CN103050711A - 一种固体氧化物燃料电池纳米阴极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种固体氧化物燃料电池纳米阴极的制备方法,由纳米氧化物与氧离子电导材料粉末组成,其中纳米氧化物的质量占阴极总质量的10%~100%,氧离子电导材料粉末为余量。所述纳米阴极的制备方法,首先,制备纳米氧化物和氧离子电导材料粉末,以及两者按不同比例混合、研磨后配成电极浆料;将上述的电极浆料刮涂在电解质层上,在700°C~1400°C下焙烧0.5~10h,制得微米阴极;将微米阴极剥离掉之后重新刮涂电极浆料,在600°C~1200°C下焙烧0.5~10h,即制得固体氧化物燃料电池纳米阴极。该纳米阴极在中低温区具有较低的极化电阻,对氧还原反应有较好的催化活性。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池电极制备技术领域,具体涉及一种固体氧化物燃料电池纳米阴极的制备方法。
背景技术
在固体氧化物燃料电池中,阴极的活性直接影响着电池的输出功率和电池效率。为了提高阴极的活性,全球的研究人员一直在不懈的努力着。经调研发现,阴极的活性与阴极材料的本征活性和比表面相关联。对于现有的阴极材料,阴极材料比表面积的大小与其活性直接正相关。为了制备出与电解质层间良好粘结的阴极层,传统的阴极制备方法易制备出较大颗粒尺寸的阴极层,比表面积较小,大大地降低了阴极反应活性。虽然采用传统的阴极制备方法也可以制备出比表面积高、颗粒小的阴极,但是阴极层与电解质层间的粘结又会变差,进而电池电阻增加,总体效果仍是得不偿失。因此,对于现有的阴极材料,如何在阴极层与电解质层良好粘结的情况下制备出高比表面的纳米阴极是必要和迫切的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固体氧化物燃料电池纳米阴极的制备方法,此法制备的纳米阴极拥有较高比表面,且与电解质层粘结良好。
本发明提供了一种固体氧化物燃料电池纳米阴极,该纳米阴极的材料由纳米氧化物与氧离子电导材料粉末组成;其中,纳米氧化物的质量占阴极总质量的10~100%,氧离子电导材料粉末的质量为余量。
本发明提供的固体氧化物燃料电池纳米阴极,所述纳米氧化物为尖晶石型氧化物、钙钛矿型氧化物、双钙钛矿型氧化物中的一种或者两种的混合物。所述氧离子电导材料粉末选自下列之一:掺杂的氧化锆系列电解质材料、掺杂的氧化铈系列电解质材料、掺杂的镓酸镧系列电解质材料。
本发明提供的固体氧化物燃料电池纳米阴极,所述尖晶石型氧化物的化学式为(A,B)3O4,其中A和B均选自Mg、Al、Ca、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Ag中的一种或几种。所述钙钛矿型氧化物的化学式为ABO3,其中A位阳离子为Ba,La,Sr,Y,Sm中的一种或者几种金属阳离子,B位阳离子为Ti,Cr,Mn,Co,Fe,Ni,Cu中的一种或者几种金属阳离子。所述双钙钛矿型氧化物的化学式为AA’BB’O3,其中A和A’位阳离子为Ba,La,Sr,Y,Sm中的一种或者几种金属阳离子,B和B’位阳离子为Ti,Cr,Mn,Co,Fe,Ni,Cu中的一种或者几种金属阳离子。
本发明提供的固体氧化物燃料电池纳米阴极,所述氧离子电导材料粉末的组成和结构与燃料电池电解质材料一致或同系列。
本发明还提供了所述固体氧化物燃料电池纳米阴极的制备方法,该方法的具体步骤为:
1)制备纳米氧化物和氧离子电导材料粉末;
