[发明专利]一种制备多孔Ni/磷灰石型硅酸镧金属陶瓷阳极的方法

说明书

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，涉及一种制备多孔金属陶瓷阳极的方法，特别涉及制备多孔Ni/磷灰石型硅酸镧金属陶瓷阳极的方法，其中磷灰石型硅酸镧包括各种掺杂的磷灰石型硅酸镧。 

背景技术

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells，SOFCs）是一种全固体结构的电化学装置，它把燃料化学反应释放的能量直接转换成电能，具有能量转换高效、环境友好的特点，将为社会提供清洁的能源，有着广阔的应用前景。 

磷灰石型硅酸镧La_xSi₆O_12+1.5x（x=8-11）是由Nakayama于1995年首先提出的新型氧离子导体，它在中低温下具有高的氧离子电导率（500℃为1.8x10^-4Scm^-1）和低的电导活化能（69kJmol^-1（0.72eV））[1]。磷灰石型硅酸镧在La位或Si位掺杂以及在La位和Si位同时掺杂后将进一步提高氧离子电导率并降低电导活化能。目前，氧离子电导率最高的磷灰石型硅酸镧是Mg掺杂的磷灰石型硅酸镧La₁₀Si_5.8Mg_0.2O_26.8，其氧离子电导率在500℃和800℃分别为1.4x10^-2Scm^-1和8.8x10^-2Scm^-1，其电导活化能为0.43eV[2]。由于其低的电导活化能以及在很宽氧分压范围内极高的稳定性，磷灰石型硅酸镧是很有前景的中温（500℃-800℃）SOFCs电解质及阳极材料。 

SOFCs由气密的电解质和位于其两侧多孔的阳极、阴极以及单个电池间的连接体组成。燃料气体和氧气或空气分别通过多孔阳极和阴极抵达进行电化学反应的三相交界处。SOFCs的多孔阳极是既能传导电子又能传导氧离子的混合导体，它通常是由传导电子的Ni及传导O^2-离子的电解质材料组成，如高温SOFCs中的Ni/YSZ金属陶瓷阳极就是典型的例子，其中YSZ是Y稳定的ZrO₂， 它是SOFCs的电解质材料。多孔阳极中的Ni除了传导电子外，还对H₂的氧化起催化作用。为了降低内电阻，中温SOFCs须采用薄膜电解质，用多孔阳极做薄膜电解质的支撑体，这就是所谓的阳极支撑的SOFCs。 

对于新型的磷灰石型硅酸镧电解质，目前尚缺乏含磷灰石型硅酸镧的多孔阳极，研究中常常采用多孔Pt或Ni/SDC（SDC为Sm掺杂的CeO₂）作为阳极以测试电池性能[3，2]。但由于Pt不能传导氧离子，使电池性能受到影响。用Ni/SDC阳极与磷灰石型硅酸镧电解质相配，由于存在SDC/磷灰石型硅酸镧界面，必然会增加电阻；同时，在长期的SOFCs运行过程中，还将会降低电池的可靠性。因此，亟需开发Ni/磷灰石型硅酸镧金属陶瓷阳极。 

在Ni/磷灰石型硅酸镧复合阳极的研究方面，人们也做了一些工作。Yoshioka等人用7μm NiO与小于10μm的Mg掺杂的磷灰石型硅酸镧（La_9.71Si_5.72Mg_0.28O_26.29，MDLS）混合，经在H₂中还原NiO后，制得Ni/MDLS复合阳极[4]。由于NiO与MDLS的晶粒尺寸大，使气体/电极/电解质三相界线不够长，电化学反应点不足。Savignat等人用流延成型法将1μm NiO分别与1.1μm及3μm Sr掺杂的磷灰石型硅酸镧La₉Sr₁Si₆O_26.5粉体混合，并用石墨或淀粉作为成孔剂制备多孔阳极，所得到的多孔阳极很脆[5]，强度不够。Brisse等人采用固相反应法制备Sr掺杂的磷灰石型硅酸镧（La₉Sr₁Si₆O_26+δ，δ≈0.5）粉体，用平均尺寸分别为1μm的La₉Sr₁Si₆O_26+δ（δ≈0.5）和NiO粉体，采用旋转涂胶法制备多孔阳极，但所得到的多孔阳极过于疏松[6]。