CN111244471B - 一种固体氧化物燃料电池阳极及其应用 - Google Patents

一种固体氧化物燃料电池阳极及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池阳极及其应用，其特征在于所述阳极由骨架层和活性颗粒组成，其中，骨架层为LnxSr1‑xTiO3—GdzCe1‑zO2复合物，LnxSr1‑xTiO3与GdzCe1‑zO2的质量比为70:30～30:70，Ln为La，Pr，Sm，Gd，Er，Yb，Y中一种或几种，0≤x≤0.4，0≤z≤0.3，骨架层厚度为10‑50微米，活性颗粒为NiO或NiO—GdzCe1‑zO2复合物，活性颗粒均匀负载在骨架层表面，占比阳极质量分数为2％～20％，活性颗粒大小为10～300纳米。本发明的固体氧化物燃料电池阳极，具有良好的电化学性能，显示出优异抗硫中毒稳定性，特别适合适用使用生物质燃料的固体氧化物燃料电池发电。

Description

一种固体氧化物燃料电池阳极及其应用
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池阳极。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)不仅可以使用氢气作为燃料发电，还可使用天然气、煤制气、生物质燃气等燃料发电。SOFC发电效率位居各种燃料电池之首，一次发电效率可以达到60％以上。SOFC与余热利用***等集成，可以实现热、冷、电联供，综合能量利用效率可达到90％，适合于城市用户端的分布式供能。
阳极是SOFC关键材料之一，要求其具有良好的催化活性、电导率以及足够的孔隙率，还必须具备工作条件下的化学稳定性、热稳定性与机械强度。目前，研究较多的SOFC阳极材料是金属陶瓷复合材料Ni-YSZ，该阳极显示出较高的电化学性能。但是，当使用碳氢燃料时，例如SOFC以生物质燃气为燃料发电时，一方面，Ni-YSZ阳极存在严重的积碳问题，导致阳极催化活性不断损失，积碳易造成阳极孔道阻塞；另一方面，生物质燃气中杂质气易引发阳极催化剂中毒，导致电池性能降低[Fuel Processing Technology 160(2017)8-18]。其原因主要是H2S的H-S键很弱，很容易在过渡金属上分解，而S的P轨道和金属M的D轨道大部分重叠，所以导致S-M(M＝金属)键很强，形成的硫物种不易被消除，因此对电池阳极产生较大毒害作用。因此，开发一种具有高活性和高稳定性的阳极材料十分必要。
发明内容
本发明公开了一种固体氧化物燃料电池阳极，其由骨架层和活性颗粒组成，该固体氧化物燃料电池阳极，具有良好的电化学性能，显示出优异抗硫中毒稳定性，特别适合使用生物质燃料的固体氧化物燃料电池发电。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种固体氧化物燃料电池阳极，所述阳极由骨架层和活性颗粒组成，其中，骨架层为LnxSr1-xTiO3—GdzCe1-zO2复合物，LnxSr1- xTiO3与GdzCe1-zO2的质量比为70:30～30:70，Ln为La，Pr，Sm，Gd，Er，Yb，Y中一种或几种，0≤x≤0.4，0≤z≤0.3，骨架层厚度为10-50微米的片层，活性颗粒为NiO或NiO—Gd0.1Ce0.9O2复合物，活性颗粒均匀负载在骨架层表面，占比阳极质量分数为2％～20％，活性颗粒大小为10～300纳米。
所述阳极的骨架层为LnxSr1-xTiO3—GdzCe1-zO2复合物，LnxSr1-xTiO3与GdzCe1-zO2的质量比优选为60:40～40:60。
所述阳极的骨架层为LnxSr1-xTiO3—GdzCe1-zO2复合物，Ln优选为La，Pr，Y中一种或几种。
所述阳极的骨架层为LnxSr1-xTiO3—GdzCe1-zO2复合物，优选0≤x≤0.2，优选0≤z≤0.2。
所述阳极的骨架层厚度优选为10-20微米。
所述阳极的活性颗粒为NiO或NiO—Gd0.1Ce0.9O2复合物，活性颗粒占比阳极质量分数优选为5％～10％。
述阳极的活性颗粒大小优选为30-100纳米。
本发明公开了一种固体氧化物燃料电池阳极及其应用，其特征在于所述阳极可应用于氧化铈基、氧化锆基、LSGM基电解质上。
本发明的优点在于所公开的固体氧化物燃料电池阳极，在还原气氛中具有较高的电导率和氧化/还原循环稳定性，解决了使用碳氢燃料时，传统Ni阴极易积碳的问题，解决了H2S等杂质气容易引发传统Ni阳极中毒的问题。当采用生物质燃气发电时，本发明阳极显示出优异的电化学性能和较好的稳定性。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述。
实施例1
固体氧化物燃料电池膜电极：阴极为La0.8Sr0.2MnO3，电解质为YSZ，阳极组成结构为：阳极骨架层为La0.2Sr0.8TiO3—Gd0.1Ce0.9O2复合物，La0.2Sr0.8TiO3与Gd0.1Ce0.9O2的质量比为70:30，骨架层厚度为15微米，活性颗粒NiO均匀负载在骨架层表面，占比阳极质量分数为2％，活性颗粒大小为100-300纳米。
膜电极电化学测试结果如下，测试温度为800℃下，发电电压为0.8V，电流密度达到0.85A.cm-2。
实施例2
固体氧化物燃料电池膜电极：阴极为La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3，电解质为GDC，阳极组成结构为：阳极骨架层为Y0.1Sr0.9TiO3—Gd0.2Ce0.8O2复合物，Y0.1Sr0.9TiO3与Gd0.2Ce0.8O2的质量比为60:40，骨架层厚度为30微米，活性颗粒NiO—Gd0.1Ce0.9O2均匀负载在骨架层表面，占比阳极质量分数为10％，活性颗粒大小为30-50纳米。
膜电极电化学测试结果如下，测试温度为800℃下，发电电压为0.8V，电流密度达到1.50A.cm-2。
实施例3
固体氧化物燃料电池膜电极：阴极为La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3，电解质为GDC，阳极组成结构为：阳极骨架层为Pr0.1Sr0.9TiO3—Gd0.2Ce0.8O2复合物，Pr0.1Sr0.9TiO3与Gd0.2Ce0.8O2的质量比为50:50，骨架层厚度为10微米，活性颗粒NiO—Gd0.1Ce0.9O2均匀负载在骨架层表面，占比阳极质量分数为20％，活性颗粒大小为30-50纳米。
膜电极电化学测试结果如下，测试温度为800℃下，发电电压为0.8V，电流密度达到1.20A.cm-2。

