一种固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极制备方法

1.本发明涉及固体氧化物燃料电池领域，特别涉及一种固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极的制备方法


背景技术：

2.固体氧化物燃料电池（sofc）的特有结构和工作方式，使其有望成为一种高性能、低成本的电池，为解决当今世界能源和环境问题提供一种新的技术途径。其中，作为sofc核心部件之一，阳极材料是保证sofc电化学反应顺利发生的关键。
3.当前，ni基催化剂由于其高电子导电率、高催化活性、低成本等优势是综合效果最好的sofc阳极材料。然而，ni金属和电解质之间的热相容性通常非常差，导致电池操作期间的剥离。为了克服这一问题，通常将一定量的ysz与ni结合以构成ni-ysz复合阳极材料。ysz的加入可以有效抑制ni在高温下的团聚和烧结。
4.目前，ni-ysz阳极支撑体作为最具潜力的阳极材料之一，具有高催化活性以及较好的机械强度等优点，但仍需进一步优化阳极结构，保持足够的孔隙率及反应位点，进而提升sofc性能。
5.基于以上原因，本发明设计一种固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极，具备指状孔微观结构，有利于阳极侧反应的进行及sofc性能的提升。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的在于提供一种固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极制备方法，包括以下步骤：（1）将氧化镍粉末、ysz 粉末通过湿磨法混合，烘干后进行预烧结，最后进行研磨与过筛，制得指状孔镍基阳极支撑体复合粉末；（2）将聚乙烯吡咯烷酮、聚醚砜、n-甲基吡咯烷酮采用电动搅拌器持续搅拌混合均匀，得到黄色透明的溶液。然后将制备的镍基阳极支撑体复合粉末加入溶液，持续搅拌得到混合均匀的指状孔镍基阳极支撑体流延浆料；将石墨粉末、粘结剂、增塑剂和增塑剂通过湿磨法混合均匀，得到石墨流延浆料；（3）在平整光滑的玻璃板上平行的贴上两条透明胶带，厚度为2 mm，长度为15 cm，两条胶带的间距为10 cm。先于玻璃板上流延一层石墨层，待溶剂挥发到石墨流延浆料形成胶膜后，再于其上流延一层镍基阳极层，形成阳极复合流延层；（4）将覆有复合流延层的玻璃板水平放于水中浸泡，浸泡时间为12-24 小时，凝固后取出擦干，制得指状孔镍基阳极支撑体前驱体；（5）将制得的指状孔镍基阳极支撑体前驱体进行压片和烧结，制得固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极支撑体。
[0008] 优选地，所述步骤（1）中湿磨法混合，氧化镍粉末、ysz粉末质量比为6:4，采用无水乙醇为介质，以200 rmp/分钟的转速球磨5小时。
[0009] 优选地，所述步骤（1）中预烧结温度为1000 ℃，升温速率为7 ℃/分钟，保温10 小时，然后自然冷却至室温。
[0010]
优选地，所述步骤（1）中过筛，采用200目的筛网过筛指状孔镍基阳极复合粉末。
[0011]
优选地，所述步骤（2）中聚乙烯吡咯烷酮、聚醚砜、n-甲基吡咯烷酮质量比为0.1:1:4，采用电动搅拌器持续搅拌6小时后得到黄色透明溶液。
[0012] 优选地，所述步骤（2）中将指状孔镍基阳极支撑体复合粉末分次加入溶液后，继续搅拌6 小时制得混合均匀的指状孔镍基阳极流延浆料。
