一種針狀分布的固體氧化物燃料電池陽極制備工藝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]
本發(fā)明涉及一種針狀分布的固體氧化物燃料電池陽極制備工藝方法，屬于固體氧化物燃料電池(SOFC)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]
固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種可以直接把燃料的化學(xué)能高效地轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，具有效率高、污染低和燃料來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)。單體SOFC的主要組成部分包括電解質(zhì)、陰極、陽極等。電解質(zhì)起到的主要作用是在電極間傳導(dǎo)離子和隔絕反應(yīng)氣體；陰極的作用是促進(jìn)氧化性氣體的解離和擴(kuò)散；陽極能夠?qū)θ剂蠚怏w的氧化起到催化作用。目前最有應(yīng)用前景的SOFC是陽極支撐型電池。陽極支撐型SOFC中，陽極除了作為支撐體，還是燃料電化學(xué)氧化反應(yīng)的催化劑，并提供反應(yīng)界面。
[0003]最常用的SOFC陽極是1970年Spacil等人提出的Ni/YSZ金屬陶瓷復(fù)合陽極。Ni/YSZ復(fù)合陽極中，Ni是純電子導(dǎo)電相，YSZ是純離子導(dǎo)電相，當(dāng)Ni的摻雜量大于30 vol%時(shí)，陽極將從YSZ主導(dǎo)的離子導(dǎo)電性轉(zhuǎn)變成Ni金屬主導(dǎo)的電子導(dǎo)電性，并且電導(dǎo)率還會隨著Ni含量的增加而提升。傳統(tǒng)SOFC陽極的制作是通過流延-共燒形成的，一般要經(jīng)過1400 V以上的燒結(jié)過程。如此高溫下，陽極中的Ni催化劑顆粒非常容易發(fā)生燒結(jié)，導(dǎo)致顆粒長大，降低催化活性，最終影響電池的輸出性能。
[0004]催化工業(yè)中常用浸漬法來制備非均相擔(dān)載型催化劑，近期這項(xiàng)技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于SOFC電極的制備上。一般需要事先制備多孔骨架，然后將含有催化劑相的浸漬液引入多孔骨架中，再將溶液中的溶劑去除，還需要在較低溫度下(低于800°C )熱處理或者還原等步驟才能得到理想的陽極。這種技術(shù)的一個(gè)最大問題是需要多次循環(huán)，制備周期較長、能耗較大。此外，這種方法引入的催化劑顆粒一般附著于多孔骨架的內(nèi)壁上，導(dǎo)致大量顆粒的表面積被覆蓋，不利于陽極對燃料氣的催化作用。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于，提供一種針狀分布的固體氧化物燃料電池陽極制備工藝方法。
[0007]本發(fā)明所述的一種針狀分布的固體氧化物燃料電池陽極制備方法，包括以下步驟:
步驟1:制備多孔骨架用于陽極制備，成型溫度范圍在1200-1600°c之間；
步驟2:制備熱飽和浸漬液，并將制備好的多孔骨架浸入50~200°C的熱飽和溶液中，或?qū)犸柡腿芤鹤⑷攵嗫坠羌苤?，此過程中需要保證多孔骨架的溫度不低于熱飽和溶液的溫度； 步驟3:將浸漬好的多孔骨架放置于零下20°C到零上20°C的環(huán)境下進(jìn)行冷卻處理；步驟4:將浸漬液引入多孔骨架后，將多孔骨架在350-650°C之間的溫度下進(jìn)行焙燒分解處理；
步驟5:重復(fù)浸漬和焙燒過程若干次，直到多孔骨架浸漬增重達(dá)10%-70%為止；
