[发明专利]一种以天然纤维为造孔剂制备平板式SOFC阳极的方法

说明书

技术领域

本发明涉及以天然纤维为造孔剂制备阳极支撑体的方法，属于平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)领域。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)采用高熔点的固体氧化物作为电解质，全固体的电池结构不存在漏液问题，不采用贵金属如铂作为电极催化剂，成本大大降低，燃料适用范围广，余热利用价值高，成为能源领域的研究热点。平板式SOFC由于制备工艺相对简单、条件容易控制，造价低，并且电流流程短、采集均匀，电池功率密度高等原因，近几年成为国际研究领域的主流。根据不同的制造工艺，平板式SOFC可分为电解质支撑型和阳极支撑型。在电解质支撑型平板式SOFC电池中，电解质的厚度一般是50～150μm，由于电解质层较厚电池的欧姆电阻高，因此仅适合于在高温1000℃以上操作。在电极支撑型平板式SOFC，电解质的厚度能够显著地降低，一般是5～20μm，降低了电池的欧姆电阻，因而有可能在较低的温度如800℃下或更低的温度下操作。通常选择阳极作为支撑体，因为它有高的热导率和电导率、也有很好的机械强度以及与电解质间的相容性好等优点。

阳极支撑SOFC中，阳极的厚度为数百微米到厘米级，而电解质和阴极的厚度都相对很薄，为几十微米，气体在阳极中扩散比在阴极中的扩散要困难得多，到达反应地点要经历更长的路径，如果阳极的孔隙率不足，电池在工作中就可能出现明显的浓差极化，严重制约了电池的输出性能。如果阳极的孔隙率太大，会减小三相反应界面，影响阳极的活性，产生活化极化，降低电池输出性能，同时还会造成阳极强度的大幅度下降。通常在阳极中添加的造孔剂有面粉、淀粉、玉米粉等有机物造孔剂和石墨粉等碳单质造孔剂等，或者组合运用这些造孔剂。它们在阳极中留下了球形或其他不规则形状的孔洞。电极中连通的孔是必要的，连通的孔能让反应物扩散至活性反应区域并且使反应产物扩散出活性反应区域。通常要使这些造孔剂形成的孔洞能够形成连通的气体输运通道，就需要使用大量造孔剂，从而导致电池强度被破坏。

本专利在1％过氧化氢水溶液和1％硝酸铝水溶液介质中，采用经超声波处理的天然纤维作为造孔剂，其中的3价铝离子可加固天然纤维的纤维束。经超声波处理的纤维状物质可使阳极在使用少量造孔剂的情况下形成相互连通，结构良好的细条状孔隙，有利于气体在阳极内顺利的流通，减小浓差极化，同时增加阳极的机械强度，增加三相反应界面，提高电池输出性能，并具有工艺简单、不会造成环境污染等优点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种以经超声波处理的天然纤维作为造孔剂制备固体氧化物燃料电池阳极的方法。该方法工艺简单，成本低廉，易实行大面积生产且符合“环境友好”这一理念。

本发明的天然纤维造孔剂为自然界容易直接取得的物质，如棉花、蚕丝或麻纤维。利用上述造孔剂制备阳极支撑体的方法，其特征在于所述方法为：

(1)在容器内称取一定量的天然粗纤维，加入等量的1％过氧化氢水溶液和1％硝酸铝水溶液(其质量为天然粗纤维的25～30倍)，搅拌后置于超声波振荡器内，在60℃加热条件下超声振荡1～5小时，得到加工天然纤维悬浊液；

(2)将加工天然纤维悬浊液离心分离后，放入90℃烘箱内恒温烘干；

(3)将烘干后的加工天然纤维与NiO、YSZ粉体及分散剂与水混合后，放入球磨罐内，置于行星式球磨机内球磨5～20小时后，得到阳极材料浆料。阳极材料浆料经真空练泥机练制，得到阳极材料泥条，其中NiO占初始粉体总质量的40～60％，加工天然纤维占初始粉体总质量的5～30％，分散剂占初始粉体总质量的0.8～1.5％，粘结剂占初始粉体总质量的8～12％，水占初始粉体总质量的25～70％；

(4)将氧化钇稳定的氧化锆粉体、聚乙烯吡咯烷酮、水混合成浆料，球磨混合浆料，除气，将浆料在流延机上进行成型，制成电解质素坯膜片；

(5)在压机模具底部放置电解质素坯膜片，然后在其上放入阳极材料泥条，经热压叠层，压制成厚度为1mm，边长为230mm的半电池坯体；

(6)将制得的半电池坯体进行排塑，烧结。

优选的排塑条件为450～650℃，升温速度为0.5～1℃/分；优选的烧结条件为1300～1450℃下烧结2～4小时；优选的电解质素坯膜流延成型条件是刀高100～130μm，优选的阳极素坯膜流延成型条件是刀高1.0～1.8mm，并在室温下干燥15～30小时。

在上述步骤(3)的浆料中加入分散剂和粘结剂。

在本发明的实施例中，以棉花为造孔剂；

以聚乙烯吡咯烷酮为分散剂；