[发明专利]一种高电导率双钙钛矿型阳极材料及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属燃料电池领域，具体涉及一种对双钙钛矿型（A₂BB′O₆）固体氧化物燃料电池阳极材料Sr₂MgMoO₆的B位进行Y掺杂、提高其电导率的方法。

背景技术

随着全球工业的发展及人口的迅速增长，地球上的能源资源越来越紧缺，为此寻求能量转换效率高和环境友好的新能源技术已成为当今世界发展的重要方向，其中固体氧化物燃料电池已被公认为是21世纪最有潜力的能源技术之一。固体氧化物燃料电池是一种将存储在燃料与氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置。固体氧化物燃料电池比起其他能源技术具有：转化效率高、无噪音、低排放、组装灵活、环境友好等优点。

阳极是固体氧化物燃料电池的重要组成部分之一，它的主要作用是作为电极电化学反应的催化剂，为燃料气体的电化学氧化提供反应场所，将反应所产生电子传输至外电路，并将废气排出。因此，阳极必须具有在还原气氛下的稳定性、足够的电子和离子电导率以及催化活性。另外，由于电池是在较高的温度下运行，阳极在电池运行温度下不仅与燃料接触，而且还与反应杂质和浓度不断增加的氧化产物、电解质以及连接体等电池的其它部件相接触，根据文献报道，在对阳极材料进行选择时，必须同时考虑其作用功能和工作环境(Keegan C. Wincewicz, Joyce S. Cooper, Taxonomies of SOFC material and manufacturing alternatives, Journal of Power Sources 140(2005) 280-296；Goodenough J B, Huang Y H，Alternative anode materials for solid oxide fuel cells，Journal of Power Sources 173 (2007) 1–10)，这就要求作为SOFC阳极的材料一般须具有：

(1)稳定性。在强还原性气氛(氧分压为10^-18～l0^-20 atm)下，阳极必须具有化学、结构以及相稳定性。在电池制备和运行过程中，阳极材料不与电池的其它组成部件发生化学反应，不发生破坏性的相变，而且在还原性气氛中和长期运行时能够保持其尺寸和微结构的稳定性；

(2)电导率。阳极材料必须具有足够高的电子和离子电导率，以减小电极的欧姆损失和极化电阻，同时为燃料的氧化反应提供较多的三相界面。而且在燃料电池运行的燃料环境下，它的电导率不随氧分压的变化而有太大变化；

(3)催化活性。阳极材料必须对燃料气体(如氢气或其它的碳氢燃料)的电化学氧化具有高的催化活性。对于碳氢燃料，阳极还要有一定的抑制碳沉积的能力，另外，还要对燃料中的有害气体如硫化氢等有一定的容忍能力；

(4)相容性。阳极材料必须与其相邻的电池其它部件具有相近的热膨胀系数，以防止在制备和运行以及热循环中电池各组件的断裂和分层。另外，阳极材料还要与其它组成部分具有化学相容性，二者之间不会发生由化学反应或元素互扩散所导致的二次相的生成、稳定性的减弱、热膨胀系数的变化以及在电解质中引入不需要的电子导电性等；

(5)孔隙率。阳极材料还必须具有一定的孔隙率，以有利于反应气体的顺利输运。

SOFC目前最常用的阳极是Ni/YSZ，适于纯氢做燃料。但是用纯氢做燃料成本太高（氢气的制备、运输和储存问题），使用碳氢气体做燃料是SOFC今后的发展趋势。如果使用碳氢气体做燃料，Ni/YSZ阳极就会出现碳沉积、硫中毒等问题(Rangachary Mukundan, Eric L.Brosha, Fernando H.Garzon. Sulfur tolerant anode for SOFC. Electrochemical and Solid-State Letters 2004,7(1) A5-A7)，这将引起电极性能衰减，燃料电池堆输出功率下降。因此，要促进SOFC的实用化进程，需要研究开发出既可直接催化碳氢气体、又可以防止发生碳沉积和硫中毒现象的新型阳极材料。