一种固体氧化物燃料电池电极改性的方法

技术领域

本发明属于电池电极改性技术领域，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池电极改性的方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池在使用甲烷时一般在800-1000℃，高温可以降低产生积碳的速度。在750℃的固体氧化物燃料电池(阳极为Ni-YSZ)在利用甲烷等碳氢燃料进行发电时，在750℃的中低温工作温度下碳氢燃料易发生积碳，容易引电池支撑阳极结构的变化，进而导致电池发电性能的下降和耐久性的衰减，中低温下电池的极化阻抗较大。

现有的固体氧化物燃料电池，在利用碳氢燃料时，燃料利用率不高，电池在利用碳氢燃料发电时电池的衰减速率过快。通过浸渍的方法阳极负载催化剂，其催化剂颗粒较大分布不均匀，甚至导致阳极气孔率大大下降影响电池的正常运行；且浸渍的方法对阴极进行改性仍需要在700～900℃进行煅烧。水热的方法在阳极负载铜镍催化剂，仍需要在高温下进行煅烧，铜在高温下易烧结团聚导致催化剂性能下降，进而导致电池衰减。这些方法也仅仅是对固体氧化物燃料电池的阳极进行改性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种固体氧化物燃料电池电极改性的方法，该方法对电池的阴极和阳极同时改性，提高了阳极的导电性和抗积碳能力，阴极则降低极化阻抗。

本发明提供了一种固体氧化物燃料电池电极改性的方法，包括以下步骤：

将含铈盐和钆盐的溶液和无水乙醇混合，得到混合液；

将固体氧化物燃料电池在酒精中超声洗涤，烘干，冷却，得到预处理固体氧化物燃料电池；

将预处理固体氧化物燃料电池和混合液混合，进行溶剂热反应，得到处理后电池；

将所述处理后电池冲洗，烘干，得到电极改性的固体氧化物燃料电池。

本发明提供的方法直接在固体氧化物燃料电池全电池上进行改性，即对固体氧化物燃料电池的阳极和阴极同时改性，阳极提高导电性和抗积碳能力，阴极则降低极化阻抗。本发明提供的溶剂热方法简单。

在本发明中，所述含铈盐和钆盐的溶液中铈离子和钆离子的摩尔比为1～10:1。

在本发明中，所述含铈盐和钆盐的溶液中铈离子的摩尔浓度为0.1～2mol/L。

在本发明中，所述无水乙醇与所述含铈盐和钆盐的溶液中的水的体积比为10～100:1。

在本发明中，所述溶剂热反应的温度≥120℃；

溶剂热反应的时间为1～5h。

在本发明中，所述处理后电池依次采用去离子水和酒精冲洗。

在本发明中，所述铈盐选自六水合硝酸铈；

所述钆盐选自六水合硝酸钆。

在本发明中，所述固体氧化物燃料电池为Ni-YSZ/YSZ/LSCF-GDC。

本发明提供了一种固体氧化物燃料电池电极改性的方法，包括以下步骤：将含铈盐和钆盐的溶液和无水乙醇混合，得到混合液；将固体氧化物燃料电池(SOFC)在酒精中超声洗涤，烘干，冷却，得到预处理固体氧化物燃料电池；将预处理固体氧化物燃料电池和混合液混合，进行溶剂热反应，得到处理后电池；将所述处理后电池冲洗，烘干，得到电极改性的固体氧化物燃料电池。本发明在SOFC阳极和阴极通过溶剂热的方法负载GDC颗粒，能够提高固体氧化物燃料电池对碳氢燃料的耐久性及转化率，同时降低极化阻抗；GDC颗粒为纳米级别，对气体的扩散几乎没有影响；GDC纳米颗粒的引入增加了其三相界面的面积和导电性，增强阳极Ni的活性，能够降低电池的极化阻抗同时提高其性能；GDC纳米颗粒能够增强其电子导电性从而提高电池的抗积碳能力。

附图说明

图1为空白电池和实施例1制备的改性电池的EIS图；

图2为空白电池和实施例1的改性电池的放电性能测试图；

图3为阳极表面的SEM图；

图4为阳极截面的SEM图；

图5为阴极表面的SEM图；

图6为阴极截面的SEM图；

图7为空白和实施例2制备的改性电池的EIS图；

图8为空白电池和实施例2的改性电池的放电性能测试图；

图9为空白电池和对比例制备的改性电池的EIS图；

图10为空白电池和对比例1制备的改性电池的放电曲线测试图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种固体氧化物燃料电池电极改性的方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

