制备多孔阳极支撑体及固体氧化燃料电池阳极的方法技术

本发明专利技术公开了一种离子凝胶法制备多孔阳极支撑体的方法，具体步骤如下：（1）采用海藻酸钠离子凝胶法制备直通孔湿坯；（2）对湿坯干燥处理后高温烧结获得阳极支撑体；（3）配置浸渍液，将催化剂引入多孔支撑体内部；（4）空气气氛下烧结后在还原气氛下还原。本发明专利技术采用离子凝胶法制备一种孔径尺寸可控的直通孔阳极支撑体，有利于气体在电极内的顺利流通，减小浓差极化，同时还可以改善浸渍法制备电极时存在的催化剂粒子分布不均匀的缺点，提高阳极的电导率和催化性能。本发明专利技术所述方法，技术简单，成本低廉，有利于实现大规模的生产和应用。

【技术实现步骤摘要】
制备多孔阳极支撑体及固体氧化燃料电池阳极的方法
本专利技术涉及多孔电极的制备领域，具体为一种固体氧化物燃料电池阳极支撑体及电池阳极的制备方法。
技术介绍
固体氧化物燃料电池（SOFC）具有能量转换效率高、污染低和燃料来源广泛等优点，是一种清洁高效的能源系统，被认为是今后新能源应用的主要方向之一。单电池主要由电解质、阴极和阳极组成。作为SOFC的关键材料之一，阳极对整个电池的性能有着十分重要的影响。阳极是一个对燃料进行电化学氧化的场所，它的多孔结构可以将燃料气体输送到反应区并把反应产物输运出反应区。阳极支撑型电池的研发降低了电解质薄膜的厚度，极大的降低了电池的欧姆电阻，但是阳极支撑体的厚度随之增加，电极的极化损失成为制约电池性能的主要因素。因此，人们通过改善阳极的微结构来提高其电化学活性。一方面，通过改善阳极的孔隙率和气孔的形貌来提高反应气体在阳极中的扩散能力，减小电极的浓差极化。另一方面，通过引入纳米结构的活性粒子来增大电极的电化学反应区，提高阳极的催化能力。浸渍法是一种有效引入纳米粒子的方法，近年来广泛应用于SOFC电极的制备中，有效增大了电极的电化学反应区。目前，在阳极中添加造孔剂是目前普遍使用的造孔方法，造孔剂热解之后形成曲折的气体通道，增大了气体输运的路径和长度，不利于气体的快速迁移和扩散。而采用浸渍法制备的SOFC阳极，稳定性一直是最大的制约因素。在将纳米粒子引入多孔支撑体中时，会出现浸渍液分布不均匀的现象。受到阳极内部不规则孔洞分布的影响，浸渍液主要吸附在阳极支撑体的表层，经常堵住表面的孔洞，使浸渍液无法继续深入到支撑体内部，这就导致催化剂在支撑体内部分布非常不均匀。在浸渍量多的地方会出现催化剂粒子的烧结团聚，浸渍量少的地方则无法形成连通的导电通道，影响电极的导电能力和催化性能。如果能在阳极中形成孔径尺寸可控的连通直孔，同时使孔的取向与气体的传输方向一致，一方面可以减小气体在阳极内部的扩散电阻，降低电极的浓差极化，另一方面，直通孔有利于浸渍液顺利到达电极和电解质界面参与催化反应，可以同时减小阳极的活化极化和浓差极化，提高电池的输出性能。
技术实现思路
本专利技术针对电池阳极存在的气体扩散慢和浸渍液分布不均匀的问题，提出一种采用离子凝胶法制备固体氧化物燃料电池阳极支撑体的方法。本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种制备多孔阳极支撑体的方法，包括如下步骤：（1）、将质量分数为0.5~2wt%的海藻酸钠溶液和固相含量为5wt%~20wt%的电解质粉体混合，球磨4~12h；（2）、对混合浆料真空除泡后，将其注入圆柱形模具中，将浓度为0.5~2mol/L的CaCl2溶液均匀喷雾到浆料表面，静置36~72h后脱模得到具有直通孔结构的固化湿坯；（3）、切除湿坯的表层和底部，将坯体浸泡于葡萄糖酸内酯溶液中离子置换12~24h；（4）、对湿坯进行干燥处理，将干燥后的坯体放入排胶炉内，排胶温度为550~650℃，排胶后的样品经1300~1500℃高温烧结2~4h，得到具有直通孔结构的阳极支撑体。