CN101293207A - 一种含稀土元素的固体氧化物燃料电池阳极催化材料 - Google Patents

一种含稀土元素的固体氧化物燃料电池阳极催化材料 Download PDF

Info

Publication number
CN101293207A
CN101293207A CNA2007100111042A CN200710011104A CN101293207A CN 101293207 A CN101293207 A CN 101293207A CN A2007100111042 A CNA2007100111042 A CN A2007100111042A CN 200710011104 A CN200710011104 A CN 200710011104A CN 101293207 A CN101293207 A CN 101293207A
Authority
CN
China
Prior art keywords
anode
battery
catalysis material
oxide fuel
rare earth
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CNA2007100111042A
Other languages
English (en)
Inventor
程谟杰
董永来
涂宝峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Original Assignee
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Institute of Chemical Physics of CAS filed Critical Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority to CNA2007100111042A priority Critical patent/CN101293207A/zh
Publication of CN101293207A publication Critical patent/CN101293207A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

本发明涉及固体氧化物燃料电池阳极催化材料，具体地说是一种含稀土元素的固体氧化物燃料电池阳极催化材料，其组成式包括NiOxReyOz；其中Ni代表镍，Re代表镧系稀土元素，O代表氧，其中0＜y＜0.5，0＜x＜2，0＜z＜1。本发明的特征在于通过加入镧、铈、镨、钕、钐、钆等稀土元素对阳极催化材料进行修饰，在与电解质构成的阳极中，可以阻止阳极催化剂颗粒长大，改善阳极催化材料与电解质间的界面接触，降低电池的极化阻抗，提高电极活性，提高电池的输出性能。

