一种具有直孔结构的储氢燃料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种具有直孔结构的储氢燃料及其制备方法，所述储氢燃料包含储氢金属、氧化物和催化剂，储氢燃料具有开放的直孔结构。所述储氢燃料可以通过开放的直孔结构，促进氢气和水蒸气的物质传输，有效加快储氢燃料的氧化还原反应。同时，所述储氢燃料还具有催化剂和氧化物，也有利于氢燃料的氧化还原反应。也有利于氢燃料的氧化还原反应。也有利于氢燃料的氧化还原反应。

【技术实现步骤摘要】
一种具有直孔结构的储氢燃料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种二次固体氧化物燃料电池，属于电化学领域。

技术介绍

[0002]高温固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种基于高温电化学反应的发电装置，只能进行发电，不能进行电能存储。专利CN102652379B提出一种可以进行可逆充放电的SOFC，即二次SOFC。其在SOFC的基础上，通过在阳极一侧设置密闭的储氢部件，利用储氢部件中的储氢燃料与水蒸气的反应进行氢气的可逆存储与释放，从而实现SOFC的二次化。储氢燃料可使用多种金属或其合金，典型的储氢燃料为铁。在放电过程中，铁与水蒸气反应产生氢气和四氧化三铁，氢气进一步与氧气通过电化学反应发电，并生成水蒸气。在充电过程中，二次SOFC首先通过电解水蒸汽产生氢气，氢气进一步与四氧化三铁反应生成铁和水蒸气，实现氢气的存储。
[0003]储氢燃料作为二次SOFC的核心组成，其结构对电池的电化学性能影响极大。储氢燃料的氧化还原反应速率与气体传输速率密切相关，而气体传输受孔结构限制。目前的储氢燃料中多数为随机分布的小孔，导致气体传输孔道蜿蜒曲折、输运阻力大。同时，储氢燃料会发生高温烧结，不仅造成储氢燃料的表面积减小，还会堵住气体传输通道。因为，为保证储氢燃料反应的顺利进行，良好的气体传输通道是必需的。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种具有直孔结构的储氢燃料及其制备方法，以解决上述
技术介绍
中的问题。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有直孔结构的储氢燃料及其制备方法，所述储氢燃料包含储氢金属、氧化物和催化剂，所述储氢燃料具有或部分开放的直孔结构。
[0006]优选的，所述储氢燃料直孔的孔径为10μm～200μm。
[0007]优选的，所述储氢燃料的厚度为100～5000μm。
[0008]所述储氢金属通过与水蒸气的反应进行氢气的存储与释放，包括但不限于镁、钙、铝、锌、铁、锰、铅、锡、镍、钼、钨、钛或其合金。优选的，所述储氢金属为铁。
[0009]所述氧化物用于缓解储氢金属在高温下的烧结，具有化学惰性，在二次SOFC的工作温度下不与储氢金属、氢气和水蒸气反应。所述氧化物熔点高于800℃，优选的高于1000℃，以保证氧化物不会发生熔融过程。优选的，所述氧化物为Al2O3、SiO2、ZrO2、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)中的一种或其混合物。所述氧化物的粒径在100nm～5μm之间。优选的，粒径在100nm～500nm之间。
[0010]所述氧化物的用量应适当，既能够缓解储氢金属在高温下烧结的过程，又不会对储氢燃料整体的储氢量有太大的不利影响，因此应对氧化物的用量加以限制。所述氧化物的用量为储氢金属质量的1wt％～20wt％。优选的，为3wt％～10wt％。
[0011]所述催化剂用于促进储氢金属的氧化还原反应，从而加速其储氢、产氢的速率。优选的，催化剂为Pd、Pt、CeO2等。所述催化剂的粒径应尽可能小，以充分发挥其催化功能。所述储氢燃料粒径的粒径为在5nm～500nm。优选的，为5nm～100nm。所述催化剂的用量为储氢金属总质量的0.5wt％～10wt％。优选的，为0.5wt％～5wt％。所述催化剂的来源不加限制，可直接为催化剂，也可为催化剂的前驱体，经过空气煅烧或高温还原过程生成催化剂。