2)将上述的纳米氧化物和上述的氧离子电导材料粉末混合,研磨,并配成电极浆料,其中纳米氧化物的质量占阴极总质量的10~100%,氧离子电导材料粉末为余量;
3)将上述的电极浆料刮涂在电解质层上,干燥后,在700°C~1400°C下焙烧0.5~10h,即在电解质上制得微米阴极;
4)将上述的微米阴极剥离后在表面残留200nm-1.5μm厚度的阴极层,且与电解质层粘结良好;
5)将2)所述的电极浆料刮涂在4)所述的残留阴极层上,干燥后,在600°C~1200°C下焙烧0.5~10h,即制得固体氧化物燃料电池纳米阴极。
本发明可以获得高比表面的纳米阴极,降低阴极电阻,提高电池的输出功率,尤其适用于中低温固体氧化物燃料电池。本发明纳米阴极在中低温区具有较低的极化电阻,对氧还原反应有较好的催化活性。
具体实施方式
以下实施例将对本发明予以进一步的说明,但并不因此而限制本发明。
采用固相反应球磨法制备纳米氧化物,EDTA-柠檬酸络合法制备氧离子电导材料粉末。
实施例1
取1.0克的Ni2CoO4粉末,加入0.05克松油醇、0.05克聚乙二醇、0.02克邻苯二甲酸二丁酯调制成油墨状。采用Doctor Blade刮膜法在阳极支撑复合体的电解质的另一侧涂制Ni2CoO4层,于900~1100°C处理3h,得到微米级Ni2CoO4阴极。将微米级Ni2CoO4阴极剥离掉,在电解质表面残留一层约800nm厚的阴极层。再将Ni2CoO4电极浆料刮涂在上述的残留阴极层上,干燥后,在800°C下焙烧2h,即制得颗粒大小约为50nm的Ni2CoO4纳米阴极。在所制得的电池中,纳米阴极层与电解质层粘结良好,无两层剥离或脱落现象。在800°C,Ni2CoO4纳米阴极的极化电阻为0.010Ωcm2。
实施例2
取0.1克的Ag0.1Mn1.4Co1.5O4粉末和0.9克的Sm0.2Ce0.8O1.9粉末,加入0.05克松油醇、0.05克聚乙二醇、0.02克邻苯二甲酸二丁酯调制成油墨状。采用Doctor Blade刮膜法在阳极支撑复合体的电解质的另一侧涂制Ag0.1Mn1.4Co1.5O4–Sm0.2Ce0.8O1.9层,于1300°C处理10h,得到微米级Ag0.1Mn1.4Co1.5O4–Sm0.2Ce0.8O1.9阴极。将该微米级阴极剥离掉,在电解质表面残留一层约300nm厚的阴极层。再将Ag0.1Mn1.4Co1.5O4–Sm0.2Ce0.8O1.9电极浆料刮涂在上述的残留阴极层上,干燥后,在800°C下焙烧2h,即制得颗粒大小约为30nm的Ag0.1Mn1.4Co1.5O4–Sm0.2Ce0.8O1.9纳米阴极。在所制得的电池中,纳米阴极层与电解质层粘结良好,无两层剥离或脱落现象。在700°C,Ag0.1Mn1.4Co1.5O4–Sm0.2Ce0.8O1.9纳米阴极的极化电阻为0.009Ωcm2。
实施例3
取0.8克的Zn0.2Fe1.1Co1.7O4粉末和0.2克的YSZ粉末,加入0.05克松油醇、0.05克聚乙二醇、0.02克邻苯二甲酸二丁酯调制成油墨状。采用DoctorBlade刮膜法在阳极支撑复合体的电解质的另一侧涂制Zn0.2Fe1.1Co1.7O4–YSZ层,于1400°C处理8h,得到微米级Zn0.2Fe1.1Co1.7O4–YSZ阴极。将该微米级阴极剥离掉,在电解质表面残留一层约500nm厚的阴极层。再将Zn0.2Fe1.1Co1.7O4–YSZ电极浆料刮涂在上述的残留阴极层上,干燥后,在900°C下焙烧3h,即制得颗粒大小约为25nm的Zn0.2Fe1.1Co1.7O4–YSZ纳米阴极。在所制得的电池中,纳米阴极层与电解质层粘结良好,无两层剥离或脱落现象。在700°C,Zn0.2Fe1.1Co1.7O4–YSZ纳米阴极的极化电阻为0.032Ωcm2。
