一种在燃料电池工作期间调控氧化物电极微观形貌的方法

摘要

一种在燃料电池工作期间调控氧化物电极微观形貌的方法，涉及一种调控氧化物电极微观形貌的方法。本发明是为了解决目前调控氧化物电极微结构的方法都是在电极制备过程中进行的，而电极都需要经过高温烧结的处理，使得颗粒团聚，造成电极的有效反应面积及内部孔隙率降低，不利于电极的反应过程，这都大大地浪费了物力和人力还提高了制备成本的技术问题。方法：一、将燃料电池与电化学工作站连接并升温加热；二、在高温下对工作电极进行阳极极化处理，冷却至室温。本发明主要应用于控制燃料电池氧化物电极的微观形貌。

说明书

技术领域

本发明涉及一种调控氧化物电极微观形貌的方法。

背景技术

目前制备电极的方法主要采用干压法、丝网印刷共烧结法以及涂覆法等。干压法操作 简单，但粉料分布不易控制，容易分层。丝网印刷技术成本低廉，但制膜易受粉末性质(粒 径和形状)和浆料流变性能等参数影响。而涂覆法具有设备成本低、成膜薄、工艺简单等 特点，但由于它需要经过稀浆涂覆在基底表面-干燥-预烧-烧结过程，导致整个工艺流程冗 长繁琐，大大降低了成膜效率。但无论采用哪种方法在制备电极过程中都存在高温烧结颗 粒团聚的现象，且前两个方法都有一定的成品率。Dengjie Chen等人在Journal of Power  Sources195(2010)4667报道，高温烧结电极会发生电极颗粒团聚现象，造成电极的有效反 应面积及内部孔隙率降低，不利于电极的反应过程。这都大大地浪费了物力和人力还提高 了制备成本。张耀辉在《固体氧化物燃料电池两种电解质膜制备方法的研究及应用》中介 绍了可以通过控制氧化物电极原料粉体颗粒度或对其进行球磨来调控氧化物电极微结构； 李娜在Ceramics International38(2012)2159研究了压力处理对氧化物微结构的影响；朱星 宝在Solid-State Lett13(2010)B91中介绍了溶液浸渍-热解法在氧化物骨架上形成微纳米颗 粒，进而调控氧化物电极微结构。以上调控氧化物电极微结构的方法都是在电极制备过程 中进行的，都需要经过高温烧结的处理，使得颗粒团聚，造成电极的有效反应面积及内部 孔隙率降低，不利于电极的反应过程，这都大大地浪费了物力和人力还提高了制备成本。

发明内容

本发明是为了解决目前调控氧化物电极微结构的方法都是在电极制备过程中进行的， 而电极都需要经过高温烧结的处理，使得颗粒团聚，造成电极的有效反应面积及内部孔隙 率降低，不利于电极的反应过程，这都大大地浪费了物力和人力还提高了制备成本的技术 问题，从而提供一种在燃料电池工作期间调控氧化物电极微观形貌的方法。

本发明的一种在燃料电池工作期间调控氧化物电极微观形貌的方法是按以下步骤进 行的：

一、对燃料电池的氧化物工作电极、燃料电池的参比电极和燃料电池的对电极涂覆导 电银膏，然后从涂覆在燃料电池的氧化物工作电极、燃料电池的参比电极和燃料电池的对 电极上的导电银膏中各引出一根导线，再放入马弗炉中并在温度为80℃～200℃的条件下 干燥5min～10min，将三根从导电银膏中引出的导线连接到电化学工作站对应的端子上， 然后在0.5h～2.5h时间里将马弗炉内的温度从80℃～200℃升至400℃～1000℃，在温度为 400℃～1000℃的条件下用三电极法检测在马弗炉中的燃料电池的氧化物工作电极的交流 阻抗谱，确定其极化电阻值为X；

二、在温度为400℃～1000℃的条件下，用电化学工作站给在马弗炉中的燃料电池持 续通以恒定的阳极电流5min～20h，断开阳极电流，用电化学工作站对燃料电池用三电极 法检测在马弗炉中的燃料电池的氧化物工作电极的交流阻抗谱，确定其极化电阻值；重复 步骤二中上述步骤至在马弗炉中的燃料电池的氧化物工作电极的极化电阻值大于1.1X或 小于0.9X时停止加热，随炉冷却至室温，即完成了在燃料电池工作期间调控氧化物电极 微观形貌；步骤二所述的阳极电流的电流密度为100mAcm^-2～1000mAcm^-2；步骤二中用三 电极交流阻抗谱检测在马弗炉中的燃料电池的氧化物工作电极的极化电阻值时电化学工 作站的扫描频率0.1Hz～400kHz；步骤二中用电化学工作站对燃料电池用三电极法检测在 马弗炉中的燃料电池的氧化物工作电极的交流阻抗谱时需要施加在工作电极与参比电极 之间交流扰动信号，信号强度为为10mV～20mV。

