[发明专利]一种采用球形和纤维状结构的复合造孔剂制备SOFC阳极的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于SOFC阳极制备的复合造孔剂及利用其制备阳极支撑型平板式SOFC的方法。

背景技术

作为21世纪新能源技术的固体氧化物燃料电池(SOFC)以其能量转化率高，对环境污染小，制作成本低等特点受到了越来越多的关注。传统的以YSZ电解质支撑的SOFC属于高温燃料电池，需要在1000℃以上的高温下工作以降低电解质带来的欧姆阻抗。但高的运行温度容易导致电极烧结、电解质和电极之间的界面扩散、热膨胀不匹配等问题，从而严重影响了电池的寿命。为了进一步推动SOFC的商业化发展，各国都在努力研究将工作温度降至中低温(600～800℃)以避免以上问题。目前最有效的方法是将传统的电解质支撑型SOFC转变为阳极支撑型SOFC，降低电解质厚度。

在阳极支撑型SOFC中，阳极厚度一般较大，为几百微米，气体在阳极中的扩散比较困难，到达三相反应界面的路径长，因此，作为SOFC的阳极材料，应该具有多孔的结构，从而保证反应气体的输运，增加电极、电解质、燃料气体的三相反应界面，使阳极反应容易进行。所以阳极的微观结构和孔隙率尤为重要。如果阳极的孔隙率不足，电池在工作中就可能出现明显的浓差极化，严重制约了电池的输出性能。如果阳极的孔隙率太大，必然会影响阳极的活性，阳极的电化学活性主要由电极-电解质-气体的三相反应界面(Three Phase Boundary，TPB)决定，太大的孔隙率会减少TPB的数量，使阳极中的反应点减少，产生活化极化，同时降低电池机械强度。

为了增加阳极的孔隙率，通常在制备阳极粉体是添加适量的造孔剂。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。对造孔剂的要求：不与基体反应；在加热过程中易于排除；在基体中无有害残留物。造孔剂粒径和形状决定了阳极气孔的大小和形状。通常在阳极中添加的造孔剂有面粉、淀粉、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)等有机物造孔剂和石墨粉、碳粉等碳单质造孔剂等，电极中连通的孔是必要的，连通的孔能让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。但石墨呈片状结构、大小不一，在阳极中难以形成连通的孔。淀粉，PMMA等具有球形结构的造孔剂能在阳极中留下规则的，球形的孔洞，要使这种形貌的孔洞形成连通的气体输运通道，需要使用大量造孔剂，但是造孔剂的用量过大会在提供了充足的孔隙率的同时明显地降低阳极支撑体的强度，同时阳极中大量气孔的存在会导致三相反应界面的减少。如果使用球形和纤维状结构的复合造孔剂，就可在阳极中形成球形和长条状的孔隙，从而在使用少量的造孔剂的情况下就使得孔隙顺利贯通，使反应气体和产物气体顺利地流入或流出，使阳极中的化学反应深入至内部，同时也保证了阳极具有足够的机械强度。

发明内容

为了解决现有阳极支撑型SOFC的阳极孔隙率与电池机械强度相匹配的问题，本发明提供一种复合阳极造孔剂及利用其制备大面积阳极支撑型平板式SOFC。本发明以环保型水系流延法为基础，以球形和纤维状结构物质为阳极复合造孔剂，采用NiO和YSZ等为原料制备水系流延浆料，经流延制得大面积阳极支撑体膜材；将制得的大面积阳极支撑体膜材与YSZ电解质膜材热压叠层，经烧结后得到阳极支撑体膜材半电池。该方法工艺简单、成本低廉、适合于工业化生产，制得的阳极膜材具有优良的电催化性能，且电池机械强度高。

本发明的复合造孔剂包括球形造孔剂和纤维状造孔剂，按照质量比为1～60∶1～20的比例混合。利用上述造孔剂制备平板式SOFC单电池，包括下述步骤：

(1)将NiO、电解质粉体均匀混合，其中NiO占阳极初始粉体总质量的40～70％；

(2)称取球形造孔剂和纤维状造孔剂，两者比例按权利要求1所述，向球形造孔剂加入分散剂和水，置于超声波振荡器中震荡0.5～2小时；向纤维状造孔剂中加入硝酸铝溶液，超声震荡1～3小时。将震荡后得到的两种造孔剂悬浊液分别离心，搅拌均匀，放入烘箱内90℃恒温烘干；

(3)将阳极初始粉体和烘干后得到的加工复合造孔剂按照质量比为100∶(5～30)的比例均匀混合，以水为溶剂，加入适量分散剂，粘结剂和增塑剂配制成浆料，分散剂占初始粉体总质量的0.8～1.5％，粘结剂占初始粉体总质量的8～12％，水占初始粉体总质量的25～70％，增塑剂占初始粉体总质量的2～5％；

(4)球磨混合浆料，除气，将浆料流延成型制成阳极素坯膜片；