[发明专利]直接碳氢燃料固体氧化物燃料电池抗碳沉积阳极及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池直接以碳氢化合物为燃料的抗碳沉积阳极材料和制备方法，属于固体氧化物燃料电池中的材料制备领域。

背景技术

固体氧化物燃料电池是将燃料中的化学能直接转换为电能的电化学能量转换装置，具有清洁高效等优点。由于操作温度较高，燃料适用范围广泛。

传统的固体氧化物燃料电池以Ni/YSZ为阳极材料，这种阳极材料对氢气有着良好的电化学催化性能。由于氢气价格昂贵，且为危险性气体，难以大规模出运和供给，而以甲烷为代表的碳氢化合物，其储量丰富，价格低廉，且可再生，因此直接使用碳氢化合物代替氢气，是固体氧化物燃料电池发展的趋势。但是由于Ni对碳氢燃料直接催化时，会产生碳沉积，从而堵塞了阳极气孔，造成阳极结构的破坏而不适用；为了使用碳氢燃料，必须对燃料预先进行重整，这就需要增加附属设备，造成固体氧化物燃料电池系统的臃肿和成本的增加。因此寻求新型直接适用于碳氢化合物为燃料固体氧化物燃料电池阳极材料来替代只能使用氢气或重整气的传统Ni/YSZ阳极已成为众目关注，它不仅能够降低固体氧化物燃料电池运行成本，而且将有利于推动固体氧化物燃料电池商业化进展。

发明内容

本发明旨在提供一种能够直接采用碳氢化合物为燃料得固体氧化物燃料电池抗碳沉积阳极材料和制备方法。

本发明所提供的直接使用碳氢燃料的固体氧化物燃料电池抗碳沉积阳极材料是由掺杂钛酸锶和氧化铈按照一定的比例复合而成，其基本组成为xSr_1-1.5yM_yTiO₃-(1-x)CeO₂。式中x＝0.3～0.7，y＝0.04～0.4；M为La、Y或Sm。其电导率与两种材料的比例有关，而且可以控制的。

所述的掺杂钛酸锶中Y的掺杂量为0.02～0.08mol％，La的掺杂量为0.2～0.4mol％，Sm的掺杂量为0.1～0.3mol％。

本发明所用的掺杂钛酸锶材料在还原气氛下结构稳定，对碳氢化合物催化时不会产生碳沉积，且电导率较高，利用其作为阳极材料中的电子电导相。所用的CeO₂材料对碳氢气体具有良好的电化学催化性能，且不会产生碳沉积，利用其作为阳极材料中的离子电导相。这种离子-电子混合电导的复相材料，其优势在于能够同时满足阳极材料的电导率的要求，也能满足直接对碳氢化合物电化学催化氧化而不产生碳沉积的要求。

所述的直接使用碳氢化合物为燃料的固体氧化物燃料电池抗碳沉积阳极材料为多孔复合材料，其孔隙率在30％以上。所述的由直接用于碳氢燃料抗碳沉积固体氧化物燃料电池阳极材料组成的单电池制备的具体步骤为

1、掺杂的钛酸锶材料制备：将掺杂物质(La₂O₃、Y₂O₃或Sm₂O₃)和SrCO₃以及TiO₂按照Sr_1-1.5yM_yTiO₃y＝0.04～0.4的比例加入到球磨罐中，以酒精为介质，在行星球磨机上以300～400转/分的速率球磨3～4h，球磨后的浆料在60～80℃烘干，过80～100目筛，然后在1050～1250℃煅烧3～5h。然后将煅烧后的粉体以酒精为球磨介质在行星球磨机上以300～400转/粉的速率球磨2～4h，球磨后的浆料在60℃～80℃烘干；

2、将步骤1制备的掺杂钛酸锶粉体和CeO₂以7∶3～3∶7的比例，以酒精为球磨介质，在行星球磨机上以200～400转/分的速率球磨2～4h，混合均匀，将混合后的浆料在60～80℃烘干；

3、在步骤2制备的掺杂钛酸锶-氧化铈混合浆料中加入质量百分比为10～30％的淀粉或碳粉为造孔剂混合均匀，再加入松油醇为溶剂以乙基纤维素为粘结剂的丝网印刷浆料，用100～200目丝网，印刷于YSZ或SSZ电解质膜片上；

4、将丝网印刷好的电解质支撑阳极膜片在以1～3℃/min的速率在马弗炉中共烧，在1250～1350℃保温2～4h烧结，制备的阳极厚度为50-150μm之间。

最后，将烧结后的阳极-电解质膜片的另外一面采用丝网一刷的方法，丝网印刷锶掺杂的锰酸镧材料作为阴极。从而制备出固体氧化物燃料电池单电池。

将所制备的燃料电池进行性能测试，测试条件为：以氢气/氧气为燃料或者以甲烷/氧气为燃料，工作温度为850～900℃。

本发明的优点在于：