本发明的优点：

针对附着在固体氧化物电解质上的氧化物电极在制备过程中会由于电极一次颗粒团 聚烧结形成尺寸更大的二次颗粒，导致电极的有效反应面积减小，进而造成电极的电化学 性能降低的技术问题，本发明的一种在燃料电池工作期间调控氧化物电极微观形貌的方法 在燃料电池工作温度下，通过适当的极化处理使电极中大的团聚体颗粒碎化，处理后的电 极颗粒明显变小，电极内部因高温烧结团聚的大颗粒消失，且电极与电解质结合紧密，从 而增大电极的表面积，提高电极对反应气体的吸附解离能力，同时这种方法还能够改善电 极的微观形貌和电极/电解质界面接触，扩展电极/电解质界面上的三相反应区，这样也有 利于提升电极的催化活性。这种方法不但操作简单，而且对多种电极材料都适用。

附图说明

图1是本发明的燃料电池示意图，其中1为工作电极，2为电解质支撑体，3为对电 极，4为参比电极，箭头方向为阳极电流方向；

图2是试验一中工作电极的交流阻抗谱图，□为给燃料电池持续通入阳极电流0h的 交流阻抗谱曲线，●为给燃料电池持续通入阳极电流2h的交流阻抗谱图曲线，△为给燃 料电池持续通入阳极电流4h的交流阻抗谱图曲线，▽为给燃料电池持续通入阳极电流8h 的交流阻抗谱图曲线，为给燃料电池电池持续通入阳极电流22h的交流阻抗谱图曲线， ☆为给燃料电池持续通入阳极电流48h的交流阻抗谱图曲线，为完成了在燃料电池工作 期间调控氧化物电极微观形貌的交流阻抗谱图曲线；

图3是试验一步骤一中未涂覆导电银膏的氧化物工作电极的断面SEM图；

图4是试验一步骤三中完成了在燃料电池工作期间调控氧化物电极微观形貌的氧化 物工作电极的断面SEM图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种在燃料电池工作期间调控氧化物电极微观形貌的 方法，具体是按以下步骤进行的：

一、对燃料电池的氧化物工作电极、燃料电池的参比电极和燃料电池的对电极涂覆导 电银膏，然后从涂覆在燃料电池的氧化物工作电极、燃料电池的参比电极和燃料电池的对 电极上的导电银膏中各引出一根导线，再放入马弗炉中并在温度为80℃～200℃的条件下 干燥5min～10min，将三根从导电银膏中引出的导线连接到电化学工作站对应的端子上， 然后在0.5h～2.5h时间里将马弗炉内的温度从80℃～200℃升至400℃～1000℃，在温度为 400℃～1000℃的条件下用三电极法检测在马弗炉中的燃料电池的氧化物工作电极的交流 阻抗谱，确定其极化电阻值为X；

二、在温度为400℃～1000℃的条件下，用电化学工作站给在马弗炉中的燃料电池持 续通以恒定的阳极电流5min～20h，断开阳极电流，用电化学工作站对燃料电池用三电极 法检测在马弗炉中的燃料电池的氧化物工作电极的交流阻抗谱，确定其极化电阻值；重复 步骤二中上述步骤至在马弗炉中的燃料电池的氧化物工作电极的极化电阻值大于1.1X或 小于0.9X时停止加热，随炉冷却至室温，即完成了在燃料电池工作期间调控氧化物电极 微观形貌；步骤二所述的阳极电流的电流密度为100mAcm^-2～1000mAcm^-2；步骤二中用三 电极交流阻抗谱检测在马弗炉中的燃料电池的氧化物工作电极的极化电阻值时电化学工 作站的扫描频率0.1Hz～400kHz；步骤二中用电化学工作站对燃料电池用三电极法检测在 马弗炉中的燃料电池的氧化物工作电极的交流阻抗谱时需要施加在工作电极与参比电极 之间交流扰动信号，信号强度为为10mV～20mV。

