[发明专利]一种固体氧化物燃料电池阳极材料及其燃料电池

说明书

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，具体为一种固体氧化物燃料电池阳极材料及其燃料电池。

背景技术

固体氧化物燃料电池的阳极材料主要由电子导电材料和氧离子导电材料混合而成，阳极中的氧离子导电材料通常由电解质材料构成，目前三大类电解质材料为稳定的氧化锆(Stabilized-ZrO₂ Flourite)，掺杂的氧化铈(Doped-CeO₂ Flourite)和Ishihara发明的镓酸镧系列(Doped-Lanthanum Gallates Perovskite；US 6844098 B1)。阳极中的电子导电材料由氧化镍还原而成的镍构成，同时金属镍是固体氧化物燃料电池阳极反应的优良催化剂。所以，固体氧化物燃料电池的阳极材料可表示为NiO-Zirconia,NiO-Ceria,NiO-Doped Lanthanum Gallates(氧化镍在阳极通入燃料后被还原为金属镍)。氧化镍(NiO)和氧离子导电材料(Oxygen Ion Conductor)的混合物中,氧化镍质量占氧化镍以及氧离子导电材料质量之和的30wt％-wt80％。

由于固体氧化物燃料电池的阳极是镍和氧离子导电氧化物混合物，阳极的氢氧化反应就发生在金属镍和氧离子导电氧化物的接触面上，此界面称为阳极的三相界面。在极端条件下，当阳极内漏入空气使得阳极内还原气氛被破坏，金属镍被氧化成氧化镍使得阳极三相界面被破坏，导致电池性能衰减降低电池使用寿命。相比于传统的镍-氧化物复合阳极，全氧化物阳极材料有更好的热膨胀稳定性，更加优秀的抗氧化耐久性。高耐久性意味着可以降低燃料电池的长期运行成本，对固体氧化物燃料电池的商业化普及起到至关重要的作用，因此在固体氧化物燃料电池领域，研发出具有优良性能的阳极材料一直是本领域研究人员亟待解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中上述问题，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池阳极材料及其燃料电池，实现的目的为解决固体氧化物燃料电池阳极材料在运行过程中被氧化导致的结构劣化，性能衰减等问题。

为了实现上述目的，本发明公开的技术方案为：本发明提供的一种固体氧化物燃料电池阳极材料，包括具有电子导电性的氧化物材料、具有氧离子导电性的氧化物材料，所述具有氧离子导电性的氧化物材料化学分子式为[(LnO_1.5)_x(Zr_1-yCe_yO₂)_1-x]_1-z[MO]_z，其中0≤x≤0.2，0≤y≤1，0≤z≤0.2，Ln包括金属氧化物、稀土元素氧化物，M为金属元素。

传统的阳极材料为镍-氧化物复合阳极，镍金属在高温氧化气氛里被氧化成为氧化镍，氧化镍失去的催化作用与导电作用；同时，镍在被氧化为氧化镍的过程中其体积大幅增加，破坏了电极的微管结构，从而导致了阳极材料的性能衰减，相关机理M.Ettler等已在Journal of Power Source,195(2010)5452–5467中进行详细阐述。

氧化物混合阳极材料在电池运行过程中以氧化物形式存在，其导电性与电催化效果不受电池阳极内气氛的影响，其材料微观结构不受气氛变化影响，因此电池性能能够长期保持稳定。

进一步的，所述具有电子导电性的氧化物材料为掺杂的钛酸盐钙钛矿(doped-AETiO₃)AE_1-xLm_xTi_1-yMi_xO₃,其中0≤x≤0.5，0≤y≤0.7，Lm为稀土元素，Mi为金属元素，AE为碱金属元素。碱金属钙钛矿是一种稳定的材料，通过掺杂可以大幅提高其电导率与电催化性能，如稀土元素掺杂的碱金属钙钛矿在还原气氛下有优良的电子导电性；金属元素掺杂的碱金属钙钛矿有更好的电催化特性。

优选的，所述金属氧化物Ln为氧化钙CaO、氧化镁MgO中任意一种或一种以上。氧化钙与氧化镁掺杂的碱金属钙钛矿在电池的高温运行过程中有更低的元素扩散特性，从而保证了电极材料的长期稳定。