CN109768292A - 一种固体氧化物燃料电池电化学极化原位制备阳极的方法 - Google Patents

一种固体氧化物燃料电池电化学极化原位制备阳极的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池电化学极化原位制备阳极的方法，具体包括以下步骤：（1）将阳极粉体与粘结剂按一定质量比混合研磨，得到均匀混合的阳极浆料；（2）将得到的阳极浆料涂覆在电解质片上，并在一定温度下烘烤一定时间，其中电解质片可为YSZ、GDC10或GDC20；（3）将电池在一定气氛中升温至一定温度；(4)对电池施加一定电流，进行一定时间的电化学极化，即可原位制备出阳极。通过电化学极化法原位制备的阳极，有效避免了传统阳极高温烧结制备法带来的工艺挑战。本发明具有制备条件温和可控，制备方法简单有效，在燃料电池电极制备领域有广泛的应用前景。

Description

一种固体氧化物燃料电池电化学极化原位制备阳极的方法
技术领域
本发明属于燃料电池电极材料制备技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池电化学极化原位制备阳极的方法。
背景技术
能源是奠定人类社会不断发展的重要基石，而燃料电池(Fuel Cell)技术的出现则为人类的能源利用方式改革带来了新的契机。固体氧化物燃料电池(SOFC)为效率最高的燃料电池，理论上可以将任何燃料(如氢、天然气、醇、气油、碳等)直接转化为电能。阳极是SOFC的重要组成部分。在众多阳极选材当中，镍的电子电导较高，并且对于H2氧化反应具有较高的催化活性，因此成为研究最为广泛的阳极材料。
在传统的电极制备工艺当中，普遍采取高温烧结（1200~1500oC）获得阳极与电解质之间的界面，但高温也使阳极发生明显烧结，结构粗糙化，使电极性能降低。本发明首创利用电化学极化法制备镍基阳极，在电池测试温区（500-900oC）即可原位形成良好的阳极与电解质之间的界面，避免了传统的高温烧结过程，最大程度地保留了阳极的亚微米、纳米结构。本发明对实现镍基阳极在固体氧化物燃料电池的开发应用意义重大。
发明内容
本发明提供了一种固体氧化物燃料电池电化学极化原位制备阳极的方法，利用电化学极化法原位制备含镍阳极，不经过传统高温阳极烧结过程，仅在电池运行温区（500~900℃）原位形成镍阳极层与YSZ电解质之间的界面。在保证电池输出相当功率的同时，极大程度上简化了电极的制备流程，制备方法简单有效，具备有利于实现规模化生产的特点。
为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案实施的：
一种固体氧化物燃料电池电化学极化原位制备阳极的方法，具体包括以下步骤：
（1）将阳极粉体与粘结剂按一定质量比放入玛瑙研钵，充分研磨混合均匀，得到阳极浆料；
（2）将阳极浆料涂覆在电解质基底上，放入烘箱，在一定温度下烘烤一定时间得到电池片；
（3）将电池在一定工作温度下和气氛中，施加一定电流，进行电化学极化，一定时间后原位生成阳极与电解质界面；
步骤（1）中，所述阳极粉体为NiO，或NiO与8mol% Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）混合物（Ni-YSZ），或NiO与Gd0.1Ce0.9O1.95（GDC10）混合物（Ni-GDC10），或NiO与Gd0.2Ce0.8O1.9（GDC20）混合物（Ni-GDC20）。
步骤（1）中，所述阳极粉体为混合物时，NiO与8mol% Y2O3稳定的ZrO2、NiO与Gd0.1Ce0.9O1.95、NiO与Gd0.2Ce0.8O1.9中任意一种的质量比为（4-9）：（6-1）。
步骤（1）中，所述粘结剂为松油醇或乙基纤维素与松油醇的混合物，其中乙基纤维素占混合物质量比为0.1~10%。
步骤（1）中，所述NiO粉体与粘结剂的质量比为（1-8）：（2-9）。
步骤（2）中，所述电解质片为YSZ、GDC10和GDC20中的一种。
步骤（2）中，所述烘烤温度为50℃~500℃。
步骤（2）中，所述烘烤时间为0.01~50h。
步骤（3）中，所述电池工作温度为500℃~900℃。
步骤（3）中，所述极化电流为1~2000mA·cm-2。
步骤（3）中，所述极化时间为0.01~100h。
本发明的显著优点在于：利用电化学极化法原位构筑固体氧化物燃料电池阳极，获得与电解质基底接触良好、覆盖均匀的镍基阳极。该法制备的阳极有效避免了高温界面固相反应以及颗粒团聚，能够满足电池对氢气催化活性、电子传导等需求。不经过传统高温阳极烧结过程，也能够制备出性能良好的阳极，且制备方法简单有效，在燃料电池电极制备领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1的电解质表面的SEM图；
图2为实施例1制备的阳极对应的电池功率密度曲线图；
图3为实施例2的电解质表面的SEM图；
图4为实施例2制备的复合阳极对应的电池功率密度曲线图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1：材料的制备
（1）利用干压法制备电解质YSZ支撑体，烧结制得厚度为0.35mm的圆形薄片，同时在电解质支撑体一侧旋涂GDC10隔离层并烧结，随后涂覆LSCF阴极并烧结；
（2）将NiO粉体与粘结剂松油醇按质量比5：5称量一同放入玛瑙研钵中，充分研磨均匀得到阳极浆料；
（3）将阳极浆料涂覆在电解质YSZ基底上，放入烘箱于150℃温度下烘烤2个小时备用；
（4）将电池片取出封接制得全电池，在800℃温度下和H2气氛中，施加250mA·cm-2电流，进行电化学极化，20小时后原位生成阳极与电解质界面；
实施例2：材料的制备
（1）利用干压法制备电解质YSZ支撑体，烧结制得厚度为0.35mm的圆形薄片，同时在电解质支撑体一侧旋涂GDC10隔离层并烧结，随后涂覆LSCF阴极并烧结；
（2）将NiO与GDC10按质量比4：1制得混合物复合阳极，与粘结剂松油醇按质量比5：5称量一同放入玛瑙研钵中，充分研磨均匀得到阳极浆料；
（3）将阳极浆料涂覆在电解质YSZ基底上，放入烘箱于150℃温度下烘烤2个小时备用；
（4）将电池片取出封接制得全电池，在800℃温度下和H2气氛中，施加500mA·cm-2电流，进行电化学极化，20小时后原位生成阳极与电解质界面；
实施例3：材料的制备
（1）利用干压法制备电解质YSZ支撑体，烧结制得厚度为0.35mm的圆形薄片，同时在电解质支撑体一侧旋涂GDC10隔离层并烧结，随后涂覆LSCF阴极并烧结；
（2）将NiO与YSZ按质量比4：1制得混合物复合阳极，与粘结剂松油醇按质量比5：5称量一同放入玛瑙研钵中，充分研磨均匀得到阳极浆料；
（3）将阳极浆料涂覆在电解质YSZ基底上，放入烘箱于150℃温度下烘烤2个小时备用；
（4）将电池片取出封接制得全电池，在800℃温度下和H2气氛中，施加500mA·cm-2电流，进行电化学极化，20小时后原位生成阳极与电解质界面；
性能表征：
图1为电解质表面的SEM图，其中阳极被剥离。阳极材料为NiO，在800℃和H2气氛中，施加250mA·cm-2极化电流极化20小时。由图可知，在经过电化学极化后，氢电极与电解质之间发生有效结合生成接触印记。
图2为采用原位极化制备的NiO阳极对应的电池功率密度曲线图。在800℃和H2气氛中，施加250mA·cm-2极化电流极化20小时。由图可知，峰值功率可达0.22W·cm-2，电池性能表现较为良好。
图3为电解质表面的SEM图，其中阳极被剥离。阳极材料为NiO与GDC10混合物，其中NiO与GDC10的质量比为4：1。在800℃和H2气氛中，施加500 mA·cm-2极化电流并极化20小时。由图可知，采用复合阳极材料时，通过电化学极化法，在电化学极化作用下也可使得电极与电解质形成有效界面接触结合。
图4为采用原位极化制备的复合阳极对应的电池功率密度曲线图，阳极材料为NiO与GDC10混合物，其中NiO与GDC10的质量比为4：1。在800℃和H2气氛中，施加500mA·cm-2极化电流极化20小时。由图可知，峰值功率可达0.32W·cm-2，较之纯NiO的峰值功率密度有所提升，说明电化学极化也能用于制备良好性能的Ni-GDC复合电极。

