CN106876753A - 具有有序孔结构电极的燃料电池的制备方法 - Google Patents

具有有序孔结构电极的燃料电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有有序孔结构电极的燃料电池的制备方法，其特征在于其电极具有有序柱状的孔结构，电池结构为浸渍有电极催化剂的多孔电解质层/致密电解质层/浸渍有电极催化剂的多孔电解质层。其制备步骤包括：(1)有序孔结构电解质层浆料、致密电解质层浆料的制备以及电极催化剂浸渍液的制备；(2)多孔电解质层/致密电解质层/多孔电解质层骨架的制备；(3)多孔电解质骨架中浸渍电极催化剂。本发明制备的电池不仅可以提供良好的气体传输通道和离子、电子导电网络，比传统固体氧化物燃料电池具有更好的性能，同时还具有良好的热膨胀匹配性能、制备成本低、制备工艺简单等优点，可以用作燃料电池和电解池，具有良好的发展前景。

Description

具有有序孔结构电极的燃料电池的制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及到一种一种具有有序孔结构电极的固体氧化物燃料电池的制备方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种将燃料气体的化学能以高效的方式直接转化成电能的电化学装置，其具有燃料选择性高、可热电联供、环境友好、安全可靠等特点，可以广泛地应用于大型电站，分布式电站，汽车辅助电源，家庭热电联供系统等民用领域，同时也可以应用于军工电源等。因此，SOFCs的发展对于能源的高效利用和多元化发展具有重大的意义。
在固体氧化物燃料电池中，电极反应一般被认为局限在电极/电解质界面处发生，在这一界面反应物同时接触电子导电相和离子导电相，这一界面又被称为三相界面，它的大小直接影响电极材料的反应活性进而影响电池的电化学性能。此外，电极材料一般要求必须具有较高的电子电导和高度的稳定性从而降低欧姆极化和保证长期测试过程中性能的稳定，同时电极材料必须具有合适的热膨胀系数，以达到与电解质材料匹配的要求。
在传统的SOFCs制备技术中，通常是将阳极支撑体(NiO-YSZ)与电解质薄膜(YSZ)在高温下共烧结制备而成。通过共烧结技术制备的SOFC通常具有电极结构孔隙率低，结构单一，电极与电解质界面接触较差等缺点，同时，在高温烧结过程中，电极材料和电解质材料之间还会发生元素的挥发和迁移而造成组成的变化，高温烧结也容易导致电极催化剂反生团聚，颗粒长大现象，导致电极中活性位减少，从而影响电池的性能。
发明内容
为了克服现有的固体氧化物燃料电池的制备方法的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种具有有序孔结构电极的固体氧化物燃料电池的制备方法，可以实现具有有序孔结构的电极的制备，而且还避免高温共烧结过程中造成孔隙率降低以及电极催化活性降低的问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为，具有有序孔结构电极的燃料电池的制备方法，其特征在于其电极具有有序的柱状孔结构，电池结构为浸渍有电极催化剂的多孔电解质层/致密电解质层/浸渍有电极催化剂的多孔电解质层，包括以下步骤：
(1)有序孔结构电解质层浆料的制备：将8mol％氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉体在350～500℃下预烧2～4h；称取100g的预烧后的粉体，加入粉体质量2～6％的聚醚砜和粉体质量20～30％的N，N-二甲基甲酰胺研磨配置成多孔电解质层浆料；
