[發明專利]含鎂和稀土元素的電池陽極催化材料及制備和應用

無效

• 申請號: 201010586869.0
• 申請日: 2010-12-14
• 公開（公告）號: CN102544528A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 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: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88;B01J23/83
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及固體氧化物燃料電池陽極催化材料，具體地說是一種含鎂和稀土元素的固體氧化物燃料電池鎳基陽極催化材料及其制備和應用，通過加入鎂和稀土元素對陽極催化材料氧化鎳進行修飾，改善陽極的微結構,阻止鎳顆粒的長大，提高陽極的活性，降低電池的極化電阻,提高電池的輸出性能，改善電池在采用甲烷等碳氫化合物燃料時的輸出性能。電池性能的提高及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。

直接采用天然氣等碳氫化合物為燃料是固體氧化物燃料電池的一個重要特點，也是目前在固體氧化物燃料電池應用中最主要的研究對象，但其存在著幾個比較嚴重的問題：（1）在電極上的積碳問題，積碳導致電極活性不斷降低，電極結構被破壞，最終使得電池失去活性。（2）電極活性較低，電極催化劑經過高溫燒結后活性較低，并且電化學氧化天然氣等碳氫化合物燃料的過程非常復雜和困難，從而導致電池的輸出性能很低。這些問題以成為制約固體氧化物燃料電池發展的關鍵因素。因此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；鎳基陽極雖電極活性得到了改善，但較難達到抗積碳的目標；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^oC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，陽極極化阻抗較大，特別是對天然氣等碳氫化合物燃料的活性更低。

發明內容

為了克服傳統陽極催化劑的缺點，本發明的目的在于提供一種含鎂和稀土元素的固體氧化物燃料電池陽極催化材料，應用時，降低了電池的極化阻抗，提高了電極活性和電池的輸出性能。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種含鎂和稀土元素的固體氧化物燃料電池陽極催化材料，其組成式包括NiMgxReyOz；其中Ni代表鎳，Mg代表鎂元素，Re代表鑭系稀土元素，O代表氧，其中0﹤x﹤0.5,0﹤y﹤0.5,0﹤z﹤4。該固體氧化物燃料電池陽極催化材料可以為一種結構的氧化物(如鑭鎂等進入氧化鎳晶格形成的一種結構的氧化物)，也可以為幾種氧化物的復合物（如氧化鎳與氧化鈰，LaNiO₃鈣態礦與氧化鎳，氧化鎳與氧化釤、氧化釓等的復合物）。

所述鑭系稀土元素為鑭、鈰、鐠、釹、鉅、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧和釔中的一種或一種以上混合；

該陽極催化材料的制備方法可為：通過鎳的金屬鹽或氧化物與鎂和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/或高溫固相反應等方法制備。其中鎳的金屬鹽或氧化物與鎂和稀土元素的金屬鹽或氧化物可以為，鎳、鎂和稀土元素的氧化物、氫氧化物、硝酸鹽、碳酸鹽、醋酸鹽和/或草酸鹽。

所述的陽極催化材料可應用的固體氧化物燃料電池膜電極的構造可以采用平板型、管型、扁管型及其它各種構造方式；所述的固體氧化物燃料電池可以采用電解質膜自支撐型、陰極支撐型、陽極支撐型等多種結構；所用電池電解質隔膜可采用摻雜的氧化鋯電解質或摻雜的氧化鈰電解質或其它鈣鈦礦型電解質。電解質制備方法可以采用高溫燒結、氣相沉積、溶膠-凝膠、等離子噴涂等各種無機膜的制備方法，電解質隔膜的厚度為100納米-100微米。