一种平板固体氧化物燃料电池的制备方法技术

本发明专利技术提供一种平板固体氧化物燃料电池的制备方法，包括：提供一镀膜装置，所述镀膜装置包括用于提供真空环境的容器，位于所述容器中且具有中空结构的支架，以及位于所述容器中用于容纳电解质浆料的浆料罐，其中所述浆料罐位于所述支架下方；提供一平板固体氧化物燃料电池支撑体，并将所述支撑体贴合于所述支架上；对所述容器抽真空并将所述支架浸渍于所述电解质浆料中以得到支撑体/电解质复合膜，浸渍时所述支架保持不动，容纳所述电解质浆料的浆料罐进行升降运动。

Preparation of a Flat-Plate Solid Oxide Fuel Cell

The invention provides a preparation method of flat-panel solid oxide fuel cell, including: providing a coating device, the coating device includes a container for providing vacuum environment, a support with hollow structure in the container, and a slurry tank for containing electrolyte slurry in the container, wherein the slurry tank is located below the support, providing a level; The plate solid oxide fuel cell support body and the support body are attached to the support body; the container is vacuum pumped and the support is impregnated in the electrolyte slurry to obtain the support body/electrolyte composite film, while impregnating the support body remains immobile, and the slurry tank containing the electrolyte slurry is lifted and lowered.

【技术实现步骤摘要】
一种平板固体氧化物燃料电池的制备方法
本专利技术涉及燃料电池技术，尤其涉及一种平板固体氧化物燃料电池电解质薄膜的制备方法。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)是一种在中高温运行的全固态发电装置，可以将燃料的化学能直接转化为电能，具有发电效率高和环境友好的特点。目前SOFC主要有管式、瓦楞式、平板式三种结构，其中平板式SOFC因功率密度高和制作成本低而成为SOFC的发展趋势。SOFC单电池由三个部分构成：阳极、电解质和阴极。为了降低电池的内阻损耗，要求电解质在致密的基础上尽可能薄膜化。传统电化学气相沉积可以制备出致密的电解质薄膜，但是这一方法的制造成本过高；经典的流延成型工艺已经很成熟，但其电解质的致密化温度过高，一方面使得电池制备能耗高，另一方面高的共烧温度也限制了支撑电极的性能。传统的多层流延制备阳极支撑电解质膜的方法，其制备过程大致如下：第一步：电解质层的流延制备；第二步：在干燥后的电解质层上流延制备出阳极活性层；第三步：在干燥好后的阳极活性层上流延制备出阳极支撑层；第四步：将充分干燥好后的阳极电解质复合膜在一定的温度下实行共烧结。这样就制备好了阳极和电解质；第五步：在制备好的电解质一侧丝网印刷上阴极材料，干燥后，在一定温度下烧结，制备出单电池。在以上工艺过程中，第四步共烧结的目的，是为了依靠具有高收缩率的阳极收缩带动电解质致密。流延浆料中电解质的固含量较低，所以为了使电解质能够致密，往往共烧结的温度非常高。这一方面导致其制备耗能高；同时，阳极因过度收缩，致使其孔隙率过低，高的烧结温度也使得阳极活性颗粒长大。这都会使阳极的有效反应点大大减少，阳极性能得不到保证。如果将电解质配成浸渍浆料，其溶剂挥发后所得镀膜层的固含量将大大提高。此外，与流延浆料相比，浸渍浆料有机物添加量少，也能使得镀膜层的固含量大大提高。高固含量的镀膜层可以使阳极/电解质共烧结温度降低，降低制备能耗、提高阳极性能；同时浸渍镀膜还具有工艺简单、膜厚可控、周期短、成本低、可大规模推广、污染小和基板形状不受限制等优点。目前，这一工艺已成功应用于管式SOFC电解质薄膜的制备过程中，但在平板SOFC的大规模应用过程中还未见报道。SOFC阳极支撑体是多孔材料，里面会夹杂着空气。管式电池因为其结构特点，采取的是一侧浸渍，而另一侧是置于空气之中，所以在浸渍的过程中，空气会通过另一边排到大气中。而平板电池在浸渍的过程中，整个多孔基片都是浸渍于浆料之中。这样一来，夹杂在基板里面的空气就会在基片上一些气阻小的地方，通过鼓泡的形式而排出。如此一来，基片上的局部区域，电解质就会浸渍不上去，共烧结后就会形成针孔，电解质的隔膜作用也就失效了。特别是在大面积电池电解质的浸渍过程中，这种问题就更加突出。相对于阳极支撑型SOFC，阴极支撑型SOFC在抗氧化还原循环方面具有一定的优势，密封组堆时由于燃料一侧的密封材料是与致密的电解质膜接触，密封相对容易。关于阴极支撑型SOFC电解质膜的制备，现有技术公开有采用流延成型和共烧结的技术制备大面积的阴极支撑型SOFC电解质膜。但是，阴极支撑型SOFC由于阴极材料与电解质材料在高温下容易反应，所以共烧结温度要求更低，对电解质膜的素坯密度要求更高，浸渍法的优势更加明显。然而，目前还几乎没有采用浸渍法制备阴极支撑电解质膜的报道。真空浸渍制备SOFC电解质，顾名思义，就是将多孔基板里面空气抽出然后实现浸渍的技术。实际上，通过抽真空很难完全将多孔基板里面空气排出。更为重要的是，吸附于多孔基板内壁上的空气是无法使用常规抽真空方式使其脱除进而排除的。传统真空浸渍工艺，是将基板浸入浸渍浆料中。值得注意的是，在浸渍过程中，基板中残余空气将被液体取代而溶解于浸渍浆料中，溶解于浆料中的气泡在真空(负压)下体积变大。此外，气泡之间相互凝并，也容易导致更大气泡产生。可见，在常规真空浸渍过程中，未被完全排除的气体以及吸附于基板内壁的气体将以气泡形式从基板排除，同样导致了电解质膜片的损坏。
技术实现思路
在针对这一问题，本专利技术采用新型真空浸渍镀膜方法，使得在浸渍过程中，只对多孔电极一侧进行浸渍，使得基板中残余气体能从另外一侧排出，从而实现大面积阳极支撑平板SOFC的制备。本专利技术提供一种平板固体氧化物燃料电池的制备方法，包括：提供一镀膜装置，所述镀膜装置包括用于提供真空环境的容器，位于所述容器中且具有中空结构的支架，以及位于所述容器中用于容纳电解质浆料的浆料罐，其中所述浆料罐位于所述支架下方；提供一平板固体氧化物燃料电池支撑体，并将所述支撑体贴合于所述支架上；对所述容器抽真空并将所述支架浸渍于所述电解质浆料中以得到支撑体/电解质复合膜，浸渍时所述支架保持不动，容纳所述电解质浆料的浆料罐进行升降运动。进一步地，所述支架浸渍于所述电解质浆料中时，所述支撑体进行单面浸渍。进一步地，所述支架与所述支撑体相贴合的一侧设置有导气孔，在浸渍过程中，所述支撑体中的残余气体经过所述导气孔排除。进一步地，所述容器的真空度为10-2Pa～1atm(1个大气压)之间。进一步地，搅拌所述电解质浆料以防止浆料沉降，且在将所述支架浸渍于所述电解质浆料之前停止搅拌并使所述浆料保持静止。进一步地，电解质采用钇稳定的氧化锆、钪稳定的氧化锆、钆掺杂的氧化铈、钐掺杂的氧化铈、锶镁共掺杂的镓酸镧、锶钇共掺杂的铈酸钡、以及锶钇共掺杂的锆酸钡中的任意一种或两种以上的复合物。进一步地，所述支撑体为预先热处理过的多孔阳极基片或多孔阴极基片。进一步地，所述多孔阳极基片或多孔阴极基片采用流延法制备，预先热处理的温度在900～1200℃之间。进一步地，所述电解质浆料采用水、酒精、和/或丁酮等为溶剂，并包含适量的添加剂，所述添加剂为三乙醇胺、聚乙烯醇缩丁醛、邻苯二甲酸二丁酯和/或聚乙二醇200。进一步地，浸渍过程是一次完成以在所述支撑体上形成均匀的一层电解质，也可以是多次完成以在所述支撑体上形成均匀的一层电解质。进一步地，所述支架浸渍于所述电解质浆料中时，依次采用多种不同材质的电解质浆料对所述支撑体进行多次浸渍以在所述支撑体上形成不同材质的电解质的多层结构。进一步地，所述制备方法还包括：对所述支撑体/电解质复合膜进行共烧结处理，所述共烧结的温度为1050～1400℃之间，烧结时间为3～20小时，以在所述支撑体上形成致密的电解质膜；以及在所述致密的电解质膜上印刷与所述支撑体极性相反的电极材料，干燥后在1000～1250℃烧结2～5小时以得到所述燃料电池。附图说明图1为本专利技术的真空镀膜装置的结构示意图(浸渍之前)。图2本专利技术的真空镀膜装置的结构示意图(浸渍)。图3为实施例1制得的单电池的SEM。图4为实施例1制得的单电池在750℃时开路下电化学阻抗谱图。图5为实施例1制得的单电池在750℃时电化学性能图。图6为实施例2制得的单电池在750℃时电化学性能图。主要元件符号说明具体实施方式下面将结合附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种平板固体氧化物燃料电池的制备方法，包括：提供一镀膜装置，所述镀膜装置包括用于提供真空环境的容器，位于所述容器中且具有中空结构的支架，以及位于所述容器中用于容纳电解质浆料的浆料罐，其中所述浆料罐位于所述支架下方；提供一平板固体氧化物燃料电池支撑体，并将所述支撑体贴合于所述支架上；对所述容器抽真空并将所述支架浸渍于所述电解质浆料中以得到支撑体/电解质复合膜，浸渍时所述支架保持不动，容纳所述电解质浆料的浆料罐进行升降运动。

