一种在直通孔阳极支撑体上制备电解质薄膜的方法技术

一种在直通孔阳极支撑体上制备电解质薄膜的方法，属于固体氧化物燃料电池阳极支撑体镀膜技术领域，可解决现有的电解质薄膜的制备方法不能在直通孔阳极表面制备电解质薄膜的问题，主要由以下几个步骤构成：采用海藻酸盐离子凝胶法一体化制备直通孔阳极与阳极表层薄膜；脱模，切片，干燥后共烧结。在直通孔阳极表层薄膜上涂覆电解质浆料形成致密的薄膜。使用本发明专利技术能够一体化制备直通孔阳极支撑体及其上表层薄膜，并且制得的薄膜与阳极连接结合紧密，薄膜结构稳定，厚度在5~50微米之间，致密度高，后续在该薄膜表面涂覆电解质浆料可以得到致密的电解质薄膜，使用该方法制备的电解质薄膜用于组装测试的电池中，电池输出性能稳定。

A method of preparing electrolyte film on through hole anode support

【技术实现步骤摘要】
一种在直通孔阳极支撑体上制备电解质薄膜的方法
本专利技术属于固体氧化物燃料电池阳极支撑体镀膜
，具体涉及一种在直通孔阳极支撑体上制备电解质薄膜的方法。
技术介绍
阳极支撑型固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种能够将化石燃料能源高效转化为电能的一种设备，并且其构造灵活简单，排放的反应物清洁无污染，因此被越来越多的用于实际生活中。通常，阳极支撑体需要高孔隙率，使得气体能够快速通过阳极，满足阳极侧发生电化学反应的需要，减小燃料电池中由气体扩散引起的极化阻抗，提升电池性能。直通孔型阳极支撑体不但有着高孔隙率，并且区别于添加造孔剂制备的阳极支撑体内部杂乱分布的孔道，其阳极内部孔道是开放的直孔，减小了气体在阳极内部传输的阻力。但是这种独特的直通孔道，使得在阳极表面制备致密的电解质薄膜成为一个难题。现有的制备电解质薄膜的技术有丝网印刷法，旋涂法，流延法，化学沉积法，电泳法等。这些常规的制备电解质薄膜方法不适用于直通孔阳极结构，很难制得致密的电解质膜。使用以上方法在直通孔阳极支撑体上制备电解质膜的过程中，电解质浆料存在严重的下渗情况，直通孔阳极支撑体表面不能留存电解质膜的有效成分，制得的电解质膜不够致密或多次涂覆导致电解质膜过厚，从而降低电池性能。
技术实现思路
本专利技术针对现有的电解质薄膜的制备方法不能在直通孔阳极表面制备电解质薄膜的问题，提供一种基于离子凝胶法在直通孔阳极支撑体上制备电解质薄膜的方法，这种方法能够一体化制备燃料电池的直通孔阳极支撑体以及阳极支撑体上表层薄膜，通过后续在阳极支撑体上表层薄膜上涂覆电解质浆料，可以成功在直通孔陶瓷表面制备一层致密的电解质薄膜。本专利技术采用如下技术方案：一种在直通孔阳极支撑体上制备电解质薄膜的方法，包括如下步骤：第一步，将质量分数为1~2wt%的海藻酸盐溶液和固相含量为2~30wt%的阳极材料混合，将混合物球磨6~20h，抽真空20~60min得到阳极浆料，把阳极浆料注入模具中，向模具中喷覆浓度为0.5~2mol/L的除镁离子以外的其他正2价金属阳离子的氯化盐溶液，模具中的阳极浆料表层与氯化盐溶液发生凝胶反应，形成一层致密的薄膜，将模具静置36~48h，使得阳极浆料固化形成直通孔道，完成直通孔阳极湿坯和直通孔阳极湿坯上表层薄膜的一体化制备；第二步，脱模，保留湿坯上表层薄膜，切除3~20mm以下的湿坯后，将剩余上层坯体干燥后，在400~1200℃下，烧结1~4h，得到直通孔阳极支撑体和其上表层薄膜，所述直通孔阳极支撑体的直孔孔径为10~100μm，上表层薄膜的厚度为5~50μm；第三步，在直通孔阳极上表层薄膜上涂覆电解质浆料，涂覆3~15次后，在1200~1400℃后，烧结2~4h，形成致密的电解质薄膜，其中，电解质浆料为电解质材料粉体与有机粘结剂按照质量比5:95~50:50的比例混合。