[发明专利]浸渍法制备固体氧化物燃料电池阳极的方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池阳极的方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种直接把燃料的化学能转换为电能的发电装置，具有效率高、污染低和燃料来源广泛等优点。按照结构，SOFC一般分为管式和平板式两种类型。其主要组成部分为阳极、电解质和阴极，氧化气体(主要是氧气)在阴极上被还原，形成O^2-，O^2-通过电解质被传导到阳极。SOFC通过阳极供给燃料，燃料在阳极上与O^2-反应被氧化。其阳极必须满足一些基本要求：提供具有催化活性的表面；在还原气氛和工作温度下具有足够高的电子电导率，并且在较长时间内保持稳定；具有多孔结构；在室温和工作温度范围内，性能稳定、化学稳定、晶格稳定和外形尺寸稳定；具有合适的热膨胀性，不易开裂、变形和脱落；与其他电池组件有较好的相容性，不发生反应；有较高的强度和韧性，易加工且费用低。

可以用于SOFC阳极的材料包括Pt、Au、Ag等贵金属，以及一些在还原气氛中稳定的电子电导陶瓷和混合电导陶瓷，如ZrO₂、CeO₂等氧化物及掺杂的氧化物。贵金属在高温下容易挥发，而且成本很高，因此不适合长期工作及推广。而掺杂氧化物电极目前还处于研究中，性能不稳定。最常用的阳极是贱金属Ni与氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)烧结制备的Ni/YSZ金属陶瓷阳极。这种阳极能保证较高的催化性、多孔性、化学相容性、热匹配性、高电导率等。Ni/YSZ金属陶瓷阳极可以通过多种方法进行制备，如陶瓷成型技术包括流延成型和轧膜成型，涂层技术包括丝网印刷和泥浆涂层等，沉积技术常用等离子体喷涂和化学气相沉积等。这些方法大多需要昂贵的试验设备，而且需要很高的烧结条件，这些都不利于阳极的商业化推广。而且Ni/YSZ金属陶瓷阳极在直接利用碳氢燃料时，容易发生严重的积碳现象。Gorte的研究组在YSZ基体中使用更具惰性的Cu取代Ni，改善了电极的抗积碳性能。但是由于Cu及其氧化物的熔点较低，不能用传统的流延、干压后烧结等工艺制备。该研究组采用的是催化工业上常用的浸渍法。之后，很多课题组把浸渍法用于制备各种SOFC阳极，并取得了显著的成果。

目前，利用浸渍法制备的SOFC阳极，稳定性一直是最大的制约因素。这是由于浸渍时，向阳极中浸渍的催化剂成分主要吸附在阳极支撑体的表层，经常堵住表面的孔洞，使得浸渍液不能继续深入到支撑体内部。这导致催化剂在支撑体中分布极为不均匀，在700℃以上的工作温度下会发生迁移和烧结，稳定性也随之下降。同时，由于催化剂不能充分到达阳极和电解质界面对燃料的电化学氧化进行催化，这将导致电池阻抗的增大，降低输出性能。

发明内容

本发明要解决目前浸渍法制备的固体氧化物燃料电池阳极稳定性低，容易老化而导致性能容易衰退的问题；而提供了浸渍法制备固体氧化物燃料电池阳极的方法。

本发明中浸渍法制备固体氧化物燃料电池阳极的方法是按下述步骤进行的：浸渍法制备固体氧化物燃料电池阳极的方法是按下述步骤进行的：本实施方式中浸渍法制备固体氧化物燃料电池阳极的方法是按下述步骤进行的：一、将催化剂、分散剂和溶剂混合均匀，得到浸渍液，催化剂为金属的硝酸盐、金属的铵盐、金属的草酸盐或金属的有机酸盐，催化剂中所述金属为Ni、Cu、Ce、Co、Ag、Au、Pt、Pd、Rh或Ru，分散剂为醇(如：乙醇)、有机酸(如：甲酸、乙酸、乙二酸、酒石酸、苹果酸、草酸、苯甲酸、水杨酸、咖啡酸)、尿素或氨水，溶剂为水、醇类或醚类，催化剂和分散剂的质量比为100～1/100∶1，催化剂和分散剂的总质量分数为0.1％～100％；二、将浸渍液引入多孔阳极支撑体内，在400℃下焙烧；三、重复步骤二操作5～20次，在空气气氛下850℃高温炉中烧结1小时；四、然后放在陶瓷管或石英管中，一端通入还原性气体，另一端开口或者密封，然后将陶瓷管或石英管放到加热炉中，在600～1020℃的温度下进行恒温加热0.5～50小时，即得到固体氧化物燃料电池阳极。

本实施方式浸渍法制备固体氧化物燃料电池阳极的方法还可是按下述步骤进行的：步骤一、将催化剂、分散剂和溶剂混合均匀，得到浸渍液，催化剂为金属的硝酸盐、金属的铵盐、金属的草酸盐或金属的有机酸盐，催化剂中所述金属为Ni、Cu、Ce、Co、Ag、Au、Pt、Pd、Rh或Ru，分散剂为醇、有机酸、尿素或氨水，溶剂为水、醇类或醚类，催化剂和分散剂的质量比为100～1/100∶1，催化剂和分散剂的总质量分数为0.1％～100％；

步骤二、将浸渍液引入多孔阳极支撑体内，在400℃下焙烧；