步驟6:空氣氣氛下，將浸漬陽極在700-900°C溫度下燒結(jié)0.5-2小時(shí)，進(jìn)行進(jìn)一步分解和老化；
步驟7:在700-900°C的溫度下通入氫氣進(jìn)行還原0.5-2小時(shí)，使催化劑的氧化物還原為金屬態(tài)單質(zhì)。
[0008]其中，所述多孔骨架材料為氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ )、釤/釓摻雜的氧化鈰(SDC或GDC)、氧化招中的一種；造孔劑材料為面粉、其它淀粉、石墨、乙基纖維素、PMMA等有機(jī)軟模板劑材料或者能夠用硝酸除去的硬模板劑材料中的一種；多孔骨架的成型工藝為壓片法、流延法、噴涂法中的一種；所述制備陽極所需的浸漬液的溶質(zhì)為金屬的硝酸鹽、銨鹽、草酸鹽或者其他有機(jī)酸鹽中的一種；其中金屬元素為N1、Cu、Co、Ce、Ag、Au、Pt、Pd、Ru、Rh及其他金屬元素中的一種；浸漬液的溶液為水、醇類或醚類中的一種；浸漬液中可以加入有機(jī)分散劑，有機(jī)分散劑為醇類、有機(jī)酸類、尿素、氨水、PVA、PVB、PVP等有機(jī)物中的一種或多種；
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一種針狀分布的固體氧化物燃料電池陽極制備工藝方法具有以下優(yōu)點(diǎn):
所述原料來源廣泛，均有市售。制備過程簡單，與傳統(tǒng)浸漬制備方法相比，縮短制備周期，同時(shí)降低了所需能耗。本發(fā)明所述的浸漬淬火法制備的陽極仍能保持常規(guī)浸漬法所具有的避免高溫?zé)Y(jié)、不改變熱膨脹系數(shù)、大孔隙率等優(yōu)勢，除固體氧化物電池陽極制備領(lǐng)域外，還可以用于其它領(lǐng)域擔(dān)載型催化劑制備，節(jié)省催化劑組分消耗量，具有較大的應(yīng)用前景。
【具體實(shí)施方式】
[0009]
為了進(jìn)一步說明本發(fā)明，列舉以下實(shí)施例，并不限制發(fā)明的范圍。
[0010]實(shí)施例1
步驟1:制備多孔骨架用于陽極制備，多孔骨架材料為氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)，造孔劑材料為面粉，多孔骨架的成型工藝為壓片法，成型溫度范圍在1200°c ;
步驟2:制備熱飽和浸漬液，浸漬液的溶質(zhì)為金屬Ni的硝酸鹽，浸漬液的溶液為水，浸漬液中加入醇類有機(jī)分散劑，并將制備好的多孔骨架浸入50°C的熱飽和溶液中，或?qū)犸柡腿芤鹤⑷攵嗫坠羌苤?，此過程中需要保證多孔骨架的溫度不低于熱飽和溶液的溫度；步驟3:將浸漬液引入多孔骨架后，將多孔骨架在零下20°C的溫度下進(jìn)行冷卻，然后在350°C的溫度下進(jìn)行焙燒分解處理；
步驟4:重復(fù)浸漬和焙燒過程若干次，直到多孔骨架浸漬增重達(dá)20%為止；
步驟5:空氣氣氛下，將浸漬陽極在700溫度下燒結(jié)2小時(shí)，進(jìn)行進(jìn)一步分解和老化； 步驟6:在700的溫度下通入氫氣進(jìn)行還原2小時(shí)，使催化劑的氧化物還原為金屬態(tài)單質(zhì)。
[0011]實(shí)施例2
步驟1:制備多孔骨架用于陽極制備，多孔骨架材料為釓摻雜的氧化鈰(GDC)，造孔劑材料為石墨，多孔骨架的成型工藝為噴涂法，成型溫度范圍在1300°C ；
步驟2:制備熱飽和浸漬液，浸漬液的溶質(zhì)為金屬Cu的硝酸鹽，浸漬液的溶液為醇類，浸漬液中加入有機(jī)酸類有機(jī)分散劑，并將制備好的多孔骨架浸入200°C的熱飽和溶液中，或?qū)犸柡腿芤鹤⑷攵嗫坠羌苤?，此過程中需要保證多孔骨架的溫度不低于熱飽和溶液的溫度；
步驟3:將浸漬液引入多孔骨架后，在