Description

一种含稀土元素的固体氧化物燃料电池阳极催化材料
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池阳极催化材料，具体地说是一种含稀土元素的固体氧化物燃料电池阳极催化材料及其制备，通过加入稀土元素对阳极催化剂氧化镍进行修饰，通过修饰改善阳极的微结构，阻止镍颗粒的长大，提高阳极的活性，降低电池的极化阻抗，提高电池的输出性能，改善电池在采用甲烷等碳氢化合物燃料时的输出性能。电池性能的提高及直接对于天然气等碳氢化合物燃料的应用对于推动固体氧化物燃料电池技术向应用技术的发展具有重要的意义。
背景技术
固体氧化物燃料电池是将化学能直接转化为电能的能量转换装置，采用全固态结构，具有发电效率高、可直接采用天然气等碳氢化合物为燃料、应用范围广等特点，是理想的分散发电和集中电站技术，也可以应用于车辆辅助电源、便携式电源等。固体氧化物燃料电池主要是由阴极、电解质膜、阳极三部分组成。目前阳极主要采用的是Ni-YSZ多孔金属陶瓷，实现阳极的气体传质、电子传导、离子传导、催化重整和电催化反应等功能。电解质通常采用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，也可以是掺杂的氧化铈、氧化钪稳定的氧化锆(ScSZ)、掺杂的镓酸镧(LSGM)等。阴极电催化剂一般采用钙钛矿氧化物与电解质材料构成复合阴极，如广泛使用的LSM-YSZ复合阴极，也可以是钴酸镧、钴酸锶钐等钙钛矿。
直接采用天然气等碳氢化合物为燃料是固体氧化物燃料电池的一个重要特点，也是目前在固体氧化物燃料电池应用中最主要的研究对象，但其存在着几个比较严重的问题：(1)在电极上的积碳问题，积碳导致电极活性会不断降低，电极结构被破坏，最终使得电池失去活性。(2)电极活性较低，电极催化剂经过高温烧结后活性较低，并且电化学氧化天然气等碳氢化合物燃料的过程非常复杂和困难，从而导致电池的输出性能很低。这些问题以成为制约固体氧化物燃料电池发展的关键因素。因此各种阳极材料得到了广泛研究，主要包括：镍基阳极、铜基阳极、铈基阳极、钙钛矿型阳极以及贵金属阳极等。其中铜基阳极、铈基阳极和钙钛矿型阳极虽然具有较好的抗积碳作用，但存在活性很低等问题，很难实现应用发展；镍基阳极虽电极活性得到了改善，但较难达到抗积碳的目标；贵金属阳极活性和抗积碳方面都有很大的改善，但其成本很高，不易于应用。
镍基阳极是目前固体氧化物燃料电池普遍采用的阳极材料，但由于电池在制备过程中需要高温烧结(＞1300℃获得致密的电解质膜)，导致镍基催化剂烧结严重，并且镍基催化剂与氧化锆基材料之间不易浸润，相互作用不强，导致在高温还原过程中镍颗粒还会不断长大，从而导致阳极活性较低，阳极极化阻抗较大，特别是对天然气等碳氢化合物燃料的活性更低。
发明内容
为了克服传统阳极催化剂的缺点，本发明的目的在于提供一种含稀土元素的固体氧化物燃料电池阳极催化材料，应用时，降低了电池的极化阻抗，提高了电极活性和电池的输出性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种含稀土元素的固体氧化物燃料电池阳极催化材料，其组成式包括NiOxReyOz；其中Ni代表镍，Re代表镧系稀土元素，O代表氧，其中0＜y＜0.5，0＜x＜2，0＜z＜1。
其中稀土元素Re的含量为0.02＜y＜0.2时此催化材料较好，含量为0.05＜y＜0.15时此催化材料最好。
该固体氧化物燃料电池阳极催化材料可以为一种结构的氧化物(如镧等进入氧化镍晶格形成的一种结构的氧化物)，也可以为几种氧化物的复合物(如氧化镍与氧化铈，LaNiO3钙态矿与氧化镍，氧化镍与氧化钐、氧化钆等的复合物)。
所述镧系稀土元素为镧、铈、镨、钕、钜、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪和钇中的一种或一种以上混合；
该阳极催化材料的制备方法可为：该阳极催化材料可以通过镍的金属盐或氧化物与稀土元素的金属盐或氧化物的共分解、共沉淀、浸渍、机械混合和/或高温固相反应等方法制备。其中镍的金属盐或氧化物与稀土元素的金属盐或氧化物可以为，镍与稀土元素的氧化物、氢氧化物、硝酸盐、碳酸盐、醋酸盐和/或草酸盐。
所述在电池阳极中可添加有掺杂的氧化锆(如氧化钇掺杂的氧化锆等)或掺杂的氧化铈(如氧化钐或氧化钆掺杂的氧化铈等)等成分，其中掺杂的氧化锆或掺杂的氧化铈在电池阳极中的重量百分比为20-80％。
所述的阳极催化材料可应用的固体氧化物燃料电池膜电极的构造可以采用平板型、管型、扁管型及其它各种构造方式；所述的固体氧化物燃料电池可以采用电解质膜自支撑型、阴极支撑型、阳极支撑型等多种结构；所用电池电解质隔膜可采用掺杂的氧化锆电解质或掺杂的氧化铈电解质或其它钙钛矿型电解质。电解质制备方法可以采用高温烧结、气相沉积、溶胶-凝胶、等离子喷涂等各种无机膜的制备方法，电解质隔膜的厚度为100纳米-100微米。
本发明具有如下优点：
1.本发明通过加入镧、铈、镨、钕、钐、钆等稀土元素对阳极电极催化剂进行修饰，在与电解质构成的阳极中，可以阻止阳极催化剂颗粒长大，改善阳极催化材料与电解质间的界面接触，克服传统阳极材料镍与电解质材料之间不易浸润，镍易于烧结长大等缺点；降低电池的极化阻抗，提高电极活性，提高电池的输出性能。
2.由该催化材料制得的固体氧化物燃料电池阳极，具有良好的电极结构，降低了电池的极化阻抗，并且提高了电池对甲烷等碳氢化合物燃料的输出性能。该新型阳极催化材料应可用于平板型、管型和扁管型固体氧化物燃料电池。
具体实施方式
下面提供实施例对本发明做进一步说明：
实施例1
采用硝酸盐分解法得到镧修饰的氧化镍催化材料对固体氧化物燃料电池性能的影响
采用硝酸盐分解法，在700℃-1200℃间共分解硝酸镧与硝酸镍的混合物，得到镧修饰的氧化镍电极催化材料。
选用镧修饰的氧化镍作为阳极催化材料与氧化钇稳定的氧化锆(8YSZ，YSZ中氧化钇的为摩尔含量为8％)混合(按重量比50∶50)制备阳极，氧化钇稳定的氧化锆(8YSZ)为电解质，LSM-YSZ(重量比为50∶50)为阴极制备电池。
