[发明专利]一种高活性、耐久型直接氨固体氧化物燃料电池阳极及其制备方法

说明书

本发明属于固体氧化物燃料电池的技术领域，公开了一种高活性、耐久型直接氨固体氧化物燃料电池阳极及其制备方法。所述阳极是由CeO_2‑δ纳米颗粒负载在直接氨固体氧化物燃料电池的Ni‑YSZ阳极上；所述Ni‑YSZ阳极具有指状通孔结构，主要由NiO和YSZ组成。本发明还公开了阳极的制备方法。本发明解决了氨气在阳极内部较差的分解活性以及氨气毒化作用引起的电池阳极性能快速衰减问题，本发明成功在Ni‑YSZ多孔阳极表面附着了大量的CeO_2‑δ纳米颗粒，使得Ni‑YSZ阳极的氨气催化分解活性以及稳定性有了大幅提升。该阳极制备工艺简单，成本较低，可广泛应用于直接氨固体氧化物燃料电池领域。

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种具有高活性、耐久型直接氨固体氧化物燃料电池阳极及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFCs)可以直接将化学燃料高效率转化为电能，因此被视为最有应用前景的能源转换装置之一。SOFCs的一个关键优势是燃料的高度灵活性。虽然氢气是SOFCs商业应用的常见燃料，但氢气液化温度较低，大大增加了氢气储存和运输的难度。近年来，甲烷、乙烷、甲醇、乙醇等碳氢化合物燃料因其高能量密度、易于储存等特性而备受关注。然而，烃类燃料在操作条件下分解产生的严重焦化问题限制了烃类燃料在SOFCs上的广泛应用。与烃类燃料相比，氨的能量密度较高，且几乎为零的碳排放，是更理想的SOFCs燃料。氨气虽然有一定毒性，但它却是相对安全的，因为任何泄漏都很容易被人类的嗅觉检测到。更重要的是，氨气还具有较低的液化温度和易于储存/运输的优势，使直接氨固体氧化物燃料电池的商业应用成为可能。基于氧离子导体的SOFCs装置中氨气转化的化学过程主要包括以下步骤：NH₃在阳极表面吸附，然后在阳极孔道内部扩散；NH₃分解为N₂和H₂；H₂进一步裂解产生质子和电子；产生的质子与氧离子反应生成水分子。然而，仍有许多问题需要解决，主要障碍是氨分解以及氢解离迟缓的动力学过程。此外，阳极表面耐久性差也是一大亟待解决的问题。因此，开发具有高氨氧化反应(AOR)电催化活性和优良耐久性的阳极材料和结构是实现商业化应用的必要条件。

对于常规的镍基阳极，NH₃操作时Ni催化剂的团聚和Ni晶粒的氮化会导致其耐久性较差。此外，传统氧离子导体型直接氨SOFCs的另一个潜在问题是阳极内部NO_x的形成。当NH₃在阳极中燃烧时，NH₃分解产生的N₂会与氧离子反应生成NO_x，使Ni基阳极变质。如何制备一种低成本、高的AOR活性和耐久性的阳极材料是人们需要解决的问题之一。

本发明通过在阳极表面涂覆CeO_2-δ来提高直接氨SOFCs阳极的催化AOR活性和耐久性。本发明采用改进的相转换工艺制备了Ni-YSZ阳极基底。制备的阳极呈现出大量的“指状”孔道，加速了NH₃在阳极内部的扩散过程。此外，CeO_2-δ纳米颗粒浸渍到阳极孔道中并包覆在阳极表面，增强了NH₃的分解活性，加速了氢的解离/氧化。当以纯氨为燃料时，采用该阳极结构的单电池在700℃、750℃和800℃下分别取得0.941、1.351和1.893W cm^-2的超高功率密度。除此之外，当直接用NH₃作燃料时，电池在700℃下稳定运行约60h，未表现出明显的衰减。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的是提供一种具有高活性、耐久型直接氨固体氧化物燃料电池阳极及其制备方法。为了解决现有常规Ni-YSZ阳极对氨分解催化活性差以及氨气环境下耐久性差等问题，本发明通过采用相转换加浸渍工艺，成功在相转换Ni-YSZ阳极表面附着了大量CeO_2-δ纳米颗粒，使得Ni-YSZ阳极的AOR反应活性及氨气条件下耐久性大幅提升。该方法具有工艺简单、成本低、易于操作等特点。本发明对促进用于直接氨燃料电池的高活性、耐久性阳极结构的制备具有理论和实际意义。