本项创新技术介绍了一种新型质子陶瓷燃料电池阳极材料的制备方法,并探讨了其在直接氨燃料电池中的应用。该技术属于燃料电池电极材料技术领域,阳极材料的分子式为Ni-BaZr0.1Ce0.9O3-δ,具有优异的电化学性能和稳定性。
背景技术
为了平衡电力供应与需求之间的不匹配,并缓解由于过度依赖化石燃料发电而导致的日益恶化的生态和气候条件,迫切需要开发可再生能源来替代传统能源形式。固体氧化物燃料电池(SOFCs)因其内部固态离子传输、高运行温度和快速电化学反应等特点,在化学能到电能的高效转化和广泛的燃料适应性方面具有优势。与SOFCs相比,质子陶瓷燃料电池(PCFCs)在较低的工作温度下展现出高效发电的潜力,这可以降低成本,防止催化剂的快速失活,并延长电池的使用寿命。然而,氢气作为PCFCs最广泛使用的燃料,面临着全球性的挑战,例如生产效率低、基础设施发展差、安全风险高等。所以寻找氢气的适宜替代品更加有利于PCFCs的商业化。
氨作为一种无碳氢气载体,具有高产量、易于储存和运输的优势。考虑到氨在空气中的燃烧温度高于氢气和烷烃,以及其燃烧过程中会产生NOx
等有毒污染物,用氨替代氢气作为PCFCs的燃料是解决氢气在大规模应用中的缺点的可行方案。因此,开发直接氨质子陶瓷燃料电池具有更大的商业前景和吸引力。尽管直接氨质子陶瓷燃料电池具有很高的潜力,但在商业化之前必须解决一些紧迫的问题。与发生氧还原反应的阴极和用于离子传导的陶瓷电解质不同,直接氨质子陶瓷燃料电池的阳极对于促进氨分解反应至关重要。阳极的结构和组成直接影响电池的效率和稳定性。目前,广泛使用的镍基阳极在氨分解反应方面活性较低,需要更高效的催化剂来降低反应的起始电位并提高电流密度。除了需要有效的氨分解催化剂外,Ni基阳极在氨环境中的耐受性和结构演变也是阻碍电池性能和稳定性提高的关键因素。传统的Ni基阳极容易与氨反应,形成如氮化镍(Ni3
N)等化合物,这会消耗镍表面的活性位点并增加激活过电位。更重要的是,这些不稳定的氮化物在高温下可能部分分解或转化,导致镍的反复氮化和还原循环。由此产生的机械应力变化可能导致镍从电解质上剥离,从而永久性地改变镍与电解质之间的界面特性。这种变化会缩短三相界面并降低电荷转移速率,最终影响直接氨质子陶瓷燃料电池的阳极反应动力学和电化学性能。所以现在急需对现有的PCFC阳极材料进行优化,增强阳极的机械强度和对氨气的转化率十分重要。
实现思路