测试条件：在800℃采用氢气(80ml/min)或甲烷(20ml/min)作为阳极燃料气，氧气(40ml/min)作为阴极气体。
表1
Figure A20071001110400051
从表1可以看出，在随着镧含量的增加电池性能先是逐渐变好但当镧的含量较高时电池性能变差，同样制备温度对催化材料的性能也有影响，在750℃-1000℃间得到的催化材料最好。其中，电池性能提高是与同样条件制备的单纯氧化镍作为阳极催化材料电池比较得到的。
实施例2
采用醋酸盐分解法得到镧修饰的氧化镍对电池性能的影响
采用醋酸盐分解法，在650℃-1200℃间共分解醋酸镧与醋酸镍的混合物，得到镧修饰的氧化镍电极催化材料。电池制备方法和测试条件同实施例1。
表2
Figure A20071001110400061
表2与表1结果相似，说明采用醋酸盐分解法也可以得到好的固体氧化物燃料电池阳极催化材料。
实施例3
采用氧化镧改性氧化镍用于固体氧化物燃料电池对电池性能的影响
分别不同比例的氧化镧与氧化镍混合后在500℃-1200℃煅烧，得到电极催化材料。采用此电极催化材料制备电池，电池制备方法和测试条件同实施例1。
表3
Figure A20071001110400062
从表3可以看出，采用氧化镧改性氧化镍用于固体氧化物燃料电池，电池性能也会得到很好的改善。
实施例4
镧修饰的氧化镍用于管型固体氧化物燃料电池时对电池性能的影响
选用镧修饰的氧化镍(硝酸盐分解法得到，Ni∶La＝1∶0.1，分解温度800℃)作为阳极催化材料，采用无机膜技术制备出管型阳极支撑体，在其上涂敷一层含有厚度为30μm YSZ的浆料。在1600℃烧结5h，得到阳极/电解质组件。LSM电极催化剂和YSZ混合(重量比为50∶50)后，制备复合阴极，1250℃烧结3h。把传统的Ni-YSZ阳极管型电池作为对比电池。以氢气为燃料气时，镧修饰的电池性能与传统的Ni-YSZ阳极电池性能比较，在800℃操作时电池性能提高约12％。当采用甲烷为燃料气时，在800℃时镧修饰的氧化镍阳极电池比传统的Ni-YSZ阳极电池性能提高80％左右。
实施例5
铈修饰的氧化镍用于固体氧化物燃料电池对电池性能的影响
采用硝酸盐分解法，在500℃-1200℃间共分解硝酸铈与硝酸镍的混合物，得到铈修饰的氧化镍电极催化材料。采用此电极催化材料制备电池，电池制备方法和测试条件同实施例1。
表4
Figure A20071001110400071
从表4可以看出，在添加铈的含量不是很高时对电池性能有较好的改善作用。其中，电池性能提高是与同样条件制备的单纯氧化镍作为阳极催化材料电池比较得到的。
实施例6
采用硝酸盐分解法得到镨修饰的氧化镍用于固体氧化物燃料电池对电池性能的影响
采用硝酸盐分解法，在700℃-1200℃间共分解硝酸镨与硝酸镍的混合物，得到镨修饰的氧化镍电极催化材料。采用此电极催化材料制备电池，电池制备方法和测试条件同实施例1。
表5
Figure A20071001110400072
从表5可以看出，在随着镨含量的增加电池性能先是逐渐变好但当镨的含量较高时电池性能变差，同样制备温度对催化材料的性能也有影响，在750℃-1000℃间得到的催化材料最好。其中，电池性能提高是与同样条件制备的单纯氧化镍作为阳极催化材料电池比较得到的。
实施例7
采用碳酸盐分解法得到镨修饰的氧化镍用于固体氧化物燃料电池对电池性能的影响
采用碳酸盐分解法，在600℃-1200℃间共分解碳酸镨与碳酸镍的混合物，得到镨修饰的氧化镍电极催化材料。采用此电极催化材料制备电池，电池制备方法和测试条件同实施例1。
表6
Figure A20071001110400081
从表6可以看出，采用碳酸盐分解法得到的镨改性的氧化镍催化材料也具有很好的催化活性。其中，电池性能提高是与同样条件制备的单纯氧化镍作为阳极催化材料电池比较得到的。
实施例8
采用硝酸盐分解法得到钕修饰的氧化镍用于固体氧化物燃料电池对电池性能的影响
采用硝酸盐分解法，在700℃-1200℃间共分解硝酸钕与硝酸镍的混合物，得到钕修饰的氧化镍电极催化材料。采用此电极催化材料制备电池，电池制备方法和测试条件同实施例1。
表7
Figure A20071001110400082
从表7可以看出，在随着钕含量的增加电池性能先是逐渐变好但当钕的含量较高时电池性能变差。其中，电池性能提高是与同样条件制备的单纯氧化镍作为阳极催化材料电池比较得到的。
实施例9
采用硝酸盐分解法得到钐修饰的氧化镍用于固体氧化物燃料电池对电池性能的影响
采用硝酸盐分解法，在700℃-1200℃间共分解硝酸钐与硝酸镍的混合物，得到钐修饰的氧化镍电极催化材料。采用此电极催化材料制备电池，电池制备方法和测试条件同实施例1。
从表8可以看出，在随着钐含量的增加电池性能先是逐渐变好但当钐的含量较高时电池性能变差，同样制备温度对催化材料的性能也有影响，在750℃-1100℃间得到的催化材料最好。其中，电池性能提高是与同样条件制备的单纯氧化镍作为阳极催化材料电池比较得到的。
表8
Figure A20071001110400091
实施例10
采用硝酸盐分解法得到钆修饰的氧化镍用于固体氧化物燃料电池对电池性能的影响
采用硝酸盐分解法，在700℃-1200℃间共分解硝酸钆与硝酸镍的混合物，得到钆修饰的氧化镍电极催化材料。采用此电极催化材料制备电池，电池制备方法和测试条件同实施例1。
从表9可以看出，在随着钆含量的增加电池性能先是逐渐变好但当钆的含量较高时电池性能变差，同样制备温度对催化材料的性能也有影响，在750℃-1100℃间得到的催化材料最好。其中，电池性能提高是与同样条件制备的单纯氧化镍作为阳极催化材料电池比较得到的。
表9
Figure A20071001110400101
实施例11
采用硝酸盐分解法得到钐和钆共同修饰的氧化镍用于固体氧化物燃料电池对电池性能的影响
表10
从表10可以看出，钐和钆共同修饰氧化镍，用于固体氧化物燃料电池，对电池性能也有很好的改善作用。

