[发明专利]原位纳米Al2O3粒子增强的多孔镍阳极的制作方法

说明书

技术领域：本发明涉及的是一种阳极的制作方法，特别是一种原位纳米Al₂O₃粒子增强的多孔镍阳极的制作方法，属于燃料电池领域。

背景技术：燃料电池是一种能够连续地将氢气、甲醇、烃类等燃料的化学能直接转化为电能的化学电源装置。它在实现能量转化的过程中无须热机的燃烧过程和传动设备，其效率不受卡诺循环的限制，故能量转化效率可高达60-80％，为内燃机的2-3倍。燃料电池完成化学能到电能的转变是通过电化学过程进行的，反应过程的排出物通常是可以饮用的水，不产生CO和NOx，也没有硫和微粒排出，所以不会造成环境污染。燃料电池没有运动件，没有振动，噪音很低，其电极仅作为化学反应的场所和导电的通道，本身不参与化学反应，故损耗小，寿命长。熔融碳酸盐燃料电池属于一种高温的燃料电池，通常采用多孔Ni/Al(Cr)作阳极，NiO为阴极，Li₂CO₃/K₂CO₃或Li₂CO₃/Na₂CO₃的低共熔混合物为电解质，LiAlO₂为电解质板材料，在650℃下工作。它可将天然气或煤气经催化重整后直接通入电池阳极参加电化学反应而产生电，因此非常适合大规模及高效率的电站使用。多孔金属镍阳极的高温蠕变是造成熔融碳酸盐燃料电池长期工作时性能下降的主要因素之一，因此很多研究者正在努力解决这个问题。经文献检索发现，由作者：Gyubeom Kim，Young joon Moon，Dokyol Lee，发表一文：《Preparationof creep-resistant Ni-5wt.％Al anodes for molten carbonate fuel cells》(熔融碳酸盐燃料电池抗蠕变的Ni-5wt.％Al阳极的制备)，《Journal of PowerSources》(能源)，104(2002)181-189。最近几年，在陶瓷粉体(如LiAlO₂，LiFeO₂等)表面镀镍，将此种复合粉体制成素坯，再烧结成阳极板。缺点：镍包覆层的强度受工艺影响较大，若包覆层在电池工作过程中脱落会造成电池阳极电化学催化性能恶化，且制作工艺比较复杂，成本较高。

发明内容：本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种原位纳米Al₂O₃粒子增强的多孔镍阳极的制作方法，采用原位反应法制备纳米Al₂O₃粒子弥散强化的多孔Ni阳极，在熔融碳酸盐燃料电池的阳极工作条件下具有良好的抗蠕变性能。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的具体方法如下：

1、以在较低温度下可分解的铝盐(如硝酸铝，氯化铝和异丙醇铝等)和羰基镍粉为原料，以甲基纤维素等水溶性高分子化合物为粘结剂，以蒸馏水为分散介质，辅以其它助剂，如增塑剂(丙三醇等)、分散剂(季铵盐等)、除泡剂(聚丙烯乙基醚等)，采用球磨方式制成混合浆料；

2、将混合浆料采用流延工艺成型为片状素坯，待素坯干燥后，将其在400-600℃下于空气中烧除有机物，同时铝盐发生分解，原位生成Al₂O₃纳米颗粒，分散在Ni颗粒表面(此时Ni颗粒表面部分氧化)；

3、然后将排粘后的素坯在700-1000℃下于还原气氛中烧结，由于得到的Al₂O₃颗粒非常细小，因此易在镍颗粒烧结过程中包裹到内部，得到多孔的纳米Al₂O₃颗粒弥散强化的Ni阳极。

本发明具有实质性特点和显著进步，制备方法简单，金属镍阳极的增强相为原位生成的纳米Al₂O₃粒子，且在电极内分布均匀，从而克服了直接在Ni粉中混入Al₂O₃粉造成的电极结构的不均匀。由于纳米Al₂O₃颗粒吸附在Ni粉颗粒表面，因此在烧结过程中易被包裹在镍颗粒之间，从而避免了相分离，且纳米陶瓷粒子比微米陶瓷粒子的弥散强化效果更好，可有效阻止镍晶界扩散，从而阻碍了Ni颗粒的长大，有效地提高了Ni阳极的抗高温蠕变性能，因此保证了该阳极在长期工作过程中结构和电催化性能的稳定性。