CN111725526A - 一种原位构筑氧化物阳极的电化学方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种原位构筑氧化物阳极的电化学方法，包括以下步骤：（1）将LSCM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；（2）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；（3）在一定温度下和气氛中，对阳极施加电流，进行电化学极化，即可原位制备得到最终的氧化物阳极。该方法有利于制备出性能良好的阳极，且制备方法简单有效。

Description

一种原位构筑氧化物阳极的电化学方法
技术领域
本发明属于燃料电池电极材料制备技术领域，具体涉及一种原位构筑氧化物阳极的电化学方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效率的燃料电池，理论上可以将任何燃料气（如氢气、天然气、汽油等）直接转化为电能。阳极是SOFC的重要组成部分。Ni-YSZ金属陶瓷阳极具有出色的催化活性和优异的电导率，因此被广泛研究，但是，Ni-YSZ金属陶瓷的氧化还原稳定性差，对含硫及碳氢燃料的耐受性较低。而LSCM可以解决这些问题。LSCM具有很好的耐氧化还原性能，并且对H2以外的燃料具有较高的耐受性，所以LSCM是一种有希望的阳极材料。
在传统的电极制备工艺当中，普遍采取高温烧结（900-1300℃）获得阳极/电解质界面，但高温也会带来一些问题，比如结构粗糙化，使电极性能降低等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原位构筑氧化物阳极的电化学方法，该方法有利于制备出性能良好的阳极，且制备方法简单有效。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种原位构筑氧化物阳极的电化学方法，包括以下步骤：
（1）将LSCM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；
（2）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；
（3）在一定温度下和气氛中，对阳极施加电流，进行电化学极化，即可原位制备得到最终的氧化物阳极。
进一步地，所述步骤（1）中，所述LSCM阳极粉体为LaxSr1-xCryMn1-yO3，其中x为0.4-0.9，y为0.4-0.8。
进一步地，所述步骤（1）中，所述粘结剂为乙基纤维素与松油醇的混合物，其中乙基纤维素占混合物的质量百分比为0.1-10%。
进一步地，所述步骤（1）中，所述阳极粉体与粘结剂的混合物中，阳极粉体占混合物的质量百分比为20-70%。
进一步地，所述步骤（2）中，所述电解质为YSZ、GDC或LSGM。
进一步地，所述电解质为Yx1Zr1-x1O2、Gdx2Ce1-x2O2或Lax3Sr1-x3Gay3Mg1-y3O3，其中，x1为0.1-0.3，x2为0.1-0.3，x3为0.05-0.3，y3为0.05-0.3。
进一步地，所述步骤（2）中，烘烤温度为20-700℃，烘烤时间为0.1-20小时。
进一步地，所述步骤（3）中，电化学极化的温度为500-1000℃，气氛为单一可燃性气体或若干可燃性气体的合成气，包括H2、CH4以及CO-H2合成气。
进一步地，所述步骤（3）中，极化电流为10-2000mA·cm-2，极化时间为0.1-100小时。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：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的LSCM阳极。该方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，最大程度地保留了阳极的亚微米、纳米结构，能够满足电池对燃料气的催化活性、电子传导等需求。该方法不经过传统高温烧结过程，也能够制备出性能良好的阳极，且制备条件可控，制备方法简单有效，在燃料电池电极制备领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例的方法实现流程图。
图2为本发明实施例1的电解质表面的SEM图。
图3为本发明实施例1制备的阳极对应的电池功率密度曲线图。
图4为本发明实施例2的电解质表面的SEM图。
图5为本发明实施例2制备的阳极对应的电池功率密度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种原位构筑氧化物阳极的电化学方法，如图1所示，包括以下步骤：
（1）将LSCM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。
其中，所述LSCM阳极粉体为LaxSr1-xCryMn1-yO3，其中x为0.4-0.9，y为0.4-0.8。
所述粘结剂为乙基纤维素与松油醇的混合物，其中乙基纤维素占混合物的质量百分比为0.1-10%。
所述阳极粉体与粘结剂的混合物中，阳极粉体占混合物的质量百分比为20-70%。
（2）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。
其中，所述电解质为YSZ、GDC或LSGM，具体为Yx1Zr1-x1O2、Gdx2Ce1-x2O2或Lax3Sr1- x3Gay3Mg1-y3O3，其中，x1为0.1-0.3，x2为0.1-0.3，x3为0.05-0.3，y3为0.05-0.3。
烘烤温度为20-700℃，烘烤时间为0.1-20小时。
（3）在一定温度下和气氛中，对阳极施加电流，进行电化学极化，即可原位制备得到最终的氧化物阳极。
