專利名稱：一種陽極不用還原的固體氧化物燃料電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能陶瓷技術(shù)領(lǐng)域，涉及到合金制備過程、陶瓷粉體制備與加工，特別是涉及到制造高比表的多孔結(jié)構(gòu)陽極與陽極不用還原的固體氧化物燃料電池的制作方法。
背景技術(shù)：
固體氧化物燃料電池為新型的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，它具有高效率、低污染能優(yōu)點，受到廣泛的關(guān)注。固體氧化物燃料電池的陽極為多金屬孔陶瓷，傳統(tǒng)固體氧化物燃料電池中，使用最多的陽極為鎳基陽扱。鎳基陽極采用的陽極催化劑為鎳，它的的前軀體為NiO，固體氧化物燃料電池發(fā)電前，必須使用氫氣使NiO中的Ni還原。Ni具有良好的催化性能和導(dǎo)電性，但在燃料氣為碳氫燃料時，使用鎳基陽極的固體氧化物燃料電池，有抗積碳能力差和鎳易團聚等缺陷；同時此種陽極發(fā)電前要先行還原才能使用，浪費時間與資源，電池啟動エ序 復(fù)雜。使用鎳基陽極的固體氧化物燃料電池的上述缺陷，影響固體氧化物燃料電池的使用性能。已有研究發(fā)現(xiàn)鎳銅合金不僅擁有優(yōu)良的催化性能，還具有較好的抗積碳性能。用鎳銅合金為陽極催化劑，采用本發(fā)明中的固體氧化物燃料電池的制作方法，可以克服上述鎳基陽極所帶來的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種通過使用鎳銅合金粉體為陽極材料，采用特殊エ藝，適宜制備各種結(jié)構(gòu)的固體氧化物燃料電池的方法。在發(fā)明人以前的發(fā)明21110260959. 5中，提供了一種用高比表活性炭為模板，通過附著-烘干-煅燒等途徑制備鎳銅合金粉體的方法。用此種合金粉體為固體氧化物燃料電池的陽極催化劑，采用本發(fā)明中的固體氧化物燃料電池的制作方法，可以克服傳統(tǒng)鎳基陽極所帯來的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案和制備方法如下I.電解質(zhì)支撐固體氧化物燃料電池的制備電解質(zhì)基片制備(a)稱取一定質(zhì)量電解質(zhì)粉體，加入一定比例粘合劑，研磨，使粉體均勻混合，過篩。(b)按制作基片面積，稱取一定質(zhì)量的混合粉體轉(zhuǎn)入模具中加壓成型。(C)壓制成型的電解質(zhì)片放入高溫電阻爐里高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)過程包括加熱、保溫、冷卻、冷卻到室溫。具體操作將需加工的電解質(zhì)基片放入高溫電阻爐中程序升溫至所需溫度，升溫速率控制在2飛。C /min，加熱期間選取4飛個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫2飛小時；冷卻吋，降溫速率控制在1(T15°C /min，冷卻期間選取4飛個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫3飛小時電池，直至冷卻到室溫；整個過程在空氣中進行。陰極的制備
(a)將陰極粉體與電解質(zhì)粉體以一定的比例混合，加入一定比例粘合劑，研磨，使粉體均勻混合，過篩，得到陰極混合粉體。(b)將一定質(zhì)量陰極混合粉體均勻、牢固的制備到電解質(zhì)基片ー側(cè)，制備方法有漿料涂覆法、絲網(wǎng)印刷法、等離子噴涂法等?？筛鶕?jù)不同加工方法對粉體的要求，將粉末加工成不同形式。如干粉、漿料、均勻
懸浮液等。如果陰極層的加工方法，要求電解質(zhì)基片不先進行燒結(jié)。采用此 方法制備陰極層吋，電解質(zhì)基片可不進行的燒結(jié)成型。(c)將電池片放入高溫電阻爐里高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)過程包括加熱、保溫、冷卻、冷卻到室溫。具體操作將需加工的電池片放入高溫電阻爐中程序升溫至所需溫度，升溫速率控制在2 4°C /min，加熱期間選取2 3個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫2 3小時；冷卻吋，降溫速率控制在1(T15°C /min，冷卻期間選取2 3個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫r2小時電池，直至冷卻到室溫。整個過程在空氣中進行。陽極制備(a)將鎳銅合金粉體與電解質(zhì)粉體以一定的比例混合，再加入一定比例粘合劑，使粉體均勻混合，過篩，得到陽極混合粉體。(b)將一定質(zhì)量陽極混合粉體均勻、牢固的制備到電解質(zhì)基片的另ー側(cè)。制備方法有漿料涂覆法、絲網(wǎng)印刷法、等離子噴涂法等?？筛鶕?jù)不同加工方法對粉體的要求，將粉末加工成不同形式。如干粉、漿料、均勻
