[發(fā)明專利]微通道結(jié)構(gòu)的固體氧化物電解池陽極的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110103716.0
• 申請日: 2011-04-25
• 公開（公告）號: CN102191512A
• 公開（公告）日: 2011-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 于波;張文強;徐景明
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: C25B11/03
• 分類號: C25B11/03;C25B11/04;C25B1/02
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 朱印康

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高溫蒸汽電解制氫和固體氧化物電解池領(lǐng)域，特別涉及一種微通道結(jié)構(gòu)的固體氧化物電解池陽極的制備方法。

背景技術(shù)

固體氧化物燃料電池(Solid?Oxide?Fuel?Cells，SOFC)是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，由于具備高效、環(huán)保和燃料適用范圍廣等優(yōu)點，近年來在分布式發(fā)電和交通工具等領(lǐng)域越來越受到人們的重視。將SOFC逆向運行制備的固體氧化物電解池(Solid?Oxide?Electrolytic?Cells，SOEC)，在高溫下電解水蒸汽的制氫的效率可以高達(dá)45～59％(制氫效率定義為所制得氫的能量含量與制氫所用的能量之比)，被認(rèn)為是未來氫能經(jīng)濟時代大規(guī)模制氫方法之一，已成為當(dāng)前國際能源領(lǐng)域的研究熱點。

雖然SOEC技術(shù)發(fā)展很快，但從目前的研究結(jié)果上也暴露出電解過程中衰減問題亟待解決。國際固態(tài)能源轉(zhuǎn)換聯(lián)盟(SECA)關(guān)于固態(tài)氧化物燃料電池/電解池堆的穩(wěn)定性目標(biāo)是衰減速率0.1％/1000小時，但是目前美國Idaho實驗室模塊化電堆運行1000小時衰減速率超過30％；歐洲HiH2電堆的衰減速率也超過6％/1000小時，運行穩(wěn)定性離實用化有一定的距離。陽極結(jié)構(gòu)和組成變化導(dǎo)致的衰減是影響電解池性能的關(guān)鍵：1)電解過程中陽極的劇烈析氧反應(yīng)會導(dǎo)致陽極和電解質(zhì)界面脫層；2)電解池堆高溫長期運行，連接體材料中的鉻高價化合物會導(dǎo)致陽極中毒和三相界面結(jié)構(gòu)破壞，極化電阻明顯增加。總之，界面脫層和鉻中毒這兩方面是陽極衰減失效的重要原因。

電解是電池的逆過程，目前高溫固體氧化物燃料電池(SOFC)的成熟技術(shù)可以考慮用于SOEC。但是當(dāng)電池模式轉(zhuǎn)換為電解模式后，電池的工作環(huán)境和氧的傳遞方向發(fā)生了明顯改變。電解析氧過程中的界面脫層和鉻中毒形成高阻相會引起陽極性能快速衰減，無法滿足SOEC操作的要求。因此簡單的將成熟的SOFC陽極結(jié)構(gòu)和組成材料應(yīng)用于SOEC研究具有很大的局限性，開發(fā)新型微通道結(jié)構(gòu)的固體氧化物電解池陽極為解決SOEC陽極衰減問題提供一條新途徑。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決背景技術(shù)中所述的問題，使用界面增強技術(shù)開發(fā)新型微通道結(jié)構(gòu)陽極解決SOEC陽極衰減問題，提供一種微通道結(jié)構(gòu)的固體氧化物電解池陽極的制備方法，其特征在于，采用低溫自蔓延法制備抗鉻陽極粉體，采用真空干燥法制備陽極微通道素坯，采用浸滲法將抗鉻陽極粉體均勻沉積于陽極微通道素坯微孔內(nèi)，再在高溫爐中燒結(jié)，制得微通道結(jié)構(gòu)的固體氧化物電解池陽極，具體的步驟如下：

1)依照化學(xué)式La_xM_1-xNi_0.6Fe_0.4O₃，其中摻雜元素M為Ba、Sm、Ce和Pr四種元素中的至少一種，按照化學(xué)計量比配制La³⁺、Ni²⁺、Fe³⁺和Mⁿ⁺的硝酸鹽混合溶液，按摩爾比為，EDTA∶所有金屬離子＝1∶1，邊攪拌邊將配制的La³⁺、Ni²⁺、Fe³⁺和Mⁿ⁺的硝酸鹽混合溶液加入到EDTA(乙二胺四乙酸)的NH₃·H₂O溶液中，在水浴加熱溫度為60～90℃的條件下加熱0.5～4小時，制得混合溶液；

2)在步驟1)所得的混合溶液中，按摩爾比為，EDTA∶檸檬酸∶所有金屬離子＝1∶1.5∶1加入檸檬酸，再加氨水調(diào)pH到6～7，在水浴加熱溫度為60～90℃的條件下加熱并高速攪拌2小時，最后在溫度為120～150℃烘干溶液至膠狀，制得膠狀物；

3)將步驟2)得到的膠狀物加熱至發(fā)生低溫自蔓延燃燒得到抗鉻陽極的初次粉體，然后在溫度為800～1100℃煅燒4～6小時，得到的目標(biāo)粉體為抗鉻陽極粉體；

4)將去離子水、8YSZ(8％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯)粉體和分散劑按體積比A∶B∶1制得漿料進行球磨，其中，A為60～70，B為29～39，得到穩(wěn)定的混合漿料后加入0.5～1.5wt％的粘結(jié)劑，再將加入粘結(jié)劑的混合漿料放到溫度為-20～-40℃的低溫下進行冷凍，然后將冷凍好的試樣真空干燥10～15小時，固態(tài)的水完全升華排出得到陽極微通道素坯，即以YSZ為主體框架的微通道結(jié)構(gòu)基體。