[发明专利]一种燃料电池的复合膜电极的制备方法

说明书

本发明提出一种燃料电池的复合膜电极的制备方法，在单晶硅基底表面沉积一层石墨化程度高的氮掺杂纳米金刚石颗薄膜，使用强酸对其进行表面处理，过滤后将薄膜表层浸泡在铈盐/钴酸镧系混合溶液中，水热处理后保温24h，获得金刚石基SDC/钙钛矿型复合膜电极前驱体，最后通过过滤烘干退火等工序制备得复合膜电极。本发明使用掺杂金刚石作为电极骨架，将掺杂氧化铈与钙钛矿结构复合后负载到金刚石骨架上，通过金刚石的高导热率和热稳定性，解决传统氧化铈催化剂与钴酸盐复合后抗热震能力差的问题，有效克服了传统的钙钛矿结构氧化物由于氧化铈基电解质与电极层热膨胀系数差异大，引起薄膜内阻变大，膜材质量变差的劣势。

技术领域

本发明涉及燃料电池材料领域，具体涉及一种燃料电池的复合膜电极的制备方法。

背景技术

由于对于传统的化石燃料不可再生，且使用过程中造成的环境污染严重，寻求环保型的再生能源是21世纪人类面临的严峻的任务。燃料电池(Fuel cell)是一种新型的能源技术，其通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能，所用的燃料为氢气、甲醇和烃类等富氢物质，对环境没有污染以及具有高的能量效率和高的功率密度，因此，燃料电池具有广阔的应用前景。

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，传统的SOFC必须在800℃以上的温度下进行操作才能得到较高的功率输出，但高的操作温度不仅对电池的连接密封材料的选择提出了苛刻的要求，而且加剧了电池组件间副反应的发生，电池的成本居高不下，从而限制了其市场的发展，所以降低SOFC的操作温度成为当前SOFC的研究热点之一。阳极除了在薄膜化的SOFC中起到支撑体的作用，还作为燃料发生电化学反应的催化剂，并提供反应界面，同时，它是燃料电池电路系统中不可缺少的重要组成部分。电极材料的选择、微观结构的设计直接影响SOFC 的工作特性，而电极的性能除与其组成有关外，还受其微观结构、温度、制造工艺及电池结构等的强烈影响。

钙钛矿结构的氧化物因其能在很宽的氧分压和温度范围内保持结构和性质稳定而受到电化学工作者的极大关注， 掺杂的钙钛矿结构的氧化物均可以表现出混合导体的性能，同时对燃料的氧化具有一定的催化作用。传统的钙钛矿结构氧化物如钴酸锶镧等具有较高的氧离子电导率和催化性能，固体氧化物燃料电池的工作温度主要集中在600-1000℃，由于氧化铈基电解质与电极层热膨胀系数差异大，引起薄膜内阻变大，膜材质量变差。

中国发明专利申请号201210090476.X公开了供固体氧化物燃料电池用材料、和含该材料的阴极及固体氧化物燃料电池。通过将过渡金属元素和/或镧系元素掺杂至钙钛矿型氧化物，即使在低温区域也可实现高的离子电导率和低的热膨胀系数。该方案通过对钙钛矿型氧化物进行掺杂处理，使电池的层间热失配最小化，改善电池的稳定性，因此可提高电池的耐用性。该方案通过对钙钛矿型氧化物进行掺杂处理，使电池的层间热失配最小化，改善电池的稳定性，因此可提高电池的耐用性。但是，将过渡金属元素和/或镧系元素掺杂至钙钛矿型氧化物，钙钛矿结构相结构的纯度及结构稳定性易受到掺杂量及制备气氛影响，制备纯相难度较高，而且在高温条件下容易发生相变。

中国发明专利申请号201510324997.0 公开了双钙钛矿型中温固体氧化物燃料电池阴极材料及制备方法将所需碱土硝酸盐等和络合剂在水溶液中充分混合，获得凝胶，烘干后的凝胶分别在500～700℃和800～950℃煅烧。煅烧后的粉体在1100～1300℃烧结10～20小时得到相应的单相双钙钛矿阴极材料。该发明提供的双钙钛矿结构降低了阴极材料热膨胀系数，解决了单一Co基和Fe基钙钛矿氧化物在高温下结构不稳定的问题，提高了材料的稳定性。但是双钙钛矿型材料组成复杂，需要高温，长时间烧结处理获得较好的组分结构，并且在应用中存在热导率低的问题。 因此，开发一种制备工艺简单，高温结构和性能稳定的膜电极材料对于膜电极电解质层与电极层在反复热启动过程中的稳定性改进具有十分重要的实际意义。

发明内容