第一步中所述阳极材料为NiO、CuO、CeO2、Al2O3、Fe2O3和Fe3O4中的一种或几种或镍铁合金、镍铜合金、镍铝合金和镍铂合金中的一种或几种或Ni、Au、Ag、Pt、Cu、Pd、Ru、Rh、Ce和Co中的一种或几种或NiO和电解质粉体以质量比1:9~6:4的混合物或纯电解质粉体，所述电解质粉体包括YSZ、稀土金属掺杂氧化钆、碱金属和/或稀土金属掺杂的氧化铈，其中，碱金属包括Ca、Sr和Ba中的一种或几种，稀土金属元素包括La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y和Sc中的一种或几种。所述阳极材料中包括造孔剂，所述造孔剂包括碳粉、木薯粉、面粉和淀粉中的任意一种，造孔剂与阳极材料的质量比为1:20~3:10。第一步中所述模具为直径20~50mm，容量为30~50mL的烧杯。第一步中喷覆氯化盐溶液过程中，喷头距离阳极浆料的高度为3~5cm，均匀并匀速向阳极浆料中心喷覆氯化盐溶液，喷覆次数为30~75次。第三步中所述电解质材料粉体包括YSZ、ScSZ、LSGM、GDC、SDC、ESB和DWSB中的一种或几种。第三步中所述有机粘结剂包括乙基纤维素和松油醇的混合物、聚乙烯吡咯烷酮和甘油的混合物、聚乙烯吡咯烷酮和松油醇的混合物或乙基纤维素和甘油的混合物中的任意一种，其中，乙基纤维素或聚乙烯吡咯烷酮的质量占有机粘结剂的质量的1~15%。第三步中所述涂覆的方法包括旋涂法、丝网印刷法、流延法、化学沉积法、电泳法、溶胶-凝胶法和浸涂法中的任意一种。本专利技术的有益效果如下：本专利技术通过离子凝胶法一体化制备出直通孔阳极支撑体和阳极上表层薄膜，继而在阳极上表层薄膜上涂覆电解质，不仅解决了直接在直通孔阳极表层涂覆电解质时，电解质层不够致密的问题，而且减少了电解质的涂覆次数，从而减小了电池的欧姆电阻，节省了燃料电池的制备成本和时间，提升了燃料电池的性能。附图说明图1为本专利技术实施事例1制备的Ni/YSZ直通孔阳极支撑体及其上表层薄膜的SEM图，其中，a为竖直截面SEM图，b为水平截面SEM图；图2为本专利技术实施事例1制备的YSZ电解质薄膜的SEM图，其中，a为竖直截面SEM图，b为水平截面SEM图；图3为本专利技术实施事例1制备的阳极支撑体和电解质层为基础，向电解质层涂覆LSM阴极得到的单电池在700℃的开路电压；图4为本专利技术实施事例2制备的YSZ电解质薄膜的SEM图，其中，a为竖直截面SEM图，b为水平截面SEM图；图5为本专利技术实施事例2制备的阳极支撑体和电解质层为基础，向电解质层涂覆LSM阴极，并向YSZ直通孔内部浸渍镍纳米粒子后得到的单电池在650℃的开路电压；图6为本专利技术实施事例3制备的Ni/YSZ直通孔阳极及其上表层薄膜的SEM图，其中，a为竖直截面SEM图，b为水平截面SEM图。具体实施方式一种在直通孔阳极上制备电解质薄膜的方法：（1）采用海藻酸盐离子凝胶法一体化制备阳极与阳极表层薄膜。（2）脱模，切片，干燥后共烧结。（3）在直通孔阳极表层薄膜上涂覆电解质浆料形成致密的薄膜。实施例1（1）采用海藻酸盐离子凝胶法一体化制备阳极及其上表层薄膜。使用阳极材料为NiO和YSZ的混合，其中NiO：YSZ质量比5：5，配制海藻酸钠质量分数为1.5wt%海藻酸盐溶液，将阳极材料与海藻酸钠溶液混合球磨6小时得到阳极浆料。将阳极浆料倒入直径为40毫米，容积为50毫升的玻璃烧杯中，向烧杯中喷覆1mol/L的氯化钙溶液45次，使烧杯内的表层阳极浆料快速固化形成致密的表层薄膜，喷覆氯化钙溶液后，将烧杯静置48小时，使烧杯内阳极浆料形成直通孔道并充分固化；（2）脱模，切片，干燥后共烧结。切片时，保留湿胚上表层薄膜，切除5毫米以下多余湿胚，将上层胚体干燥后，在1000℃共烧结3小时，得到直通孔阳极支撑体和其上表层薄膜。