CN105428664B - 一种固体氧化物燃料电池的电极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池的电极的制备方法，包括如下步骤：通过汽爆处理将催化剂和电解质粉碎后，加入无机纳米粒子、耐化学品改性剂、韧性丝状含碳材料混合均匀后，研磨至没有明显丝状材料；再加入α‑松油醇和乙基纤维素研磨均匀形成电极材料；然后在固体氧化物燃料电池电解质表面磁控反应溅射具有择优暴露晶面的掺杂氧化铈催化薄膜；最后将所得的电极材料涂覆于所得的固体氧化物燃料电池电解质一侧，放入马弗炉中加热使得韧性丝状含碳材料充分烧掉，自然冷却降至室温。本发明通过简单方便的操作流程得到了高孔隙率和长孔道结构的电极，通过掺杂氧化铈催化薄膜的设置，降低了电池的极化电阻，提高了电池性能。

Description

一种固体氧化物燃料电池的电极的制备方法
技术领域
本发明涉及电极材料领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池的电极的制备方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池为新型的能量转换设备，它具有高效率、低污染的优点，受到广泛的关注。固体氧化物燃料电池的电极为多孔金属或金属氧化物陶瓷。电极的多孔结构对电极形成气体、催化剂、电解质的三相界面十分重要。只有形成充分的三相界面，电池才能具有良好的性能。专利CN103825032A在制备电池阳极时用面粉做造孔剂；专利CN103811788A在制备电池电极时用粉状的乙基纤维素加液体松油醇做造孔剂；专利CN103794804A在制备电池电极时用粉状的乙基纤维素、淀粉、液体松油醇聚、丙醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛做造孔剂；专利CN103752831A一种多孔金属膜的制备方法中，造孔剂采用粒状尿素、聚甲基丙烯酸甲酯、粉状的淀粉、氯化钠、碳酸钙等。粉状、粒状或液体造孔剂虽然能在电极烧结过程中，形成孔隙，但在电池上孔隙是不连续的，由此对电池燃料气在电极的扩散产生阻力，影响电池性能的提高。
目前可以使用石墨为造孔剂，制备多孔的镍基阳极，但是石磨着火点高，需要在900℃以上才能烧掉，由于制备的阳极材料可能选用Cu等熔点相对较低的材料，利用其低的催化活性提高抗积碳性能，因此需要降低阳极的烧结温度。
随着研究的不断深入，研究者们发现以甲烷为燃料引起的积碳现象是由于温度高于800K时，甲烷就会裂解而产生碳，优良的阳极材料与制备方法只能通过增大孔隙率进而增加三相界面以及降低电极电阻来降低积碳速率，即使以钙钛矿结构材料为阳极也同样会产生积碳。在积碳情况下孔隙降低，影响电池使用甲烷作燃料的长期稳定性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池的电极的制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种固体氧化物燃料电池的电极的制备方法，包括如下步骤：
S1、按质量比3∶1-5∶1称取催化剂和电解质，置于汽爆罐内，先通入氮气至汽爆罐内压力为0.8-1.6MPa，爆破处理8-25min；然后迅速通入蒸汽至汽爆罐内压力为1.4-1.9MPa，蒸汽爆破处理0.5-2.3min，得粉体；
S2、取催化剂和电解质总质量的1wt％-10wt％的无机纳米粒子通过超声波振荡设备分散于纯净水中形成无机纳米粒子分散液；
S3、将步骤S1所得的粉体与催化剂和电解质总质量的5wt％-15wt％的耐化学品改性剂混合均匀后置于双螺杆挤出机内，通过液体喂料泵将所得的分散液注入双螺杆挤出机，共混后，水全部蒸发，得混合物A；
S4、将所得的混合物A置于研钵中，加入催化剂和电解质总质量的5wt％-25wt％的韧性丝状含碳材料至研钵，研磨至没有明显丝状材料；再加入催化剂和电解质总质量的35wt％-55wt％的α-松油醇和乙基纤维素研磨均匀形成电极材料；
S5、在固体氧化物燃料电池电解质表面磁控反应溅射具有择优暴露晶面的掺杂氧化铈催化薄膜，其溅射参数为：靶基距为6-10cm，基片台的转速在3-20圈/分钟，溅射气压为0.1Pa-1.3Pa，溅射功率密度P＝5-13W/cm2，氧气流量与氩气流量之比为1/2-1/20，溅射基底温度在30-600℃；
S6、将步骤S4所得的电极材料涂覆于步骤S5所得的固体氧化物燃料电池电解质一侧，放入马弗炉中加热使得韧性丝状含碳材料充分烧掉，自然冷却降至室温，得电极。
