CN110690459A - 一种提高熔融碳酸盐燃料电池电极催化性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高熔融碳酸盐燃料电池电极催化性能的方法，具体步骤为：(1)对羰基镍粉进行干燥处理；(2)将粘结剂和溶剂配制成溶液；(3)将羰基镍粉和溶液混合、抽真空去除气泡，得制备电极的浆料；(4)将浆料通过流延机流延到聚酯薄膜表面，干燥后得电极素坯；(5)将电极素坯切割成所需的尺寸；(6)选取石英砂作为磨料，采用负压式喷砂枪对电极表面进行均匀喷砂处理；(7)将喷砂处理后的电极抖去多余石英砂，用无水乙醇清洗去除残余石英砂粒即可。本发明的方法可有效去除电极表面可能存在的氧化膜和杂质，露出更多的镍催化剂，同时使电极表面变粗糙，增大电极的比表面积，进而增加催化活性，提高燃料电池的工作效率。

Description

一种提高熔融碳酸盐燃料电池电极催化性能的方法
技术领域
本发明属于熔融碳酸盐燃料电池领域，具体涉及一种提高熔融碳酸盐燃料电池电极催化性能的方法。
背景技术
燃料电池作为一种将燃料中的化学能直接转化为电能的能量转化装置，避免了传统发电过程中由于卡诺循环机理造成的热量损失，具有清洁高效、无噪音、近零排放等特点。因此，燃料电池在未来能源结构中占据重要的位置。
熔融碳酸盐燃料电池具有不依赖贵金属作为催化剂、可采用富氢气体作为燃料、可实现热电联供等优点，使得该燃料电池技术发展快速，目前已接近商业化水平。
电极作为燃料电池的重要组成部分，对整个燃料电池的催化活性、性能以及寿命有很大影响。在国内，流延法制备的镍电极被主要用作充当熔融碳酸盐燃料电池的电极。流延法是将细小的镍粉与粘结剂、溶剂等混合均匀，并将混合溶液通过流延机流延成片状电极素胚。该工艺制备的镍电极表面平整光滑，制备过程中电极表面的镍粉易氧化，生成一层氧化膜，影响电极的催化活性，进而降低燃料电池的效率。
喷砂工艺是指利用带有细小石英砂颗粒的高压气流冲击材料表面，将表层材料去除并且使材料表面由平整变粗糙的方法。喷砂工艺具有清除材料表面杂质或氧化膜、增加比表面积的作用，被广泛用于对材料性能的优化处理。
发明内容
针对以上现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种提高熔融碳酸盐燃料电池电极催化性能的方法，该方法在借鉴国外MCFC研究相关经验的基础上，对熔融碳酸盐燃料电池电极催化性能进行了优化，提高了电极在运行过程中的催化活性。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
(1)以羰基镍粉为导电活性材料，对其进行干燥处理；
(2)将粘结剂和溶剂配制成溶液，备用；
(3)将步骤(1)的羰基镍粉和步骤(2)的溶液按一定比例混合、搅拌均匀，然后抽真空去除气泡，得到电极制备所需的浆料；
(4)将步骤(3)所得浆料通过流延机流延到聚酯薄膜表面，干燥后即可得到电极素坯；
(5)将电极素坯切割成所需电极的尺寸；
(6)选取合适粒径的石英砂作为磨料，采用负压式喷砂枪对步骤(5)电极表面进行均匀喷砂处理；
(7)将喷砂处理后的电极抖去多余石英砂，然后用无水乙醇清洗去除残余石英砂粒即可。
优选的，步骤(1)中所述羰基镍粉型号为T255，干燥处理的温度为25～40℃，时间为8～10小时。
优选的，步骤(2)中所述粘结剂为羧甲基纤维素，所述溶剂为蒸馏水，羧甲基纤维素与蒸馏水混合后配置成质量分数为2-3％的CMC溶液，所述CMC溶液的粘度为20～50Pa·S。
优选的，步骤(3)中羰基镍粉与CMC溶液的质量比例为0.75-1，所述抽真空去除气泡将浆料静置1～2小时。
优选的，步骤(3)中流延机的流延速度为0.1-1m/min，聚酯薄膜的厚度为0.1-0.2mm。
优选的，步骤(4)中所得电极素坯的厚度为0.9～1.2mm。
