[发明专利]一种高效、低成本的抗积碳阳极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新型能源，材料加工和电力领域，具体涉及一种具有电化学活性和抗积碳性固体氧化物燃料电池(SOFC)的阳极及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新型发电装置，由于具有燃料能量转换效率高、对环境污染小，燃料适用性强和设计灵活等优点，被誉为二十一世纪的绿色能源。可直接以碳氢化合物(如天然气，甲醇，丙烷)为燃料是SOFC最突出的优点之一，可解决氢气燃料带来的储存、运输困难等问题。但是，SOFC传统的Ni基陶瓷阳极(如Ni-Zr_0.85Y_0.15O_2-δ和Ni-Ce_0.8Sm_0.2O_2-δ)对碳氢化合物的裂解反应(C-H键的断裂)具有极高的催化活性，从而在Ni表面形成碳淀积，导致阳极催化失活。寻求抗积碳且具有高电化学催化活性的新型阳极材料是目前SOFC最活跃的研究领域之一，对于SOFC的发展具有重要的现实意义和应用前景。

目前具有抗积碳性能的新型阳极研究主要集中新材料的开发和微结构的优化，主要包括：1)开发La_0.75Sr_0.25Cr_0.5Mn_0.5O₃(LSCM)和Sr₂Mg_1-xMn_xMoO_6-δ(SMMM)等钙钛矿型或双钙钛矿型氧化物阳极。LSCM等新型氧化物陶瓷对于甲烷等燃料气的电催化性能远低于Ni基阳极，从而避免形成碳淀积。但是这类阳极材料的电导率极低(如LSCM在900℃还原气氛时的电导率仅为1.3Scm^-1)。低的电导率使得这类阳极材料必须在高温下操作(800-1000℃)，并且难于制备电解质薄膜化型的SOFC，从而导致电池电阻高，输出功率低，且相关的连接、密封材料选择困难，与SOFC的中温化发展趋势不符；2)微结构优化技术。利用浸渍技术等，在传统的Ni基阳极表面制备抗积碳层(如Ce_0.8Sm_0.2O_1.9)，形成包覆结构，在保持Ni基电极良好电导率的同时，降低Ni基阳极对碳基燃料的催化裂解活性，达到抗积碳的目的。但是浸渍方法往往需要重复7-10次的制备过程，工艺要求高，周期长，难以满足SOFC的商业化需求。3)利用Cu等对碳氢燃料具有较低催化活性的金属取代Ni。但是Cu基金属的熔点低，且电催化活性不能满足中温SOFC的需要，电池阳极极化电阻升高，电池输出功率降低已有的研究报道表明，目前尚没有得到比较成熟的兼具抗积碳性能和电化学活性的阳极材料。如何设计和开发兼具高电化学活性和抗积碳性且具有低成本制备工艺的新型阳极材料对于SOFC的发展具有积极的意义。

发明内容

本发明的一个目的是为固体氧化物燃料电池提供一种抗积碳阳极，所述阳极包含化学式为NiTiO₃的阳极材料。

本发明的NiTiO₃阳极材料在还原气氛下可以分解为Ni相和TiO₂相，其中Ni相为导电相，TiO₂相为CH₄等碳氢燃料催化裂解相。NiTiO₃阳极同时具有电化学活性和抗积碳性，且制备简单，为SOFC的商业化应用提供了高效、低成本的阳极材料。

本发明的另一目的是提供该NiTiO₃阳极材料的制备方法，所述方法包括：

将钛酸酯前体(优选钛酸正丁酯(C₁₆H₃₆O₄Ti))和硝酸镍(优选六水合硝酸镍(Ni(NO₃)₂·6H₂O))按化学计量比1∶1加入到水中，并且加入络合剂(优选乙二胺四乙酸(EDTA)和柠檬酸)，(EDTA、柠檬酸和金属离子摩尔比优选是0.7∶1∶1)，在搅拌下用氨水将溶液调至pH＝7～8，形成溶液；将溶液加热浓缩直至溶液蒸干成粉；所得粉体在600-1000℃，除去有机物，从而得到NiTiO₃粉体。

本发明工艺简单，采用改进的Pechini法，一步合成制备了低成本的NiTiO₃阳极粉体。

本发明的还一目的是提供一种制备NiTiO₃阳极的方法，所述方法包括：