横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池的制备方法与流程

本发明属于固体氧化物电解池
技术领域：
，具体涉及一种横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池的制备方法。
背景技术：
：固体氧化物燃料电池是一种将化学能转化为电能的中高温能量转换装置，按装置形状为平板式、管式、微管式，按支撑体类型分为阳极支撑型、阴极支撑型和电解质支撑型。微管式固体氧化物燃料电池具有易密封、高长径比等特点，同时其制备方法是挤出成型法、相转化纺丝法，大大提升了固体氧化物燃料电池的表面积。中国专利cn201608235u公开了一种微管状陶瓷膜燃料单电池堆，包括数个微管状陶瓷膜燃料单电池及各电池之间的金属电连接装置，但是该装置用中心导电棒固定单电池，降低了传质效率，进而减低了电池输出性能；中国专利cn103349918a公开了制备蜂窝型无机膜的方法，如果将其做成燃料电池支撑体，传质阻力相对较高，但膜的有效面积反而降低；中国专利cn101733048a公开一种用于气相氧化反应的中空纤维膜反应器及其制备和应用，该中空纤维膜反应器的相对表面积较低；中国专利cn106316359a公开一种利用净水污泥制备陶瓷膜支撑体的方法及制备的陶瓷膜支撑体，该专利得到的陶瓷膜支撑体难以用来做固体氧化物燃料电池；中国专利cn1676198a公开一种用于空分制氧的陶瓷中空纤维膜反应器及其制法和应用，该专利中较高的传质阻力使其难以用来作为阳极或阴极支撑体。陶瓷膜反应器技术研究已成为目前国内外材料、化工领域重点研究的方向之一。目前实验室研究中采用的片式或板式陶瓷膜在实际生产应用中存在膜表面积与体积比太小、膜厚度相对较厚的问题，因而导致表面反应的交换面积相对较低，分离效率较低。相对比而言，人们开发的相转化-烧结技术制备的中空纤维陶瓷膜，可以在相同的强度要求条件下达到降低膜厚度，增大膜面积的优点；同时，比传统管式陶瓷膜用料更少，比表面积更大；具有很高的膜面积/体积比，为降低陶瓷膜成本，实现工业化提供了新的方向。如x.tan,etal,preparationoflscfceramichollowfibremembranesforoxygenproductionbyaphase-inversion/sinteringtechnique,ind.eng.chem.res.,2005,44,61；s.liu,etal,oxygenselectiveceramichollowfibremembranes,j.member.sci.,2005,246,103。上述专利制备的支撑体厚度大、外表面积小，效率低。因此，亟需研发一种外表面积大，效率高的中空纤维固体氧化物燃料电池的制备方法。技术实现要素：本发明的目的是提供一种横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池的制备方法，制备得到的中空纤维固体氧化物燃料电池成本低、外表面积大，效率高。本发明所述的横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池的制备方法，包括以下步骤：(1)制备聚合物溶液将有机聚合物、添加剂a、添加剂b溶解在有机溶剂中，得到聚合物溶液；(2)制备陶瓷-聚合物铸膜液将陶瓷粉体加入到步骤(1)得到的聚合物溶液中，搅拌均匀，形成陶瓷-聚合物铸膜液；(3)制备横截面为花瓣型的中空纤维阳极支撑体胚体或阴极支撑体胚体将步骤(2)得到的陶瓷-聚合物铸膜液抽真空，然后置于纺丝设备罐中，通过喷丝头纺入外凝结液中浸泡，在内凝结液和外凝结液的共同作用下，经相转化固化得到横截面为花瓣型的中空纤维阳极支撑体胚体或阴极支撑体胚体；(4)制备横截面为花瓣型的中空纤维阳极支撑体或阴极支撑体将步骤(3)得到的横截面为花瓣型的中空纤维阳极支撑体胚体或阴极支撑体胚体拉直晾干，烧结，得到横截面为花瓣型的中空纤维阳极支撑体或阴极支撑体；(5)制备横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池采用浸渍法，在步骤(4)得到的横截面为花瓣型的中空纤维阴极支撑体上依次沉积电解质层、阳极层，形成横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池；采用浸渍法，在步骤(4)得到的横截面为花瓣型的中空纤维阳极支撑体上依次沉积电解质层、阴极层，形成横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池。