实施例4
取0.6克的La0.33Sr0.67Fe0.3Co0.7O3粉末和0.4克的Sm0.2Ce0.8O1.9粉末,加入0.05克松油醇、0.05克聚乙二醇、0.02克邻苯二甲酸二丁酯调制成油墨状。采用Doctor Blade刮膜法在阳极支撑复合体的电解质的另一侧涂制La0.33Sr0.67Fe0.3Co0.7O3–Sm0.2Ce0.8O1.9层,于1100°C处理8h,得到微米级La0.33Sr0.67Fe0.3Co0.7O3–Sm0.2Ce0.8O1.9阴极。将该微米级阴极剥离掉,在电解质表面残留一层约1.0μm厚的阴极层。再将La0.33Sr0.67Fe0.3Co0.7O3–Sm0.2Ce0.8O1.9电极浆料刮涂在上述的残留阴极层上,干燥后,在850°C下焙烧5h,即制得颗粒大小约为60nm的La0.33Sr0.67Fe0.3Co0.7O3–Sm0.2Ce0.8O1.9纳米阴极。在所制得的电池中,纳米阴极层与电解质层粘结良好,无两层剥离或脱落现象。在600°C,La0.33Sr0.67Fe0.3Co0.7O3–Sm0.2Ce0.8O1.9纳米阴极的极化电阻为0.004Ωcm2。
实施例5
取0.6克的Sm0.4Sr0.6Mn0.2Co0.8O3粉末和0.4克的La0.8Sr0.2Ga0.33Mg0.67O3粉末,加入0.05克松油醇、0.05克聚乙二醇、0.02克邻苯二甲酸二丁酯调制成油墨状。采用Doctor Blade刮膜法在阳极支撑复合体的电解质的另一侧涂制Sm0.4Sr0.6Mn0.2Co0.8O3–La0.8Sr0.2Ga0.33Mg0.67O3层,于1050°C处理6h,得到微米级Sm0.4Sr0.6Mn0.2Co0.8O3–La0.8Sr0.2Ga0.33Mg0.67O3阴极。将该微米级阴极剥离掉,在电解质表面残留一层约1.5μm厚的阴极层。再将Sm0.4Sr0.6Mn0.2Co0.8O3–La0.8Sr0.2Ga0.33Mg0.67O3电极浆料刮涂在上述的残留阴极层上,干燥后,在600°C下焙烧7h,即制得颗粒大小约为50nm的Sm0.4Sr0.6Mn0.2Co0.8O3–La0.8Sr0.2Ga0.33Mg0.67O3纳米阴极。在所制得的电池中,纳米阴极层与电解质层粘结良好,无两层剥离或脱落现象。在600°C,Sm0.4Sr0.6Mn0.2Co0.8O3–La0.8Sr0.2Ga0.33Mg0.67O3纳米阴极的极化电阻为0.006Ωcm2。
实施例6
取1.0克的Sm0.5Ba0.5LaCu0.2Co0.8TiO6粉末,加入0.05克松油醇、0.05克聚乙二醇、0.02克邻苯二甲酸二丁酯调制成油墨状。采用Doctor Blade刮膜法在阳极支撑复合体的电解质的另一侧涂制Sm0.5Ba0.5LaCu0.2Co0.8TiO6层,于1150°C处理6h,得到微米级Sm0.5Ba0.5LaCu0.2Co0.8TiO6阴极。将该微米级阴极剥离掉,在电解质表面残留一层约2.0μm厚的阴极层。再将Sm0.5Ba0.5LaCu0.2Co0.8TiO6电极浆料刮涂在上述的残留阴极层上,干燥后,在800°C下焙烧0.5h,即制得颗粒大小约为90nm的Sm0.5Ba0.5LaCu0.2Co0.8TiO6纳米阴极。在所制得的电池中,纳米阴极层与电解质层粘结良好,无两层剥离或脱落现象。在600°C,Sm0.5Ba0.5LaCu0.2Co0.8TiO6纳米阴极的极化电阻为0.007Ωcm2。
Claims (10)
1.一种固体氧化物燃料电池纳米阴极,其特征在于:该纳米阴极的材料由纳米氧化物与氧离子电导材料粉末组成;其中,纳米氧化物的质量占阴极总质量的10~100%,氧离子电导材料粉末的质量为余量。
