一种SOFC燃料电极及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种SOFC燃料电极及其制备方法与应用，属于燃料电极技术领域。本发明专利技术所述SOFC燃料电极具有三层结构，包括第一层、第二层、第三层，通过提高第二层中片状NiO的占比，可以增加电极与反应燃气的接触面积，提高反应速率，通过提高第一层、第三层中颗粒状NiO的占比，可以提高气体的扩散速率。采用本发明专利技术所述方案制备的SOFC燃料电极具有良好的稳定性、耐久性、燃料利用率以及最大功率密度。燃料利用率以及最大功率密度。

【技术实现步骤摘要】
一种SOFC燃料电极及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及一种SOFC燃料电极及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效、环保的能源转化技术。在SOFC中，燃料电极是电池中的关键部分之一，其作用是将燃料气体的电子转移给电池，并与氧气反应产生水和二氧化碳。
[0003]燃料电极通常使用金属相或金属前体与陶瓷物相的复合材料制备而成，是一种具有多孔状的复合层结构。目前研究工作中提高燃料电极性能的方法往往是通过改变YSZ与NiO的含量、纯度、粒径及造孔剂的含量对电极进行梯度设计，但存在厚度增加导致的界面接触电阻和气相扩散阻抗增大等问题。另外也有研究通过采用钙钛矿氧化物等新材料来替代传统的Ni/YSZ作为燃料电极材料，或是利用电沉积等方法来控制燃料电极材料的微观结构和化学成分。但上述方法或多或少存在不足之处，如制得的燃料电极稳定性较差、制备成本高、制备工艺或流程复杂等，使得SOFC在实际应用及生产上受到了较大的限制。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种SOFC燃料电极及其制备方法与应用；所述SOFC燃料电极具有良好的稳定性以及优异的燃气转化效率，并且其制备方法较为简单，适合进行工业化生产。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案为：
[0006]一种SOFC燃料电极，所述SOFC燃料电极包含三层，分别为第一层、第二层、第三层，所述第二层位于第一层和第三层之间；
[0007]所述第一层中片状NiO与颗粒状NiO的重量比低于第二层中片状NiO与颗粒状NiO的重量比；
[0008]所述第三层中片状NiO与颗粒状NiO的重量比低于第二层中片状NiO与颗粒状NiO的重量比。
[0009]片状NiO具有大的比表面积和开放孔隙结构，相比于颗粒状NiO，比表面积的增大有利于提高气体的反应速率，当烧结还原片状NiO后能得到更多的阳极活性位点数量，可控性调节了活性位点分布，增大了三相线密度，提高了电性能。同时，片状NiO趋向于与功能层层面平行的排布，相较于颗粒状NiO，增大了Ni连续性，降低了阳极扩散阻抗；片状结构还可以减少热膨胀系数的影响，减小电池工作中因热膨胀不一致导致电池劣化的可能性，从而增强燃料电极的稳定性并提升其使用寿命。
[0010]另外地，燃料电极的主要组成部分包括电子传输载体、离子传输载体与连通的孔隙，因其在运行状态下需要发生离子，电子与气体间三相参与的反应与生成气体的排出过程，从单层结构上来看，片状NiO含量大时，电极层孔表面积更大，与反应燃气接触面积大，
反应单位数量的活性位点数多，反应速率加快。
[0011]将燃料电极设计为三层的复合层结构，从层间气体扩散及反应速率来看，中间层片状NiO占比大，气体垂直界面方向的扩散速率慢，相较于上下层增多了横向有效三相位点数量，进一步提高了反应速率；上层与下层颗粒状占比多有利于燃料气体的扩散，颗粒状的粉体有利于形成纵向贯通孔结构，气体扩散速率快，单位时间内能快速在与界面垂直的方向上扩散至中间层。除此之外，多层结构的设计还可以提高燃料电极的稳定性和耐久性。在相同的实验条件下，该燃料电极的最大功率密度远高于单层燃料电极。
[0012]优选地，所述第一层中各成分的重量比为：片状NiO：颗粒状NiO：8YSZ＝(10
‑
30)：(20
‑
50)：(30
‑
70)；所述第二层中各成分的重量比为：片状NiO：颗粒状NiO：8YSZ＝(20
‑
40)：(20
‑
40)：(20
‑
60)；所述第三层中各成分的重量比为：片状NiO：颗粒状NiO：8YSZ＝(10
‑
30)：(20
‑
50)：(30
‑
70)。
[0013]进一步优选地，所述第一层中各成分的重量比为：片状NiO：颗粒状NiO：8YSZ＝(10