优选的，步骤（1）中，电解质粉体为氧化钇稳定的氧化锆或者氧化钐/氧化钆掺杂的氧化铈。步骤（4）中，干燥处理包括自然干燥法、冷冻干燥法、溶剂置换自然干燥法和溶剂置换冷冻干燥法，以及冷冻干燥和自然干燥相结合的方法。其中溶剂置换法的溶剂为丙酮、乙醇和叔丁醇等有机溶剂。阳极支撑体的孔径尺寸和孔隙率可以通过调节各个参量的比例来控制，阳极支撑体的孔径尺寸为5~200μm，孔隙率为20%~80%。采用离子凝胶法制备孔径尺寸可控的直通孔阳极支撑体，有利于气体在电极内的顺利流通，减小浓差极化，同时还可以改善浸渍法制备电极时存在的催化剂粒子分布不均匀的缺点，提高阳极的电导率和催化性能。一种采用多孔阳极支撑体制备固体氧化燃料电池阳极的方法，包括如下步骤：（1）、将催化剂和分散剂溶于去离子水中配置浸渍液，然后将浸渍液引入上述制备的直通孔阳极支撑体内，在300~500℃的恒温炉中烘焙分解30~60min，重复浸渍和烘焙样品5~50次；（2）、浸渍后的样品在850℃预处理1h之后，将其置于还原气氛中高温还原，得到固体氧化燃料电池的阳极。优选的，步骤（1）中，所述催化剂为金属的硝酸盐、铵盐、草酸盐、有机酸盐中的一种或者几种，催化剂中所述金属为Ni、Au、Ag、Pt、Cu、Pd、Ru、Rh、Ce或者Co；所述分散剂为乙醇、尿素、氨水或者有机酸。所述催化剂和分散剂的质量比为100~1/100：1，所述催化剂和分散剂的总质量分数为0.1%~100%。所述浸渍方法为采用滴管或者针管将浸渍液浸滴到多孔阳极支撑体上，或者，将多孔阳极支撑体浸泡到浸渍液中采用真空抽滤的方式浸渍，每次滴入浸渍液的量以渗透不进去为止。浸渍多种金属盐溶液时，分别将浸渍液依次浸渍到多孔阳极支撑体中，或者，将多种金属盐溶液的混合溶液浸渍到多孔阳极支撑体中。步骤（2）中，还原气体为H2、CH4或者其他碳氢燃料。本专利技术采用离子凝胶法制备多孔阳极支撑体的方法，其特点为支撑体具有均匀有序高度规则排列的直通孔孔洞结构，极大的降低了气体通道的曲折程度，有利于反应气体和产物的快速迁移，减小电极的扩散电阻。同时，直通孔结构有利于浸渍液催化剂深入到支撑体内部参与电化学反应，提高阳极的电导率和催化性。本专利技术所述阳极支撑体的制备方法，技术简单，成本低廉，有利于实现大规模的生产和应用。附图说明图1表示实施例1制得的多孔YSZ经冷冻干燥后的照片。图2a表示实施例1制得的多孔YSZ经高温烧结后的水平截面的SEM图。图2b表示实施例1制得的多孔YSZ经高温烧结后的竖直截面的SEM图。图3表示实施例1浸渍后的镍纳米粒子经高温还原后的SEM图。图4a表示实施例2制得的多孔阳极支撑体水平截面的SEM图。图4b表示实施例2制得的多孔阳极支撑体竖直截面的SEM图。图5a表示实施例3制得的多孔阳极支撑体水平截面的SEM图。图5b表示实施例3制得的多孔阳极支撑体竖直截面的SEM图。图6表示实施例4制得的多孔阳极支撑体的SEM图。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施例进行详细说明。一种离子凝胶法制备多孔阳极支撑体的方法：（1）采用海藻酸钠离子凝胶法制备直通孔湿坯；（2）对湿坯干燥处理后高温烧结获得阳极支撑体；（3）配置浸渍液，将催化剂引入多孔支撑体内部；（4）空气气氛下烧结后在还原气氛下还原。具体实施例如下：实施例1一种制备多孔阳极支撑体的方法，如下：（1）、配置质量分数为1.5wt%的海藻酸钠溶胶，使海藻酸钠充分溶解。在海藻酸钠溶液中加入固相含量为5wt%的8YSZ（8%氧化钇稳定的氧化锆）电解质粉体，混合球磨8h。