[0012]本专利技术还提供了一种具有直孔结构的储氢燃料的制备方法，包括以下步骤：
[0013](1)将牺牲材料粉体、粘结剂、分散剂、有机溶剂混合均匀，得到牺牲材料浆料；
[0014](2)将储氢金属氧化物、氧化物、催化剂、粘结剂、分散剂和有机溶剂混合均匀，得到氧化物浆料；
[0015](3)在底板上进行流延，使底板上依次设置有第一牺牲材料浆料层、氧化物浆料层与第二牺牲材料浆料层，得到湿坯，将所述湿坯进行絮凝处理；
[0016](4)将得到的湿坯依次进行干燥、空气高温煅烧、高温还原处理。
[0017]优选的，在流延之前还包括将所述氧化物浆料和所述牺牲材料浆料进行真空除气。
[0018]所述粘结剂主要是连接浆料中的粉体颗粒，增加浆料稳定性和可塑性，在之后的干燥工艺中，保持坯体形貌，避免开裂、粉化等现象。分散剂可使浆料中不同粉体均匀混合分布在浆料中，提高浆料稳定性。
[0019]优选的，得到所述氧化物浆料和所述牺牲材料浆料的过程中，所述粘结剂包括但不限于聚醚砜，所述分散剂包括但不限于聚乙烯吡咯烷酮，所述有机溶剂包括但不限于N
‑
甲基
‑1‑
吡咯烷酮。
[0020]在上述浆料中，氧化物粉体或者牺牲材料粉体的固含量将对浆料的粘度产生直接影响，而浆料的粘度会影响到孔的结构分布，为了得到较好的直孔结构，应对浆料中的固含量进行限定。
[0021]优选的，所述氧化物浆料中，所述粘结剂的含量为4wt％～10wt％，所述分散剂的含量为1wt％～2wt％，所述有机溶剂的含量为20wt％～38wt％，所述储氢燃料与氧化物的总含量为50wt％～75wt％。
[0022]优选的，所述牺牲浆料中，所述粘结剂的含量为5wt％～12wt％，所述分散剂的含量为1wt％～2wt％，所述有机溶剂的含量为35wt％～50wt％，所述牺牲材料粉体含量为30～60wt％。
[0023]优选的，所述牺牲材料粉体为石墨或淀粉。
[0024]优选的，所述储氢金属以对应的储氢金属氧化物作为原料制备成氧化物浆料。
[0025]优选的，所述絮凝处理的絮凝剂为水和乙醇中的一种或两种。所述絮凝处理的具体操作为将流延成型的坯体放入絮凝剂池或凝固浴内，在室温条件下，静置固化2h～72h。
[0026]所述干燥的条件优选的室温条件下干燥或在50℃～90℃的干燥箱中进行干燥，干燥时间优选为12h～36h。
[0027]所述空气高温煅烧过程是为了除去有机质与牺牲材料层，得到包含储氢金属氧化物、氧化物和催化剂的多孔材料。所述空气高温煅烧的温度优选为600℃～850℃，更优选为700℃～850℃，煅烧时间为2h～10h，优选为4h～8h。
[0028]所述高温还原处理，是为了将储氢金属氧化物还原为金属，同时保持氧化物不被
还原。所述高温还原过程的温度为600℃～900℃，优选为650～750℃，还原时间优选为2h～20h，优选为2h～8h。还原气氛为氢气或氢气与氩气的混合气。
[0029]所述第一牺牲材料浆料层的厚度控制相转化坯体中要去除的底层厚度，从而得到底层的开放孔。所述第一牺牲材料浆料层的流延厚度为0.1μm～10μm，优选的，为0.1μm～5μm。
[0030]所述氧化物浆料层的厚度直接影响了最终储氢燃料的厚度，为5μm～5000μm，优选为500μm～1500μm。