2.按照权利要求1所述固体氧化物燃料电池纳米阴极,其特征在于:所述纳米氧化物为尖晶石型氧化物、钙钛矿型氧化物、双钙钛矿型氧化物中的一种或者两种的混合物。
3.按照权利要求1所述固体氧化物燃料电池纳米阴极,其特征在于:所述氧离子电导材料粉末选自下列之一:掺杂的氧化锆系列电解质材料、掺杂的氧化铈系列电解质材料、掺杂的镓酸镧系列电解质材料。
4.按照权利要求2所述固体氧化物燃料电池纳米阴极,其特征在于:所述尖晶石型氧化物的化学式为(A,B)3O4,其中A和B均选自Mg、Al、Ca、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Ag中的一种或几种。
5.按照权利要求2所述固体氧化物燃料电池纳米阴极,其特征在于:所述钙钛矿型氧化物的化学式为ABO3,其中A位阳离子为Ba,La,Sr,Y,Sm中的一种或者几种金属阳离子,B位阳离子为Ti,Cr,Mn,Co,Fe,Ni,Cu中的一种或者几种金属阳离子。
6.按照权利要求2所述固体氧化物燃料电池纳米阴极,其特征在于:所述双钙钛矿型氧化物的化学式为AA’BB’O3,其中A和A’位阳离子为Ba,La,Sr,Y,Sm中的一种或者几种金属阳离子,B和B’位阳离子为Ti,Cr,Mn,Co,Fe,Ni,Cu中的一种或者几种金属阳离子。
7.按照权利要求1或3所述固体氧化物燃料电池纳米阴极,其特征在 于:所述氧离子电导材料粉末的组成和结构与燃料电池电解质材料一致或同系列。
8.一种权利要求1所述固体氧化物燃料电池纳米阴极的制备方法,其特征在于:该方法的具体步骤为:
1)制备纳米氧化物和氧离子电导材料粉末,采用EDTA-柠檬酸法或者固相球磨法;
2)将上述的纳米氧化物和上述的氧离子电导材料粉末混合,研磨,并配成电极浆料,其中纳米氧化物的质量占阴极总质量的10~100%,氧离子电导材料粉末为余量;
3)将上述的电极浆料刮涂在电解质层上,干燥后,在700°C~1400°C下焙烧0.5~10h,即在电解质上制得微米阴极;
4)将上述的微米阴极剥离后在表面残留200nm-1.5μm厚度的阴极层,且与电解质层粘结良好;
5)将2)所述的电极浆料刮涂在4)所述的残留阴极层上,干燥后,在600°C~1200°C下焙烧0.5~10h,即制得固体氧化物燃料电池纳米阴极。
9.按照权利要求8所述固体氧化物燃料电池纳米阴极的制备方法,其特征在于:所述纳米氧化物为尖晶石型氧化物、钙钛矿型氧化物、双钙钛矿型氧化物中的一种或者两种的混合物;
所述尖晶石型氧化物的化学式为(A,B)3O4,其中A和B均选自Mg、Al、Ca、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Ag中的一种或几种;
所述钙钛矿型氧化物的化学式为ABO3,其中A位阳离子为Ba,La,Sr,Y,Sm中的一种或者几种金属阳离子,B位阳离子为Ti,Cr,Mn, Co,Fe,Ni,Cu中的一种或者几种金属阳离子;
所述双钙钛矿型氧化物的化学式为AA’BB’O3,其中A和A’位阳离子为Ba,La,Sr,Y,Sm中的一种或者几种金属阳离子,B和B’位阳离子为Ti,Cr,Mn,Co,Fe,Ni,Cu中的一种或者几种金属阳离子。
10.按照权利要求8所述固体氧化物燃料电池纳米阴极的制备方法,其特征在于:所述氧离子电导材料粉末选自下列之一:掺杂的氧化锆系列电解质材料、掺杂的氧化铈系列电解质材料、掺杂的镓酸镧系列电解质材料。
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