(2)致密电解质层浆料的制备：称取300g预烧后的粉体，加入粉体质量的1～3％的鱼油作为分散剂和粉体质量的60～70％无水乙醇-甲苯(乙醇与甲苯质量比为2:3)混合溶剂，球磨4-24h后，再加入粉体质量3～8％的PVB和粉体质量3～8％DOP分别作为粘结剂和增塑剂，球磨24-48h后得到致密电解质层浆料；
(3)电极催化剂浸渍液的制备：阳极电极催化剂浸渍液：按NiO-8YSZ(60-40wt％)化学式计量比，将Ni(NO3)2、Y(NO3)3和ZrOCl2溶于去离子水中，加入金属离子摩尔量的1.2-1.5倍的柠檬酸铵和硝酸调节pH＝10，配制成0.25mol/L浓度的浸渍液；阴极电极催化剂浸渍液：按目标产物La0.8Sr0.2MnO3-8YSZ(50-50wt％)化学式计量比的La(NO3)3、Sr(NO3)2、Mn(NO3)2、Y(NO3)3和ZrOCl2溶于去离子水中，加入金属离子摩尔量的1.2-1.5倍的柠檬酸铵和适量硝酸配制成0.25mol/L浓度的浸渍液。
(4)多孔电解质层/致密电解质层/多孔电解质层骨架的制备：将致密电解质层浆料置于流延机中流延成型，得到致密电解质层素坯；将素坯置于高温炉中以0.5-5℃/min的升温速率从室温升到800℃，并停留1-5h以保证有机物完全除去，再以0.5-5℃/min的升温速率升到1300℃以上，停留4-8h保证电解质层致密化，得到致密电解质层；将多孔电解质层浆料涂覆在致密电解质层表面，然后浸没到相分离液中，停留1-10min取出，置于空气中或者烘箱中干燥后，将其置于高温炉中以1-5℃/min的升温速率从室温升到800-1200℃，恒温1-4h，则形成多孔电解质层/致密电解质层/多孔电解质层骨架；
(5)多孔电解质骨架中浸渍电极催化剂：将多孔电解质层/致密电解质层/多孔电解质层骨架两端分别浸入阳极电极催化剂浸渍液和阴极电极催化剂浸渍液，然后置于马弗炉中以1-3℃/min的升温速率从室温升到500-800℃，停留0.5-3h则制备出一种具有有序孔结构电极的固体氧化物燃料电池。
本发明方法中致密电解质层厚度100-250微米；多孔电解质层厚度为50-250微米。
本发明方法中多孔电解质层浆料涂覆的方法可以采用直接涂覆、丝网印刷或者喷涂等其中的一种或者两种混合。
本发明方法中的相分离液为去离子水、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或者多种混合。
本发明方法中所述的致密电解质的半电池素坯裁剪成直径为10-100mm的圆片或者边长为10-20㎝的方片，在高温烧结后得到致密电解质支撑电池片。
本发明制备的电池不仅可以提供良好的气体传输通道和离子、电子导电网络，比传统固体氧化物燃料电池具有更好的性能，同时还具有良好的热膨胀匹配性能、制备成本低、制备工艺简单等优点，可以用作燃料电池和电解池，具有良好的发展前景。
本发明的优点是通过该法制备的具有有序孔结构电极的固体氧化物燃料电池，其具有柱状的有序孔结构，可以提供良好的气体传输通道，同时通过浸渍法低温制备电极催化剂，避免了高温共烧结过程中元素的挥发和迁移，催化剂颗粒团聚和长大的问题，同时也提供了良好的电极/电解质界面。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明作进一步的阐述：
实施例子1：
(1)有序孔结构电解质层浆料的制备：将8mol％氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉体在350℃下预烧4h；按照质量比65：5：30称取预烧后的8YSZ粉体、聚醚砜和N，N-二甲基甲酰胺研磨配置成有序孔结构电解质层浆料；
