[发明专利]平板固体氧化物燃料电池电解质真空浸渍镀膜方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种平板固体氧化物燃料电池电解质膜的制备方法，尤其是真空浸渍镀膜方法及装置，属于能源材料领域。

背景技术

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，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。目前比较流行的平板SOFC单电池结构为阳极支撑型，运行温度一般为750℃，该温度被认为是在材料选择性、燃料重整速度与能量转化效率之间能良好匹配的温度。

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。本申请人先前的中国专利CN1917262A公开一种中温固体氧化物燃料电池阳极支撑固体电解质复合膜及其制备方法，其采用多层流延方法来制备阳极支撑电解质膜，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。从而可以使阳极/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，例如本申请人在CN1700494A中公开的浸渍成型管式固体氧化物燃料电池的方法。而且该法还具有工艺简单、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。然而该法在平板SOFC的大规模应用过程中还未见报道。

阳极或阴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（Chunhua Zhao,Renzhu Liu,Shaorong Wang,Tinglian Wen,Fabrication of a large area cathode-supported thin electrolyte film for solid oxide fuel cells via tape casting and co-sintering techniques，Electrochemistry Communications 11(2009)842–845）。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。

发明内容