懸浮液等。(c)將電池片放入高溫電阻爐里高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)過程包括加熱、保溫、冷卻、冷卻到室溫。具體操作將電池片放入無氧氣氛或還原氣氛的高溫電阻爐中程序升溫至所需溫度，升溫速率控制在2飛。C /min,加熱期間選取4飛個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫2、小時；冷卻吋，降溫速率控制在1(T20°C /min，冷卻期間選取4飛個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫I飛小時電池，直至冷卻到室溫。整個過程一直保持在無氧氣氛或還原氣氛下進行。2.陽極支撐固體氧化物燃料電池制備陽極基片制備(a)將鎳銅合金粉體與電解質(zhì)粉體按ー定比例混合，加入一定比例粘合劑，研磨，使粉體均勻混合，過篩。(b)按制作基片面積，稱取一定質(zhì)量的陽極粉體轉(zhuǎn)入模具中加壓成型。(c)將陽極基片放入高溫電阻爐里高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)過程包括加熱、保溫、冷卻、冷卻到室溫。具體操作將需加工的電池片放入無氧氣氛或還原氣氛的高溫電阻爐中程序升溫至所需溫度，升溫速率控制在2飛。C /min，加熱期間選取4飛個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫2飛小時；冷卻吋，降溫速率控制在1(T20°C /min,冷卻期間選取4飛個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫I飛小時電池，直至冷卻到室溫。整個過程一直保持在無氧氣氛或還原氣氛下進行。電解質(zhì)制備(a)按制作陽極基片面積，稱取一定質(zhì)量的電解質(zhì)粉體，加入一定比例粘合劑，研磨，使粉末均勻混合，過篩。(b)將電解質(zhì)粉體均勻、致密、牢固的制備到陽極基片上。制備方法可采用共壓法、等離子噴涂法、濺射法、火焰燃燒輔助氣相沉積等。可根據(jù)不同加工方法對粉體的要求，將粉末加工成不同形式。如干粉、漿料、均勻懸浮液等。如果電解質(zhì)層的加工方法，要求陽極基片不先進行燒結(jié)。采用此方法制備電解質(zhì)層時，陽極基片可不進行的燒結(jié)成型。 (c)將電池片放入高溫電阻爐里高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)過程包括加熱、保溫、冷卻、冷卻到室溫。具體操作將需加工的電池片放入無氧氣氛或還原氣氛的高溫電阻爐中程序升溫至所需溫度，升溫速率控制在2飛。C /min,加熱期間選取4飛個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫2飛小時；冷卻吋，降溫速率控制在1(T20°C /min,冷卻期間選取4飛個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫I飛小時電池，直至冷卻到室溫；整個過程一直保持在無氧氣氛或還原氣氛下進行。陰極的制備( a)將陰極粉體與電解質(zhì)粉體以一定的比例混合，加入一定比例粘合劑，研磨，使粉體均勻混合，過篩，得到陰極混合粉體。(b)將一定質(zhì)量陰極混合粉體均勻、牢固的制備到電解質(zhì)基片表面。制備方法有漿料涂覆法、絲網(wǎng)印刷法、等離子噴涂法等。可根據(jù)不同加工方法對粉體的要求，將粉末加工成不同形式。如干粉、漿料、均勻
懸浮液等。(c)將電池片放入高溫電阻爐里高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)過程包括加熱、保溫、冷卻、冷卻到室溫。具體操作將需加工的電池片放入無氧氣氛或還原氣氛的高溫電阻爐中程序升溫至所需溫度，升溫速率控制在2飛。C /min，加熱期間選取2 3個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫2飛小時；冷卻吋，降溫速率控制在1(T20°C /min,冷卻期間選取2 3個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫I飛小時電池，直至冷卻到室溫。整個過程一直保持在無氧氣氛或還原氣氛下進行。3.陰極支撐固體氧化物燃料電池制備陰極基片制備(a)將陰極粉體與電解質(zhì)粉體按一定比例混合，加入一定比例粘合劑，研磨，使粉體均勻混合,過篩。(b)按制作基片面積，稱取一定質(zhì)量的陰極粉體轉(zhuǎn)入模具中加壓成型。