[发明专利]一种含有改性白云母的中温固体氧化物燃料电池封接材料及制备方法

说明书

技术领域  本发明涉及一种平板式中温固体氧化物燃料电池(SOFC)用封接材料和封接方法。

背景技术  固体氧化物燃料电池(SOFC)适应了能源供应的安全性、多元化及长远性的需求，是一种最有前途的高效、洁净的发电技术，在国家环境、能源和国防战略上将扮演重要的角色，已成为世界各国研发与竞争的高新技术之一。目前主要发展了管式结构和平板式结构两种，其中平板式固体氧化物燃料电池由于功率密度高、生产成本低等优点引起了世界范围内的普遍关注，因而是国内外发展的焦点。平板式固体氧化物燃料电池产业化的瓶颈在于密封。由于涉及专利技术保护的问题，总体说来对密封的报道数据较少，且可靠性较差。平板式固体氧化物燃料电池的难点在于PEN(Positive/Electrolyte/Negative构成的三明治结构的多层膜)与金属的密封。由于电池工作时电解质两侧同时有燃料气体和氧化气体存在，这就需要一种密封材料将阴、阳极工作室分隔并保持气密性。由于连接体与PEN的化学、物理性质差距较大，单一封接材料很难同时与两者匹配。中间层如果采用云母层状结构，则中间层的应力会因平面滑移而消除。平板式SOFC的云母压缩封接材料与技术的发展仍然存在诸多的问题，目前还没有合适的封接材料能够满足SOFC的运行要求及发展商业应用的需要。由于白云母所具有的层状结构可将应力因平面滑移而消除并价廉易得，因此研发中间层含有白云母的中温固体氧化物燃料电池封接材料及制备技术势在必行。我们研究发现，由于鳞片状粉体材料具有阻挡与鳞片层垂直方向的气体传输的性能，并具有粉体间接触面积大，导热性好的特性，有利于将封接材料做得致密及改善玻璃的长程收缩。本专利提供的由改性白云母、碘化银与硝酸锰组成的封接材料在实施SOFC电池堆封接过程中，封接材料可分别在改性白云母和母材的间隙中或表面上润湿、毛细流动、填充、铺展，从而与母材相互作用，将母材联结在一起。采用本发明的封接材料对单电池实施封接，测量多次循环下的开路电压，单电池工作性能稳定，在工作温度800℃与室温之间反复循环40次后，开路电压稳定在1.02～1.09V之间，可用于大规格SOFC单电池陶瓷基片组堆。

发明内容  针对现有技术的不足，本发明采用由碘化银、硝酸锰、改性白云母封接材料，所封接的母材分别是利用水系流延及高温烧结制备的大规格单电池陶瓷基片和商品化的FeCrAl合金片，该封接材料可以实现平板式SOFC陶瓷电池片与FeCrAl合金在大气下的直接封接，具有气密性好和耐热冲击的能力，该封接材料适用于650～800℃工作的平板式SOFC的密封。该方法工艺简单、用量少、成本低廉、适合于工业化生产。

本发明包括封接材料的制备过程、大规格单电池陶瓷基片的制备过程及封接材料对平板SOFC单电池和商品化的FeCrAl合金封接过程，包括下述步骤：

(1)将碘化银、硝酸锰的水溶液、聚丙烯酸铵、聚乙二醇、阿拉伯胶-B1070乳胶及水按一定的比例称量，放入球磨罐中；

(2)球磨混合浆料，除气，将浆料流延成型制成封接材料素坯膜片；

(3)将封接材料素坯膜片经热压叠层，制成封接材料膜片；

(4)将氧化鈧稳定的氧化锆粉体、聚丙烯酸铵、阿拉伯胶-B1070乳胶复合粘结剂、聚乙二醇增塑剂及水按一定的比例称量，放入球磨罐中；

(5)球磨混合浆料，除气，将浆料流延成型制成电解质素坯膜片；

(6)将氧化鈧稳定的氧化锆粉体、NiO粉体、石墨造孔剂、鱼油、调墨油和增塑剂混合调匀，制成阳极生坯泥料；

(7)将阳极生坯泥料经轧膜成型工艺制备阳极生坯膜片；

(8)将电解质素坯膜片与阳极素坯膜片经热压叠层制成阳极支撑型/薄层电解质复合素坯膜片；

(9)将制得的阳极支撑型/薄层电解质复合素坯膜片进行热处理，制成阳极支撑型/薄层电解质半电池；

(10)将制得的阳极支撑型/薄层电解质复合素坯膜片进行热处理。优选的排塑条件为450～600℃，升温速度为0.5～1℃/分。优选的高温烧结条件为1350～1450℃下烧结2～10小时。优选的电解质素坯膜流延成型条件是刀高100～130μm，优选的阳极素坯膜的扎膜厚度为1.0mm，将阳极生坯膜片在室温下干燥24小时。

在上述步骤(1)的浆料中加入分散剂、连接剂和增塑剂。以水为溶剂；以聚丙烯酸铵为分散剂；以阿拉伯胶-B1070乳胶为连接剂；以聚乙二醇为增塑剂；

在上述步骤(4)的浆料中加入分散剂、连接剂和增塑剂；以水为溶剂；以聚丙烯酸铵为分散剂；以阿拉伯胶-B1070乳胶为连接剂；以聚乙二醇为增塑剂；