步骤一中所述的参比电极起到监测被处理的工作电极在极化期间电化学性能的作用。

本实施方式的优点：

针对附着在固体氧化物电解质上的氧化物电极在制备过程中会由于电极一次颗粒团 聚烧结形成尺寸更大的二次颗粒，导致电极的有效反应面积减小，进而造成电极的电化学 性能降低的技术问题，本发明的一种在燃料电池工作期间调控氧化物电极微观形貌的方法 在燃料电池工作温度下，通过适当的极化处理使电极中大的团聚体颗粒碎化，处理后的电 极颗粒明显变小，电极内部因高温烧结团聚的大颗粒消失，且电极与电解质结合紧密，从 而增大电极的表面积，提高电极对反应气体的吸附解离能力，同时这种方法还能够改善电 极的微观形貌和电极/电解质界面接触，扩展电极/电解质界面上的三相反应区，这样也有 利于提升电极的催化活性。这种方法不但操作简单，而且对多种电极材料都适用。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述燃料电池的 氧化物工作电极为具有ABO₃通式的钙钛矿结构氧化物或具有A₂BO₄通式的类钙钛矿结 构氧化物。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤一中所述的具有 ABO3通式的钙钛矿结构氧化物化学式为CDO₃、CD_1-xE_xO₃、C_1-xF_xDO₃或C_1-xF_xD_1-yE_yO₃； 其中CD_1-xE_xO₃、CDO₃、C_1-xF_xDO₃和C_1-xF_xD_1-yE_yO₃中C为稀土元素，C具体为La、Ce、 Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或Y，F为碱土元素，F具体 为Ca、Sr或Ba，D为3d过渡族金属元素，D具体为Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni或 Cu，E为3d过渡族金属元素，E具体为Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni或Cu，O为氧元 素；CD_1-xE_xO₃中0<x<1；C_1-xF_xDO₃中0<x<1；C_1-xF_xD_1-yE_yO₃中0<x<1，0<y<1。其它与 具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二不同的是：具有A₂BO₄通式的类钙 钛矿结构氧化物化学式为C₂DO₄、C₂D_1-xE_xO₄、C_2-xF_xDO₄、C_2-x-zG_zF_xDO₄、C_2-x-zG_zF_xD_1-yE_yO₄或C_2-xF_xD_1-yE_yO₄；其中，C₂DO₄、C₂D_1-xE_xO₄、C_2-x F_xDO₄、C_2-x-zG_zF_xDO₄、C_2-x-zG_zF_xD_1-yE_yO₄或C_2-xF_xD_1-yE_yO₄中C为一种稀土元素，具体为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、 Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或Y，G为一种稀土元素，具体为La、Ce、Pr、Nd、Sm、 Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或Y，F为一种碱土元素，具体为Ca、Sr或 Ba，D为一种3d过渡族金属元素，具体为Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni或Cu，E为一 种3d过渡族金属元素，E具体为Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni或Cu，O为氧元素；C₂D_1-xE_xO₄中0<x<1；C_2-x F_xDO₄中0<x<2；C_2-x F_xD_1-y E_yO₄中0<x<2，0<y<1；C_2-x-zG_zF_xDO₄中0<x<2， 0<z<2且0<x+z<2；C_2-x-zG_zF_xD_1-y E_yO₄中0<x<2，0<z<2且0<x+z<2，0<y<1。其它与具体 实施方式二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述的 对电极为Ag、具有ABO₃通式的钙钛矿结构氧化物或具有A₂BO₄通式的类钙钛矿结构氧 化物；所述的具有ABO₃通式的钙钛矿结构氧化物化学式为CDO₃、CD_1-xE_xO₃、C_1-xF_xDO₃ 或C_1-x F_xD_1-yE_yO₃；其中CD_1-xE_xO3、CDO₃、C_1-xF_xDO₃和C_1-xF_xD_1-yE_yO₃中C为稀土元素， C具体为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或Y，F为 碱土元素，F具体为Ca、Sr或Ba，D为3d过渡族金属元素，D具体为Ti、V、Cr、Mn、 Fe、Co、Ni或Cu，E为3d过渡族金属元素，E具体为Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni或 Cu，O为氧元素；CD_1-xE_xO₃中0<x<1；C_1-x F_xDO₃中0<x<1；C_1-x F_xD_1-y E_yO₃中0<x<1， 0<y<1；所述的具有A₂BO₄通式的类钙钛矿结构氧化物化学式为C₂DO₄、C₂D_1-xE_xO₄、C_2-xF_xDO₄、C_2-x-zG_zF_xDO₄、C_2-x-zG_zF_xD_1-y E_yO₄或C_2-x F_xD_1-y E_yO₄；其中，C₂DO₄、C₂D_1-xE_xO₄、 C_2-xF_xDO₄、C_2-x-zG_zF_xDO₄、C_2-x-zG_zF_xD_1-y E_yO₄或C_2-x F_xD_1-y E_yO₄中C为一种稀土元素， 具体为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或Y，G为一 种稀土元素，具体为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu 或Y，F为一种碱土元素，具体为Ca、Sr或Ba，D为一种3d过渡族金属元素，具体为 Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni或Cu，E为一种3d过渡族金属元素，E具体为Ti、V、 Cr、Mn、Fe、Co、Ni或Cu，O为氧元素；C₂D_1-xE_xO₄中0<x<1；C_2-x F_xDO₄中0<x<2； C_2-xF_xD_1-yE_yO₄中0<x<2，0<y<1；C_2-x-zG_zF_xDO₄中0<x<2，0<z<2且0<x+z<2； C_2-x-zG_zF_xD_1-yE_yO₄中0<x<2，0<z<2且0<x+z<2，0<y<1。其它与具体实施方式一至四之一 相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一所述的参 比电极为Ag。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二所述的阳 极电流的电流密度为300mAcm^-2～800mAcm^-2。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中用三电 极法检测在马弗炉中的燃料电池的氧化物工作电极的电阻值时电化学工作站的扫描频率 100Hz～200KHz。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二中所述的 交流扰动信号为10mV。其它与具体实施方式一至八之一相同。

