[發明專利]一種固體氧化物燃料電池復合陽極及其制備方法

無效

• 申請號: 200710011103.8
• 申請日: 2007-04-24
• 公開（公告）號: CN101295792A
• 公開（公告）日: 2008-10-29
• 發明（設計）人: 程謨杰;涂寶峰;董永來
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司
• 代理人: 馬馳;周秀梅

技術領域

本發明涉及固體氧化物燃料電池，具體地說是一種固體氧化物燃料電池復合陽極及其制備方法，通過采用稀土材料與傳統陽極材料相復合，得到的復合陽極具有材料分布均勻，電極材料間網絡連接緊密等特點，降低電池的極化阻抗，提高電池的輸出性能，改善電池對甲烷等碳氫化合物燃料的性能。直接對于天然氣等碳氫化合物燃料的應用對于推動固體氧化物燃料電池技術向應用技術的發展具有重要的意義。

背景技術

固體氧化物燃料電池是將化學能直接轉化為電能的能量轉換裝置，采用全固態結構，具有發電效率高、可直接采用天然氣等碳氫化合物為燃料、應用范圍廣等特點，是理想的分散發電和集中電站技術，也可以應用于車輛輔助電源、便攜式電源等。固體氧化物燃料電池主要是由陰極、電解質膜、陽極三部分組成。目前陽極主要采用的是Ni-YSZ多孔金屬陶瓷，實現陽極的氣體傳質、電子傳導、離子傳導、催化重整和電催化反應等功能。電解質通常采用氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)，也可以是摻雜的氧化鈰、氧化鈧穩定的氧化鋯(ScSZ)、摻雜的鎵酸鑭(LSGM)等。陰極電催化劑一般采用鈣鈦礦氧化物與電解質材料構成復合陰極，如廣泛使用的LSM-YSZ復合陰極，也可以是鈷酸鑭、鈷酸鍶釤等鈣鈦礦。

對于天然氣等碳氫化合物燃料的應用對于固體氧化物燃料電池技術實用化的發展具有重要的意義，因此適應于天然氣等碳氫化合物燃料的各種陽極材料得到了廣泛研究，主要包括：鎳基陽極、銅基陽極、鈰基陽極、鈣鈦礦型陽極以及貴金屬陽極等。其中銅基陽極、鈰基陽極和鈣鈦礦型陽極雖然具有較好的抗積碳作用，但存在活性很低等問題，很難實現應用發展；貴金屬陽極活性和抗積碳方面都有很大的改善，但其成本很高，不易于應用。鎳基陽極是目前固體氧化物燃料電池普遍采用的陽極材料，但由于電池在制備過程中需要高溫燒結(＞1300℃獲得致密的電解質膜)，導致鎳基催化劑燒結嚴重，并且鎳基催化劑與氧化鋯基材料之間不易浸潤，相互作用不強，導致在高溫還原過程中鎳顆粒還會不斷長大，從而導致陽極活性較低，積碳較為嚴重。

發明內容

為了克服傳統復合陽極的缺點，本發明的目的在于提供一種固體氧化物燃料電池復合陽極及其制備方法，通過稀土改性制備出新型復合陽極，具有良好的電極結構，提高陽極的活性，從而提高電池的輸出性能，提高電極對天然氣等碳氫化合物燃料的活性，抑制積碳。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種固體氧化物燃料電池復合陽極，按重量百分比，復合陽極的重量組成為，NiO占30-69.9％，稀土材料占0.1-35％(通常可占2-25％，較好占5-15)，氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)占30-69.9％。該固體氧化物燃料電池復合陽極是在傳統的氧化鎳與氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)中添加稀土材料復合而成，其中用于改性的稀土材料為鑭、鈰、鐠、釹、釤、釓等稀土元素的一種或一種以上混合。本發明的復合陽極通過稀土材料修飾改善了電極材料間的界面接觸，降低極化阻抗，提高電極活性等特點，改善電池的輸出性能，并且提高了電池對甲烷等碳氫化合物燃料的輸出性能。

所述氧化釔穩定的氧化鋯中氧化釔的摩爾含量通常為5-12％；所述稀土材料為稀土元素氧化物的一種或一種以上混合，如：鑭系元素的鑭、鈰、鐠、釹、鉅、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧、釔，它們氧化物的一種或一種以上混合物。

該新型復合陽極可應用于平板型、管型和扁管型固體氧化物燃料電池。

所述復合陽極的制備過程如下：

1)A.可采用先將稀土材料與氧化鎳復合然后再與YSZ混合，得復合陽極材料；

將稀土材料與氧化鎳復合的過程可通過鎳的金屬鹽或氧化物與稀土元素的金屬鹽或氧化物的共分解、共沉淀、浸漬、機械混合和/或高溫固相反應來完成，其中金屬鹽可為鎳或稀土元素的硝酸鹽、碳酸鹽、醋酸鹽和/或草酸鹽；

B.或先將稀土材料與YSZ復合然后再與氧化鎳混合，得復合陽極材料；

將稀土材料與YSZ復合的過程可采用沉淀、浸漬、機械混合和/或高溫固相反應來完成，其中稀土材料可為稀土元素的氧化物、氫氧化物、硝酸鹽、碳酸鹽、醋酸鹽和/或草酸鹽；

或直接將稀土材料與氧化鎳和YSZ的混合物復合，得復合陽極材料；

直接將稀土材料與氧化鎳和YSZ的混合物復合的過程可采用沉淀、浸漬、機械混合和/或高溫固相反應來完成，其中稀土材料可以為氧化物、氫氧化物、硝酸鹽、碳酸鹽、醋酸鹽和/或草酸鹽；

2)采用干壓制備0.5-2mm厚的復合陽極基底，在1000℃-1700℃燒結2-10h，得到復合陽極。