本发明专利技术提供一种固体氧化物燃料电池的多层陶瓷结构体的烧结方法以及用该方法制得的固体氧化物燃料电池多层陶瓷结构体。所述烧结方法包括以下步骤：1)预烧结步骤，使用第一压板对多层陶瓷生坯的表面施加400Pa以下的第一压力或不对所述表面加压，加热使所述多层陶瓷生坯脱胶，随后升温到预烧结最终温度，此时得到多层陶瓷预烧坯体；所述预烧结最终温度比所述多层陶瓷生坯中最厚层的起始烧结温度高至少约50℃且比所述多层陶瓷生坯中最厚层的最终烧结温度低至少约50℃；2)加压烧结步骤，在该步骤中，用第二压板对步骤1)中制得的多层陶瓷预烧坯体的表面施加第二压力，所述第二压力为400Pa以上且为所述第一压力的2倍以上。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种固体氧化物燃料电池的制备方法，具体而言，涉及固体氧化物燃 料电池的多层陶瓷结构的烧结方法。
技术介绍
燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的装置，具有转化效率高、排放污染少 的特点。根据燃料电池电解质的不同，燃料电池具有多种不同的类型。固体氧化物燃料 电池 （Solid Oxide Fuel Cell，简称为S0FC)是一种全固态结构的燃料电池，其各部分都 由陶瓷构成。典型的SOFC呈三明治结构，又称阳极-电解质-阴极（Anode-Electrolyte -Cathode)多层结构，主要由致密的固体氧化物电解质、多孔的阳极和阴极组成。SOFC通常 在高温下运行，例如500°C~1000°C。 通常的陶瓷烧结方法主要包括以下几个过程：在较低温度下加热陶瓷生坯，使生 坯中的有机粘合剂分解和挥发（这一过程称作脱胶或排胶）；脱胶完成后，将陶瓷生坯的温 度升至对应材料所固有的起始烧结温度（Ts)，使其开始烧结，使温度持续升高直至生坯收 缩率达到最高为止，此时的温度称为最终烧结温度（Te);随后使烧结的陶瓷材料冷却，由 此得到成型陶瓷。为了降低制备成本和分层带来的使用性能问题，通常会采用多层陶瓷共 同烧结来制备整体SOFC或部分SOFC部件的工艺。为了提高电极的化学反应活性降低电池 极化，有时会在电解质与电极之间加入电极功能层。但是，在共烧结过程中，由于各层的材 料的化学和/或物理性质有所不同、每层陶瓷材料烧结的温度不同、在烧结过程中收缩的 程度也不相同，因此多层陶瓷材料在共烧结过程中往往会产生严重的烧结变形、分层或开 裂，这种变形不利于燃料电池的制备和电池后续的封装工作。 通常，在共烧结燃料电池的多层陶瓷部件生坯时，为了使烧结获得的陶瓷材料平 整，需要在烧结过程中在陶瓷生坯表面设置承烧板（陶瓷压板）来增加压力。这种烧结方法 有以下几种缺点：（1)陶瓷材料在未达到起始烧结温度时强度很低，在其表面施加压力，会 阻碍陶瓷生坯收缩，从而产生裂纹；(2)陶瓷材料在未达到起始烧结温度时强度很低，在表 面增加承烧板，会破坏陶瓷材料的表面，从而产生缺陷；（3)使用陶瓷压板加压会紧密覆盖 陶瓷材料表面，因此会阻碍陶瓷材料的脱胶、延长陶瓷材料的脱胶时间，因而会提高能耗， 降低效率。但是，如果不使用陶瓷压板加压，如上文所述，会导致烧结后陶瓷材料严重变形， 以致不能使用。 S. H. Lee 等在 Key. Eng. Mat. 321 264-268 (2004)中，以及 P. Z. Cai 等在工八111· Ceram. Soc. 80 1929-39 (1997)中都指出，电解质和阳极在高温共烧后发生严重形变，这 主要由阳极基底厚度、制备时使用的浆料的性质、阳极与电解质间热匹配性和各层之间相 互作用力决定。Paul Von Dollen 等在 J. Am. Ceram. Soc. 88 3361-3368 (2005)中进一步 研究了阳极的预烧温度、阳极厚度以及浆料性质对共烧变形的影响。但是这些工作仅仅提 供了一些研究方法和结论，并没有具体的解决固体氧化物燃料电池在共烧过程中多层结构 陶瓷发生形变的问题。 葛晓东等人在专利《一种减少固体氧化物燃料电池电解质膜形变的方法》 (CN100409478C)中使用预先制备的已烧结的YSZ(钇稳定的二氧化锆）片和已烧结的支撑 体将未烧结的电解质膜夹在中间，再加压烧结电解质膜，由此可以获得表面无缺陷并且不 发生形变的电解质-阳极共烧体。但是此专利仅仅解决了阳极-电解质双层结构的变形 的问题，对于其它多层结构也没有讨论；而且该文献公开的方法是将各层分步烧结，并非共 烧结，工序复杂；此专利文献中的阳极采用干压法制备，制备方法单一并且不适用大面积制 备，不利于燃料电池的推广；此外，在该文献中，在电解质-阳极坯体上直接压有YSZ片，由 于坯体未在低温下烧结，强度较差，表面容易被破坏，影响多层陶瓷的烧结成品率。 因此，需要开发出一种烧结多层陶瓷结构体的方法，使用该方法，能够节省能耗， 提高生产效率，使获得的陶瓷材料完整无碎裂，平整无弯曲，表面无缺陷，无分层，良品率 商。