Claims (8)

1.一种固体氧化物燃料电池阳极，其特征在于：所述阳极由骨架层和活性颗粒组成，其中，骨架层为LnxSr1-xTiO3—GdzCe1-zO2复合物，LnxSr1-xTiO3与GdzCe1-zO2的质量比为70:30~30:70，Ln为La，Pr，Sm，Gd，Er，Yb，Y 中一种或几种，0≤x≤0.4，0≤z≤0.3，骨架层厚度为10-50微米，活性颗粒为NiO或NiO—Gd0.1Ce0.9O2复合物中的一种或二种，活性颗粒均匀负载在骨架层表面，占比阳极质量分数为2%~20%，活性颗粒大小为10~300纳米。
2.按照权利要求1所述固体氧化物燃料电池阳极，其特征在于：所述阳极的骨架层为LnxSr1-xTiO3—GdzCe1-zO2复合物，LnxSr1-xTiO3与GdzCe1-zO2的质量比为60:40~40:60。
3.按照权利要求1或2所述固体氧化物燃料电池阳极，其特征在于：所述阳极的骨架层为LnxSr1-xTiO3—GdzCe1-zO2复合物，Ln为La，Pr，Y 中一种或几种。
4.按照权利要求1或2所述固体氧化物燃料电池阳极，其特征在于：所述阳极的骨架层为LnxSr1-xTiO3—GdzCe1-zO2复合物， 0≤x≤0.2， 0≤z≤0.2。
5.按照权利要求1或2所述固体氧化物燃料电池阳极，其特征在于：所述阳极的骨架层厚度为10-20微米。
6.按照权利要求1所述固体氧化物燃料电池阳极，其特征在于：所述阳极的活性颗粒为NiO或NiO—Gd0.1Ce0.9O2复合物，活性颗粒占比阳极质量分数为5%~10%。
7.按照权利要求1或6所述固体氧化物燃料电池阳极，其特征在于：所述阳极的活性颗粒大小为30-100纳米。
8.一种权利要求1-7任一所述固体氧化物燃料电池阳极的应用，其特征在于：所述阳极应用于氧化铈基、氧化锆基、LSGM基电解质上。
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