[发明专利]一种燃料电池用锆基陶瓷电解质膜的低温制备方法

说明书

本发明提出一种燃料电池用锆基陶瓷电解质膜的低温制备方法，将原料按比例混合的锆源前驱体制备为浆体状，将陶瓷浆体通过压制成型形成尖锥阵列状，进行铜离子和锌离子掺杂后通过微波等离子体进行烧结，烧结时间为0.5‑1h后得到电解质膜。本发明通过微波电离气体产生等离子体，在微尖聚集形成尖端放电效应，使陶瓷膜迅速升温，掺杂的铜离子和锌离子可以有效降低其烧结温度，同时通过加入的硼烷气体裂解使表面致密化，从而在低温下获得均匀致密的陶瓷电解质膜，进而解决了传统锆基陶瓷电解质膜在低温条件下烧结致密度低，烧结时间长的缺点。进一步，本发明对于降低锆基陶瓷电解质的烧结温度和烧结时间、提高致密度具有十分重要的实际意义。

技术领域

本发明涉及燃料电池材料领域，具体涉及一种燃料电池用锆基陶瓷电解质膜的低温制备方法。

背景技术

燃料电池是由阴极、阳极和夹在二者之间的电解质构成的电化学发电装置，固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，具有高效率和极好的长期性能稳定性，无需催化剂，也能大幅度削减系统费用。由于采用固体氧化物作为电解质，它无电解液腐蚀等问题；燃料适应性宽，可以食用氢、CO、天然气(甲烷)、煤汽化气、碳氢化合物等作燃料。

电解质是SOFC最核心的部件，其荷电输运特性和热膨胀性质不但直接影响电池的工作温度和电能转换效率，还决定了与之相匹配的阴极和阳极材料以及相应制备技术的选择。SOFC工作时阳极和阴极的损失较小，极化损失主要集中在电解质的内阻上。目前固体氧化物燃料电池的电解质膜主流选择是钇掺杂氧化锆(YSZ)及氧化铈基、钙钛矿类。其中，YSZ在高温下具有很好的化学稳定性与机械强度，在一个很宽的氧分压范围内和高温条件下(1000～1200℃) ，YSZ欧姆极化损耗极低，同时，YSZ具有良好的氧离子电导和很好的机械加工强度，可以制作成致密的几微米厚膜电解质，成本相对较低，目前商业应用最广。

化学方法是制备YSZ薄膜的常用方法，化学方法主要包括化学气相沉积（CVD）、电化学气相沉积、溶胶-凝胶法等。CVD是利用气态物质在固体表面发生化学反应生成固态沉积物的方法。一般在制备时利用含有和钇离子和锆离子的丁醇为前驱体材料，沉积得到YSZ薄膜，之后经过1300℃的高温制得致密薄膜。但是，CVD方法的缺点是反应温度较高，反应过程中存在腐蚀性气体，沉积率较低的缺点。电化学气相沉积法以电化学势能梯度作为生长的驱动力在多孔衬底上生长离子电导或电子电导的致密性薄膜，但是仍然面临反应温度较高，有腐蚀性气体存在，沉积率较低等缺陷。溶胶凝胶法制备薄膜是借助于胶体分散体系的一种制备方法，在氧化钇掺杂的氧化铈基底上涂覆一层YSZ膜，并在1400℃高温下进行烧结，溶胶凝胶法制备工艺方法简单，但是同样需要进行高温烧结，制备的膜致密性不好。由此可知，虽然化学法制备YSZ薄膜具有工艺方案简单、成分可调等优点，但大都需要进行1300℃以上的高温进行烧结，但是由于其烧结温度高，居里温度低，在烧结制备过程中难以形成均匀致密的结构，同时其沉积速率较低，烧结时间长，能耗与成本也相对较高，并且制备过程种伴随腐蚀气体等副产物，不利于环境保护和推广生产。

物理气相沉积技术是薄膜制备技术中的重要手段，亦可用于制备YSZ薄膜。物理气相沉积利用高能粒子撞击固体表面，在与固体表面的原子或分子进行能量交换后，从固体表面飞出沉积到基片表面形成薄膜的方法。中国发明专利申请号201210539087.0公开了一种固体氧化物燃料电池氧化锆基电解质薄膜，电解质薄膜采用射频磁控反应溅射的方法制备，制备的氧化锆基电解质薄膜厚度可调可控，厚度均匀、气密性良好。但是，射频磁控反应溅射的方法制备的陶瓷薄膜结构往往为亚稳态，需要进行退火等后处理工序得到稳定的薄膜结构，并且掺杂薄膜成分调控不便。因此，结合物理气相沉积技术的优点，在采用物理气相沉积技术的基础上，提出一种一步制成燃料电池用锆基陶瓷电解质膜对于降低锆基陶瓷电解质的烧结温度和烧结时间、提高致密度具有十分重要的实际意义。

发明内容