其中：步骤(1)中，有机聚合物、添加剂a、添加剂b、有机溶剂的质量比为12.5-25:0.1-5:0.5-25:50-100，优选12.5:0.1-3:0.5-10:50；所述的添加剂a为聚丙烯酰胺(pam，mr≈150000)，添加剂a以混合溶液的形式加入，混合溶液中添加剂a、水、醇的质量比为0.1-10:0.1-50:0.1-100，优选0.1-3:0.1-15:5-40；所述的醇为乙二醇或丙三醇。步骤(1)中，所述的有机聚合物为聚砜(mr≈22000)、聚醚砜、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚乙亚胺(mr≈10000)、聚醚酰亚胺(熔融指数：9g/min)或醋酸纤维素(mr≈50000)中的一种或多种。步骤(1)中，所述的添加剂b为聚乙烯吡咯烷酮(pvp，mr≈360000)、聚乙烯醇缩丁醛(pvb，黏度(10％乙醇溶液)>580mpa·s)、聚甲基丙烯酸铵、聚丙烯酸盐、γ-丁内酯、聚甲基丙烯酸甲酯或磷酸酯中的一种或多种。步骤(1)中，所述的有机溶剂为n-甲基吡咯烷酮(nmp)、n,n-二甲基甲酰胺-d7、n,n-二甲基乙酰胺-d9或二甲基亚砜-d6中的一种或多种。本发明在有机聚合物的选择上，选取了同系聚合物中数均分子量较高、熔融指数较低的聚合物；添加剂a、添加剂b以及有机溶剂也选取摩尔质量较大、黏度较大的物质来提高铸膜液黏度。步骤(2)中，所述的陶瓷粉体为阴极陶瓷粉体、阳极陶瓷粉体；所述的阴极陶瓷粉体为la0.6sr0.4co0.2fe0.8o3-δ、la0.6sr0.4coo3-δ、ba0.5sr0.5co0.8fe0.2o3-δ或ba0.5sr0.5coo3-δ；所述的阳极陶瓷粉体为ni0.8fe0.2ox、ni0.8cu0.2ox或ni0.5cu0.5ox；陶瓷粉体与聚合物溶液的质量比为6-12:5，陶瓷粉体的平均粒度0.05-10μm，陶瓷-聚合物铸膜液的黏度25000-55000mpa·s。步骤(3)中，抽真空压力为0.01-0.1mpa，抽真空时间为1-2h，纺丝压力为0-0.25mpa；所述的浸泡温度为20-80℃，浸泡时间为12-48h。步骤(3)中，所述的内凝结液为n,n-二甲基甲酰胺-d7、n,n-二甲基乙酰胺-d9、二甲基亚砜-d6、水、乙醇、丙醇或乙二醇中的一种或多种；所述的外凝结液为水或乙醇。步骤(4)中，所述的烧结：先以2-5℃/min的升温速度升温至600-800℃，焙烧1-8h；再以1-2℃/min的升温速度升温至1000-1600℃，烧结1-10h；然后以1-2℃/min的速度降温至750-850℃，最后降温至室温。步骤(5)中，所述的阴极层、阳极层的材料分别与阴极陶瓷粉体、阳极陶瓷粉体相同；所述的电解质层的材料为gd0.1ce0.9o2或y0.08zr0.92o2-δ；所述的阴极层、阳极层的厚度均为5-20μm；所述的电解质层的厚度为1-20μm。黏度是流体粘滞性的一种量度，是流体流动力对其内部摩擦现象的表示，黏度越大表示内摩擦力越大。从本质上讲，黏度是流体抗拒流动的一种性质，是流体分子间相互吸引而产生的阻碍分子间相对运动能力的量度，即流体流动的内部阻力。黏度与剪切力及剪切率关系式：黏度＝剪切力/剪切率。铸膜液黏度越高，其剪切力越大，使用的力量也越大，流动性较差；反之，铸膜液黏度越低，其剪切力越小，使用的力量也越小，流动性较好。随着陶瓷粉体在铸膜液中含量的增加或一定程度上减小陶瓷粉体粒子半径，比表面积相对增大，其外表面的聚合物成分相对增多，铸膜液黏度上升。黏度较高时，铸膜液制备中空纤维膜胚体纺丝过程需要的压力较高，纺丝过程中摩擦力作用，使得制备的中空纤维陶瓷膜致密，失去体相孔结构。黏度过高时，导致铸膜液流动性极差，在纺丝成型过程中即使施加较大的压力也不能形成中空纤维膜胚体。然而通过提高铸膜液的黏度，才能制备出外表面积大的中空纤维陶瓷膜，因此，亟需制备流动性好，黏度高的铸膜液。本发明的有益效果如下：本发明中，当pam加入时，体系的旋转黏度大大提高。