一种镍基造孔剂及其在燃料电池中的应用制造技术

本发明专利技术涉及一种镍基造孔剂及其在燃料电池中的应用，所述造孔剂为采用聚乙烯醇、二水乙酸镍为原料制备的Ni‑PVA静电纺丝纤维，其制备方法为将二水乙酸镍、PVA溶解于溶剂中制成前驱液，然后在高压静电纺丝机上操作，转动滚筒收集器收集Ni‑PVA静电纺丝纤维。所述Ni‑PVA静电纺丝纤维制备燃料电池阳极的方法包括如下步骤：制备燃料电极初始粉、制备Ni‑PVA静电纺丝纤维、将燃料电极初始粉和Ni‑PVA静电纺丝纤维混合、制备燃料电极自支撑体。本发明专利技术在PVA静电纺丝前驱液里引入镍元素，改善了PVA纤维与含镍的燃料电极初始粉之间的电化学关系及形貌，进一步加强电化学反应区间的电化学活性，提升燃料电池的输出性能，减缓燃料电池比容量的衰减。

【技术实现步骤摘要】
一种镍基造孔剂及其在燃料电池中的应用
本专利技术涉及电池领域，具体涉及一种镍基造孔剂及其在燃料电池中的应用。技术背景燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料；同时没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。目前日本德国等国家已经提出利用金属空气电池氧化还原反应产生的氢气作为燃料，连接燃料电池的电极从而产生放电反应的技术，我国也有大量的研究，但是都存在实际效能转化率低的问题。理论上,它的发电效率可达到85％～90％,但由于工作时各种极化的限制,目前燃料电池的能量转化效率约为40％～60％，其潜能还有很大的开拓空间。燃料电池的阳极即燃料电极一般为支撑结构，有较大的厚度，然而较厚的燃料电极给气体在燃料电极内部的扩散带来困难，同时在电极的深层发生电化学反应中，由于燃料电极微结构及其与固态电解质微界面的关系，如果反应产物，即水蒸汽不易顺利地通过扩散离开电极区域，从而降低电极的浓差极化，就会造成电池系统容量大幅度衰减，倍率性能不佳，而且水蒸气会降低工作界面的温度，使得电化学反应速率减慢，造成电池活化极化的增大。因此燃料电池发展的瓶颈就在于改善燃料电极的微结构，及其与固态电解质的微界面关系。此外，燃料电池未来发展趋势，势必是较低温运行，降低工作温度使得电化学反应及物质扩散速率减慢，将造成电池活化极化的增大，极化现象的产生，会造成比容量的迅速衰减，同时功率性能下降，因此，深入改善燃料电极微结构，提高低温条件下水蒸气扩散的速率是低温燃料电池需要攻克的关键技术。为了改善燃料电极微结构，传统技术是在制备金属陶瓷阳极支撑体的过程中需要加入造孔剂，通常这些造孔剂在高温处理的过程中会被烧掉，从而在阳极内形成较大的孔隙，使反应气体能快速进入内层阳极参加电化学反应，同时也使产物气体能快速排出阳极，造孔剂的形状决定了阳极中孔洞的形貌。通常在阳极中添加的造孔剂有面粉、淀粉、木薯粉等有机物造孔剂和石墨、碳黑等碳单质造孔剂等，或者组合运用这些造孔剂，它们在阳极中留下了球形或其他不规则形状的孔洞，如果使用少量的传统造孔剂，它们在阳极中将会形成大量孤立的孔洞，这样是不利于气体扩散的，因为电极中连通的孔是必要的，连通的孔能使反应物扩散至活性反应区域并且使反应产物扩散出活性反应区域。通常要使传统造孔剂形成的孔洞能够形成连通的气体输运通道，就需要使用大量造孔剂，然而大量造孔剂的使用将会破坏阳极的机械强度，因此我们考虑使用纤维造孔剂。