中低温固体氧化物燃料电池阴极制备方法技术

一种燃料电池技术领域的中低温固体氧化物燃料电池阴极制备方法，通过将阴极浆料喷覆于电解质基片上并于100～400℃温度下烘干制成阴极层蓝本，再经800～1300℃空气环境下烧结2～10小时，升温速率为5～20℃/min，得到燃料电池阴极。本发明专利技术解决目前常用中温固体氧化物燃料电池阴极层结构难以可控制备，重复性差，氧在阴极的传输较慢从而导致氧的浓差极化过大，阴极极化阻抗较高的问题，通过选择粉体合成工艺、煅烧温度和升温速率制备具有特定片层结构、无需模板、易于重复制备的阴极层，显著提高阴极性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种燃料电池
的方法，具体是一种中低温固体氧化物燃 料电池阴极制备方法。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种环境友好的能源转换装置，因其高效、低排、 燃料使用灵活和可热电联用等特点而备受关注。SOFC的中低温化(500 800°C )可扩大 电池材料和电极连接材料等的选择范围，有效降低SOFC的成本，并有利于其长期稳定运行 和快速启闭。但是随着工作温度的降低，阴极过电位较高是阻碍SOFC单电池性能提高和成 本降低的瓶颈之一。钴铁基钙钛矿混合离子导体氧化物Lni_xSrxCOl_/ey03_s (Ln =稀土元素 和碱土金属元素)因具有良好的混合离子-电子导电性和氧传输性质，而作为阴极材料广 泛应用于IT-S0FC。Lni_xSrxCOl_yFey03_s的阴极性能除与材料本身的氧还原催化活性有关 外与阴极层的结构也密切相关。现有钴铁酸盐阴极层的制备存在结构难以控制，制备重复 性差，氧在阴极的传输较慢从而导致氧的浓差极化过大，阴极极化阻抗较高的问题。因此探 索简单、高效、具有普遍适用性的IT-SOFC阴极层制备工艺，对促进SOFC的早日开发应用、 实现节能减排非常重要。现有技术中有分别研究粉体合成方法和阴极烧结温度对阴极层结构的影响，但是 未见到同时考虑粉体合成方法、粉体焙烧温度及升温速率、阴极浆料的配制、阴极烧结温度 及升温速率等工艺方法综合对最终阴极层结构的影响。也有用加入模板的方法控制阴极层 结构，但模板法涉及模板的去除步骤，因而工艺繁琐。经过对现有技术的检索发现，如Characterization of Pr1^xSrxCo0.8Fe0.203_5 (0 .2^x^0.6) cathode materials for intermediate-temperature solid oxide fuel cells(中低温固体氧化物燃料电池的特性，Journal of power sources 183,2008, 581-585(《能源学报》，公开日期2008年5月27日)其中虽然考虑了阴极烧结温度对阴极 结构和性能的影响，但是未考虑煅烧阴极粉体和烧结阴极层时升温速率的作用。该文献中 制备性能最优的复合阴极层Pra7Sra3CO(l.8Fe(l.203_s-GDC，其结构如图所示颗粒尺寸较大约 为Iym左右，影响阴极催化剂的比表面积，并进而减少反应活性位点的数目；而且颗粒堆 积较密，不利于反应气体在阴极层的传输，会导致比较大的浓差极化。该阴极的极化面电阻 (ASR) 800°C时为 0. 046 Ω · cm2。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提供一种中低温固体氧化物燃料电池阴极 制备方法，解决目前常用中温固体氧化物燃料电池阴极层结构难以可控制备，重复性差，氧 在阴极的传输较慢从而导致氧的浓差极化过大，阴极极化阻抗较高的问题，通过选择粉体 合成工艺、煅烧温度和升温速率制备了具有特定片层结构的阴极层，该种结构增加了阴极 反应的三相界面和反应活性位，从而显著提高阴极性能。因制备过程不使用模板而工艺简单易于重复制备。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术通过将阴极浆料喷覆或涂覆于电解质 基片上并于100 400°C温度下烘干制成阴极层，再经800 1300°C且升温速率为5 200C /min，空气环境下烧结后得到燃料电池阴极。所述的电解质基片为掺杂的氧化铈陶瓷片或掺杂的氧化铈修饰的镱掺杂氧化锆 (YSZ)陶瓷片。