(c)將陰極基片放入高溫電阻爐里高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)過程包括加熱、保溫、冷卻、冷卻到室溫。具體操作將需加工的陰極基片放入高溫電阻爐中程序升溫至所需溫度，升溫速率控制在2飛。C /min，加熱期間選取2 3個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫2飛小時；冷卻吋，降溫速率控制在1(T20°C /min，冷卻期間選取2 3個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫f 3小時電池，直至冷卻到室溫。整個過程在空氣中進行。電解質(zhì)制備(a)按制作陰極基片面積，稱取一定質(zhì)量的電解質(zhì)粉體，加入一定比例粘合劑，研磨，使粉末均勻混合，過篩。(b)將電解質(zhì)粉體均勻、致密、牢固的制備到陰極基片上。 制備方法采用共壓法、等離子噴涂法、濺射法、火焰燃燒輔助氣相沉積等。可根據(jù)不同加工方法對粉體的要求，將粉末加工成不同形式。如干粉、漿料、均勻懸浮液等。如果電解質(zhì)層的加工方法，要求陰極基片不先進行燒結(jié)。采用此方法制備電解質(zhì)層時，陰極基片可不進行的燒結(jié)成型。(c)將電池片放入高溫電阻爐里高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)過程包括加熱、保溫、冷卻、冷卻到室溫。具體操作將電池片放入高溫電阻爐中程序升溫至所需溫度，升溫速率控制在2飛。C /min,加熱期間選取4飛個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫2飛小時；冷卻吋，降溫速率控制在1(T20°C /min,冷卻期間選取4飛個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫I飛小時電池，直至冷卻到室溫。整個過程在空氣中進行。陽極制備(a)將鎳銅合金粉體與電解質(zhì)粉體以一定的比例混合后研磨，再加入一定比例粘合劑，研磨，使粉體均勻混合，過篩，得到陽極混合粉體。(b)將一定質(zhì)量陽極混合粉體均勻、牢固的制備到電解質(zhì)基片表面。制備方法有漿料涂覆法、絲網(wǎng)印刷法、等離子噴涂法等?？筛鶕?jù)不同加工方法對粉體的要求，將粉末加工成不同形式。如干粉、漿料、均勻
懸浮液等。(c)將電池片放入高溫電阻爐里高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)過程包括加熱、保溫、冷卻、冷卻到室溫。具體操作將需加工的電池片放入無氧氣氛或還原氣氛的高溫電阻爐中程序升溫至所需溫度，升溫速率控制在2飛。C /min，加熱期間選取4飛個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫2飛小時；冷卻吋，降溫速率控制在1(T20°C /min,冷卻期間選取4飛個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫I飛小時電池，直至冷卻到室溫。整個過程一直保持在無氧氣氛或還原氣氛下進行。本發(fā)明的效果和益處是通過本方法制成的固體氧化物燃料電池在制作完成后陽極催化劑為鎳銅合金，在電池發(fā)電前，不需經(jīng)過還原；電池陽極的微觀結(jié)構(gòu)復(fù)制了鎳銅合金粉體的微觀3D結(jié)構(gòu)，成圓柱體狀，使陽極具有非常高的比表面；陽極中銅和鎳處于合金狀態(tài)，抗積碳能力強等優(yōu)點。


圖I是本發(fā)明制備的Ni/Cu-YSZ/YSZ/LSM電解質(zhì)支撐的固體氧化物燃料電池的SEM 圖。圖中具有3D圓柱狀結(jié)構(gòu)的為電池陽極，緊密結(jié)構(gòu)的為電解質(zhì)層。圖中可以看出固體氧化物燃料電池陽極為直徑在廣2um的圓柱狀結(jié)構(gòu)組成。
具體實施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式
。Ni/Cu-YSZ/YSZ/LSM電解質(zhì)支撐固體氧化物燃料電池制備實例I. YSZ電解質(zhì)基底的制備①用電子天平稱取一定質(zhì)量的YSZ，加入2飛wt%的粘合剤?；旌虾蠓湃胙欣徶醒心?，使粉體充分均勻混合，混合粉體過120目篩網(wǎng)。

