CN106876719A - 一种高温燃料电池的阳极材料及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温燃料电池的阳极材料及其制备和应用。该发明的阳极材料是由钙钛矿型复合氧化物La1-xSrxTiO3-δ与适量萤石相氧化物CeO2组成的复合材料。该复合材料具有好的氧化还原稳定性，优异的抗积炭能力和高的催化氢分子氧化的活性，作为固体氧化物燃料电池的阳极时，电池性能显著提高。本发明的阳极材料提高了固体氧化物燃料电池的性能。

Description

一种高温燃料电池的阳极材料及其制备和应用
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池的阳极材料及其制备方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)可以在高温下通过电化学反应将燃料和氧化剂的化学能转化为电能，具有燃料灵活，发电效率高，环境友好等特点，是一种先进的能源转换技术。
目前，常用的固体氧化物燃料电池的阳极材料是单相金属与导电陶瓷材料组成的复合阳极，如Ni-YSZ或Ni-GDC等。其中，YSZ等既是Ni相的多孔载体，又是Ni相的烧结抑制剂，还可以很好地调节阳极与电解质间的热膨胀系数，而金属Ni相可以传到电子，催化氢分子氧化。但是，Ni基阳极存在的主要问题就是碳氢燃料容易在Ni表面发生积炭，导致其催化活性的损失，引起电池性能降低。
为了解决Ni基阳极积炭的问题，研究者用Cu来取代Ni以避免碳沉积问题。Gorte等(Adv.Mater.,2000,12:1465-1469)通过离子浸渍的方法将Cu引入阳极，使用碳氢化合物作为燃料时，避免了积炭问题。但是与Ni基阳极相比，Cu基阳极的电化学活性较低，电池的性能降低。钙钛矿型复合氧化物SrTiO3在还原气氛中具有较高的电子电导率，可以作为固体氧化物燃料电池的阳极应用。但SrTiO3基电极的催化氢分子氧化的活性较低，限制其电化学性能的提高。可见，开发一种电化学性能高，抗积炭稳定性好的阳极材料，是固体氧化物燃料电池发展的一个重要问题。
发明内容
本发明目的提供一种性能好、抗积炭的阳极材料。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种高温燃料电池的阳极材料及其制备方法，其特征在于：所述阳极材料由钙钛矿型复合氧化物La1-xSrxTiO3-δ与萤石相氧化物CeO2-β组成，其中，0.5≤x<1，-0.10≤δ≤0.5，0≤β≤0.05。
本发明的阳极材料中La1-xSrxTiO3-δ颗粒大小在1-5微米，CeO2-β颗粒大小在5-50纳米。
本发明的阳极材料中，CeO2-β在阳极材料中质量分数为0.5％-10％，优选2％-5％。
本发明的阳极材料可用于CeO2基电解质、YSZ基电解质、LSGM基电解质的固体氧化物燃料电池中。
本发明的阳极材料可作为阳极支撑型或电解质支撑型或阴极支撑型结构的固体氧化物燃料电池的阳极应用。
本发明中阳极材料的制备方法，阳极材料中钙钛矿型复合氧化物La1-xSrxTiO3-δ通过固相法或燃烧法制备，萤石相氧化物CeO2-β通过浸渍法制备到La1-xSrxTiO3-δ中，与La1-xSrxTiO3-δ构成复合材料
本发明的优点在于：
(1)本发明的阳极材料在使用碳氢燃料时，具有较高的电化学性能和较好的抗积炭能力。
(2)本发明的阳极材料的制备方法简单，显著降低电池制备工艺的复杂性，降低了电池制备成本。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述。
实施例1
以YSZ为电解质，La0.2Sr0.8TiO3-δ-2wt.％CeO2-β为阳极，La0.6Sr0.4CoO3-δ为阴极。其中，采用固相法制备La0.2Sr0.8TiO3-δ，然后在1200℃焙烧10h，得到纯相。在焙烧后的La0.2Sr0.8TiO3-δ(1g)中添加适量粘结剂(正丁醇，0.5g)，制备成阳极浆料，涂覆阳极浆料(0.012g)到YSZ电解质表面，在1100℃焙烧2h。浸渍Ce(NO3)3(0.025mol/L)硝酸盐溶液到阳极中，然后在800℃焙烧2h，控制CeO2-β在阳极中的质量分数2wt％。
在阳极侧，CH4为燃料(流量为100ml min-1)，在阴极侧，空气作为氧化剂(流量为100ml min-1)。在800℃，0.8V下电池的电流密度是0.5A.cm-2，电池稳定运行200h，性能无明显衰减。
实施例2
以YSZ为电解质，La0.3Sr0.7TiO3-δ-5wt.％CeO2-β为阳极，Sm0.6Sr0.4CoO3-δ为阴极。其中，采用燃烧法制备La0.3Sr0.7TiO3-δ，然后在1200℃焙烧10h，得到纯相。在焙烧后的La0.3Sr0.7TiO3-δ(1g)中添加适量粘结剂(正丁醇，0.5g)，制备成阳极浆料，涂覆阳极浆料(0.012g)到YSZ电解质表面，在1100℃焙烧2h。浸渍Ce(NO3)3(0.025mol/L)硝酸盐溶液到阳极中，然后在800℃焙烧2h，控制CeO2-β在阳极中的质量分数5wt％。
在阳极侧，CH4为燃料(流量为100ml min-1)，在阴极侧，空气作为氧化剂(流量为100ml min-1)。在800℃，0.8V下电池的电流密度是0.55A.cm-2，电池稳定运行200h，性能无明显衰减。
实施例3
以YSZ为电解质，La0.3Sr0.7TiO3-δ-10wt.％CeO2-β为阳极，Sm0.6Sr0.4CoO3-δ为阴极。其中，采用燃烧法制备La0.3Sr0.7TiO3-δ，然后在1200℃焙烧10h，得到纯相。在焙烧后的La0.3Sr0.7TiO3-δ(1g)中添加适量粘结剂(正丁醇，0.5g)，制备成阳极浆料，涂覆阳极浆料(0.012g)到YSZ电解质表面，在1100℃焙烧2h。浸渍Ce(NO3)3(0.025mol/L)硝酸盐溶液到阳极中，然后在800℃焙烧2h，控制CeO2-β在阳极中的质量分数10wt％。
在阳极侧，CH4为燃料(流量为100ml min-1)，在阴极侧，空气作为氧化剂(流量为100ml min-1)。在800℃，0.8V下电池的电流密度是0.45A.cm-2，电池稳定运行200h，性能无明显衰减。