纤维造孔剂基于其形貌在长度上的优势，经过高温锻烧后在阳极中形成细长的孔，这些细长的孔容易形成连通的气体通道使反应气体能快速进入内层阳极参加电化学反应，同时也使产物气体能快速排出阳极。制备纤维造孔剂的常用方法有化学气相沉积法(CVD)、固相合成法及静电纺丝法。哈尔滨工业大学的潘伟平博士论文《阳极孔与界面微结构对SOFC的电极极化与性能影响研究》中采用静电纺丝技术，并且在纤维收集过程中引入含NiO的阳极初始粉，获得了较为理想的燃料电极微结构，与现有的燃料电极相比有了显著的进步，但对燃料电极的潜力来说，依然有较大的挖掘空间。
技术实现思路
为了解决以上问题，本专利技术提出一种镍基造孔剂及其在燃料电池中的应用。本专利技术提供了一种镍基造孔剂，所述造孔剂为采用聚乙烯醇、二水乙酸镍为原料制备的Ni-PVA静电纺丝纤维，其制备方法为将二水乙酸镍、PVA溶解于溶剂中制成前驱液，然后在高压静电纺丝机上操作获得Ni-PVA静电纺丝纤维。本专利技术同时提供了一种燃料电池阳极的制备方法，包括如下步骤：S1、制备阳极初始粉：将含镍的金属氧化物粉体在600℃预烧2h，然后与8％mol的YSZ电解质粉体混合研磨2h，即获得阳极初始粉，其中含镍的金属氧化物和YSZ的质量比为1：1；所述含镍的金属氧化物为NiO或Ni2O3其中之一或二者的混合物；S2、制备Ni-PVA静电纺丝纤维：取二水乙酸镍、PVA溶解于溶剂中，45-90℃搅拌5-12h，搅拌速度100-150r/min，制成前驱液；然后在高压静电纺丝机上操作，纺丝进样器推进速率2-4μms-1，收集滚筒与纺丝喷头之间距离10-15cm，电压20-22kV；滚筒收集器由铝片和铜丝制成，12-20V直流电压条件下以30-50rmin-1的速度带动滚筒转动收集Ni-PVA静电纺丝纤维；S3、将阳极初始粉和Ni-PVA静电纺丝纤维混合：当滚筒收集器上布满一薄层Ni-PVA静电纺丝纤维时，将S1制备的阳极初始粉快速均匀的撒落在纤维表面上，由于刚制备的Ni-PVA静电纺丝纤维表面具有粘性，因此阳极初始粉能够附着到纤维上，然后在表面撒满阳极初始粉的纤维混合物上继续收集Ni-PVA静电纺丝纤维，当粘附有粉体的纤维层被新接收的纤维完全覆盖后，再将阳极初始粉快速均匀地洒到第二层Ni-PVA静电纺丝纤维的表面上，反复操作多次得到阳极初始粉与Ni-PVA静电纺丝纤维的混合物，所述Ni-PVA静电纺丝纤维占所述混合物总质量的2-10wt％；S4、制备燃料电池阳极：将S3获得的阳极初始粉与Ni-PVA静电纺丝纤维的混合物放入钢制的模具中，在50～500MPa的压强条件下压成燃料电池阳极坯体，厚度约为0.1-1mm，然后将燃料电池阳极坯体在1000℃烧结2h即可获得燃料电池阳极。优选地，所述溶剂包括：二甲基甲酰胺、去离子水、乙二醇其中之一。优选地，所述步骤S2为：取1g二水乙酸镍、PVA溶解于20mL二甲基甲酰胺中，45度下搅拌12h，搅拌速度150r/min，制成前驱液；然后在高压静电纺丝机上操作，纺丝进样器推进速率2μms-1，收集滚筒与纺丝喷头之间距离15cm，电压22kV；滚筒收集器由铝片和铜丝制成，12V直流电压条件下以30rmin-1的速度带动滚筒转动收集Ni-PVA静电纺丝纤维。