②將過篩后的電解質(zhì)粉體稱取0.6 1.4g轉(zhuǎn)入模具中加壓成型。所加壓カ為100 600MPa。③壓制成型的電解質(zhì)片放入高溫電阻爐里高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)過程包括加熱、保溫、冷卻、冷卻到室溫。具體操作將需加工的電解質(zhì)基片放入馬弗爐中程序升溫至1100 1400で，升溫速率控制在2飛。C /min，加熱期間選取4飛個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫2飛小時；冷卻吋，降溫速率控制在1(T15°C /min，冷卻期間選取4飛個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫:T5小時電池，直至冷卻到室溫。整個過程在空氣中進行。2.陰極制備陰極材料選用LSM (LaO. 85SrO. 15Mn03)。將LSM粉體與YSZ電解質(zhì)粉體以4:1 2 :I的比例混合后研磨，再加入2 4wt%粘合劑繼續(xù)研磨，得到陰極漿料。使用漿料涂覆法，將陰極漿料涂覆在電解質(zhì)基底的ー側(cè)，涂覆陰極后，將電解質(zhì)基片放入烘箱內(nèi)在8(T12(TC下烘干3 6小時，冷卻后取出。壓制成型的電解質(zhì)片放入高溫電阻爐里高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)過程包括加熱、保溫、冷卻、冷卻到室溫。具體操作將電池片放入馬弗爐中程序升溫至1000 1150で，升溫速率控制在2^4°C /min，加熱期間選取2 3個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫2 3小時；冷卻吋，降溫速率控制在1(T15°C /min,冷卻期間選取2 3個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫f 2小時電池，直至冷卻到室溫。整個過程在空氣中進行。3.陽極制備陽極材料選用由作者以前的發(fā)明21110260959. 5的鎳銅合金粉體材料。用電子天平分別稱取質(zhì)量比為3: f 3 2的鎳銅合金和YSZ粉體，經(jīng)充分研磨，使粉體充分均勻混合。再加入2 4wt%粘合劑繼續(xù)研磨，得到陽極漿料。 使用漿料涂覆法，將陽極漿料涂覆在電解質(zhì)基底的另ー側(cè)，涂覆陽極后，將電解質(zhì)基片放入烘箱內(nèi)在8(T12(TC下烘干3 6小時，冷卻后取出。將電池片放入高溫電阻爐里高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)過程包括加熱、保溫、冷卻、冷卻到室溫。具體操作將需加工的電池片放入無氧氣氛或還原氣氛的馬弗爐中程序升溫至90(T140(TC，升溫速率控制在2飛。C /min,加熱期間選取4飛個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫2飛小時；冷卻吋，降溫速率控制在1(T20°C /min,冷卻 期間選取4飛個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫I飛小時電池，直至冷卻到室溫。整個過程一直保持在無氧氣氛或還原氣氛下進行。
權(quán)利要求
1.一種陽極不用還原的固體氧化物燃料電池的制備方法，用鎳銅合金為陽極催化劑材料，陽極層在無氧氣氛或還原氣氛下燒結(jié)，其特征在于制備過程為 (a)用高比表活性炭為模板，通過附著-烘干-煅燒途徑制備的鎳銅合金粉體為固體氧化物燃料電池的陽極材料； (b)在無氧氣氛或還原氣氛下，燒結(jié)固體氧化物燃料電池陽極層燒結(jié)陽極層時，將需加工的固體氧化物燃料電池放入無氧氣氛或還原氣氛的馬弗爐中程序升溫至90(Tl40(rC，升溫速率控制在2飛。C /min,加熱期間選取4飛個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫2飛小時；冷卻時，降溫速率控制在1(T20°C /min,冷卻期間選取4飛個保溫溫度，在每個保溫溫度下保溫I飛小時電池，直至冷卻到室溫；陽極在高溫?zé)Y(jié)與冷卻過程中，一直保持在無氧環(huán)境或還原氣氛下。
全文摘要
一種陽極不用還原的固體氧化物燃料電池的制備方法，屬于功能陶瓷技術(shù)領(lǐng)域。其特征是采用鎳銅合金粉體為陽極材料，制備不同結(jié)構(gòu)的固體氧化物燃料電池，在無氧氣氛或還原氣氛下，通過燒結(jié)工藝，燒結(jié)固體氧化物燃料電池的陽極。本發(fā)明的效果和益處是通過本方法制成的固體氧化物燃料電池在制作完成后陽極催化劑為鎳銅合金，在電池發(fā)電前，不需經(jīng)過還原；電池陽極的微觀結(jié)構(gòu)復(fù)制了鎳銅合金粉體的微觀3D結(jié)構(gòu)，成圓柱體狀，使陽極具有非常高的比表面；陽極中銅和鎳處于合金狀態(tài)，抗積碳能力強等優(yōu)點。
文檔編號H01M8/10GK102790229SQ201210250468
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月19日
發(fā)明者劉潤杰, 徐俊煒, 曹磊, 由宏新 申請人:大連理工大學(xué)