt％～2wt％，粒径为5nm～20nm。

所述氧化物具有化学惰性，在高温二次电池工作温度下不与金属燃料、氢气和水蒸气反应。所述氧化物熔点高于800℃，优选的高于1000℃，以保证氧化物不会发生熔融过程。优选的，所述氧化物为Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、氧化钇稳定氧化锆(YSZ)中的一种或其混合物。所述氧化物的用量在1wt％～20wt％。为避免过渡包覆影响金属燃料与反应气体接触，优选的，氧化物的用量在1wt％～5wt％之间。所述氧化物的粒径小于金属燃料的粒径，在100nm～50μm之间。优选的，粒径在100nm～10μm之间。

所述碳层由碳前驱体煅烧制备，厚度为5nm～5μm。优选的，厚度为5nm～500nm。所述碳前驱体为煅烧后残余碳的含碳有机物。

本发明还提供了一种储氢燃料的制备方法，包括如下步骤：