專利名稱：一種固體氧化物燃料電池復(fù)合陰極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固體氧化物燃料電池復(fù)合陰極的制備方法，屬于化學(xué)電 源固體氧化物燃料電池材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的固體氧化物燃料電池陰極材料為摻雜Sr的錳酸鑭(La^SigV[n03)， 需要在1000-150(TC下利用氧化物粉末焙燒生產(chǎn)，制備時(shí)需要很高的能耗和很 長的固相反應(yīng)時(shí)間，此外還存在一些難以克服的缺點(diǎn)，表現(xiàn)在它的工作溫 度為800-100(TC，致使封裝材料和支撐結(jié)構(gòu)只能采用昂貴的難溶稀土金屬合 金，而且在高溫長時(shí)間工作后顆粒發(fā)生嚴(yán)重團(tuán)聚，氣路堵塞，大大降低電池 性能。而且，這種Lai.xSrxMn03對于燃料中硫化物的含量十分敏感，容易發(fā) 生催化劑中毒，出現(xiàn)整個(gè)電池?zé)o法繼續(xù)使用的情況。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種固體氧化物燃料電池復(fù)合陰極的制備方法， 該方法制備的陰極材料可以在450-60(TC的溫度范圍應(yīng)用，催化效率高，功率 輸出穩(wěn)定，以其為陰極的燃料電池安全可靠，工藝簡單，操作易行，成本低廉 而且環(huán)境友好。本發(fā)明提供的一種固體氧化物燃料電池復(fù)合陰極的制備方法步驟如下 步驟l)共還原熱處理制備陰極材料AuNi:將質(zhì)量百分比為10%-40°/。的氯金酸和質(zhì)量百分比為60%-90%的氯化鎳溶 于去離子水中，加入過量的硼氫化鈉，攪拌，充分反應(yīng)后過濾，得到的金鎳 粉末。將得到的金鎳粉末在體積比2:8的氫氬混合氣的保護(hù)氣氛下灼燒，反應(yīng)溫 度范圍為500°C-700°C，反應(yīng)時(shí)間為4-20小時(shí)。步驟2)制備陰極材料Bi2VQ.9Cuai05.35:將氧化鉍，三氧化釩，氧化銅以質(zhì)量比58.5: 8.5: 1裝入球磨罐中，在 行星球磨機(jī)中高速球磨，轉(zhuǎn)速為每分鐘400-600轉(zhuǎn)，球磨時(shí)間為6-10小時(shí)， 然后用丙酮清洗，抽濾，烘干。將烘干后的粉末在馬弗爐中熱處理，反應(yīng)溫度范圍為60(TC-80(TC，反應(yīng) 時(shí)間為20-40小時(shí)。步驟3)制備復(fù)合陰極將得到的陰極材料AuNi粉末和Bi2V。.9Cuai05.35粉末，以質(zhì)量比1:1的形 式混合，研磨均勻作為復(fù)合陰極。本發(fā)明具有如下效果-.1、 氯金酸和氯化鎳同時(shí)在去離子水中被硼氫化鈉共還原，保證了前料的 均勻混合，也保證了顆粒在熱處理前的納米級尺度；2、 納米級的顆粒在進(jìn)一步合金化時(shí)的熱處理溫度大大降低，只有 500°C-700°C，反應(yīng)過程也因此加快；3、 氧化鉍，三氧化釩，氧化銅進(jìn)過充分球磨之后固相反應(yīng)溫度降低，也 更加易于形成無雜相的產(chǎn)物；4、 采用了有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的球磨機(jī)以及電加熱設(shè)備，適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)， 降低了成本。