‑
20)：(30
‑
40)：(30
‑
70)；所述第二层中各成分的重量比为：片状NiO：颗粒状NiO：8YSZ＝(20
‑
35)：(20
‑
30)：(20
‑
60)；所述第三层中各成分的重量比为：片状NiO：颗粒状NiO：8YSZ＝(10
‑
20)：(30
‑
40)：(30
‑
70)。当片状NiO含量过高时，Ni连续性差，所述SOFC燃料电极的性能反而会下降，当颗粒状NiO的含量过高时，NiO粉体烧结时易发生团聚，同样会导致性能下降。通过对三者的成分作进一步优选，可以有效提升所述SOFC燃料电极的稳定性以及电学性能。
[0014]优选地，所述片状NiO的长度为1
‑
10μm，宽度为0.1
‑
10μm，厚度为0.01
‑
1μm，所述厚度为宽度的0.1～0.2倍，所述颗粒状NiO的粒径为0.1～10μm；所述第一层、第二层、第三层的厚度比为(1
‑
2)：(1
‑
3)：(1
‑
2)。
[0015]进一步优选地，所述片状NiO的长度为1
‑
5μm，宽度为1
‑
5μm，厚度为0.1
‑
0.5μm；所述第一层、第二层、第三层的厚度比为1：(2
‑
3)：1。提高中间层的厚度可以改善燃料利用率，提高最大功率密度。
[0016]优选地，所述SOFC燃料电极整体厚度为3
‑
35μm，所述第一层和第三层的成分及厚度相同。控制第一层和第三层的成分及厚度相同可以提高燃料电极的稳定性，改善其电化学性能。
[0017]优选地，所述8YSZ为颗粒状粉末，粒径为0.1～10μm；所述颗粒状NiO的形态为球形、类球形、椭球形、花形、星形中的至少一种。
[0018]进一步优选地，所述颗粒状NiO的粒径为0.1～5μm，所述8YSZ的粒径为0.1～5μm。通过对颗粒的尺寸作上述限定，可以进一步改善所述SOFC燃料电极的燃料利用率以及电学性能。
[0019]此外，本专利技术还公开了一种所述SOFC燃料电极的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0020](1)按第一层中各成分的重量比称取片状NiO、颗粒状NiO、8YSZ，加入粘合剂、溶剂，制备成浆料，通过流延的方式制备成第一膜带；按第二层中各成分的重量比称取片状NiO、颗粒状NiO、8YSZ，加入粘合剂、溶剂，制备成浆料，通过流延的方式制备成第二膜带；按第三层中各成分的重量比称取片状NiO、颗粒状NiO、8YSZ，加入粘合剂、溶剂，制备成浆料，通过流延的方式制备成第三膜带；
[0021](2)依次按照第一膜带、第二膜带、第三本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SOFC燃料电极，其特征在于，所述SOFC燃料电极包含三层，分别为第一层、第二层、第三层，所述第二层位于第一层和第三层之间；所述第一层、第二层、第三层中均含有片状NiO、颗粒状NiO、8YSZ；所述第一层中片状NiO与颗粒状NiO的重量比低于第二层中片状NiO与颗粒状NiO的重量比；所述第三层中片状NiO与颗粒状NiO的重量比低于第二层中片状NiO与颗粒状NiO的重量比。2.如权利要求1所述SOFC燃料电极，其特征在于，所述第一层中各成分的重量比为：片状NiO：颗粒状NiO：8YSZ＝(10
‑
30)：(20
‑
50)：(30
‑
70)；所述第二层中各成分的重量比为：片状NiO：颗粒状NiO：8YSZ＝(20
‑
40)：(20
‑
40)：(20
‑
60)；所述第三层中各成分的重量比为：片状NiO：颗粒状NiO：8YSZ＝(10
‑
30)：(20
‑
50)：(30
‑
70)。3.如权利要求2所述SOFC燃料电极，其特征在于，所述第一层中各成分的重量比为：片状NiO：颗粒状NiO：8YSZ＝(10
‑
20)：(30
‑
40)：(30
‑
70)；所述第二层中各成分的重量比为：片状NiO：颗粒状NiO：8YSZ＝(20
‑
35)：(20
‑
30)：(20
‑
60)；所述第三层中各成分的重量比为：片状NiO：颗粒状NiO：8YSZ＝(10
‑
20)：(30
‑
40)：(30
‑
70)。4.如权利要求1所述SOFC燃料电极，其特征在于，所述片状NiO的长度为1
‑
10μm，宽度为0.1
‑
10μm，厚度为0.01
‑
1μm，所述厚度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱基华，陈烁烁，
申请(专利权)人：潮州三环集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：