优选地，所述α-松油醇和乙基纤维素的质量比为1∶3。
优选地，所述催化剂是镍基催化剂、氧化饰基催化剂或钙钛矿结构的催化剂。
优选地，所述电解质是萤石结构的电解质和钙钛矿结构的电解质。
优选地，所述韧性丝状含碳材料为真丝、丝状碳纤维、丝状聚丙烯纤维、涤纶纤维中的一种。
优选地，所述掺杂氧化铈催化薄膜的总厚度为6纳米-5微米。
优选地，所述掺杂氧化铈催化薄膜为LnxByCe1-x-yO2-d，其中Ln为Pr、Nd、、Tb、Ti、Zr、Sn、Cu、Zn、Co、Nb中的一种，B为Pr、Nd、Eu、Tb、Sn、Cu、Zn、Co、Nb、La、Sm、Gd、Y、Mn中的一种，0≤x≤0.4；0≤y≤0.3；0≤d≤0.3。
优选地，所述的耐化学品改性剂为含氟类添加剂，分子量为1000-10000，为粉体。
本发明具有以下有益效果：
通过简单方便的操作流程得到了高孔隙率和长孔道结构的电极，通过掺杂氧化铈催化薄膜的设置，降低了电池的极化电阻，提高了电池性能。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中所述α-松油醇和乙基纤维素的质量比为1∶3；所述催化剂是镍基催化剂、氧化铈基催化剂或钙钛矿结构的催化剂；所述电解质是萤石结构的电解质和钙钛矿结构的电解质；所述韧性丝状含碳材料为真丝、丝状碳纤维、丝状聚丙烯纤维、涤纶纤维中的一种；所述掺杂氧化铈催化薄膜的总厚度为6纳米-5微米；所述掺杂氧化铈催化薄膜为LnxByCe1-x-yO2-d，其中Ln为Pr、Nd、、Tb、Ti、Zr、Sn、Cu、Zn、Co、Nb中的一种，B为Pr、Nd、Eu、Tb、Sn、Cu、Zn、Co、Nb、La、Sm、Gd、Y、Mn中的一种，0≤x≤0.4；0≤y≤0.3；0≤d≤0.3，所述无机纳米粒子为纳米二氧化硅，所述的耐化学品改性剂为含氟类添加剂，分子量为1000-10000，为粉体。
实施例1
S1、按质量比3∶1称取催化剂和电解质，置于汽爆罐内，先通入氮气至汽爆罐内压力为0.8MPa，爆破处理25min；然后迅速通入蒸汽至汽爆罐内压力为1.4MPa，蒸汽爆破处理2.3min，得粉体；
S2、取催化剂和电解质总质量的1wt％的无机纳米粒子通过超声波振荡设备分散于纯净水中形成无机纳米粒子分散液；
S3、将步骤S1所得的粉体与催化剂和电解质总质量的5wt％的耐化学品改性剂混合均匀后置于双螺杆挤出机内，通过液体喂料泵将所得的分散液注入双螺杆挤出机，共混后，水全部蒸发，得混合物A；
S4、将所得的混合物A置于研钵中，加入催化剂和电解质总质量的5wt％的韧性丝状含碳材料至研钵，研磨至没有明显丝状材料；再加入催化剂和电解质总质量的35wt％的α-松油醇和乙基纤维素研磨均匀形成电极材料；
S5、在固体氧化物燃料电池电解质表面磁控反应溅射具有择优暴露晶面的掺杂氧化铈催化薄膜，其溅射参数为：靶基距为6cm，基片台的转速在3圈/分钟，溅射气压为0.1Pa，溅射功率密度P＝5W/cm2，氧气流量与氩气流量之比为1/2，溅射基底温度在30℃；
S6、将步骤S4所得的电极材料涂覆于步骤S5所得的固体氧化物燃料电池电解质一侧，放入马弗炉中加热使得韧性丝状含碳材料充分烧掉，自然冷却降至室温，得电极。
实施例2
S1、按质量比5∶1称取催化剂和电解质，置于汽爆罐内，先通入氮气至汽爆罐内压力为1.6MPa，爆破处理8min；然后迅速通入蒸汽至汽爆罐内压力为1.9MPa，蒸汽爆破处理0.5min，得粉体；
S2、取催化剂和电解质总质量的10wt％的无机纳米粒子通过超声波振荡设备分散于纯净水中形成无机纳米粒子分散液；
S3、将步骤S1所得的粉体与催化剂和电解质总质量的15wt％的耐化学品改性剂混合均匀后置于双螺杆挤出机内，通过液体喂料泵将所得的分散液注入双螺杆挤出机，共混后，水全部蒸发，得混合物A；
S4、将所得的混合物A置于研钵中，加入催化剂和电解质总质量的25wt％的韧性丝状含碳材料至研钵，研磨至没有明显丝状材料；再加入催化剂和电解质总质量的55wt％的α-松油醇和乙基纤维素研磨均匀形成电极材料；
S5、在固体氧化物燃料电池电解质表面磁控反应溅射具有择优暴露晶面的掺杂氧化铈催化薄膜，其溅射参数为：靶基距为6cm，基片台的转速在3圈/分钟，溅射气压为1.3Pa，溅射功率密度P＝13W/cm2，氧气流量与氩气流量之比为1/20，溅射基底温度在600℃；
S6、将步骤S4所得的电极材料涂覆于步骤S5所得的固体氧化物燃料电池电解质一侧，放入马弗炉中加热使得韧性丝状含碳材料充分烧掉，自然冷却降至室温，得电极。
实施例3