圖1是實(shí)施例1的AuNi合金X射線衍射圖譜； 圖2是實(shí)施例3的AuNi合金透射電鏡圖譜；圖3是實(shí)施例1的Bi2Va9CU(H05,35X射線衍射圖譜；圖4是實(shí)施例2的Bi2Va9CUai05.35的掃描電鏡圖譜；圖5是實(shí)施例1的AuNi-Bi2Va9Cu。.05.35作為陰極的單電池?cái)嗝鎾呙桦婄R圖譜；圖6是實(shí)施例1的AuNi-Bi2Vo.9CU(u05.35作為陰極的單電池性能輸出曲線。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)描述。有必要在此指出的是 下列實(shí)施例只用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍 的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容對本發(fā)明作出一 些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。實(shí)施例l將2.000g氯金酸和0.385g六水氯化鎳溶于500ml去離子水中，加入4.910g 硼氫化鈉，攪拌，過濾，將得到的粉末在體積比2:8的氫氬混合氣中灼燒還原， 反應(yīng)溫度為70(TC，熱處理時(shí)間10小時(shí)；將15.100g氧化鉍，2.187g三氧化 釩，0.258g氧化銅在行星球磨機(jī)中球磨，轉(zhuǎn)速每分鐘500轉(zhuǎn)，球磨時(shí)間6小 時(shí)，然后在馬弗爐中熱處理混合的粉末，反應(yīng)溫度700。C，反應(yīng)時(shí)間40小時(shí)。 然后將AuNi和Bi2Vo.9Ql(u05.35粉末各l.Og研磨混合均勻作為陰極，電解質(zhì)為Gd(uCeo.90！.95 (CGO)，陽極為NiO/CGO。采用絲網(wǎng)印刷法將復(fù)合陰極涂 布于電解質(zhì)片上，陽極和電解質(zhì)采用干壓法制成支撐片。最后將銀絲作為導(dǎo) 線粘在陽極和陰極兩側(cè)，粘結(jié)劑為商用銀漿。組裝成電池后在Arbin燃料電池 測試儀上進(jìn)行測試，。電池的開路電壓為0.9V，在450。C， 500。C和550。C的工 作溫度下測試，輸出功率分別為153， 227， 369mW/cm2。由圖lAuNi合金X射線衍射圖譜可以看出，合金中沒有鎳以及鎳的氧化 物、氫氧化物的衍射峰。這主要是因?yàn)檠趸G、三氧化釩、氧化銅進(jìn)過充分 球磨之后，固相反應(yīng)溫度降低，易于形成無雜相的產(chǎn)物，生成較純的AuNiA全n五o圖3為Bi2Vo.9Cual05.35 X射線衍射圖譜，與衍射數(shù)據(jù)庫中Bi2V。.9CU(u05.35的衍射峰相吻合，并且沒有檢測到雜質(zhì)峰。圖5的掃描電鏡圖譜，自上而下分別為AuNi-Bi2Vo.9CU(u05.35復(fù)合陰極，電解質(zhì)CGO和陽極NiO/CGO，圖中上層為多孔的陰極，均勻的顆粒為l微 米左右，形成的孔隙對于氣體擴(kuò)散非常有利，陰極厚度約為10微米。中間層 為致密的電解質(zhì)，可以防止電池內(nèi)部短路，而下層為多孔的陽極，同樣對于 燃料氣的擴(kuò)散非常有利。圖6AuNi-Bi2Vo.9CU(u05.35作為陰極的單電池性能輸出曲線，電池的開路電壓最高達(dá)到了0.9V，隨著外電阻減小，通過電池的電流密度增大，在450。C 時(shí)電流密度為300mA/cmS輸出功率達(dá)到最大，為153 mW/cm2。在500。C時(shí)電 流密度為600mA/cm"輸出功率達(dá)到最大，為227mW/cm2。在550。C時(shí)電流密 度為900mA/cn^輸出功率達(dá)到最大，為369mW/cm2。在低溫段能達(dá)到這樣大 的電流密度和功率密度說明這種陰極材料對氧的還原和電子的傳遞具有非常 良好的性能。 實(shí)施例2將2.000g氯金酸和0.223g六水氯化鎳溶于500ml去離子水中，加入4.150g硼氫化鈉，攪拌，過濾，將得到的粉末在體積比2:8的氫氬混合氣中灼燒還 原，反應(yīng)溫度為600。C，熱處理時(shí)間4小時(shí)；將15.100g氧化鉍，2.187g三氧 化釩，0.258g氧化銅在行星球磨機(jī)中球磨，轉(zhuǎn)速每分鐘400轉(zhuǎn)，球磨時(shí)間10 小時(shí)，然后在馬弗爐中熱處理混合的粉末，反應(yīng)溫度80(TC，反應(yīng)時(shí)間20小 時(shí)。然后將AuNi和Bi2Vo.9Cua05.35粉末各l.Og研磨混合均勻作為陰極組裝 成電池，電解質(zhì)和陽極材料同實(shí)施例1，在Arbin燃料電池測試儀上進(jìn)行測試， 電池的開路電壓為0.9V，在45(TC， 50(TC和55(TC的工作溫度下測試，輸出 功率分別為156， 229， 368mW/cm2。