Claims (4)

1.一种含稀土元素的固体氧化物燃料电池阳极催化材料，其特征在于：其组成式包括NiOxReyOz；其中Ni代表镍，Re代表镧系稀土元素，O代表氧，其中0＜y＜0.5，0＜x＜2，0＜z＜1。
2.按照权利要求书1所述固体氧化物燃料电池阳极催化材料，其特征在于：所述稀土元素Re的含量为0.02＜y＜0.2。
3.按照权利要求书1所述固体氧化物燃料电池阳极催化材料，其特征在于：所述稀土元素Re的含量为0.05＜y＜0.15。
4.按照权利要求书1、2或3所述固体氧化物燃料电池阳极催化材料，其特征在于：所述稀土元素为镧、铈、镨、钕、钜、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪和钇中的一种或一种以上混合。
CNA2007100111042A 2007-04-24 2007-04-24 一种含稀土元素的固体氧化物燃料电池阳极催化材料 Pending CN101293207A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNA2007100111042A CN101293207A (zh) 2007-04-24 2007-04-24 一种含稀土元素的固体氧化物燃料电池阳极催化材料

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNA2007100111042A CN101293207A (zh) 2007-04-24 2007-04-24 一种含稀土元素的固体氧化物燃料电池阳极催化材料

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN101293207A true CN101293207A (zh) 2008-10-29

Family

ID=40063896

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNA2007100111042A Pending CN101293207A (zh) 2007-04-24 2007-04-24 一种含稀土元素的固体氧化物燃料电池阳极催化材料