(2)致密电解质层浆料的制备：称取一定质量预烧后的8YSZ粉体，加入鱼油作为分散剂和无水乙醇-甲苯混合溶剂，球磨24h后，再加入PVB和DOP分别作为粘结剂和增塑剂，球磨48h后得到致密电解质层浆料，鱼油含量占8YSZ粉体质量的1％，无水乙醇-甲苯(无水乙醇-甲苯质量比为2:3)含量为8YSZ粉体质量的75％，PVB含量为8YSZ粉体质量的8％，DOP含量为8YSZ粉体质量的8％；
(3)电极催化剂浸渍液的制备：阳极电极催化剂浸渍液：阳极催化剂目标产物为50wt％：50wt％的NiO-8YSZ，按目标产物化学式计量比，将Ni(NO3)2、Y(NO3)3和ZrOCl2溶于去离子水中，加入金属离子摩尔量的1.2倍的柠檬酸铵和适量硝酸调节pH约为2，配制成浓度为0.5mol/L的浸渍液；阴极电极催化剂浸渍液：阴极催化剂目标产物为60wt％：40wt％的LSM(La0.8Sr0.2MnO3)-8YSZ,按目标产物化学式计量比的La(NO3)3、Sr(NO3)2、Mn(NO3)2、Y(NO3)3和ZrOCl2溶于去离子水中，加入金属离子摩尔量的1.2倍的柠檬酸铵和适量硝酸配制成浓度为0.5mol/L的浸渍液。
(4)多孔电解质层/致密电解质层/多孔电解质层骨架的制备：将致密电解质层浆料置于流延机中流延成型，得到致密电解质层素坯；将素坯置于高温炉中以1℃/min的升温速率升到800℃，并停留2h以保证有机物完全除去，再以1℃/min的升温速率升到1400℃，停留4h保证电解质层致密化，得到致密电解质层。将多孔电解质层浆料直接涂覆在致密电解质层表面，然后浸没到去离子水中，停留2min取出，置于空气中干燥后，将其置于高温炉中以1℃/min的升温速率升到1050℃，恒温2h，则形成多孔电解质层/致密电解质层/多孔电解质层骨架。
(5)多孔电解质骨架中浸渍电极催化剂：将多孔电解质层/致密电解质层/多孔电解质层骨架两端分别浸入阳极电极催化剂浸渍液和阴极电极催化剂浸渍液，然后置于马弗炉中以1-3℃/min的升温速率升到800℃，停留2h则制备出一种具有有序孔结构电极的固体氧化物燃料电池。
实施例2：
(1)有序孔结构电解质层浆料的制备：将8mol％氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉体在350℃下预烧4h；按照质量比70：2：28称取预烧后的8YSZ粉体，聚醚砜和N甲基吡咯烷酮研磨配置成有序孔结构电解质层浆料；
(2)致密电解质层浆料的制备：称取一定质量预烧后的8YSZ粉体，加入鱼油作为分散剂和无水乙醇-甲苯混合溶剂，球磨24h后，再加入PVB和DOP分别作为粘结剂和增塑剂，球磨48h后得到致密电解质层浆料，鱼油含量占8YSZ粉体质量的1％，无水乙醇-甲苯(无水乙醇-甲苯质量比为2:3)含量为8YSZ粉体质量的75％，PVB含量为8YSZ粉体质量的8％，DOP含量为8YSZ粉体质量的8％；
(3)电极催化剂浸渍液的制备：阳极电极催化剂浸渍液：阳极催化剂目标产物为50wt％：50wt％的NiO-8YSZ，按目标产物化学式计量比，将Ni(NO3)2、Y(NO3)3和ZrOCl2溶于去离子水中，加入金属离子摩尔量的1.2倍的柠檬酸铵和适量硝酸调节pH约为2，配制成浓度为0.5mol/L的浸渍液；阴极电极催化剂浸渍液：阴极催化剂目标产物为60wt％：40wt％的LSM(La0.8Sr0.2MnO3)-8YSZ,按目标产物化学式计量比的La(NO3)3、Sr(NO3)2、Mn(NO3)2、Y(NO3)3和ZrOCl2溶于去离子水中，加入金属离子摩尔量的1.倍的柠檬酸铵和适量硝酸配制成浓度为0.5mol/L的浸渍液。