【技术特征摘要】
1.一种平板固体氧化物燃料电池的制备方法，包括：提供一镀膜装置，所述镀膜装置包括用于提供真空环境的容器，位于所述容器中且具有中空结构的支架，以及位于所述容器中用于容纳电解质浆料的浆料罐，其中所述浆料罐位于所述支架下方；提供一平板固体氧化物燃料电池支撑体，并将所述支撑体贴合于所述支架上；对所述容器抽真空并将所述支架浸渍于所述电解质浆料中以得到支撑体/电解质复合膜，浸渍时所述支架保持不动，容纳所述电解质浆料的浆料罐进行升降运动。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述支架浸渍于所述电解质浆料中时，所述支撑体进行单面浸渍。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述支架与所述支撑体相贴合的一侧设置有导气孔，在浸渍过程中，所述支撑体中的残余气体经过所述导气孔排除。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述容器的真空度为10-2Pa～1个大气压之间。5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，搅拌所述电解质浆料以防止浆料沉降，且在将所述支架浸渍于所述电解质浆料之前停止搅拌并使所述浆料保持静止。6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，电解质采用钇稳定的氧化锆、钪稳定的氧化锆、钆掺杂的氧化铈、钐掺杂的氧化铈、锶镁共掺杂的镓酸镧、锶钇共掺杂的铈酸钡、以及锶钇共掺杂的锆酸钡中的任意一种或两种以上的复合物。7....

【专利技术属性】
技术研发人员：韩达，贺艳兵，黄昱颖，柳明，王超，李宝华，康飞宇，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44