一种固体氧化物燃料电池电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种固体氧化物燃料电池电极材料及其制备方法，其利用高分子材质造孔剂热变形现象，通过在混料过程中对高分子材质造孔剂进行再加工，制得多维向不规则但孔径近似的孔，进而制得三维网络结构的电极材料。且在相同电极原料和造孔剂含量下，本发明专利技术所得电极材料的孔隙率可提高2‑5％，最主要是孔的结构，会随着烧成温度的升高，原有的圆形孔会形成闭孔，使开孔孔隙率下降，故本发明专利技术所得三维网络孔结构中的闭孔会少很多，开孔空隙率下降幅度比圆孔样品明显减小，不但有效增大了催化反应的面积，提高了电池的催化活性，而且同时解决了因电极材料制备过程中出现的孔洞缺陷而导致的电子/离子导电率降低的问题。

A solid oxide fuel cell electrode material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物燃料电池电极材料及其制备方法
本专利技术属于固体氧化物燃料电池(SOFC)领域，涉及一种固体氧化物燃料电池电极材料及其制备方法，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池三维网络结构电极及其制备方法。
技术介绍
SOFC电极作为电池的关键材料元件，除了具有较高的电子/离子导电率，良好的化学和热稳定性及一定的机械强度外，还需要具备高的催化活性，催化活性需要催化成分与燃料气、空气充分接触，所以阴极、阳极需要具备一定的气孔率。通过添加造孔剂制备气孔的方法存在以下问题：(1)分散不均匀，制备的孔过大，与催化成分接触面积小，催化活性低，同时导致的强度较低。(2)制备的孔为圆形孔，随着温度的升高，有些孔生成闭孔，孔隙率降低，催化活性和燃气通过率下降。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种固体氧化物燃料电池电极材料及其制备方法。根据本专利技术的一个方面，提供了一种固体氧化物燃料电池电极材料的制备方法，包括以下步骤：混料过程中，通过对热变形状态下的高分子材质造孔剂进行加工制得多维度不规则的造孔剂，进而利用所述多维度不规则的造孔剂制得三维网络结构的电极材料。进一步的，所述电极材料包括电极功能层、支撑体，其中，所述电极材料的制备方法包括：待成型浆料通过成膜工艺、经干燥、烧成，制得具有三维网络结构的电极功能层；和/或，待成型浆料与有机成型剂混合均匀后，经成型、干燥、烧成，制得具有三维网络结构的支撑体，其中，待成型浆料制备过程包括：根据原料中高分子材质造孔剂的热变形温度确定浆料的搅拌加热温度，并在所述搅拌加热温度下对所述浆料搅拌得膜浆，其中，所述浆料经原料混合、球磨所得；所述膜浆经球磨、冷却、抽真空即得待成型浆料。其中，成膜工艺包括浸渍、流延、喷涂至少一种。所述搅拌加热温度在0-200℃范围内，且较高分子材质造孔剂的热变形温度不超过预设阈值。进一步的，原料以重量份计，包括：电极原材料40-60份，造孔剂2-10份，分散剂0.5-2份，水40-60份，其中，造孔剂包括高分子材质造孔剂(聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚烯烃、聚已内酯、聚酰胺、聚烯烃、乙烯丙烯酸、乙烯-醋酸乙烯、共聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚十二内酰胺、丙烯腈-EPDM橡胶-苯乙烯共聚物、共聚脂、聚甲醛中的至少一种)，所述高分子材质造孔剂占造孔剂总量的40％以上。其中，所述造孔剂还可以包括碳粉、淀粉、活性炭粉、木炭粉中至少一种。所述高分子材质造孔剂为球形和/或类球形。进一步的，电极原材料包括阳极原材料和/或阴极原材料，当电极原材料包括阳极原材料时，用于制备阳极功能层和/或阳极支撑体，当电极原材料包括阴极原材料时，用于制备阴极功能层和/或阴极支撑体，其中，制得的阳极材料为镍复合的氧化钇稳定的氧化锆(Ni-YSZ)、镍复合的氧化铈/氧化钪稳定的氧化锆(Ni-SSZ)、镍复合的氧化钆/氧化铈基氧化物(Ni-CGO)中的至少一种,制得的阴极材料为锰酸锶镧类(La0.75Sr0.25MnO3-δ，简称为LSM)、铁钴锶镧类(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ，简称为LSCF)、钴酸锶镧类(La0.6Sr0.4CoO3-δ，简称为LSC)中的至少一种。本专利技术阳极材料、阴极材料及电解质材料如下表所述。其中，以制备镍复合的氧化钇稳定的氧化锆(Ni-YSZ)阳极材料为例，阳极原材料为氧化镍复合的氧化钇稳定的氧化锆，具体为NiO-3YSZ或者NiO-8YSZ，其与造孔剂、分散剂、水等相互作用，在后期会被烧成还原为Ni-YSZ阳极材料，其中的镍由氧化物还原所得。当然该阳极原材料还可以为氧化镍复合的氧化铈/氧化钪稳定的氧化锆、氧化钆/氧化铈基氧化物，其与造孔剂、分散剂、水等相互作用制备得相应的Ni-SSZ，Ni-CGO阳极材料。分散剂为乙醇、聚丙烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸等一种或多种。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种固体氧化物燃料电池电极材料，根据上述任一所述的方法制得。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术示例的固体氧化物燃料电池电极材料的制备方法，工艺简单，可控，其利用高分子材质造孔剂热变形现象，通过在混料过程中对高分子材质造孔剂进行再加工，制得多维向不规则但孔径近似的孔，进而制得三维网络结构的电极材料。所得阳极功能层、阴极功能层、电极支撑体均具有高度均匀的立体网络结构，且在相同电极原料和造孔剂含量下，本专利技术所得电极材料的孔隙率可提高2-5％，最主要是孔的结构，会随着烧成温度的升高，原有的圆形孔会形成闭孔，使开孔孔隙率下降，故本专利技术所得三维网络孔结构中的闭孔会少很多，开孔空隙率下降幅度比圆孔样品明显减小，不但有效增大了催化反应的面积，提高了电池的催化活性，获得了导电率、催化活性和强度，而且同时解决了因电极材料制备过程中出现的孔洞缺陷而导致的电子/离子导电率降低的问题。附图说明图1为普通工艺制备电极材料的电镜图；图2为在相同电极原料和造孔剂含量下，本专利技术制备方法所得电极材料的电镜图。具体实施方式为了更好的了解本专利技术的技术方案，下面结合具体实施例、说明书附图对本专利技术作进一步说明。实施例一：电极材料包括阳极材料、阴极材料，其中，本实施例固体氧化物燃料电池阳极材料的制备过程为：S1、将按比例将40份阳极原材料、2份造孔剂、1份分散剂乙醇和60份的水置于球磨坛中，球磨1小时。其中，造孔剂为高分子材质球形造孔剂聚乙烯、碳粉，其中，聚乙烯占造孔剂总量的80％。S2、启动恒温加热装置，将S1中的浆料在可加热的搅拌磨中搅拌0.5小时。其中，恒温加热装置温度可控制在0-200℃之内任意温度，具体温度根据造孔剂的热变形温度确定。S3、将S2膜浆继续在球磨坛子中球磨0.5-1小时后，加入密封搅拌磨中冷却，低速搅拌抽真空。S4、将S3中待成型浆料采用浸渍、流延、喷涂等成膜方式制备阳极功能层，干燥后烧成，获得具有三维网络结构的阳极功能层。S5、将S3中待成型浆料加入有机成型剂，混合均匀后，采用注模成型、压制成型、滤泥挤出成型等方式制备成湿坯，干燥烧成，获得三维网络结构的阳极支撑体。阳极功能层与阳极支撑体形成所述阳极材料，所述阳极材料为Ni-YSZ，其中，步骤S4、S5并不是非要按顺序进行。本实施例固体氧化物燃料电池阴极材料的制备过程为：S1、将按比例将40份阴极原材料、2份造孔剂、1份分散剂乙醇和60份的水置于球磨坛中，球磨1小时。其中，造孔剂为高分子材质球形造孔剂聚乙烯、碳粉，其中，聚乙烯占造孔剂总量的75％。S2、启动恒温加热装置，将S1中的浆料在可加热的搅拌磨中搅拌0.5小时。其中，恒温加热装置温度可控制在0-200℃之内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固体氧化物燃料电池电极材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：/n混料过程中，通过对热变形状态下的高分子材质造孔剂进行加工制得多维度不规则的造孔剂，进而利用所述多维度不规则的造孔剂制得三维网络结构的电极材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池电极材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
混料过程中，通过对热变形状态下的高分子材质造孔剂进行加工制得多维度不规则的造孔剂，进而利用所述多维度不规则的造孔剂制得三维网络结构的电极材料。