(4)多孔电解质层/致密电解质层/多孔电解质层骨架的制备：将致密电解质层浆料置于流延机中流延成型，得到致密电解质层素坯；将素坯置于高温炉中以1℃/min的升温速率升到800℃，并停留2h以保证有机物完全除去，再以1℃/min的升温速率升到1400℃，停留4h保证电解质层致密化，得到致密电解质层。将多孔电解质层浆料直接涂覆在致密电解质层表面，然后浸没到去离子水与无水乙醇混合液(无水乙醇与去离子水比例为1:1)中，停留2min取出，置于空气中干燥后，将其置于高温炉中以1℃/min的升温速率升到1050℃，恒温2h，则形成多孔电解质层/致密电解质层/多孔电解质层骨架。
(5)多孔电解质骨架中浸渍电极催化剂：将多孔电解质层/致密电解质层/多孔电解质层骨架两端分别浸入阳极电极催化剂浸渍液和阴极电极催化剂浸渍液，然后置于马弗炉中以1℃/min的升温速率升到800℃，停留2h则制备出一种具有有序孔结构电极的固体氧化物燃料电池。
实施例3：
(1)有序孔结构电解质层浆料的制备：将8mol％氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉体在350℃下预烧4h；按照质量比75：2：23称取预烧后的8YSZ粉体，聚醚砜和N，N-二甲基甲酰胺研磨配置成有序孔结构电解质层浆料；
(2)致密电解质层浆料的制备：称取一定质量预烧后的8YSZ粉体，加入鱼油作为分散剂和无水乙醇-甲苯混合溶剂，球磨24h后，再加入PVB和DOP分别作为粘结剂和增塑剂，球磨48h后得到致密电解质层浆料，鱼油含量占8YSZ粉体质量的1％，无水乙醇-甲苯(无水乙醇-甲苯质量比为2:3)含量为8YSZ粉体质量的75％，PVB含量为8YSZ粉体质量的8％，DOP含量为8YSZ粉体质量的8％；
(3)电极催化剂浸渍液的制备：阳极电极催化剂浸渍液：阳极催化剂目标产物为50wt％：50wt％的NiO-8YSZ，按目标产物化学式计量比，将Ni(NO3)2、Y(NO3)3和ZrOCl2溶于去离子水中，加入金属离子摩尔量的1.2倍的柠檬酸铵和适量硝酸调节pH约为2，配制成浓度为0.5mol/L的浸渍液；阴极电极催化剂浸渍液：阴极催化剂目标产物为60wt％：40wt％的LSM(La0.8Sr0.2MnO3)-8YSZ,按目标产物化学式计量比的La(NO3)3、Sr(NO3)2、Mn(NO3)2、Y(NO3)3和ZrOCl2溶于去离子水中，加入金属离子摩尔量的1.2倍的柠檬酸铵和适量硝酸配制成浓度为0.5mol/L的浸渍液。
(4)多孔电解质层/致密电解质层/多孔电解质层骨架的制备：将致密电解质层浆料置于流延机中流延成型，得到致密电解质层素坯；将素坯置于高温炉中以1℃/min的升温速率升到800℃，并停留2h以保证有机物完全除去，再以1℃/min的升温速率升到1400℃，停留4h保证电解质层致密化，得到致密电解质层。将多孔电解质层浆料直接涂覆在致密电解质层表面，然后浸没到去离子水中，停留2min取出，置于空气中干燥后，将其置于高温炉中以1℃/min的升温速率升到1050℃，恒温2h，则形成多孔电解质层/致密电解质层/多孔电解质层骨架。
(5)多孔电解质骨架中浸渍电极催化剂：将多孔电解质层/致密电解质层/多孔电解质层骨架两端分别浸入阳极电极催化剂浸渍液和阴极电极催化剂浸渍液，然后置于马弗炉中以1℃/min的升温速率升到500℃，停留2h，重复浸渍烧结5次，然后在800℃烧结2h，则制备出一种具有有序孔结构电极的固体氧化物燃料电池。

Claims (6)