Claims (9)

1.一种固体氧化物燃料电池电化学极化原位制备阳极的方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：
（1）将阳极粉体与粘结剂按一定质量比研磨混合均匀，得到阳极浆料，将阳极浆料涂覆在电解质片上，在一定温度下烘烤一定时间；
（2）将电池在一定工作温度下和气氛中，施加电流进行电化学极化，即可原位制备最终的阳极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，阳极粉体为NiO，或NiO与8mol% Y2O3稳定的ZrO2混合物Ni-YSZ，或NiO与Gd0.1Ce0.9O1.95混合物 Ni-GDC10，或NiO与Gd0.2Ce0.8O1.9混合物 Ni-GDC20。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述阳极粉体为混合物时，NiO与8mol% Y2O3稳定的ZrO2、NiO与Gd0.1Ce0.9O1.95、NiO与Gd0.2Ce0.8O1.9中任意一种的质量比为（4-9）：（6-1）。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，粘结剂为松油醇或乙基纤维素与松油醇的混合物，其中乙基纤维素占混合物质量的0.1~10%。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述阳极粉体与粘结剂的质量比为（1-8）：（2-9）。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的电解质片为YSZ、GDC10和GDC20中的一种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，烘烤温度为50℃~500℃，烘烤时间为0.01~50h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，电池工作温度为500℃~900℃。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，极化电流为1~2000mA·cm-2，极化时间为0.01~100h。
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