优选的，步骤(6)中所述石英砂的粒径为0.5-1.0mm，所述负压式喷砂枪，包含一个进气接口、一个进砂接口和一个喷嘴。
优选的，步骤(6)中所述喷砂处理时负压式喷砂枪的进气压力为0.3-0.8MPa。
与现有技术效果比，本发明的有益效果为：
本发明是对流延法制备的镍电极表面进行喷砂处理，可有效去除电极表面可能存在的氧化膜和杂质，以露出更多的镍催化剂，同时使光滑的电极表面变得粗糙，以增大电极的比表面积，进而增加电极的催化活性，提高燃料电池的工作效率；另外，本发明采用石英砂为磨料是由于硬度大，颗粒均匀，除氧化膜效果好，而选用0.5-1.0mm石英砂是由于如果粒径小于0.5mm，会因为粒径过小，冲击力不足，而且细小沙粒容易嵌入电极表面，难以除去，而如果粒径大于1.0mm，会因为粒径过大，对电极冲击力过大，损害电极，并且电极比表面积增加不明显。
附图说明
图1为本发明实施例1经过喷砂处理的电极表面的SEM图。
具体实施方式
实施例1
一种提高熔融碳酸盐燃料电池电极催化性能的方法，包括如下步骤：
(1)以T255羰基镍粉为导电活性材料，在30℃温度下干燥处理9小时；
(2)以羧甲基纤维素钠(CMC)为粘结剂，蒸馏水为溶剂，配置成质量分数为2.5％的CMC溶液，备用；
(3)将步骤(1)的羰基镍粉和步骤(2)的溶液按0.75的质量比例混合、搅拌均匀，然后抽真空去除气泡，之后浆料静置1.5小时，得到电极制备所需的浆料；
(4)将步骤(3)所得浆料通过流延机流延到聚酯薄膜表面，干燥后即得到电极素坯，所得电极素坯的厚度为0.9mm；
(5)将电极素坯切割成所需电极的尺寸；
(6)选取0.5mm粒径的石英砂作为磨料，采用负压式喷砂枪对步骤(5)电极表面进行均匀喷砂处理；所述负压式喷砂枪，包含一个进气接口、一个进砂接口和一个喷嘴，进气压力控制为0.6MPa；
(7)将喷砂处理后的电极抖去多余石英砂，然后用无水乙醇清洗去除残余石英砂粒即可；
(8)经过SEM电镜分析，经喷砂处理后的表面粗糙度明显均匀增加，并可有效去除表面氧化膜和杂质。
本实施例SEM图如附图1所示。
实施例2
一种提高熔融碳酸盐燃料电池电极催化性能的方法，包括如下步骤：
(1)以T255羰基镍粉为导电活性材料，在35℃温度下干燥处理10小时；
(2)以羧甲基纤维素钠(CMC)为粘结剂，蒸馏水为溶剂，配置成质量分数为2.7％的CMC溶液，备用；
(3)将步骤(1)的羰基镍粉和步骤(2)的溶液按0.85的质量比例混合、搅拌均匀，然后抽真空去除气泡，之后浆料静置2小时，得到电极制备所需的浆料；
(4)将步骤(3)所得浆料通过流延机流延到聚酯薄膜表面，干燥后即得到电极素坯，所得电极素坯的厚度为1.0mm；
(5)将电极素坯切割成所需电极的尺寸；
(6)选取0.8mm粒径的石英砂作为磨料，采用负压式喷砂枪对步骤(5)电极表面进行均匀喷砂处理；所述负压式喷砂枪，包含一个进气接口、一个进砂接口和一个喷嘴，进气压力控制为0.8MPa；
(7)将喷砂处理后的电极抖去多余石英砂，然后用无水乙醇清洗去除残余石英砂粒即可；
(8)经过SEM电镜分析，经喷砂处理后的表面粗糙度明显均匀增加，并可有效去除表面氧化膜和杂质。
实施例3
一种提高熔融碳酸盐燃料电池电极催化性能的方法，包括如下步骤：
(1)以T255羰基镍粉为导电活性材料，在25～40℃温度下干燥处理8～10小时；
(2)以羧甲基纤维素钠(CMC)为粘结剂，蒸馏水为溶剂，配置成质量分数为2～3％的CMC溶液，备用；
(3)将步骤(1)的羰基镍粉和步骤(2)的溶液按1的质量比例混合、搅拌均匀，然后抽真空去除气泡，之后浆料静置1～2小时，得到电极制备所需的浆料；
(4)将步骤(3)所得浆料通过流延机流延到聚酯薄膜表面，干燥后即得到电极素坯所得电极素坯的厚度为1.1mm；；
(5)将电极素坯切割成所需电极的尺寸；
(6)选取1.0mm粒径的石英砂作为磨料，采用负压式喷砂枪对步骤(5)电极表面进行均匀喷砂处理；所述负压式喷砂枪，包含一个进气接口、一个进砂接口和一个喷嘴，进气压力控制为0.8MPa；