1.具有有序孔结构电极的燃料电池的制备方法，其特征在于，其电极具有有序的柱状孔结构，电池结构为依次叠合的浸渍有电极催化剂的多孔电解质层/致密电解质层/浸渍有电极催化剂的多孔电解质层，包括以下步骤：
(1)有序孔结构电解质层浆料的制备：将8mol％氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉体在350～500℃下预烧2～4h；称取100g的预烧后的粉体，加入粉体质量2～6％的聚醚砜和粉体质量20～30％的N，N-二甲基甲酰胺研磨配置成多孔电解质层浆料；
(2)致密电解质层浆料的制备：称取300g预烧后的粉体，加入粉体质量的1～3％的鱼油作为分散剂和粉体质量的60～70％无水乙醇-甲苯(乙醇与甲苯质量比为2:3)混合溶剂，球磨4-24h后，再加入粉体质量3～8％的PVB和粉体质量3～8％DOP分别作为粘结剂和增塑剂，球磨24-48h后得到致密电解质层浆料；
(3)电极催化剂浸渍液的制备：阳极电极催化剂浸渍液：按NiO-8YSZ(60-40wt％)化学式计量比，将Ni(NO3)2、Y(NO3)3和ZrOCl2溶于去离子水中，加入金属离子摩尔量的1.2-1.5倍的柠檬酸铵和硝酸调节pH＝10，配制成0.25mol/L浓度的浸渍液；阴极电极催化剂浸渍液：按目标产物La0.8Sr0.2MnO3-8YSZ(50-50wt％)化学式计量比的La(NO3)3、Sr(NO3)2、Mn(NO3)2、Y(NO3)3和ZrOCl2溶于去离子水中，加入金属离子摩尔量的1.2-1.5倍的柠檬酸铵和适量硝酸配制成0.25mol/L浓度的浸渍液；
(4)多孔电解质层/致密电解质层/多孔电解质层骨架的制备：将致密电解质层浆料置于流延机中流延成型，得到致密电解质层素坯；将素坯置于高温炉中以0.5-5℃/min的升温速率从室温升到800℃，并停留1-5h以保证有机物完全除去，再以0.5-5℃/min的升温速率升到1300℃以上，停留4-8h保证电解质层致密化，得到致密电解质层；将多孔电解质层浆料涂覆在致密电解质层表面，然后浸没到相分离液中，停留1-10min取出，置于空气中或者烘箱中干燥后，将其置于高温炉中以1-5℃/min的升温速率从室温升到800-1200℃，恒温1-4h，则形成多孔电解质层/致密电解质层/多孔电解质层骨架；
(5)多孔电解质骨架中浸渍电极催化剂：将多孔电解质层/致密电解质层/多孔电解质层骨架两端或两侧分别浸入阳极电极催化剂浸渍液和阴极电极催化剂浸渍液，然后置于马弗炉中以1-3℃/min的升温速率从室温升到500-800℃，停留0.5-3h则制备出一种具有有序孔结构电极的固体氧化物燃料电池。
2.根据权利要求1所述具有有序孔结构电极的燃料电池的制备方法，其特征是，致密电解质层厚度100-250微米。
3.根据权利要求1所述具有有序孔结构电极的燃料电池的制备方法，其特征是，多孔电解质层厚度为50-250微米。
4.根据权利要求1所述具有有序孔结构电极的燃料电池的制备方法，其特征是，多孔电解质层浆料涂覆的方法可以采用直接涂覆、丝网印刷或者喷涂等其中的一种或者两种混合。
5.根据权利要求1所述具有有序孔结构电极的燃料电池的制备方法，其特征是，其中的相分离液为去离子水、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或者多种混合。
6.根据权利要求1所述具有有序孔结构电极的燃料电池的制备方法，其特征是，所述的致密电解质的半电池素坯裁剪成直径为10-100mm的圆片或者边长为10-20㎝的方片，在高温烧结后得到致密电解质支撑电池片。
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