[0013] 优选地，所述步骤（2）中石墨流延浆料，粘结剂为1wt%聚乙烯醇缩丁醛-乙醇溶液，增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯、聚乙二醇，分散剂为三乙醇胺，湿磨介质为无水乙醇，以200 rmp/分钟的转速球磨8小时。
[0014]
优选地，所述步骤（2）中石墨粉体、1wt%聚乙烯醇缩丁醛-乙醇溶液、邻苯二甲酸二辛酯、聚乙二醇、三乙醇胺、无水乙醇质量比为:12:2:1:0.5:1:20。
[0015]
优选地，所述步骤（4）中浸泡时间为12小时。
[0016] 优选地，所述步骤（5）中压片，采用直径18 mm的模具将前驱体打成数量不等的圆形阳极生胚。
[0017]
优选地，所述步骤（5）中烧结，将阳极生胚置于马弗炉中，以2 ℃/分钟的升温速率上升至500 ℃，保温1小时，再以1.5 ℃/分钟的升温速率上升至1100 ℃，保温2小时，然后以3 ℃/分钟的降温速率下降至室温，制得指状孔镍基阳极支撑体。
[0018]
图1为本发明一种固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极的流延工艺流程示意图。
[0019]
图2为本发明一种固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极的结构示意图。
具体实施方式
[0020][0021]
实例1:（1）将氧化镍粉末、ysz 粉末按照质量比6:4称取于球磨罐中，以无水乙醇为介质进行湿磨，转速为200 rmp/分钟，球磨5小时；烘干后进行预烧结，预烧结温度为1000 ℃，保温10 小时，升温速率为7 ℃/分钟；最后进行研磨与200目过筛，制得指状孔镍基阳极支撑体复合粉末。
[0022]
（2）采用电动搅拌器将聚乙烯吡咯烷酮、聚醚砜、n-甲基吡咯烷酮按照质量比为0.1:1:4持续搅拌6 小时至混合均匀，得到黄色透明的溶液。将制备的镍基阳极支撑体复合粉末分两次加入溶液，继续搅拌6 小时得到混合均匀的指状孔镍基阳极支撑体流延浆料；将石墨粉体、1wt%聚乙烯醇缩丁醛-乙醇溶液、邻苯二甲酸二辛酯、聚乙二醇、三乙醇胺、无水乙醇按照质量比为:12:2:1:0.5:1:20进行湿磨，无水乙醇为介质，200 rmp/分钟的转速球磨8小时。
[0023]
（3）在平整光滑的玻璃板上平行的贴上两条透明胶带，厚度为2 mm，长度为15 cm，两条胶带的间距为10 cm。先于玻璃板上流延一层石墨层，待溶剂挥发到石墨流延浆料形成胶膜后，再于其上流延一层镍基阳极层，形成阳极复合流延层；
（4）将覆有复合流延层的玻璃板水平放于水中浸泡，浸泡时间为12 小时，凝固后取出擦干，制得指状孔镍基阳极支撑体前驱体；（5）采用直径18 mm的模具将制得的指状孔镍基阳极支撑体前驱体打成数量不等的阳极生胚；将阳极生胚置于马弗炉中，以2 ℃/分钟的升温速率上升至500 ℃，保温1小时，再以1 ℃/分钟的升温速率上升至1100 ℃，保温2小时，然后以3 ℃/分钟的降温速率下降至室温，制得指状孔镍基阳极支撑体。
[0024]
至此，指状孔镍基阳极支撑体制备完毕。
[0025]
采用指状孔镍基阳极为支撑体（ni-ysz），ysz为电解质，la
0.8
sr
0.2
mn03(lsm) 作阴极，构成电池:h2, ni-ysz (500 μm)| ysz | lsm, air该电池开路电压为1.09 v， 在750 ℃，800 ℃和850 ℃时最大功率密度分别为396、598和855 mw cm-2
。


