[发明专利]抗碳沉积阳极膜材及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及抗碳沉积阳极膜材及其制备方法，属于平板型固体氧化物燃料电池(SOFC)领域。

背景技术

作为一种清洁高效的绿色能源，固体氧化物燃料电池(SOFC)以其全固态组件，无腐蚀、无泄漏，高温运行，燃料适用性强，便于热电联用(效率可高达70～80％)等优点，引起了世界各国的广泛关注，成为当今新能源研究领域的重点和热点。与其他结构的固体氧化物燃料电池相比，平板型固体氧化物燃料电池能量密度高，内阻损失小；电池组结构灵活，气体流通方式多；组元分开制备，工艺简便、多样，质量容易控制。阳极支撑平板型固体氧化物燃料电池是近年的研究热点，通常将阳极支撑体和电解质膜进行共烧结，再丝网印刷并烧结阴极后，得到单电池膜片。

固体氧化物燃料电池的最大优点是效率高，燃料适应性强，可直接使用碳氢化合物作为燃料。但传统的Ni/YSZ(钇稳定氧化锆)阳极材料在直接使用碳氢化合物燃料时会导致阳极碳沉积并由此带来电极性能退化，因此研究适合碳氢化合物燃料的新型阳极材料成为固体氧化物燃料电池实用化过程中的难题。

近年来，有人研究了钙钛矿结构的新型阳极材料，并用于碳氢化合物燃料，取得了一定进展，但该体系阳极材料电导率低，不利于实用化。有人以湿法浸渍并低温灼烧的方法制得了Cu/CeO₂体系阳极材料，使用碳氢化合物燃料得到了长期稳定的电流输出，但该方法制备大面积多孔基体支撑的电解质致密膜较困难，且制备阳极时需要多次浸渍、灼烧，工序繁多，成本高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明以流延法为基础，在制得的阳极支撑体膜材上丝网印刷并烧结阳极催化层，从而制备抗碳沉积阳极膜材。该方法工艺简单、成本低廉，且易实现大面积生产。

本发明包括配料、球磨、除气、流延、排塑、烧结、涂覆和热处理过程，包括下述步骤：

(1)将氧化镍粉体、氧化锆粉体和有机溶剂、造孔剂配制成浆料；

(2)球磨混合浆料，除气，将浆料流延成型制成流延素坯膜；

(3)流延素坯膜排塑后高温烧结制得阳极支撑体；

(4)将催化剂粉体加入溶剂配制成涂覆浆料；将涂覆浆料涂覆到阳极支撑体表面制得复合阳极膜材；

(5)将制得复合阳极膜材进行热处理。

优选的排塑条件为450～600℃，升温速度为0.5～1℃/分。优选的高温烧结条件为1350～1500℃下烧结2～10小时。优选的热处理条件为700～1200℃下烧结2～5小时。优选的流延成型条件是刀高1.0～1.8mm，并在室温下干燥15～30小时。

选择的催化剂粉体为氧化铜和氧化铈或者是氧化铝、氧化锆、氧化钌中的至少一种再加上氧化铜和氧化铈。

在于上述步骤(1)的浆料中还可以加入分散剂、粘结剂和增塑剂。

在本发明的实施例中，以草酸铵为造孔剂；

以乙醇(ETOH)和丁酮(MEK)为溶剂，

以三乙醇胺(TEA)为分散剂，

以聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为粘结剂，

以邻苯二甲酸二丁酯(DOP)和聚乙二醇(PEG)为增塑剂。

浆料中各组分的质量百分比具体组成为：

阳极浆料：阳极粉体17.5-30，造孔剂20-32.5，ETOH12-15，MEK24-30，TEA1-1.8，PVB3-8，DOP2-5，PEG2-5，针对不同的粉料，可采取不同的配比方式，涂覆溶剂为加入乙基纤维素的松油醇。

本发明制得的多孔氧化钇稳定的氧化锆阳极材料中复合了催化剂层，即催化剂材料复合于多孔氧化钇稳定的氧化锆材料中形成复合阳极膜材，且催化剂材料可以是氧化铜和氧化铈或者是氧化铝、氧化锆、氧化钌中的至少一种再加上氧化铜和氧化铈。

本发明的优点在于：

(1)流延法工艺简单、成本低廉，且易实现大面积生产；

(2)通过改变加入阳极浆料中造孔剂的含量，可以控制多孔阳极支撑体的气孔率，有利于提高阳极的电化学性能；

(3)通过改变加入阳极浆料中造孔剂的种类和颗粒大小，可以改变气孔大小和形状，有助于改善阳极微观结构，降低极化电阻；

(4)通过改变涂覆浆料的组成和次数，可以改变阳极催化层厚度及其中Cu和CeO₂的质量比，有助于改进阳极抗碳沉积能力和电化学性能。

附图说明

1.图1是按实施例3制备的平板式SOFC的SEM断面图，从左至右的四层依次为阳极催化层，阳极支撑层，电解质层，阴极层。