由于pam可分散于水中，形成稳定的体系，随后分散于乙二醇或丙三醇中，最终加入到有机溶剂中形成“油包水”的均一稳定的pam-有机溶剂体系，这种固-液混合相的体系大大提升了铸膜液黏度。pam自身所具有的降阻作用可以保证铸膜液体系的良好流动性。与现有调节铸膜液黏度方法相比，本发明在pam与添加剂b协同作用下，使高黏度的铸膜液成功纺制出横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池，确保了中空纤维固体氧化物燃料电池的多孔结构。本发明在引入pam前提下，与添加剂b共同调节黏度，实现高黏度下成功纺制出中空纤维固体氧化物燃料电池。pam可溶于水，微量pam可以降低水溶液体系中50-80％的摩擦阻力。pam可部分溶解于乙二醇或丙三醇，不溶于n,n-二甲基甲酰胺-d7、n,n-二甲基乙酰胺-d9或二甲基亚砜-d6。本发明首先将pam分散于水中，随后加入乙二醇或丙三醇中，形成均一稳定的混合溶液，然后将该混合溶液加入至有机溶剂体系内，形成“被水分子/醇包裹的颗粒”，且均匀分散于有机溶剂体系内，这种固-液混合体系大大增加了铸膜液黏度。本发明的中空纤维固体氧化物燃料电池的支撑体外表面不再是光滑的圆弧，而是均匀高低起伏的曲面。这种新型支撑体在一定程度上增大了中空纤维固体氧化物燃料电池的面积，大大提高了输出功率，促进了表面反应，节约了成本。附图说明图1是本发明横截面为花瓣型的中空纤维支撑体的结构示意图；其中1：中空纤维支撑体管壁，2：中空纤维支撑体内腔；图2是本发明横截面为花瓣型的中空纤维支撑体的电子放大镜图；图3是本发明横截面为花瓣型的中空纤维支撑体的扫描电镜图。具体实施方式以下结合实施例对本发明做进一步描述。实施例1所述的横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池的制备方法，包括以下步骤：(1)制备聚合物溶液将12.5g聚醚砜、0.1g聚丙烯酰胺、1g聚乙烯吡咯烷酮溶解在50gn,n-二甲基甲酰胺-d7中，得到聚合物溶液；其中聚丙烯酰胺以混合溶液的形式加入：将0.1g聚丙烯酰胺溶于3g水中，再将其加入10g乙二醇中，形成混合溶液。(2)制备陶瓷-聚合物铸膜液将150gla0.6sr0.4co0.2fe0.8o3-δ阴极陶瓷粉体加入到75.6g步骤(1)得到的聚合物溶液中，充分搅拌24h，使其完全均匀地分散在聚合物溶液中，形成陶瓷-聚合物铸膜液，其黏度为26500mpa·s；其中陶瓷粉体的平均粒度为1μm。(3)制备横截面为花瓣型的中空纤维阴极支撑体胚体将步骤(2)得到的陶瓷-聚合物铸膜液置于0.08mpa条件下抽真空1.5h，然后置于纺丝设备罐中，在纺丝压力为0.15mpa条件下，通过喷丝头纺入25℃的凝结液中浸泡15h，在内凝结液和外凝结液的共同作用下，经相转化固化得到横截面为花瓣型的中空纤维阴极支撑体胚体；其中外凝结液为水，内凝结液为水和n,n-二甲基甲酰胺-d7的混合物，两者质量比为1:4；(4)制备横截面为花瓣型的中空纤维阴极支撑体将步骤(3)得到的横截面为花瓣型的中空纤维阴极支撑体胚体室温环境下拉直晾干36h，然后将其放入电炉中通过程序烧结处理，在空气中以5℃/min的升温速度升高到800℃下焙烧4h，烧除其中有机物；再以2℃/min的升温速度升高到1450℃，烧结8h；然后以2℃/min的速度降温到800℃，最后自由降温到室温，得到横截面为花瓣型的中空纤维阴极支撑体。(5)制备横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池在步骤(4)得到的横截面为花瓣型的中空纤维阴极支撑体上依次沉积gd0.1ce0.9o2电解质层、ni0.5cu0.5ox阳极层，获得横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池，电解质层的厚度为10μm，阳极层的厚度为10μm。实施例2所述的横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池的制备方法，包括以下步骤：(1)制备聚合物溶液将12.5g聚醚砜、0.5g聚丙烯酰胺、2g聚乙烯醇缩丁醛溶解在50gn,n-二甲基甲酰胺-d7中，得到聚合物溶液；其中聚丙烯酰胺以混合溶液的形式加入：将0.5g聚丙烯酰胺溶于5g水中，再将其加入20g乙二醇中，形成混合溶液。