(7)将喷砂处理后的电极抖去多余石英砂，然后用无水乙醇清洗去除残余石英砂粒即可；
(8)经过SEM电镜分析，经喷砂处理后的表面粗糙度明显均匀增加，并可有效去除表面氧化膜和杂质。
实施例4
一种提高熔融碳酸盐燃料电池电极催化性能的方法，包括如下步骤：
(1)以T255羰基镍粉为导电活性材料，在40℃温度下干燥处理10小时；
(2)以羧甲基纤维素钠(CMC)为粘结剂，蒸馏水为溶剂，配置成质量分数为3％的CMC溶液，备用；
(3)将步骤(1)的羰基镍粉和步骤(2)的溶液按0.8的质量比混合、搅拌均匀，然后抽真空去除气泡，之后浆料静置2小时，得到电极制备所需的浆料；
(4)将步骤(3)所得浆料通过流延机流延到聚酯薄膜表面，干燥后即得到电极素坯所得电极素坯的厚度为1.1mm；
(5)将电极素坯切割成所需电极的尺寸；
(6)选取0.7mm粒径的石英砂作为磨料，采用负压式喷砂枪对步骤(5)电极表面进行均匀喷砂处理；所述负压式喷砂枪，包含一个进气接口、一个进砂接口和一个喷嘴，进气压力控制为0.7MPa；
(7)将喷砂处理后的电极抖去多余石英砂，然后用无水乙醇清洗去除残余石英砂粒即可。
经过SEM电镜分析，经喷砂处理后的表面粗糙度明显均匀增加，并可有效去除表面氧化膜和杂质。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种提高熔融碳酸盐燃料电池电极催化性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以羰基镍粉为导电活性材料，对其进行干燥处理；
(2)将粘结剂和溶剂配制成溶液，备用；
(3)将步骤(1)的羰基镍粉和步骤(2)的溶液按一定比例混合、搅拌均匀，然后抽真空去除气泡，得到电极制备所需的浆料；
(4)将步骤(3)所得浆料通过流延机流延到聚酯薄膜表面，干燥后即可得到电极素坯；
(5)将电极素坯切割成所需电极的尺寸；
(6)选取合适粒径的石英砂作为磨料，采用负压式喷砂枪对步骤(5)电极表面进行均匀喷砂处理；
(7)将喷砂处理后的电极抖去多余石英砂，然后用无水乙醇清洗去除残余石英砂粒即可。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述羰基镍粉型号为T255，干燥处理的温度为25～40℃，时间为8～10小时。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述粘结剂为羧甲基纤维素，所述溶剂为蒸馏水，羧甲基纤维素与蒸馏水混合后配置成质量分数为2-3％的CMC溶液，所述CMC溶液的粘度为20～50Pa·S。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)中羰基镍粉与CMC溶液的质量比例为0.75-1，所述抽真空去除气泡将浆料静置1～2小时。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中流延机的流延速度为0.1-1m/min，聚酯薄膜的厚度为0.1-0.2mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所得电极素坯的厚度为0.9～1.2mm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)中所述石英砂的粒径为0.5-1.0mm，所述负压式喷砂枪，包含一个进气接口、一个进砂接口和一个喷嘴。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)中所述喷砂处理时负压式喷砂枪的进气压力为0.3-0.8MPa。
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