[發(fā)明專利]抗積碳、高性能的固體氧化物燃料電池功能梯度陽極復合膜及其制備方法

有效

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• 申請日: 2011-12-15
• 公開（公告）號: CN103165903A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發(fā)明（設計）人: 黃波;劉珩;朱新堅;王紀忠
• 申請（專利權）人: 江蘇超潔綠色能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

技術領域

本發(fā)明涉及一種固體氧化物燃料電池陽極復合膜，特別涉及一種抗碳沉積的固體氧化物燃料電池陽極復合膜及其制備方法。

背景技術

固體氧化物燃料電池(SOFC)區(qū)別于其它燃料電池的突出特點之一是采用全固態(tài)設計，工作溫度高(約600-1000℃)，它不僅可以使用純氫，而且也可以用甲烷(天然氣的主要成分)等碳氫化合物作燃料。但目前采用傳統(tǒng)的Ni-YSZ為陽極的固體氧化物燃料電池直接使用碳氫化合物燃料時存在碳沉積問題。碳沉積的起因是Ni對碳氫化合物的裂解反應有催化作用，促使燃料裂解為氫氣和單質碳，從而使電池性能惡化。因此，為了能夠直接使用碳氫化合物燃料，SOFC陽極必須能夠催化燃料的重整反應或直接氧化反應，以有效預防燃料裂解而產生的碳沉積。經文獻檢索發(fā)現，Scott?A.Barnett等人發(fā)表《An?Octane-Fueled?Solid?Oxide?Fuel?Cell》(直接辛烷固體氧化物燃料電池)一文，見《Science》(科學)308(2005)844-847。該文介紹：將Ru-CeO₂陽極催化劑層應用于Ni-YSZ陽極材料上，在直接以辛烷為燃料發(fā)電時，由于辛烷在催化層的內重整而在陽極材料上無碳沉積，在670-770℃時電池的功率密度為300-600mW/cm²，證實了這種陽極結構的可行性。盡管如此，由于貴金屬Ru的成本很高，陽極電流收集困難(因Ru的量少)，高溫下易產生揮發(fā)性的RuO₄，因此其應用受到了一定的限制。R.J.Gorte等人發(fā)表《Direct?oxidation?of?hydrocarbons?in?a?Solid?Oxide?Fuel?Cell》(碳氫化合物在固體氧化物燃料電池的直接氧化)一文，見《Nature》(自然)404(2000)265-267。該文介紹：采用共燒結法制備多孔YSZ/致密YSZ復合膜，然后通過浸漬Cu(NO₃)₂和Ce(NO₃)₃水溶液，并在較低溫度下分解燒結，制成的電池在包括汽油和合成柴油的液體燃料下成功地運行，在溫度700℃下運行時間超過了12h，沒有積碳，但功率密度較低，只有約100mW/cm²。由于Cu及其化合物的熔點低，難以用傳統(tǒng)的陶瓷共燒技術制備Cu-CeO₂/YSZ陽極支撐復合膜，因此多采用后續(xù)反復浸漬等方法制備，工藝制備周期長，能源消耗量大，質量控制也困難，生產成本較高，其應用受到了一定的限制。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于針對以上現有技術的不足，采用陽極抗積碳材料功能梯度結構設計的方法，將目前已知的催化性能優(yōu)良的Cu-LSCM(La_0.75Sr_0.25Cr_0.5Mn_0.5O₃)-CeO₂、韌性和機械強度性能優(yōu)異的Ni-YSZ和電化學活性優(yōu)越的Ni-ScSZ三種候選陽極材料組合起來，將對陽極的多種要求由不同的功能層來承擔，并使各層相互配合，利用協(xié)同作用達到優(yōu)勢互補的效果，從而消除甲烷等碳氫化合物燃料在SOFC陽極上的碳沉積現象，并提高陽極在甲烷等碳氫化合物燃料中的穩(wěn)定性和對電化學反應的催化活性，特別的，該方法可適用于工業(yè)化生產制備大尺寸高性能的固體氧化物燃料電池功能梯度陽極復合膜，工藝簡單，制備周期短，成本低廉，適于產業(yè)化應用。

為實現上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種固體氧化物燃料電池功能梯度陽極復合膜，包括Cu-LSCM-CeO₂陽極催化層、Ni-YSZ陽極支撐層、Ni-ScSZ陽極活性層和ScSZ電解質層，所述Cu-LSCM-CeO₂陽極催化層為實現碳氫化合物在陽極表面的催化氧化，從而避免碳沉積；所述Ni-YSZ陽極支撐層為主要起支撐整個陽極復合膜的作用，同時傳導氧離子和電子；所述Ni-ScSZ陽極活性層增加陽極三相界面，提高電化學活性；