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101293207A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102544528A (zh) * 2010-12-14 2012-07-04 中国科学院大连化学物理研究所 含镁和稀土元素的电池阳极催化材料及制备和应用
CN110449160A (zh) * 2019-07-30 2019-11-15 天津大学 用于电催化净化有机废水的掺杂钴酸镧材料及其制备方法
CN110740811A (zh) * 2017-01-18 2020-01-31 沙特阿拉伯石油公司 用于预重整烃类的结构化催化剂
CN113066991A (zh) * 2019-12-12 2021-07-02 中国科学院大连化学物理研究所 一种固体氧化物电池的燃料电极及其制备方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102544528A (zh) * 2010-12-14 2012-07-04 中国科学院大连化学物理研究所 含镁和稀土元素的电池阳极催化材料及制备和应用
CN110740811A (zh) * 2017-01-18 2020-01-31 沙特阿拉伯石油公司 用于预重整烃类的结构化催化剂
CN110449160A (zh) * 2019-07-30 2019-11-15 天津大学 用于电催化净化有机废水的掺杂钴酸镧材料及其制备方法
CN110449160B (zh) * 2019-07-30 2022-01-11 天津大学 用于电催化净化有机废水的掺杂钴酸镧材料及其制备方法
CN113066991A (zh) * 2019-12-12 2021-07-02 中国科学院大连化学物理研究所 一种固体氧化物电池的燃料电极及其制备方法
CN113066991B (zh) * 2019-12-12 2022-11-08 中国科学院大连化学物理研究所 一种固体氧化物电池的燃料电极及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hanif et al. Recent advancements, doping strategies and the future perspective of perovskite-based solid oxide fuel cells for energy conversion
Pandiyan et al. Review of solid oxide electrolysis cells: a clean energy strategy for hydrogen generation
CN101295792A (zh) 一种固体氧化物燃料电池复合阳极及其制备方法
Lashtabeg et al. Solid oxide fuel cells—a challenge for materials chemists?
Fabbri et al. Electrode materials: a challenge for the exploitation of protonic solid oxide fuel cells
JP4981239B2 (ja) 固体酸化物燃料電池の高性能陰極
Mat et al. Development of cathodes for methanol and ethanol fuelled low temperature (300–600 C) solid oxide fuel cells
CN101847725B (zh) 一种a缺位型钙钛矿结构固体氧化物燃料电池阴极材料
CN101771149A (zh) 镁改性的镍基固体氧化物燃料电池复合阳极及制备和应用
CN101964422A (zh) 钙钛矿型固体氧化物燃料电池阳极材料
CN101599546A (zh) 一种固体氧化物燃料电池阴极材料及应用
KR101796575B1 (ko) 용리된 금속 합금 촉매체를 포함하는 전극 소재의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 전극 소재를 포함하는 고체 산화물 연료전지, 금속공기전지 및 고체 산화물 수전해 셀
CN105226294A (zh) 一种固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备和应用
KR102021971B1 (ko) 구리 및 세리아가 도핑된 페로브스카이트형 구조의 금속 산화물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 고체 산화물 연료전지
KR20190131744A (ko) 용출 및 치환된 전이원소를 가지는 촉매체를 포함하는 전극 소재의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 전극 소재를 포함하는 고체 산화물 연료전지, 금속공기전지 및 고체 산화물 수전해 셀
CN108091885B (zh) 一种高温燃料电池阴极及其应用
CN102479958B (zh) 一种催化剂在中温固体氧化物燃料电池阴极中的应用
CN101293207A (zh) 一种含稀土元素的固体氧化物燃料电池阳极催化材料
Irshad et al. Evaluation of BaCo 0. 4 Fe 0. 4 Zr 0.2− x Ni x O 3− δ perovskite cathode using nickel as a sintering aid for IT-SOFC
CN102569823A (zh) 镁和稀土元素共改性的固体氧化物燃料电池镍基复合阳极
KR102159510B1 (ko) 용리 및 치환된 전이원소를 가지는 촉매체를 포함하는 전극 소재의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 전극 소재를 포함하는 금속공기전지, 고체 산화물 연료전지 및 고체 산화물 수전해 셀
Chuang Catalysis of solid oxide fuel cells
KR101903652B1 (ko) 함침법을 이용한 전극 소재의 제조 방법
CN102544528A (zh) 含镁和稀土元素的电池阳极催化材料及制备和应用
KR102137988B1 (ko) 페로브스카이트 구조를 가지는 대칭형 고체 산화물 연료전지, 그 제조 방법 및 대칭형 고체 산화물 수전해 셀

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C12 Rejection of a patent application after its publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Open date: 20081029