(2)制备陶瓷-聚合物铸膜液将145.5gla0.6sr0.4coo3-δ阴极陶瓷粉体加入到79g步骤(1)得到的聚合物溶液中，充分搅拌30h，使其完全均匀地分散在聚合物溶液中，形成陶瓷-聚合物铸膜液，其黏度为28400mpa·s；其中陶瓷粉体的平均粒度为4μm。(3)制备横截面为花瓣型的中空纤维阴极支撑体胚体将步骤(2)得到的陶瓷-聚合物铸膜液置于0.05mpa条件下抽真空1.5h，然后置于纺丝设备罐中，在纺丝压力为0.15mpa条件下，通过喷丝头纺入24℃的凝结液中浸泡15h，在内凝结液和外凝结液的共同作用下，经相转化固化得到横截面为花瓣型的中空纤维阴极支撑体胚体；其中外凝结液为水，内凝结液为水和二甲基亚砜-d6的混合物，两者质量比为1:5；(4)制备横截面为花瓣型的中空纤维阴极支撑体将步骤(3)得到的横截面为花瓣型的中空纤维阴极支撑体胚体室温环境下拉直晾干30h，然后将其放入电炉中通过程序烧结处理，在空气中以5℃/min的升温速度升高到800℃下焙烧4h，烧除其中有机物；再以2℃/min的升温速度升高到1400℃，烧结8h；然后以2℃/min的速度降温到800℃，最后自由降温到室温，得到横截面为花瓣型的中空纤维阴极支撑体。(5)制备横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池在步骤(4)得到的横截面为花瓣型的中空纤维阴极支撑体上依次沉积gd0.1ce0.9o2电解质层、ni0.8cu0.2ox阳极层，获得横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池，电解质层的厚度为10μm，阳极层的厚度为15μm。实施例3所述的横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池的制备方法，包括以下步骤：(1)制备聚合物溶液将12.5g聚砜、0.5g聚丙烯酰胺、4g聚甲基丙烯酸铵溶解在50gn,n-二甲基甲酰胺-d7中，得到聚合物溶液；其中聚丙烯酰胺以混合溶液的形式加入：将0.5g聚丙烯酰胺溶于5g水中，再将其加入25g乙二醇中，形成混合溶液。(2)制备陶瓷-聚合物铸膜液将175gni0.8fe0.2ox阳极陶瓷粉体加入到95g步骤(1)得到的聚合物溶液中，充分搅拌30h，使其完全均匀地分散在聚合物溶液中，形成陶瓷-聚合物铸膜液，其黏度为28500mpa·s；其中陶瓷粉体的平均粒度为5μm。(3)制备横截面为花瓣型的中空纤维阳极支撑体胚体将步骤(2)得到的陶瓷-聚合物铸膜液置于0.07mpa条件下抽真空1.5h，然后置于纺丝设备罐中，在纺丝压力为0.2mpa条件下，通过喷丝头纺入25℃的凝结液中浸泡20h，在内凝结液和外凝结液的共同作用下，经相转化固化得到横截面为花瓣型的中空纤维阳极支撑体胚体；其中外凝结液为水，内凝结液为水和二甲基亚砜-d6的混合物，两者质量比为1:4；(4)制备横截面为花瓣型的中空纤维阳极支撑体将步骤(3)得到的横截面为花瓣型的中空纤维阳极支撑体胚体室温环境下拉直晾干30h，然后将其放入电炉中通过程序烧结处理，在空气中以5℃/min的升温速度升高到800℃下焙烧4h，烧除其中有机物；再以2℃/min的升温速度升高到1300℃，烧结8h；然后以2℃/min的速度降温到800℃，最后自由降温到室温，得到横截面为花瓣型的中空纤维阳极支撑体。(5)制备横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池在步骤(4)得到的横截面为花瓣型的中空纤维阳极支撑体上依次沉积gd0.1ce0.9o2电解质层、ba0.5sr0.5co0.8fe0.2o3-δ阴极层，获得横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池，电解质层的厚度为15μm，阴极层的厚度为10μm。实施例4所述的横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池的制备方法，包括以下步骤：(1)制备聚合物溶液将12.5g聚乙亚胺、1g聚丙烯酰胺、2.5g聚乙烯吡咯烷酮、2.5g聚乙烯醇缩丁醛溶解在50gn,n-二甲基甲酰胺-d7中，得到聚合物溶液；其中聚丙烯酰胺以混合溶液的形式加入：将1g聚丙烯酰胺溶于10g水中，再将其加入20g乙二醇中，形成混合溶液。