[发明专利]一种浸渍法制备双层孔结构的固体氧化物燃料电池阳极的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备固体氧化物燃料电池阳极的方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种新型的能量转化装置，它可以将燃料的化学能不经卡诺循环过程直接转化为电能，因此其效率不受卡诺循环效率的限制，综合效率可达80%以上。在能源和环境问题日益严峻的情况下，SOFC成为各国研究的热点和重点方向。传统的SOFC采用电解质支撑型结构，其中氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）电解质的厚度为毫米量级，YSZ一方面作为电解质，一方面还作为整个电池的支撑体。由于采用的YSZ电解质厚度较大，传统的SOFC需要工作在1000℃左右，以减小电解质的欧姆电阻损失。然而，如此的高温运行势必会带来材料的老化问题，显著影响电池输出性能。因此，降低SOFC的运行温度已成为当下研究的主流方向。SOFC的多孔阳极为电子-氧离子混合导体，其电导率较YSZ电解质高出4-6个数量级。为达到降温运行目的，人们开发了阳极支撑型SOFC，多孔阳极作为整个电池的支撑体，电解质的厚度从传统的毫米量级减小为微米量级，大大降低了电解质的欧姆损失，因此可以在较低的温度（600～800℃）运行时获得与1000℃运行时相当的输出功率。目前，阳极支撑型SOFC已被广泛采纳。

采用阳极支撑型SOFC，可将电池运行温度降低至600～800℃的中温区。然而，电极的电化学活性会随着温度的降低而显著下降。对阳极支撑型SOFC而言，由于使用了厚度为微米量级的电解质薄膜，电解质的欧姆电阻显著降低，电极极化损失成为电池输出性能进一步提高的制约因素。因此，提高电极的催化活性是进一步提高阳极支撑型SOFC输出性能的重要研究方向。电极的电化学活性不仅与电极材料有关，且强烈依赖于电极的微结构，具有纳米结构的电极表现出优越的电极性能。采用硝酸盐溶液浸渍多孔支撑体并在适当温度焙烧，可将活性成分以纳米的形式引入。纳米活性粒子有极大的比表面积，可在电极中形成丰富的三相反应区，促进电极电化学过程的顺利进行。

以硝酸镍溶液浸渍多孔电极支撑体为例：若SOFC为电解质支撑型结构，电极的厚度为微米量级，则硝酸镍溶液在毛细管力的作用下可顺利进入多孔电极支撑体内部，经焙烧之后硝酸镍分解为氧化镍，最后再经氢气还原即可得到具有纳米镍（Ni）活性成分的SOFC阳极。由于电极的厚度较小，浸渍液容易进入多孔支撑体内部实现均匀分布。然而，若采用阳极支撑型SOFC结构，阳极厚度为数百微米量级，此时若采用浸渍法将纳米氧化镍引入多孔YSZ支撑体，就会出现浸渍不均匀的情况，最终会导致还原后得到的金属镍纳米颗粒在多孔YSZ支撑体中的不均匀分布。如此，镍浸渍量大的部位会出现镍的高温烧结快速团聚，降低电极的电化学活性；金属镍浸渍不足的部位无法形成连通的镍导电网络，严重影响电极的电子导电能力，同时也会严重影响电极的电化学活性。为保证在多孔YSZ阳极支撑体内部形成均匀分布的纳米Ni活性成分，通常将浸渍流程置于电池制作的最后一个环节，以避免浸渍的硝酸镍经历过高的烧结温度而出现纳米Ni活性成分的显著烧结团聚。多孔YSZ阳极支撑体/致密YSZ电解质膜/阴极三合一组件中多孔YSZ阳极支撑体的电极浸渍技术流程为（浸渍液从多孔YSZ的一个表面浸入,其另一面已被致密YSZ电解质膜覆盖）：硝酸镍溶液浸渍多孔YSZ---烘干---硝酸镍溶液二次浸渍多孔YSZ---二次烘干等，根据浸渍量的要求，此过程可多次重复进行。在实际浸渍过程中，经过前期的浸渍---烘干循环后，硝酸盐分解而成的氧化镍颗粒会一定程度的堵塞多孔YSZ支撑体中的孔道，影响后期的浸渍效果，导致多孔YSZ支撑体中远离致密YSZ电解质膜一侧镍的含量很高，接近多孔YSZ支撑体/致密YSZ电解质膜界面一侧的镍的含量不足。SOFC阳极中燃料的氧化反应进行效率最高的区域富集在距离阳极/YSZ电解质界面十几微米的阳极内部，此处镍浸渍量的不足会严重影响阳极的电化学性能。为解决此问题，可提高造孔剂的用量来提高多孔YSZ阳极支撑体的孔隙率，从而提高浸渍量。然而，单纯使用高孔隙率的阳极支撑体经多次浸渍后获得的SOFC阳极中富集大量的纳米镍颗粒，经过高温烧结之后极易出现纳米镍颗粒的显著烧结团聚；另一方面，接近多孔YSZ支撑体/致密YSZ电解质膜界面一侧镍的烧结团聚会显著降低电极的电化学三相反应活性区（此区域是阳极中电化学反应效率最高的区域），导致电极的电化学活性不高。

发明内容

本发明是要解决现有浸渍法制备固体氧化物燃料电池阳极在浸渍过程中存在的金属镍纳米颗粒在多孔YSZ支撑体中不均匀分布导致的电化学活性低的技术问题，从而提供了一种浸渍法制备双层孔结构的固体氧化物燃料电池阳极的方法。