(1)在25ml的去离子水中加入10.87g六水合硝酸铈和1.255g六水合硝酸钆(Ce

(2)搅拌均匀后，将溶液加入到750ml的无水乙醇中搅拌均匀，得到溶剂热反应的前驱物，去离子水和无水乙醇的体积比为1：30；

(3)对固体氧化物燃料电池(Ni-YSZ/YSZ/LSCF-GDC)分别用去离子水和酒精冲洗，然后烘干冷却；

(4)将步骤2)中的溶液和步骤3)中的电池放入反应釜中，置于干燥箱中，在120℃下保温3h；

(5)冷却至室温后，将电池再次用去离子水和酒精冲洗，烘干，得到两电极改性的固体氧化物燃料电池。

本发明将经过改性和未经过改性的电池进行测试：

空白电池：在750℃条件下通入50ml/min CH

本发明使用同批次电池，对电池进行溶剂热处理，在100h后仍在稳定运行，并对得到空白电池的EIS图谱和溶剂热处理的电池的EIS图谱进行对比，发现负载GDC的电池的极化电阻明显小于空白电池的极化电阻。具体结果如图1所示:(其中，空白即为未经过改性的电池，GDC电池为经过改性的电池)；

表1空白电池和实施例1的改性电池的关键参数

从表1可以看出：经过改性的电池相对于未经过改性的电池的欧姆阻抗、极化阻抗和总电阻都有明显的降低。

图2为空白电池和实施例1的改性电池的放电性能测试图，由图2可以看出：两个电池均在750℃、0.23A·cm

本发明对进行溶剂热反应负载GDC电池的阳极和阴极进行扫描电镜测试，图3为阳极表面的SEM图，图4为阳极截面的SEM图；从图3和图4可以看出，GDC负载均匀，且阳极多孔结构并未改变。

图5为阴极表面的SEM图，图6为阴极截面的SEM图；从图5和图6可以看出，阴极表面GDC负载均匀。

实施例2

(1)在1ml的去离子水中加入0.435g六水合硝酸铈和0.05g六水合硝酸钆(Ce

(2)加入30ml的无水乙醇搅拌均匀得到溶剂热反应的前驱物；去离子水和无水乙醇的体积比为1：30；

(3)对固体氧化物燃料电池(Ni-YSZ/YSZ/LSCF-GDC)分别用去离子水和酒精冲洗，然后烘干冷却；

(4)将步骤(2)中的溶液和步骤(3)中的电池放入反应釜中，置于干燥箱中，在120℃下保温3h；

(5)冷却至室温后，将电池再次用去离子水和酒精冲洗烘干，得到电极均改性的固体氧化物燃料电池。

本发明对空白电池(未进行改性)和改性电池进行测试：

图7为空白和实施例2制备的改性电池的EIS图；

表2空白电池和实施例2的改性电池的关键参数

表2可以看出：经过改性的电池相对于未经过改性的电池的极化阻抗和总电阻都有明显的降低。

图8为空白电池和实施例2的改性电池的放电性能测试图，两个电池均在750℃的温度下，0.23A cm

对比例1

1.在1ml的去离子水中加入0.435g六水合硝酸铈和0.1g的六水合硝酸镍；

2.加入30ml的无水乙醇搅拌均匀得到溶剂热反应的前驱物；去离子水和无水乙醇的体积比为1:30；

3.对固体氧化物燃料电池(Ni-YSZ/YSZ/LSCF-GDC)分别用去离子水和酒精冲洗，然后烘干冷却；

4.将步骤2中的溶液和步骤3中的电池放入反应釜中，置于干燥箱中，在120℃保温3h；

5.冷却至室温后，将电池再次用去离子水和酒精冲洗烘干即可得到两电极改性的固体氧化物燃料电池。

本发明对空白电池和改性电池进行性能测试：

表3空白电池和对比例1制备的改性电池的关键参数

图9为空白电池和对比例1制备的改性电池的EIS图；图9结合表3可以看出：经过溶剂热负载Ni-CeO

图10为空白电池和对比例1制备的改性电池的放电曲线测试图；图10可以看出：空白电池在1.2h后因为积碳迅速衰减死亡，改性后的电池放电仅仅15min就衰减死亡，能够得出溶剂热负载Ni-CeO

由以上实施例可知，本发明采用溶剂热方法对固体氧化物燃料电池进行改性，方法简单，且对固体氧化物燃料电池的阳极和阴极同时进行改性，提高电池的发电性能，提高抗积碳能力和降低极化阻抗；SOFC在中低温使用碳氢燃料时具有耐久性。本发明提供的方法还适用于负载其它催化剂；也不限制对固体氧化物燃料电池进行改性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。