從圖4的掃描電鏡中可以看出Bi2Vo.9CU().,05.35的顆粒均一，沒有團(tuán)聚。這對陰極的孔隙率和比表面積的提高有著積極的作用，有利于組裝電池后陰 極的氧還原，提高整個(gè)電池的能量輸出水平。實(shí)施例3將2.000g氯金酸和1.333g六水氯化鎳溶于500ml去離子水中，加入6.650g 硼氫化鈉，攪拌，過濾，將得到的粉末在體積比2:8的氫氬混合氣中灼燒還原， 反應(yīng)溫度為500。C，熱處理時(shí)間20小時(shí)；將30.2g氧化鉍，4.374g三氧化釩， 0.516g氧化銅在行星球磨機(jī)中球磨，轉(zhuǎn)速每分鐘600轉(zhuǎn)，球磨時(shí)間8小時(shí)， 然后在馬弗爐中熱處理混合的粉末，反應(yīng)溫度60(TC，反應(yīng)時(shí)間30小時(shí)。然 后將AuNi和Bi2Va9CU(U05.35粉末各l.Og研磨混合均勻作為陰極組裝成電池， 電解質(zhì)和陽極材料同實(shí)施例1，在Arbin燃料電池測試儀上進(jìn)行測試，電池的開路電壓為0.9V，在45(TC， 50(TC和55(TC的工作溫度下測試，輸出功率分 別為150， 225， 370mW/cm2。從圖2可以得出合金顆粒的尺寸約為10nm，納米級合金顆粒在進(jìn)一步合 金化時(shí)的熱處理溫度大大降低，而且細(xì)小的顆粒容易在陰極內(nèi)部形成良好的 電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高陰極的電導(dǎo)率，進(jìn)而提高整個(gè)電池的性能。
權(quán)利要求
1、共還原熱處理制備固體氧化物燃料電池復(fù)合陰極的方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1)共還原熱處理制備陰極材料AuNi將質(zhì)量百分比為10％-40％的氯金酸和質(zhì)量百分比為60％-90％的氯化鎳溶于去離子水中，加入過量的硼氫化鈉，攪拌，充分反應(yīng)后過濾，得到的金鎳粉末；將得到的金鎳粉末在體積比2∶8的氫氬混合氣的保護(hù)氣氛下灼燒，反應(yīng)溫度范圍為500℃-700℃，反應(yīng)時(shí)間為4-20小時(shí)；步驟2)制備陰極材料Bi2V0.9Cu0.1O5.35將氧化鉍，三氧化釩，氧化銅以質(zhì)量比58.5∶8.5∶1裝入球磨罐中，在行星球磨機(jī)中高速球磨，轉(zhuǎn)速為每分鐘400-600轉(zhuǎn)，球磨時(shí)間為6-10小時(shí)，然后用丙酮清洗，抽濾，烘干；將烘干后的粉末在馬弗爐中熱處理，反應(yīng)溫度范圍為600℃-800℃，反應(yīng)時(shí)間為20-40小時(shí)；步驟3)制備復(fù)合陰極將得到的陰極材料AuNi粉末和Bi2V0.9Cu0.1O5.35粉末，以質(zhì)量比1∶1的形式混合，研磨均勻作為復(fù)合陰極。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種固體氧化物燃料電池復(fù)合陰極的制備方法，屬于化學(xué)電源固體氧化物燃料電池材料領(lǐng)域。步驟為1)共還原熱處理制備陰極材料AuNi，2)制備陰極材料Bi₂V_0.9Cu_0.1O_5.35，3)制備復(fù)合陰極。該方法制備的材料的最大優(yōu)點(diǎn)是純度高，整個(gè)材料的電子電導(dǎo)率高，可以在450-600℃的溫度范圍應(yīng)用，催化效率高，功率輸出穩(wěn)定。以其為陰極的固體氧化物燃料電池輸出電壓高，功率密度大，且輸出穩(wěn)定，安全可靠。最好的樣品開路電壓達(dá)到了0.9V，功率達(dá)到了369mW/cm²。
文檔編號H01M4/88GK101262064SQ20081010426
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月18日
發(fā)明者夏定國, 張麗娟, 濤 楊 申請人:北京工業(yè)大學(xué)