本专利技术还提供了制备一侧涂覆有固态电解质的燃料电池阳极的方法：首先制备电解质浆料，然后采用浆料旋涂法，将一滴电解质浆料置于上述燃料电池阳极一侧外表面中心，匀胶机的转速为6000rmin-1，运转时间设为60s，通过匀胶机带动燃料电极高速旋转产生的离心力使电解质浆料均匀的涂覆在燃料电池阳极一侧外表面，然后将附着一层电解质浆料的阳极在400℃条件下烘干，烘干后在形成的第一层电解质薄膜上继续旋涂第二层、第三层，每一层都要在400℃的条件下烘干，最后将共有三层电解质薄膜的阳极在1400℃烧结4h，获得一侧涂覆有固态电解质的燃料电池阳极。优选地，所述电解质浆料的制备方法为：将电解质粉体放入研钵中研磨大约30min，然后加入粘结剂继续研磨，直至二者混合均匀，其中电解质粉体占电解质浆料总质量的30wt％，粘结剂是由乙基纤维素和松油醇制成，其中乙基纤维素占粘结剂总质量的5wt％，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镍基造孔剂，其特征在于，所述造孔剂为采用聚乙烯醇、二水乙酸镍为原料制备的Ni-PVA静电纺丝纤维，其制备方法为将二水乙酸镍、PVA溶解于溶剂中制成前驱液，然后在高压静电纺丝机上操作获得的Ni-PVA静电纺丝纤维。/n

【技术特征摘要】
1.一种镍基造孔剂，其特征在于，所述造孔剂为采用聚乙烯醇、二水乙酸镍为原料制备的Ni-PVA静电纺丝纤维，其制备方法为将二水乙酸镍、PVA溶解于溶剂中制成前驱液，然后在高压静电纺丝机上操作获得的Ni-PVA静电纺丝纤维。


2.一种燃料电池阳极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制备阳极初始粉：将含镍的金属氧化物粉体在600℃预烧2h，然后与8％mol的YSZ电解质粉体混合研磨2h，即获得阳极初始粉，其中含镍的金属氧化物和YSZ的质量比为1：1；所述含镍的金属氧化物为NiO或Ni2O3其中之一或二者的混合物；
S2、制备Ni-PVA静电纺丝纤维：取二水乙酸镍、PVA溶解于溶剂中，45-90℃搅拌5-12h，搅拌速度100-150r/min，制成前驱液；然后在高压静电纺丝机上操作，纺丝进样器推进速率2-4μms-1，收集滚筒与纺丝喷头之间距离10-15cm，电压20-22kV；滚筒收集器由铝片和铜丝制成，12-20V直流电压条件下以30-50rmin-1的速度带动滚筒转动收集Ni-PVA静电纺丝纤维；
S3、将阳极初始粉和Ni-PVA静电纺丝纤维混合：当滚筒收集器上布满一薄层Ni-PVA静电纺丝纤维时，将S1制备的阳极初始粉快速均匀的撒落在纤维表面上，由于刚制备的Ni-PVA静电纺丝纤维表面具有粘性，因此阳极初始粉能够附着到纤维上，然后在表面撒满阳极初始粉的纤维混合物上继续收集Ni-PVA静电纺丝纤维，当粘附有粉体的纤维层被新接收的纤维完全覆盖后，再将阳极初始粉快速均匀地洒到第二层Ni-PVA静电纺丝纤维的表面上，反复操作多次得到阳极初始粉与Ni-PVA静电纺丝纤维的混合物，所述Ni-PVA静电纺丝纤维占所述混合物总质量的2-10wt％；
S4、制备燃料电池阳极：将S3获得的阳极初始粉与Ni-PVA静电纺丝纤维的混合物放入钢制的模具中，在50～500MPa的压强条件下压成燃料电池阳极坯体，厚度约为0.1-...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵金保，李雪，曾静，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35