[发明专利]一种A、B位共掺杂钛酸锶固体氧化物燃料电池阳极材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种阳极材料，具体涉及一种固体氧化物燃料电池阳极材料。

技术背景

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新型的直接将化学能转化为电能的装置，具有能量转化效率高、燃料适用性强、清洁、无噪音等优点，是最具发展潜力的绿色能源之一。阳极也称燃料电极，是SOFC的重要组成部分，阳极的性能直接影响了SOFC的总体性能。在SOFC中，燃料在阳极与氧离子反应，因此需要阳极对燃料的氧化具有较强的催化活性，在燃料的还原气氛下具有较高结构稳定性，还需要有较高的电子电导和离子电导，使电解质传过来的氧离子顺利到达反应区域，反应产生的电子顺利传到外回路产生电流。

目前常用的SOFC阳极材料为Ni/YSZ金属陶瓷阳极，这种阳极具有较高的电子和离子电导以及催化活性。根据文献E P Murray.T Tsai，S A Barnett.A direct-methane fuel cell with aceria-based anode.Nature，1999，400：649-651和Hideto Kurokawa，Liming Yang，Craig P.Jacobson，Lutgard C.De Jonghe，Steven J.Visco，Y-doped SrTiO₃ based sulfur tolerant anode forsolid oxide fuel cells.Journal of Power Sources，2007，164：510-518报道，当以重整天然气为燃料时、Ni/YSZ存在碳沉积和硫中毒等问题，同时，细分散的Ni颗粒在SOFC高温工作时易产生颗粒烧结和团聚问题，从而降低Ni的催化活性。这些问题都将导致电池工作性能的衰减。因此，寻找新的可以对碳氢燃料直接电化学催化但不产生碳沉积的SOFC新型阳极材料是迫切和必要的，它将使包括汽油、丙烷、天然气等在内的较为廉价的、来源广泛的碳氢气体作为SOFC燃料成为可能，这将促进SOFC的商业化进程。

掺杂的SrTiO₃是一种很有发展前途的SOFC阳极材料。根据文献T.Kawada，T.Watanabe，A.Kaimai，K.Kawamura，Y.Nigara，J.Mizusaki，High temperature transportproperties in SrTiO₃ under an oxygen potential gradient.Solid State Ionics 108(1998)391-402和F.Noll，W.Münch，I.Denk，J.Maier，SrTiO₃ as a prototype of a mixed conductorConductivities.oxygen diffusion and boundary effects.Solid State Ionics 86-88(1996)711-717报道，SrTiO₃具有ABO₃型钙钛矿结构，在很宽的氧分压和温度范围内可保持良好的热稳定性和结构稳定性。化学计量比的SrTiO₃电导率很低，不能直接用于阳极材料。但是其在A、B位有很强的掺杂能力，通过A、B位元素的掺杂，可以提高材料的电子电导和离子电导，并可改善材料的催化活性和热膨胀性能，因而成为SOFC阳极材料的优选材料之一。

掺杂的SrTiO₃表现出混合导体的性质，电化学反应会在整个电极上发生，这将降低电池的浓差极化。同时，SrTiO₃是全陶瓷部件，在高温下具有比Ni/YSZ更高的结构稳定性和化学稳定性。掺杂的SrTiO₃能与多种电解质材料兼容，不会发生物理和化学反应。近几年来，SrTiO₃基阳极材料引起了人们的极大兴趣。但是由这种阳极材料组装的电池性能还不够理想，输出功率偏低，材料的电导率特别是离子电导率偏低。如何通过掺杂元素种类的选择和掺杂量的控制提高SrTiO₃的电导率，成为SrTiO₃作为SOFC阳极材料实用化的关键所在。