用于管式阳极支撑型燃料电池的电解质膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了用于管式阳极支撑型燃料电池的电解质膜的制备方法，该方法以质量份数计，将３份ＹＳＺ粉末、１５～４５份酒精、０．３～１．３份松油醇、０．０１～０．０８份乙基纤维素和０．０５～０．２份植物油混合均匀；将阳极支撑管浸入ＹＳＺ浆料中，３～５秒钟后匀速向上提拉阳极管；最后将浸渍之后的阳极管／ＹＳＺ电解质膜放入高温马福炉中进行烧结。该方法可在阳极支撑管外表面成功制备致密ＹＳＺ电解质膜，由于采用了阳极支撑结构，显著降低了ＹＳＺ电解质的厚度，提高了单体电池的输出特性，而且工艺简单，成本低廉，不需要专门的设备即可进行，其电解质膜的厚度可以通过浸渍次数方便地加以控制，另外，该方法不受阳极形状的限制。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及一种管式阳极支撑型固体氧化物燃料电池及电池组的制备方法，具体涉及管式阳极支撑体的成型、电解质膜在阳极支撑体上的沉积以及电池组的组装。
技术介绍
：固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新型的发电装置，它由阳极，电解质和阴极组成。阳极和阴极均为多孔陶瓷，是电池中发生电化学反应的场所；电解质一般为致密陶瓷，燃料在阳极上的氧化反应和氧化剂在阴极上的还原反应分别发生在致密电解质两侧，这样就将氧化反应和还原反应从空间上隔离开来，电池反应才能产生净电流；电化学反应中涉及的氧离子或者质子通过电解质传输。申请号为200510101487.3的中国专利技术专利申请公开了一种锥管式阳极支撑固体氧化物燃料电池单体，如图1所示，包括多孔阳极支撑体、致密电解质膜和多孔阴极膜，致密电解质膜位于多孔阳极支撑体外沿，多孔阴极膜位于致密电解质膜外沿；多孔阳极支撑体为一端开口大，一端开口小的锥管状，小开口端的外缘为弧形；致密电解质膜覆盖多孔阳极支撑体外沿，包括小开口端的弧形外缘；阴极层位于锥管小开口端的弧形外缘与大的开口端端部边缘之间的致密电解质上层。这种电池单体空间尺寸小、电池输出功率大、容易制作，特别适用于小型SOFC电堆。电池单体的阴极与另一个电池单体的阳极方便地通过一个锥管与另一个锥管套接的方式进行串联连接，密封也较容易实现。致密电解质膜由钇稳定化的氧化锆采用料浆喷涂法制备。喷涂法适合在平面阳极支撑体上制备电解质膜，对于锥管状的阳极支撑体，由于其外表面不是平面，采用喷涂法很难获得厚度均匀且致密的电解质膜；此外，喷涂法需要专门的设备，成本比本专利技术专利开发的方法高。获得致密电解质膜是制备阳极支撑型SOFC单体电池的关键技术之一。现有制膜技术包括化学气相沉积法(CVD)、电化学气相沉积法(ECVD)、溅射法(sputtering)、脉冲激光沉积法(PLD)、流延法(tape casting)、丝网印刷法(screen printing)和旋涂法(spin coating)等等。CVD，ECVD，sputtering以及PLD等方法成本较高。Tape casting、screen printing等方法在制备平板式SOFC方面颇具优势，但用这些方法在管状阳极支撑体上制备电解质薄膜显得十分困难。针对锥管式阳极支撑型SOFC，本专利开发了一种简单有效且成本低廉的备致密电解质薄膜方法。-->
技术实现思路
：本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种简捷高效且成本低廉的锥管状阳极支撑型燃料电池的电解质膜的制备方法。本专利技术的目的通过如下技术方案实现：用于管式阳极支撑型燃料电池的电解质膜的制备方法，包括如下步骤：(1)用于浸渍的YSZ浆料配置：以质量份数计，将3份YSZ粉末、15～45份酒精、0.3～1.3份松油醇、0.01～0.08份乙基纤维素和0.05～0.2份植物油混合均匀；YSZ粉末为8mol％氧化钇稳定的氧化锆，粒径为0.05～0.3微米；(2)阳极支撑管浸渍：将阳极支撑管浸入步骤(1)的YSZ浆料中，3～5秒钟后匀速向上提拉阳极管，使之脱离YSZ浆料液面，重复上述操作3～10次，以获得10～50微米的电解质膜；(3)烧结：将浸渍之后的阳极管/YSZ电解质膜放入高温马福炉中进行烧结，升温过程为300～500℃/3h；500～900℃/4h；900～1400℃/4h；1400℃保温4h；降温过程1400～900℃/4h；900～500℃/3h；500℃以下随炉温自然冷却至室温。本专利技术相对于现有技术具有如下优点：(1)开发了浸渍法在阳极支撑管外表面成功制备了致密YSZ电解质膜，由于采用了阳极支撑结构，显著降低了YSZ电解质的厚度，大大提高了单体电池的输出特性。(2)浸渍法工艺简单，成本低廉，不需要专门的设备即可进行。(3)电解质膜的厚度可以通过浸渍次数方便地加以控制。(4)单体电池的小端口外缘可利用该法进行绝缘处理，避免单体电池串联时发生短路，其他制膜方法喷涂法则不易解决此问题。附图说明：图1是锥管式阳极支撑固体氧化物燃料电池串联电池组结构示意图。图中1是多孔阳极支撑体；2是致密电解质膜；3是多孔阴极膜；4是小端口外缘；5是大端口外缘；6是连接和封装材料。