[0031]所述第二牺牲材料浆料层的厚度可控制相转化坯体中要除去的上层厚度，从而得到上层的开放孔。所述第二牺牲材料浆料的流延厚度为0.1μ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有直孔结构的储氢燃料，所述储氢燃料包含储氢金属、氧化物和催化剂，其特征在于储氢燃料具有或部分具有开放的直孔结构。2.如权利要求1所述的一种具有直孔结构的储氢燃料，其特征在于所述储氢燃料直孔的孔径为10μm～200μm。3.如权利要求1所述的一种具有直孔结构的储氢燃料，其特征在于所述储氢金属包括镁、钙、铝、锌、铁、锰、铅、锡、镍、钼、钨、钛或其合金。4.如权利要求1所述的一种具有直孔结构的储氢燃料，其特征在于所述氧化物为Al2O3、SiO2、ZrO2、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)中的一种或其混合物，粒径在100nm～5μm之间，含量为储氢金属质量的1wt％～20wt％。5.如权利要求1所述的一种具有直孔结构的储氢燃料，其特征在于所述催化剂包括Pd、Pt、CeO2，粒径为5nm～500nm，含量为储氢金属质量的0.5wt％～10wt％。6.如权利要求1所述的一种具有直孔结构的储氢燃料的制备方法，其特征在于其制备方法包含以下步骤：(1)将牺牲材料粉体、粘结剂、分散剂、有机溶剂混合均匀，得到牺牲材料浆料；其中，所述牺牲材料粉体为石墨或淀粉，所述粘结剂包括聚醚砜，所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮，所述有机溶剂包括N
‑
甲基
‑1‑
吡咯烷酮；所述牺牲浆料中，所述粘结剂的含量为5wt％～12wt％，所述分散剂的含量为1wt％～2wt％，所述有机溶剂的含量为35wt％～50wt％，所述牺牲材料粉体含量为30wt％～60wt％；(2)将储氢金属氧化物、氧化物、催化剂、粘结剂、分散剂和有机溶剂混合均匀，得到氧化物浆料；其中，所述储氢金属氧化物为储氢金属对应的氧化物；所述氧化物包括Al2O3、SiO2、ZrO2、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)中的一种或其混合物，所述粘结剂包括聚醚砜，所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮，所述有机溶剂包括但N
‑
甲基
‑1‑
吡咯烷酮；所述氧化物浆料中，所述粘结剂的含量为4wt％～10wt％，所述分散剂的含量为1wt％～2wt％，所述有机溶剂的含量为20wt％～38wt％，所述储氢金属氧化物与氧化物的总含量为50wt％～75wt％；(3)在底板上进行流延，使底板上依次设置有第一牺牲材料浆料层、氧化物浆料层与第二牺牲材料浆料层，得到湿坯，将所述湿坯进行絮凝处理；其中，所述第一牺牲材料浆料层的流延厚度为0.1μm～10μm，所述氧化物浆料层的厚度为5μm～5000μm，所述第二牺牲材料浆料的流延厚度为0.1μm～10μm；所述絮凝处理的絮凝剂为水和乙醇中的一种或两种；所述絮凝处理的具体操作为将流延成型的坯体放入絮凝剂池或凝固浴内，在室温条件下静置固化2h～72h；(4)将得到的湿坯依次进行干燥、空气中高温煅烧、高温还原处理。7.如权利要求6所述的一种具有直孔结构的储氢燃料的制备方法，其特征在于步骤(4)具体是：所述干燥的条件为室温条件下干燥或在50℃～90℃的干燥箱中进行干燥，干燥时间为12h～36h。所述空气高温煅烧的温度优选为600℃～850℃，煅烧时间为2h～10h；所述高温还原处理的温度为600～900℃，还原时间为2h～20h，还原气氛为氢气或氢气与氩气的混合气。8.如权利要求1所述的一种具有直孔结构的储氢燃料的制备方法，其特征在于其制备
方法包含以下步骤：(1)将牺牲材料粉体、粘结剂、分散剂、有机溶剂混合均匀，得到牺牲材料浆料；其中，所述牺牲材料粉体为石墨或淀粉，所述粘结剂包括聚醚砜，所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮，所述有机溶剂包括N
‑
甲基
‑1‑
吡咯烷酮；所述牺牲浆料中，所述粘结剂的含量为5wt％～12wt％，所述分散剂的含量为1wt％～2wt％，所述有机溶剂的含量为35w...

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