[发明专利]一种B位掺杂的质子导体燃料电池的电解质材料、制备方法以及直接氨燃料电池中的应用

说明书

本发明涉及一种B位掺杂的质子导体燃料电池的电解质材料、制备方法以及直接氨燃料电池中的应用，该电池阳极材料组成分子式为Ni‑Ba(Zr_0.1Ce_0.7Y_0.1Yb_0.1)_1‑xPd_xO_3‑δ(Ni‑BZCYYbPd)，电解质材料组成分子式为Ba(Zr_0.1Ce_0.7Y_0.1Yb_0.1)_1‑xPd_xO_3‑δ(BZCYYbPd)，其中x表示Pd元素掺杂量x＝0.05，δ表示氧空位含量。通过在电解质材料BaZr_0.1Ce_0.7Y_0.1Yb_0.1O_3‑δ中掺杂一定含量的钯元素，提高电解质烧结性能、质子电导率，降低了材料的欧姆阻抗。同时Pd的掺杂可以提高阳极材料对氢气和氨气的催化活性。所以，通过Pd的掺杂同时提高燃料电池的电解质和阳极的电化学性能，增加质子导体燃料电池实用性，促进其商业化进展。

技术领域

本发明涉及一种质子导体燃料电池电解质掺杂的电池结构及其制备方法和应用，具体涉及到的质子导体燃料电池电解质材料Ba(Zr_0.1Ce_0.7Y_0.1Yb_0.1)_1-xPd_xO_3-δ和阳极复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

当前世界面临着可持续能源供应和维持健康生态系统的严峻挑战。考虑到化石燃料的资源有限以及其燃烧产物对环境的负面影响，人们对寻找替代可再生能源供应和提高能源利用效率的兴趣日益浓厚。高效率、低排放的固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将燃料中存储的化学能转化为电能的储能装置，现在受到了越来越多的关注。同时，氢是一种有前途的绿色能源，可以可再生能源电解水分解产生。当前，氢燃料电池已经作为电动车辆的潜在动力源。不幸的是，氢存储和运输的高成本严重阻碍了氢能的商业应用。所以，需要进一步寻找可易于储存和运输得能量密度高的替代性可持续清洁燃料。

与氢相比，作为无碳氢载体的氨具有若干重要优势，例如更高的体积能密度(3583.3Wh L^-1)、成熟的批量生产技术、易于存储(在室温和中等压力下可液化)。近来，氨燃料电池已被认为是一种新型的移动应用能源供应方式。与传统的基于氧离子传导电解质的SOFC相比，质子陶瓷燃料电池(PCFC)更有望用于使用氨燃料。首先，质子比氧离子具有更高的迁移率，因此PCFC更适合于低温操作，这将带来一些有益的效果，例如降低成本、延长电池寿命以及更灵活的密封方式。其次，在PCFC中，没有经历过氨/氮与氧气或水的混合，因此避免了潜在的NO_x形成。最后，由于氧化产物是在PCFC中的阴极处形成，因此不会稀释燃料气体，这有益于提高燃料效率。

通过PCFC技术从氨中产生的电能以间接电化学氧化的方式进行，包括三个基本步骤：(i)在阳极表面上吸附NH₃，(ii)在镍的催化下吸附的NH₃分解成H₂和N₂在金属陶瓷阳极中，(iii)和氢的电化学氧化。为了最大程度地输出功率，该阳极应对氨分解和H₂电化学氧化反应均具有高活性。过去，人们已经开发了几种金属催化剂，包括Ru，Rh，Ni，Co，Fe，Pd和Pt来促进NH₃分解反应。贵金属通常显示出高活性，但价格过高限制了大规模应用。镍作为一种重要的过渡金属，具有出色的导热性、导电性以及对氢进行电催化氧化的电催化活性。有趣的是，Ni对氨分解反应也显示出良好的催化活性。因此，具有镍金属陶瓷阳极的传统SOFC也已直接用于氨燃料运行。不幸的是，在高NH₃浓度下，镍很容易被粗化，导致阳极微观结构的破坏，从而使电池性能迅速下降。提高抗粗化能力是提高镍基阳极在直接氨燃料上运行耐久性的关键，同时对镍阳极进行改性以提高氨分解和氢氧化的催化活性对于实现高功率输出至关重要。