如图1a和图1b所示为1000℃烧结后的阳极支撑体及其上表层薄膜的竖直截面和水平截面图，阳极支撑体上表层薄膜结构较为致密，厚度约为27微米，阳极支撑体上表层薄膜与薄膜下多孔结构连接紧密，无分层现象，阳极支撑体内直孔孔径约为20~60微米。（3）在直通孔阳极表层薄膜上涂覆电解质浆料形成致密的薄膜。使用旋涂法在直通孔阳极上表层薄膜上旋涂YSZ电解质浆料5次，其中电解质浆料中YSZ与有机粘结剂质量比3:7，且乙基纤维素质量分数为1.65wt%，随后在1400℃烧结4小时得到致密的电解质薄膜。如图2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在直通孔阳极支撑体上制备电解质薄膜的方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步，将质量分数为1~2wt%的海藻酸盐溶液和固相含量为2~30wt%的阳极材料混合，将混合物球磨6~20h，抽真空20~60min得到阳极浆料，把阳极浆料注入模具中，向模具中喷覆浓度为0.5~2mol/L的除镁离子以外的其他正2价金属阳离子的氯化盐溶液，模具中的阳极浆料表层与氯化盐溶液发生凝胶反应，形成一层致密的薄膜，将模具静置36~48h，使得阳极浆料固化形成直通孔道，完成直通孔阳极湿坯和直通孔阳极湿坯上表层薄膜的一体化制备；第二步，脱模，保留湿坯上表层薄膜，切除3~20mm以下的湿坯后，将剩余上层坯体干燥后，在400~1200℃下，烧结1~4h，得到直通孔阳极支撑体和其上表层薄膜，所述直通孔阳极支撑体的直孔孔径为10~100μm，上表层薄膜的厚度为5~50μm；第三步，在直通孔阳极上表层薄膜上涂覆电解质浆料，涂覆3~15次后，在1200~1400℃后，烧结2~4h，形成致密的电解质薄膜，其中，电解质浆料为电解质材料粉体与有机粘结剂按照质量比5:95~50:50的比例混合。

【技术特征摘要】
1.一种在直通孔阳极支撑体上制备电解质薄膜的方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步，将质量分数为1~2wt%的海藻酸盐溶液和固相含量为2~30wt%的阳极材料混合，将混合物球磨6~20h，抽真空20~60min得到阳极浆料，把阳极浆料注入模具中，向模具中喷覆浓度为0.5~2mol/L的除镁离子以外的其他正2价金属阳离子的氯化盐溶液，模具中的阳极浆料表层与氯化盐溶液发生凝胶反应，形成一层致密的薄膜，将模具静置36~48h，使得阳极浆料固化形成直通孔道，完成直通孔阳极湿坯和直通孔阳极湿坯上表层薄膜的一体化制备；第二步，脱模，保留湿坯上表层薄膜，切除3~20mm以下的湿坯后，将剩余上层坯体干燥后，在400~1200℃下，烧结1~4h，得到直通孔阳极支撑体和其上表层薄膜，所述直通孔阳极支撑体的直孔孔径为10~100μm，上表层薄膜的厚度为5~50μm；第三步，在直通孔阳极上表层薄膜上涂覆电解质浆料，涂覆3~15次后，在1200~1400℃后，烧结2~4h，形成致密的电解质薄膜，其中，电解质浆料为电解质材料粉体与有机粘结剂按照质量比5:95~50:50的比例混合。2.根据权利要求1所示的一种在直通孔阳极支撑体上制备电解质薄膜的方法，其特征在于：第一步中所述阳极材料为NiO、CuO、CeO2、Al2O3、Fe2O3和Fe3O4中的一种或几种或镍铁合金、镍铜合金、镍铝合金和镍铂合金中的一种或几种或Ni、Au、Ag、Pt、Cu、Pd、Ru、Rh、Ce和Co中的一种或几种或NiO和电解质粉体以质量比1:9~6:4的混合物或纯电解质粉体，所述电解质粉体包括YSZ、稀土金属掺杂的氧化钆、碱金属和/或稀土金属掺杂的氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴萍萍，田彦婷，郭祥，聂仲泉，翟爱平，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14