技术特征：
1.一种固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极支撑体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）制备指状孔镍基阳极支撑体复合粉末将氧化镍粉末、8wt%y2o
3-zro
2 (ysz)粉末通过湿磨法混合，烘干后进行预烧结，最后进行研磨与过筛，制得指状孔镍基阳极支撑体复合粉末；（2）制备指状孔镍基阳极支撑体流延浆料以及石墨流延浆料将聚乙烯吡咯烷酮、聚醚砜、n-甲基吡咯烷酮采用电动搅拌器持续搅拌混合均匀，得到黄色透明的溶液。将制备的镍基阳极支撑体复合粉末加入溶液，持续搅拌得到混合均匀的指状孔镍基阳极支撑体流延浆料；将石墨粉末、粘结剂、增塑剂和分散剂通过湿磨法混合均匀，得到石墨流延浆料；（3）流延在平整光滑的玻璃板上平行的贴上两条透明胶带，厚度为2 mm，长度为15 cm，两条胶带的间距为10 cm。先于玻璃板上流延一层石墨层，待溶剂挥发到石墨流延浆料形成胶膜后，再于其上流延一层镍基阳极层，形成阳极复合流延层；（4）固化将覆有复合流延层的玻璃板水平放于水中浸泡，浸泡时间为12-24 小时，凝固后取出擦干，制得指状孔镍基阳极支撑体前驱体；（5）将步骤（4）制得的指状孔镍基阳极支撑体前驱体进行压片和烧结，制得固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极支撑体。2. 根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极的制备方法，其特征在于步骤（1）所述的湿磨法混合，氧化镍粉末、ysz 粉末质量比为6:4，采用无水乙醇为介质，以200 rmp/分钟的转速球磨5小时。3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极的制备方法，其特征在于步骤（1）所述的预烧结温度为1000 ℃，保温10 小时，升温速率为5-7 ℃/分钟，然后自然冷却至室温。4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极的制备方法，其特征在于步骤（2）所述的聚乙烯吡咯烷酮、聚醚砜、n-甲基吡咯烷酮质量比为0.1:1:4，采用电动搅拌器持续搅拌6小时后得到黄色透明溶液。5.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极的制备方法，其特征在于步骤（2）所述的将指状孔镍基阳极支撑体复合粉末分次加入溶液后，继续搅拌6 小时制得混合均匀的指状孔镍基阳极流延浆料。6.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极的制备方法，其特征在于步骤（2）所述的石墨流延浆料，粘结剂为1wt%聚乙烯醇缩丁醛-乙醇溶液，增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯、聚乙二醇，分散剂为三乙醇胺，湿磨介质为无水乙醇，以200 rmp/分钟的转速球磨8小时。7.根据权利要求1或7所述的石墨粉体、1wt%聚乙烯醇缩丁醛-乙醇溶液、邻苯二甲酸二辛酯、聚乙二醇、三乙醇胺、无水乙醇质量比为:12:2:1:0.5:1:20。8.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极的制备方法，其特征在于步骤（4）所述的浸泡时间为12小时。
9.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极的制备方法，其特征在于步骤（5）所述的压片，采用直径18 mm的模具将前驱体打成数量不等的圆形阳极生胚。10.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极的制备方法，其特征在于步骤（5）所述的烧结，将阳极生胚置于马弗炉中，以1-3 ℃/分钟的升温速率上升至500 ℃，保温1-2小时，再以1-2 ℃/分钟的升温速率上升至1100 ℃，保温2小时，然后以3-5 ℃/分钟的降温速率下降至室温，制得指状孔镍基阳极支撑体。

技术总结
本发明公开了一种固体氧化物燃料电池指状孔镍基阳极支撑体及其制备方法，包括以下步骤：（1）制备指状孔镍基阳极支撑体复合粉末；（2）制备指状孔镍基阳极支撑体流延浆料以及石墨流延浆料；（3）流延：将石墨流延浆料均匀流延于玻璃板之上，形成胶膜后，再将指状孔镍基阳极支撑体流延浆料均匀流延于石墨层基底之上，长度为15 cm，宽度为10 cm，厚度为2 mm；（4）固化：将覆有流延浆料的玻璃板水平放于水中浸泡凝固后取出擦干，制得阳极支撑体前驱体；（5）对指状孔镍基阳极支撑体前驱体进行压片和烧结，制得指状孔镍基阳极支撑体。本发明制得的镍基阳极支撑体具备特殊的指状孔结构，可以有效增大阳极反应面积，促进电池阳极侧电化学反应的进行，同时有效降低电池电阻，进而提升电池性能。能。


技术研发人员：于方永 代立欣 程嘉豪 冉思宇 秦坤 林晓俊 陈檬檬 余磊 韩婷婷
受保护的技术使用者：山东理工大学
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/7/12