其中，电化学极化的温度为500-1000℃，气氛为单一可燃性气体或若干可燃性气体的合成气，包括H2、CH4以及CO-H2合成气。
极化电流为10-2000mA·cm-2，极化时间为0.1-100小时。
下面以几个具体实施例来具体说明本发明方法的制备过程。
实施例1
（1）利用干压法制备电解质YSZ支撑体，烧结制得厚度为0.42mm的圆形薄片，同时在电解质支撑体一侧旋涂GDC隔离层并烧结，随后涂覆LSCF阴极并烧结。
（2）将LSCM粉体与粘结剂2%乙基纤维素与松油醇的混合物按质量比6:4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25mA·cm-2电流，进行电化学极化5小时。
图2为电解质表面的SEM图，其中阳极被剥离。阳极材料为LSCM，在800℃和H2气氛中，施加25mA·cm-2极化电流极化5小时。由图可知，在经过电化学极化后，阳极与电解质之间发生相互作用，生成接触印记。
图3为采用电化学极化法制备的LSCM阳极对应的电池功率密度曲线图。在800℃和H2气氛中，施加25mA·cm-2极化电流极化5小时。由图可知，电池性能随着极化时间逐步增加，峰值功率可达0.09W·cm-2，电池性能表现较为良好。
实施例2
（1）利用干压法制备电解质YSZ支撑体，烧结制得厚度为0.42mm的圆形薄片，同时在电解质支撑体一侧旋涂GDC隔离层并烧结，随后涂覆LSCF阴极并烧结。
（2）将LSCM粉体与粘结剂2%乙基纤维素与松油醇的混合物按质量比6:4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5小时。
图4为电解质表面的SEM图，其中阳极被剥离。阳极材料为LSCM，在800℃和H2气氛中，施加250mA·cm-2极化电流极化5小时。由图可知，在经过电化学极化后，电解质表面留下更明显的接触印记，说明大电流促进了电极/电解质界面的原位生成。
图5为采用电化学极化法制备的LSCM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5小时。由图可知，电池性能随着极化时间逐步增加，并且性能增加幅度比小电流更大，峰值功率可达0.14W·cm-2，电池性能表现较为良好。
实施例3
（1）利用干压法制备电解质YSZ支撑体，烧结制得厚度为0.42mm的圆形薄片，同时在电解质支撑体一侧旋涂GDC隔离层并烧结，随后涂覆LSCF阴极并烧结。
（2）将LSCM粉体与粘结剂2%乙基纤维素与松油醇的混合物按质量比7:3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5小时。
实施例4
（1）利用干压法制备电解质YSZ支撑体，烧结制得厚度为0.42mm的圆形薄片，同时在电解质支撑体一侧旋涂GDC隔离层并烧结，随后涂覆LSCF阴极并烧结。
（2）将LSCM粉体与粘结剂2%乙基纤维素与松油醇的混合物按质量比3:7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5小时。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种原位构筑氧化物阳极的电化学方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将LSCM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；
（2）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；
（3）在一定温度下和气氛中，对阳极施加电流，进行电化学极化，即可原位制备得到最终的氧化物阳极。
2.根据权利要求1所述的一种原位构筑氧化物阳极的电化学方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述LSCM阳极粉体为LaxSr1-xCryMn1-yO3，其中x为0.4-0.9，y为0.4-0.8。
3.根据权利要求1所述的一种原位构筑氧化物阳极的电化学方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述粘结剂为乙基纤维素与松油醇的混合物，其中乙基纤维素占混合物的质量百分比为0.1-10%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述阳极粉体与粘结剂的混合物中，阳极粉体占混合物的质量百分比为20-70%。
5.根据权利要求1所述的一种原位构筑氧化物阳极的电化学方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述电解质为YSZ、GDC或LSGM。
6.根据权利要求5所述的一种原位构筑氧化物阳极的电化学方法，其特征在于，所述电解质为Yx1Zr1-x1O2、Gdx2Ce1-x2O2或Lax3Sr1-x3Gay3Mg1-y3O3，其中，x1为0.1-0.3，x2为0.1-0.3，x3为0.05-0.3，y3为0.05-0.3。
7.根据权利要求1所述的一种原位构筑氧化物阳极的电化学方法，其特征在于，所述步骤（2）中，烘烤温度为20-700℃，烘烤时间为0.1-20小时。
8.根据权利要求1所述的一种原位构筑氧化物阳极的电化学方法，其特征在于，所述步骤（3）中，电化学极化的温度为500-1000℃，气氛为单一可燃性气体或若干可燃性气体的合成气，包括H2、CH4以及CO-H2合成气。
9.根据权利要求1所述的一种原位构筑氧化物阳极的电化学方法，其特征在于，所述步骤（3）中，极化电流为10-2000mA·cm-2，极化时间为0.1-100小时。
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