[發明專利]一種高孔隙率長孔道固體氧化物燃料電池電極的制備方法

無效

• 申請號: 201410411991.2
• 申請日: 2014-08-19
• 公開（公告）號: CN104157885A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 由宏新;曲斌;管亞軍;劉潤杰
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 趙連明

技術領域

本發明屬于功能陶瓷技術領域，涉及到造孔劑的選擇和多孔電極制備過程與加工，特別是涉及到制造高比表的多孔電極的固體氧化物燃料電池的制作方法。

背景技術

固體氧化物燃料電池為新型的能量轉換設備，它具有高效率、低污染的優點，受到廣泛的關注。固體氧化物燃料電池的電極為多孔金屬或金屬氧化物陶瓷。電極的多孔結構對電極形成氣體、催化劑、電解質的三相界面十分重要。只有形成充分的三相界面，電池才能具有良好的性能。專利CN103825032A在制備電池陽極時用面粉做造孔劑；專利CN103811788A在制備電池電極時用粉狀的乙基纖維素加液體松油醇做造孔劑；專利CN103794804A在制備電池電極時用粉狀的乙基纖維素、淀粉、液體松油醇聚、丙醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇縮丁醛做造孔劑；專利CN103752831A一種多孔金屬膜的制備方法中，造孔劑采用粒狀尿素、聚甲基丙烯酸甲酯、粉狀的淀粉、氯化鈉、碳酸鈣等。粉狀、粒狀或液體造孔劑雖然能在電極燒結過程中，形成孔隙，但在電池上孔隙是不連續的，由此對電池燃料氣在電極的擴散產生阻力，影響電池性能的提高。文獻The?influence?of?pore?and?Ni?morphology?on?the?electrical?conductivity?of?porous?Ni/YSZ?composite?anodes?for?use?in?solid?oxide?fuel?cell?applications.Clemmer?R?M?C,Corbin?S?F.Solid?State?Ionics,2009,180(9–10):721-730中，使用石墨為造孔劑，制備多孔的鎳基陽極，但是石磨著火點高，需要在900℃以上才能燒掉，由于制備的陽極材料可能選用Cu等熔點相對較低的材料，利用其低的催化活性提高抗積碳性能，因此需要降低陽極的燒結溫度。

隨著研究的不斷深入，在文獻Methane?pyrolysis:thermodynamics.Guéret?C,Daroux?M,Billaud?F.Chemical?Engineering?Science,1997,52(5)中，研究者們發現以甲烷為燃料引起的積碳現象是由于溫度高于800K時，甲烷就會裂解而產生碳，優良的陽極材料與制備方法只能通過增大孔隙率進而增加三相界面以及降低電極電阻來降低積碳速率，即使以鈣鈦礦結構材料為陽極也同樣會產生積碳。在積碳情況下孔隙降低，影響電池使用甲烷作燃料的長期穩定性。

發明內容

為了實現孔隙的連通，提高電池的性能，本發明的目的是提供一種高孔隙率長孔道固體氧化物燃料電池電極的制備方法，采用新的材料作為固體氧化物燃料電池電極造孔劑，通過研磨和煅燒途徑，以廉價的造孔介質以制備高孔隙率以及具有長孔道結構的電池電極，以解決三相界面較少而積碳及低熔點電極材料制備過程中燒結溫度過高的問題。

本發明的技術方案如下：

一種高孔隙率長孔道固體氧化物燃料電池電極的制備方法，按質量比3:2～4:1稱取催化劑和電解質，放入研磨器具中研磨均勻，之后加入無水乙醇再研磨至均勻；將一定量的韌性絲狀含碳材料放入干燥箱中干燥1-2小時，加入催化劑和電解質總質量的1wt％～20wt％的韌性絲狀含碳材料至研缽，繼續研磨至沒有明顯絲狀材料；再加入催化劑和電解質總質量的30wt％～50wt％的粘結劑(4:1的α-松油醇和乙基纖維素)研磨均勻形成電極材料；拾取制備的電極材料涂覆于固體氧化物燃料電池電解質一側，放入馬弗爐中加熱使得韌性絲狀含碳材料充分燒掉；自然冷卻降至室溫得到所需高孔隙率及長孔道結構的電極。

催化劑可以是鎳基催化劑、氧化鈰基催化劑或鈣鈦礦結構的催化劑。

電解質可以是螢石結構的電解質和鈣鈦礦結構的電解質。

韌性絲狀含碳材料可以是脫脂棉、棉花、真絲、絲狀碳纖維、絲狀聚丙烯纖維、滌綸纖維等韌性絲狀材料。

具體原理如下：

由于選用的絲狀材料具有韌性且不易斷裂，需要在加入絲狀材料研磨之前，先將電極材料粉末研磨均勻，使其顆粒盡可能小，再加入絲狀材料研磨。

加入絲狀材料的電極在馬弗爐煅燒的過程中，絲狀材料在發生燃燒的溫度以上恒溫1-2小時，絲狀材料會被燒掉，產生孔隙和孔道。然后繼續加熱至電極成型溫度，恒溫1-2小時，即可獲得燒結性較好的高孔隙率和長孔道結構的電池電極。混有絲狀材料的電極材料可直接作為電極材料制備電極支撐燃料電池，材料中的絲狀材料可在電池煅燒過程中直接煅燒掉。