(2)制备陶瓷-聚合物铸膜液155gni0.8cu0.2ox阳极陶瓷粉体加入到98.5g步骤(1)得到的聚合物溶液中，充分搅拌24h，使其完全均匀地分散在聚合物溶液中，形成陶瓷-聚合物铸膜液，其黏度为30000mpa·s；其中陶瓷粉体的平均粒度为8μm。(3)制备横截面为花瓣型的中空纤维阳极支撑体胚体将步骤(2)得到的陶瓷-聚合物铸膜液置于0.02mpa条件下抽真空2h，然后置于纺丝设备罐中，在纺丝压力为0.25mpa条件下，通过喷丝头纺入22℃的凝结液中浸泡20h，在内凝结液和外凝结液的共同作用下，经相转化固化得到横截面为花瓣型的中空纤维阳极支撑体胚体；其中外凝结液为水，内凝结液为水和n,n-二甲基甲酰胺-d7的混合物，两者质量比为1:5；(4)制备横截面为花瓣型的中空纤维阳极支撑体将步骤(3)得到的横截面为花瓣型的中空纤维阳极支撑体胚体室温环境下拉直晾干30h，然后将其放入电炉中通过程序烧结处理，在空气中以5℃/min的升温速度升高到800℃下焙烧4h，烧除其中有机物；再以2℃/min的升温速度升高到1400℃，烧结8h；然后以2℃/min的速度降温到800℃，最后自由降温到室温，得到横截面为花瓣型的中空纤维阳极支撑体。(5)制备横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池在步骤(4)得到的横截面为花瓣型的中空纤维阳极支撑体上依次沉积gd0.1ce0.9o2电解质层、ba0.5sr0.5coo3-δ阴极层，获得横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池，电解质层的厚度为20μm，阴极层的厚度为20μm。本发明制得的横截面为花瓣型的中空纤维支撑体的结构如图1所示，中间为中空纤维支撑体的内腔，内腔的周围为中空纤维支撑体的管壁，管壁的花瓣型顶端至内腔的距离为300-350μm；图2为横截面为花瓣型的中空纤维支撑体的电子放大镜图；从图3可以发现中空纤维支撑体外表面凹进部分相当于中空纤维支撑体整个截面厚度的30％-35％。实施例5由不同添加剂、水、乙二醇、12.5g聚砜、50gn-甲基吡咯烷酮(nmp)制得聚合物溶液，再进一步制备铸膜液，测试聚合物溶液黏度和铸膜液的黏度，如表1。表1测试数据表注：实验7-9为双组份实验，实验7中的添加剂a为pvp，添加剂b为pvb，其余参照实施例1的步骤进行；实验8的过程参照实施例1的步骤进行；实验9中的添加剂b为pvb，其余参照实施例1的步骤进行。对实施例1-4中得到的横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池进行外表面积测定，测定结果如表2。表2数据测定表实施例1234外表面积(cm2/cm)0.350.340.380.38对实施例1-4中得到的横截面为花瓣型的中空纤维固体氧化物燃料电池与文献1-2中的燃料电池进行输出功率测定，测定结果如表3。表3数据测定表材料测试温度(℃)输出功率(mw·cm-2)实施例1中空纤维固体氧化物燃料电池500480实施例2中空纤维固体氧化物燃料电池500475实施例3中空纤维固体氧化物燃料电池800750实施例4中空纤维固体氧化物燃料电池800700文献1中燃料电池800411文献2中燃料电池500366文献：1.meng,x.；liu,y.；yang,n.；tan,x.；liu,j.；dinizdacosta,j.c.；liu,s.,highlycompactandrobusthollowfibersolidoxidecellsforflexiblepowergenerationandgasproduction.appliedenergy2017,205,741-748.2.guo,y.；shi,h.；ran,r.；shao,z.,performanceofsrsc0.2co0.8o3-δ+sm0.5sr0.5coo3-δmixed-conductingcompositeelectrodesforoxygenreductionatintermediatetemperatures.internationaljournalofhydrogenenergy2009,34(23),9496-9504.当前第1页12