[發明專利]一種石墨烯改性的固體氧化物燃料電池鎳基復合陽極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201310140959.0
• 申請日: 2013-04-22
• 公開（公告）號: CN103236550A
• 公開（公告）日: 2013-08-07
• 發明（設計）人: 張云;付東升;楊陽
• 申請（專利權）人: 陜西煤業化工技術研究院有限責任公司
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 蔡和平

技術領域

本發明涉及固體氧化物燃料電池（SOFC），具體地說是一種石墨烯改性的鎳基固體氧化物燃料電池復合陽極材料及其制備方法。

背景技術

2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯是由碳原子按照六邊形進行排布并相互連接而成的碳分子，其結構非常穩定。具有高導電性、高韌度、高強度、超大比表面積。石墨烯的厚度只有0.335納米，不僅薄且非常堅硬；作為單質，石墨烯中電子的遷移速度達到了光速的1/300；理想的單層石墨烯比表面積可達到2630m²/g，而普通的活性炭比表面積為1500m²/g，超大的比表面積使得其成為潛力巨大的儲能材料。石墨烯有望在在芯片、動力鋰電池的導電添加劑、超級電容器、觸摸屏、液晶顯示器、有機發光二級管、有機光伏電池等諸多領域得到應用。將石墨烯添加到復合物基體中，能改善復合物基體的性能，如導電性、機械性能、化學性能、阻隔性能以及導熱性能等，在復合材料領域的應用前景非常廣闊。

SOFC是效率最高的發電系統、特別是作為分散的電站，引起了各國科學家的廣泛興趣。隨著能源危機的加劇和對環保的日益關注，固體氧化物燃料電池的研究開發受到發達國家的普遍重視。高功率、低成本的陽極支撐薄膜電解質型SOFC體系因為具有很高的功率密度尤其受到國內外研究人員的關注。對于天然氣等碳氫化合物燃料的應用對固體氧化物燃料電池技術實用化的發展具有重要的意義，因此適應于天然氣等碳氫化合物燃料的各種陽極材料得到了廣泛研究，主要包括：鎳基陽極、銅基陽極、鈰基陽極、鈣鈦礦型陽極以及貴金屬陽極等。目前陽極主要采用的是Ni-YSZ（鎳-氧化釔穩定的氧化鋯）多孔金屬陶瓷，實現陽極的氣體傳質、電子傳導、離子傳導、催化重整和電催化反應等功能，有良好的催化活性、高電導率、高機械強度、與YSZ膜的良好匹配性和價格低廉等優點。

由于Ni-YSZ陽極是在高溫（一般大于1350℃）下燒結而成以確保膜的致密性，而且較高的Ni含量（約50wt.%）導致陽極中Ni的粒徑在微米級別，致使在傳統陽極中鎳與電解質材料間的界面接觸不好，鎳催化劑在還原過程中易于燒結長大，從而導致陽極活性較低，積碳較為嚴重；并且在電池的長期運行過程中，Ni和NiO之間的循環轉化會導致較大的體積變化，對電池結構產生嚴重破壞，導致電池性能降低。

發明內容

鑒于以上石墨烯的優點和SOFC鎳基陽極存在的缺點，本發明提供了一種石墨烯改性的固體氧化物燃料電池鎳基復合陽極材料及其制備方法，通過石墨烯的摻雜來阻止鎳顆粒的燒結粗化，提高陽極的抗循環氧化還原性能和電池性能。

本發明所要解決的第一個技術問題就是提供一種電化學性能及機械性能都穩定的石墨烯改性的固體氧化物燃料電池鎳基復合陽極材料，該材料制備的電極能提高陽極活性，減小陽極在運行過程中產生的體積變化，增加電極電導率及電池使用壽命；本發明所要解決的第二個技術問題是提供一種石墨烯改性的固體氧化物燃料電池鎳基復合陽極材料的制備方法。

本發明采用的具體技術方案如下：

一種石墨烯改性的固體氧化物燃料電池鎳基復合陽極材料，該材料由下述質量百分比的原料制備而成：

鎳基材料?????30-70%；

電解質材料???70-30%；

所述鎳基材料為氧化石墨烯摻雜的NiO材料，氧化石墨烯與NiO的質量比為0.001-0.3:1；

所述電解質材料為氧化釔穩定的氧化鋯YSZ、氧化鈧穩定的氧化鋯ScSZ、氧化鈰摻雜的氧化鋯CeSZ中的一種或二種以上混合，其中氧化釔、氧化鈧或者氧化鈰在摻雜的氧化鋯中的摩爾百分含量為0.05-25%。

相應地，本發明給出了制備石墨烯改性的固體氧化物燃料電池鎳基復合陽極材料的方法，包括下述步驟：

1）制備鎳基復合陽極材料：

采取將鎳的金屬鹽、氧化物或氫氧化物、YSZ與氧化石墨烯復合而成；

2）制備鎳基復合陽極/電解質二合一電池組件：

在上述制得的復合陽極材料中加入有機膠粘劑充分混合研磨，采用干壓法將鎳基復合陽極材料制備成復合陽極基底，在所述復合陽極基底上將電解質材料經涂覆和燒結，得到復合陽極/電解質二合一電池組件。

優選地，所述制備鎳基復合陽極材料通過下述方法制備：