所述的阴极浆料是通过将粘结剂、分散剂、溶剂、造孔剂和阴极粉体按1 5wt% 阴极粉体、1 5wt% PVBU 5wt% PVPU IOmL松油醇以及1 墨粉混合球磨 后，然后加入无水乙醇稀释后球磨2 IOh得到。所述的粘结剂为PVB。所述的分散剂为松油醇。所述的溶剂为乙醇。所述的造孔剂为PVP和石墨粉。所述的阴极粉体为为钴铁酸盐阴极材料Lni_xSr/ei_yCOy03_s，(Ln =稀土元素和碱 土金属元素)，0. 2 < χ < 0. 8，0. 2 < y < 0. 8，通过溶胶-凝胶法制备阴极粉体前体，前 体经过干燥煅烧得到，具体步骤为采用EDTA-柠檬酸体系，以金属离子硝酸盐为原料，用 NH3 · H2O调节溶液pH值至6 10。80 90°C下蒸发浓缩得到红棕色的凝胶，然后将凝胶 在200 400°C空气气氛下加热5 8h，得到前驱体。前驱体在700 1000°C空气中焙烧 2 10h，升温速率为5 20°C /min，得到LrvxSrxFehCoyCVs，粉体粒径为10 50nm。所述的喷涂或涂覆是指采用喷枪喷涂或用毛刷涂覆到电解质基片上。所述的阴极层的厚度为10 30 μ m。所述的阴极烧结温度优选为950 1200°C，所述的升温速率优选为5 20°C / min。本专利技术提供了一种片层多孔IT-SOFC阴极的制备方法。通过选择合成方法、煅烧 温度及煅烧时的升温速率，制备阴极纳米粉并抑制粉体颗粒在阴极层中烧结时的粗化，从 而得到结构可控并易于重复制备的片层多孔IT-SOFC阴极层。所得阴极层的极化面电阻较 常规法制备的阴极降低一个数量级。上述这些特点使得本专利技术的阴极层制备方法适用于中 低温固体氧化物燃料电池高性能阴极层的制备。附图说明图1是本专利技术的实施例1制备的Laa6Sra4Coa2Fq8CVs，阴极粉体的X_射线衍射 图谱。图2是本专利技术的实施例1制备的Ia1. Ara4Coa2Fq8CVs，阴极/电解质/阴极对称 电池的横断面微观形貌SEM图。图3是本专利技术的实施例1制备的Ia1. Ara4Coa2Fq8CVs阴极层的极化面电阻(ASR) 与同一材料用常规方法制备的阴极层的ASR的比较图。图4是本专利技术的实施例2制备的Pra6Sra4Coa2Fq8CVs，阴极粉体的XRD图谱。图5是本专利技术的实施例2制备的Pra6Sra4Coa2Fq8CVs，阴极/电解质/阴极对称 电池的断面微观形貌SEM图。图6是本专利技术的实施例2制备的Pra Ara4Coa2Fq8CVs阴极层的极化面电阻(ASR) 与同一材料用常规方法制备的阴极层的ASR的比较图。图7是本专利技术的实施例3制备的G^l6Sra4C0a2Fq8CVs阴极粉体的XRD图谱。图8是本专利技术的实施例3制备的G^l6Sra4C0a2Fq8CVs阴极层的横断面微观形貌 SEM 图。具体实施例方式下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施 例。实施例1(1)合成 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.803-s 纳米粉体按化学计量比分别取 La(NO3)3 · 6H20, Sr (NO3)2，Co (NO3) 2·6Η20，!^e(NO3) 3·9Η20溶解于去离子水中，然后按金属离子总数EDTA 柠檬酸(摩尔数)=1 1 1.2的比例分别加入EDTA和柠檬酸，再加入NH3 · H2O调节 溶液PH值至6 10。80 90下蒸发浓缩得到红棕色的凝胶。将凝胶在200 400°C 空气气氛下加热5 8h，得到前驱体。前驱体在700 1000°C空气中焙本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种中低温固体氧化物燃料电池阴极制备方法，其特征在于，通过将阴极浆料喷涂或涂覆于电解质基片上并于１００～４００℃温度下烘干制成阴极层蓝本，再经８００～１３００℃且升温速率为５～２０℃／ｍｉｎ环境下烧结后得到燃料电池阴极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：尹屹梅，佟泽，郭亚琴，马紫峰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31