Claims (6)

1.一种高温燃料电池的阳极材料，其特征在于：所述阳极材料由钙钛矿型复合氧化物La1-xSrxTiO3-δ与萤石相氧化物CeO2-β组成，其中，0.5≤x<1，-0.10≤δ≤0.5，0≤β≤0.05；CeO2-β在阳极材料中质量分数为0.5％-10％。
2.如权利要求1所述的高温燃料电池的阳极材料，其特征在于：所述阳极材料中La1-xSrxTiO3-δ颗粒大小在1-5微米，CeO2-β颗粒大小在5-50纳米。
3.如权利要求1所述的高温燃料电池的阳极材料，其特征在于：CeO2-β在阳极材料中质量分数优选为2％-5％。
4.一种权利要求1-3任一所述的高温燃料电池的阳极材料的应用，其特征在于：所述阳极材料可用于CeO2基电解质、YSZ基电解质或LSGM基电解质中的一种或二种以上的固体氧化物燃料电池中。
5.如权利要求4所述的高温燃料电池的阳极材料的应用，其特征在于：所述阳极材料可作为阳极支撑型或电解质支撑型或阴极支撑型结构中的一种或二种以上的固体氧化物燃料电池的阳极应用。
6.一种权利要求1-3任一高温燃料电池的阳极材料的制备方法，其特征在于：阳极材料中钙钛矿型复合氧化物La1-xSrxTiO3-δ通过固相法或燃烧法制备，萤石相氧化物CeO2-β通过浸渍法制备到La1-xSrxTiO3-δ中，与La1-xSrxTiO3-δ构成复合材料。
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