S1、按质量比4∶1称取催化剂和电解质，置于汽爆罐内，先通入氮气至汽爆罐内压力为1.2MPa，爆破处理16.5min；然后迅速通入蒸汽至汽爆罐内压力为1.65MPa，蒸汽爆破处理1.4min，得粉体；
S2、取催化剂和电解质总质量的5.5wt％的无机纳米粒子通过超声波振荡设备分散于纯净水中形成无机纳米粒子分散液；
S3、将步骤S1所得的粉体与催化剂和电解质总质量的10wt％的耐化学品改性剂混合均匀后置于双螺杆挤出机内，通过液体喂料泵将所得的分散液注入双螺杆挤出机，共混后，水全部蒸发，得混合物A；
S4、将所得的混合物A置于研钵中，加入催化剂和电解质总质量的15wt％的韧性丝状含碳材料至研钵，研磨至没有明显丝状材料；再加入催化剂和电解质总质量的45wt％的α-松油醇和乙基纤维素研磨均匀形成电极材料；
S5、在固体氧化物燃料电池电解质表面磁控反应溅射具有择优暴露晶面的掺杂氧化铈催化薄膜，其溅射参数为：靶基距为8cm，基片台的转速在12圈/分钟，溅射气压为0.7Pa，溅射功率密度P＝9W/cm2，氧气流量与氩气流量之比为3/10，溅射基底温度在315℃；
S6、将步骤S4所得的电极材料涂覆于步骤S5所得的固体氧化物燃料电池电解质一侧，放入马弗炉中加热使得韧性丝状含碳材料充分烧掉，自然冷却降至室温，得电极
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种固体氧化物燃料电池的电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、按质量比3∶1-5∶1称取催化剂和电解质，置于汽爆罐内，先通入氮气至汽爆罐内压力为0.8-1.6MPa，爆破处理8-25min；然后迅速通入蒸汽至汽爆罐内压力为1.4-1.9MPa，蒸汽爆破处理0.5-2.3min，得粉体；
S2、取催化剂和电解质总质量的1wt％-10wt％的无机纳米粒子通过超声波振荡设备分散于纯净水中形成无机纳米粒子分散液；
S3、将步骤S1所得的粉体与催化剂和电解质总质量的5wt％-15wt％的耐化学品改性剂混合均匀后置于双螺杆挤出机内，通过液体喂料泵将所得的分散液注入双螺杆挤出机，共混后，水全部蒸发，得混合物A；
S4、将所得的混合物A置于研钵中，加入催化剂和电解质总质量的5wt％-25wt％的韧性丝状材料至研钵，研磨至没有明显丝状材料；再加入催化剂和电解质总质量的35wt％-55wt％的α-松油醇和乙基纤维素研磨均匀形成电极材料；
S5、在固体氧化物燃料电池电解质表面磁控反应溅射具有择优暴露晶面的掺杂氧化铈催化薄膜，其溅射参数为：靶基距为6-10cm，基片台的转速在3-20圈/分钟，溅射气压为0.1Pa-1.3Pa，溅射功率密度P＝5-13W/cm2，氧气流量与氩气流量之比为1/2-1/20，溅射基底温度在30-600℃；
S6、将步骤S4所得的电极材料涂覆于步骤S5所得的固体氧化物燃料电池电解质一侧，放入马弗炉中加热使得韧性丝状材料充分烧掉，自然冷却降至室温，得电极；
其中，所述催化剂是镍基催化剂、氧化铈基催化剂或钙钛矿结构的催化剂；所述电解质是萤石结构的电解质和钙钛矿结构的电解质；所述韧性丝状材料为真丝、丝状碳纤维、丝状聚丙烯纤维、涤纶纤维中的一种；所述无机纳米粒子为纳米二氧化硅；所述掺杂氧化铈催化薄膜为LnxByCe1-x-yO2-d，其中Ln为Pr、Nd、Tb、Ti、Zr、Sn、Cu、Zn、Co、Nb中的一种，B为Pr、Nd、Eu、Tb、Sn、Cu、Zn、Co、Nb、La、Sm、Gd、Y、Mn中的一种，0≤x≤0.4；0≤y≤0.3；0≤d≤0.3；所述的耐化学品改性剂为含氟类添加剂。
2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池的电极的制备方法，其特征在于，所述α-松油醇和乙基纤维素的质量比为1∶3。
3.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池的电极的制备方法，其特征在于，所述掺杂氧化铈催化薄膜的总厚度为6纳米-5微米。
4.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池的电极的制备方法，其特征在于，分子量为1000-10000，为粉体。
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Granted publication date: 20171208

Termination date: 20181110

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