技术实现思路
为了缩短脱胶时间短、简化工艺、提高产品合格率和降低生产成本，并得到表面无 缺陷的平整的多层陶瓷用于制备燃料电池，本专利技术提供了一种固体氧化物燃料电池的多层 陶瓷结构体的烧结方法。 所述烧结方法主要包括以下步骤： 1)预烧结步骤，在该步骤中，使用第一压板对多层陶瓷生坯的表面施加第一压力 或不对所述表面加压，在此状态下，加热使所述多层陶瓷生坯脱胶，随后，升温速率升温到 预烧结最终温度，得到多层陶瓷预烧坯体； 其中，所述第一压力为约400Pa以下，所述预烧结最终温度比所述多层陶瓷生坯 中最厚层的起始烧结温度高至少约50°C且比所述多层陶瓷生坯中最厚层的最终烧结温度 低至少约50°C ; 2)加压烧结步骤，在该步骤中，用第二压板对步骤1)中制得的多层陶瓷预烧坯体 的表面施加第二压力，并使所述多层陶瓷预烧坯体升温至加压烧结温度，保温烧结，而后冷 却，由此得到成型的多层陶瓷结构体； 其中，所述第二压力为约400Pa以上且为所述第一压力的约2倍以上，所述加压烧 结温度等于或高于所述多层陶瓷生坯中最厚层的最终烧结温度。 在本专利技术的烧结方法中，所述加压烧结温度优选不超过所述多层陶瓷生坯中最厚 层的最终烧结温度约KKTC以上。 在本专利技术的烧结方法中，所述预烧结最终温度优选比所述多层陶瓷生坯中最厚层 的起始烧结温度高至少约KKTC且比所述多层陶瓷生坯中最厚层的最终烧结温度低至少约 KKTC。 在本专利技术的烧结方法中，在步骤1)中，升温到预烧结最终温度的升温速率优选为 rc /分钟~5°C /分钟、更优选为2°C /分钟~4°C /分钟、进一步优选为3°C /分钟。 在本专利技术的烧结方法中，脱胶过程中的温度优选为250°C~550°C、更优选为 300°C~500°C，脱胶时间优选为约50分钟以上，更优选为约55分钟以上，例如为50~60 分钟。 在本专利技术的烧结方法中，在步骤2)中，所述升温的速率优选为1°C /分钟~5°C / 分钟、更优选为2°C /分钟~4°C /分钟。 在本专利技术的烧结方法中，在步骤2)中，冷却的速率优选为5°C /分钟以下、更优选 为3°C/分钟以下。 在本专利技术的烧结方法中，在步骤2)中，所述保温烧结的时间优选为2~8小时，更 优选为3~5小时。 在本专利技术的烧结方法中，多层陶瓷结构体的各层的材料各自独立地选自以下材 料：未掺杂或经掺杂的氧化锆，未掺杂或经掺杂的氧化铈，未掺杂或经掺杂的铈酸钡，未掺 杂或经掺杂的锰酸镧，上述材料的混合物，和/或上述材料与氧化镍的混合物。 本专利技术还提供一种用于固体氧化物燃料电池的多层陶瓷结构体，所述多层陶瓷结 构体用本专利技术的烧结方法共烧结制得，用来充当所述固体氧化物燃料电池的全部或一部分 部件。 本专利技术的多层陶瓷结构体选自以下结构体：阳极-阳极功能层陶瓷结构体，阳 极-阳极功能层-电解质陶瓷结构体，电解质-阴极功能层-阴极陶瓷结构体，阴极-阴极 功能层陶瓷结构体，阳极-电解质陶瓷结构体，电解质-阴极陶瓷结构体，阳极-电解质-阴 极陶瓷结构体，和/或阳极本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种固体氧化物燃料电池的多层陶瓷结构体的烧结方法，所述烧结方法包括以下步骤：1)预烧结步骤，在该步骤中，使用第一压板对多层陶瓷生坯的表面施加第一压力或不对所述表面加压，在此状态下，加热使所述多层陶瓷生坯脱胶，随后，升温到预烧结最终温度，得到多层陶瓷预烧坯体；其中，所述第一压力为约400Pa以下，所述预烧结最终温度比所述多层陶瓷生坯中最厚层的起始烧结温度高至少约50℃且比所述多层陶瓷生坯中最厚层的最终烧结温度低至少约50℃；2)加压烧结步骤，在该步骤中，用第二压板对步骤1)中制得的多层陶瓷预烧坯体的表面施加第二压力，并使所述多层陶瓷预烧坯体升温至加压烧结温度，保温烧结，而后冷却，由此得到成型的多层陶瓷结构体；其中，所述第二压力为约400Pa以上且为所述第一压力的约2倍以上，所述加压烧结温度等于或高于所述多层陶瓷生坯中最厚层的最终烧结温度。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，谢斌，李明，籍伟杰，姜友松，
申请(专利权)人：吉世尔合肥能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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