采用下述试验验证本发明效果：

试验一：本试验为在燃料电池工作期间调控氧化物电极微观形貌的方法，具体是按以 下步骤进行的：

一、对燃料电池的氧化物工作电极、燃料电池的参比电极和燃料电池的对电极涂覆导 电银膏，然后从涂覆在燃料电池的氧化物工作电极、燃料电池的参比电极和燃料电池的对 电极上的导电银膏中各引出一根导线，再放入马弗炉中并在温度为100℃的条件下干燥 10min，将三根从导电银膏中引出的导线连接到电化学工作站对应的端子上，然后在1.5h 时间里将马弗炉内的温度从100℃升至700℃，在温度为700℃的条件下用三电极法检测 在马弗炉中的燃料电池的氧化物工作电极的交流阻抗谱，确定其极化电阻值为0.39Ωcm²；

二、在温度为700℃的条件下，用电化学工作站给在马弗炉中的燃料电池持续通以恒 定的阳极电流1h，断开阳极电流，用电化学工作站对燃料电池用三电极法检测在马弗炉 中的燃料电池的氧化物工作电极的交流阻抗谱，确定其极化电阻值；重复步骤二中上述步 骤55次，在马弗炉中的燃料电池的氧化物工作电极的极化电阻值0.52Ωcm²时停止加热， 随炉冷却至室温，即完成了在燃料电池工作期间调控氧化物电极微观形貌；步骤二所述的 阳极电流的电流密度为417mAcm^-2；步骤二中用三电极交流阻抗谱检测在马弗炉中的燃 料电池的氧化物工作电极的极化电阻值时电化学工作站的扫描频率0.1Hz～400kHz；步骤 二中用电化学工作站对燃料电池用三电极法检测在马弗炉中的燃料电池的氧化物工作电 极的交流阻抗谱时需要施加在工作电极与参比电极之间交流扰动信号，信号强度为为 10mV。

步骤一中的氧化物工作电极为具有A₂BO₄通式的类钙钛矿结构氧化物 La_0.6PrSr_0.4NiO₄，对电极为Ag，参比电极为Ag；步骤一所述的燃料电池的电解质支撑体 为Ce_0.9Gd_0.1O_1.95；步骤一所述的电化学工作站为IviumStat(Ivium Technologies BV， Netherlands)；步骤一所述的导线选用银丝；

图3是试验一步骤一中未涂覆导电银膏的氧化物工作电极的断面SEM图；图4是试 验一步骤三中完成了在燃料电池工作期间调控氧化物电极微观形貌的氧化物工作电极的 断面SEM图。从图中可以看出进过试验一处理过的氧化物工作电极的颗粒团聚现象明显 比未经处理的氧化物工作电极的团聚现象减弱，电极大团聚消失，颗粒碎化，电极与电解 质之间结合紧密，使得电极的有效反应面积及内部孔隙率上升，利于电极的反应过程，这 都大大地节约了物力和人力还降低了制备成本。