图2a是本专利技术制备的单体电池经电化学测试之后的截面扫描电镜照片；图2b是浸渍法制备的YSZ电解质膜表面的扫描电镜照片。图3是本专利技术制备的单体电池的放电曲线和功率密度曲线。测试以湿氢气为燃料，空-->气中的氧气为氧化剂。具体实施方式：下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步描述，但本专利技术要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。如图1所示，锥管式阳极支撑固体氧化物燃料电池单体包括多孔阳极支撑体1、致密电解质膜2和多孔阴极膜3，致密电解质膜2位于多孔阳极支撑体1外沿，多孔阴极膜3位于致密电解质膜2外沿；多孔阳极支撑体1为一端开口大，一端开口小的锥管状，小开口端的外缘为弧形，即小端口外缘4；致密电解质膜2覆盖多孔阳极支撑体1外沿，包括小开口端的弧形外缘；多孔阴极膜3位于锥管小开口端外缘4与大开口端端部边缘5之间的致密电解质2上层。将单体电池进行串联组成电池组。第一节单体电池的小端为闭合状，第二、三节乃至以后更多节单体电池的小端均为开放状态，这样保证整个串联电池组的气路畅通，如图1所示。将第二节单体电池的小端套入第一节单体电池的大端，连接处用银导电胶或铬酸镧陶瓷封接材料密封。银导电胶或铬酸镧有以下几个功能：其一，将各个单体电池串联起来，起连接固定作用；其二，将单体电池连接处进行密封，保证串联电池组的气密性；第三，在串联电池组的各个单体电池之间建立电连接。实施例1采用石膏模注浆成型法制备多孔阳极支撑体1时。第一步，首先制备石膏模，具体过程为：将无水石膏粉末在150℃烘炒5小时，冷却至室温后待用；将烘炒好的石膏粉末与等质量的水混合，搅拌均匀，得到石膏浆料；将石膏浆快速倒入圆筒状金属模具中(其底部中央有一个可拆卸的锥形金属突起)，30分钟后石膏固化，蜕去金属模具便得到用于注浆成型阳极支撑管的石膏模；第二步，将阳极浆料注入石膏模中得到阳极支撑体，具体过程为：(1)将等质量的NiO和YSZ粉末均匀混合之后得到阳极粉末；将阳极粉末中加入85wt％水，行星式球磨15分钟左右得到阳极注浆浆料，浆料中阳极粉末的含量为15wt％；阳极浆料中加入0.1wt％的阿拉伯树胶作为分散剂；将NiO和YSZ粉末加入水球磨混合，两种固体粉末在球磨过程中被均匀分散于水中，同时加入了阿拉伯树胶，便于形成稳定均一的阳极注浆浆料。(2)使用滴管将(1)中制备好的阳极浆料注入石膏模空腔中，浆料中水被石膏模吸收，同时在石膏模空腔内形成一阳极层；待石膏模内的阳极管干燥并与石膏模体分开后，-->将阳极管取出并在马福炉中800℃预烧3小时。至此，阳极支撑管制备完成。实施例2阳极支撑管外表面电解质膜的制备：阳极支撑管外表面电解质膜的制备采用浸渍法进行，具体过程为：(1)将3g YSZ粉末、15g酒精、0.3g松油醇、0.01g乙基纤维素以及0.05g植物油混合均匀，得到用于浸渍的YSZ浆料。其中，酒精为溶剂，松油醇为增塑剂，乙基纤维素为粘结剂，植物油为分散剂；(2)将阳极支撑管浸入YSZ浆料中，3秒钟后匀速向上提拉阳极管，本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于管式阳极支撑型燃料电池的电解质膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（１）用于浸渍的ＹＳＺ浆料配置：以质量份数计，将３份ＹＳＺ粉末、１５～４５份酒精、０．３～１．３份松油醇、０．０１～０．０８份乙基纤维素和０．０５～０．２份植物 油混合均匀；ＹＳＺ粉末为８ｍｏｌ％氧化钇稳定的氧化锆，粒径为０．０５～０．３微米；（２）阳极支撑管浸渍：将阳极支撑管浸入步骤（１）的ＹＳＺ浆料中，３～５秒钟后匀速向上提拉阳极管，使之脱离ＹＳＺ浆料液面，重复上述操作３～１０次，以获得 １０～５０微米的电解质膜；（３）烧结：将浸渍之后的阳极管／ＹＳＺ电解质膜放入高温马福炉中进行烧结，升温过程为３００～５００℃／３ｈ；５００～９００℃／４ｈ；９００～１４００℃／４ｈ；１４００℃保温４ｈ；降温过程１４００～９００℃／４ ｈ；９００～５００℃／３ｈ；５００℃以下随炉温自然冷却至室温。

【技术特征摘要】
1.用于管式阳极支撑型燃料电池的电解质膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)用于浸渍的YSZ浆料配置：以质量份数计，将3份YSZ粉末、15～45份酒精、0.3～1.3份松油醇、0.01～0.08份乙基纤维素和0.05～0.2份植物油混合均匀；YSZ粉末为8mol％氧化钇稳定的氧化锆，粒径为0.05～0.3微米；(2)阳极支撑管浸渍：将阳极支撑管浸入步骤(1)的YSZ浆料中，3～5秒钟后匀速向上提拉阳极管，使之脱离YSZ浆料液面，重复上述操作3～10次，以获得10～50微米的电解质膜；(3)烧结：将浸渍之后的阳极管/YSZ电解质膜放入高温马福炉中进行烧结，升温过程为300～500℃/3...

【专利技术属性】
技术研发人员：张耀辉，刘江，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]