2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电极材料的制备方法，其特征是，所述电极材料包括电极功能层、支撑体，其中，所述电极材料的制备方法包括：
待成型浆料通过成膜工艺、经干燥、烧成，制得具有三维网络结构的电极功能层；和/或，
待成型浆料与有机成型剂混合均匀后，经成型、干燥、烧成，制得具有三维网络结构的支撑体，
其中，待成型浆料制备过程包括：
根据原料中高分子材质造孔剂的热变形温度确定浆料的搅拌加热温度，并在所述搅拌加热温度下对所述浆料搅拌得膜浆，其中，所述浆料经原料混合、球磨所得；
所述膜浆经球磨、冷却、抽真空即得待成型浆料。


3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池电极材料的制备方法，其特征是，成膜工艺包括浸渍、流延、喷涂至少一种。


4.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池电极材料的制备方法，其特征是，所述搅拌加热温度在0-200℃范围内，且较高分子材质造孔剂的热变形温度不超过预设阈值。


5.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池电极材料的制备方法，其特征是，原料以重量份计，包括：
电极原材料40-60份，
造孔剂2-10份，
分散剂0.5-2份，
水40-60份，
其...

【专利技术属性】
技术研发人员：马腾飞，唐钰栋，赵世凯，薛友祥，徐传伟，赵晶，王晓璇，
申请(专利权)人：山东工业陶瓷研究设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37