（2）、对混合浆料真空除泡后将其注入100ml的玻璃烧杯中，在浆料上层均匀喷覆浓度为1.5mol/L的CaCl2溶液，静置48h。（3）、切除湿坯上下表层各5mm，用去离子水将样品清洗干净，将坯体浸泡于1mol/L的葡萄糖酸内酯溶液中置换24h。（4）、将样品浸泡于叔丁醇溶液中24h进行溶剂交换，经冷冻干燥（-50℃）后放入600℃的高温炉内排胶2h。排胶后的样品经1400℃高温烧结4h，得到具有直通孔结构的YSZ支撑体。如图1所示为冷冻干燥后的样品照片，图2a和图2b分别为高温烧结后样品的水平截面和竖直截面图，直通孔的孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备多孔阳极支撑体的方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）、将质量分数为0.5~2wt%的海藻酸钠溶液和固相含量为5wt%~20wt%的电解质粉体混合，球磨4~12h；（2）、对混合浆料真空除泡后，将其注入圆柱形模具中，将浓度为0.5~2mol/L的CaCl2溶液均匀喷雾到浆料表面，静置36~72h后脱模得到具有直通孔结构的固化湿坯；（3）、切除湿坯的表层和底部，将坯体浸泡于葡萄糖酸内酯溶液中离子置换12~24h；（4）、对湿坯进行干燥处理，将干燥后的坯体放入排胶炉内，排胶温度为550~650℃，排胶后的样品经1300~1500℃高温烧结2~4h，得到具有直通孔结构的阳极支撑体。

【技术特征摘要】
1.一种制备多孔阳极支撑体的方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）、将质量分数为0.5~2wt%的海藻酸钠溶液和固相含量为5wt%~20wt%的电解质粉体混合，球磨4~12h；（2）、对混合浆料真空除泡后，将其注入圆柱形模具中，将浓度为0.5~2mol/L的CaCl2溶液均匀喷雾到浆料表面，静置36~72h后脱模得到具有直通孔结构的固化湿坯；（3）、切除湿坯的表层和底部，将坯体浸泡于葡萄糖酸内酯溶液中离子置换12~24h；（4）、对湿坯进行干燥处理，将干燥后的坯体放入排胶炉内，排胶温度为550~650℃，排胶后的样品经1300~1500℃高温烧结2~4h，得到具有直通孔结构的阳极支撑体。2.根据权利要求1所述的制备多孔阳极支撑体的方法，其特征在于：步骤（1）中，电解质粉体为氧化钇稳定的氧化锆或者氧化钐/氧化钆掺杂的氧化铈。3.根据权利要求1或2所述的制备多孔阳极支撑体的方法，其特征在于：步骤（4）中，干燥处理包括自然干燥法、冷冻干燥法、溶剂置换自然干燥法或者溶剂置换冷冻干燥法，其中溶剂置换法的溶剂为丙酮、乙醇或者叔丁醇。4.根据权利要求1所述的制备多孔阳极支撑体的方法，其特征在于：阳极支撑体的孔径尺寸为5~200μm，孔隙率为20%~80%。5.一种采用多孔阳极支撑体制备固体氧化燃料电池阳极的方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）、将质量分数为0.5~2wt%的海藻酸钠溶液和固相含量为5wt%~20wt%的电解质粉体混合，球磨4~12h；（2）、对混合浆料真空除泡后，将其注入圆柱形模具中，将浓度为0.5~2mol/L的CaCl2溶液均匀喷雾到浆料表面，静置36~72h后脱模得到具有直通孔结构的固化湿坯；（3）、切除湿坯的表层和底部，将坯体浸泡于葡萄糖酸内酯溶液中离子置换12~24h...

【专利技术属性】
技术研发人员：田彦婷，郭祥，邓霄，聂仲泉，翟爱平，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14