專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多功能氣相淀積裝置及固體氧化物燃料單電池制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多功能氣相淀積裝置及利用該裝置原位一次性完成材料和微結(jié)構(gòu)不同的固體氧化物燃料單電池(PEN)各陶瓷膜制備的方法。
背景技術(shù)：
據(jù)荷蘭《固體離子學(xué)》雜志(Solid State Ionics，vol.152-453(2002)373-381，vol.175(2004)171-176，vol.176(2005)451-456)介紹，目前固體氧化物燃料電池單電池的制備技術(shù)主要包括流延法(tape casting)、滾扎法(calendering)、絲網(wǎng)印刷法(screen sprinting)、真空懸浮顆粒漿料浸漿法(vacuum slip coating)、噴漿法(wetpowder spraying)和等離子噴涂(plasma spraying))等。采用這些技術(shù)，一般一次只能制備固體氧化物燃料電池單電池的某一層(電解質(zhì)，陰極，陽(yáng)極，或電極活性層)；一個(gè)單電池的制備需要多次“室溫制備-高溫?zé)Y(jié)-冷卻”循環(huán)；同時(shí)，完成一個(gè)單電池的制備，至少需要一次多層高溫(1400-1500℃)共燒；因此，存在著許多問(wèn)題1)由于單電池各結(jié)構(gòu)單元陶瓷膜層的電化學(xué)功能不同，使用的材料和對(duì)微結(jié)構(gòu)的要求不同，多層高溫共燒很難同時(shí)滿足單電池各陶瓷膜層對(duì)微結(jié)構(gòu)的不同要求；2)由于單電池各結(jié)構(gòu)單元陶瓷膜層的材料不同，燒結(jié)收縮行為不同，各層共燒時(shí)很難同步收縮或膨脹，因此，很容易產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致電池的燒結(jié)變形、破裂或產(chǎn)生內(nèi)部微裂紋；3)由于需多層高溫共燒，一般只能采用陽(yáng)極支撐的電池設(shè)計(jì)，單電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受到限制；4)多次制備，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，多次多層高溫共燒，能耗費(fèi)用高。
美國(guó)電化學(xué)會(huì)志(U.B.Pol and S.C.Singhal，J.Electrochem.Soc.，137(9)(1990)2937)報(bào)道，采用電化學(xué)氣相淀積(electrochemical vapor deposition，EVD)技術(shù)，制備固體氧化物燃料電池的致密電解質(zhì)層，但由于采用具有較強(qiáng)腐蝕性的金屬氯化物作為源物質(zhì)，且淀積溫度高達(dá)1200℃，其設(shè)備投資費(fèi)用高；另外，由于該技術(shù)致密電解質(zhì)層的制備是基于電化學(xué)原理，一般只適用于管狀固體氧化物燃料電池的制備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種集金屬有機(jī)化合物固體源化學(xué)氣相淀積(MOCVD)技術(shù)、源物質(zhì)溶液氣溶膠化學(xué)氣相淀積(Aerosol-CVD)技術(shù)和金屬源物質(zhì)溶液靜電噴涂輔助氣相淀積(ESAVD)于一體，同時(shí)輔以等離子體強(qiáng)化、紫外光源活化反應(yīng)物種以及熱光源輻射襯底表面輔助加熱的多功能氣相淀積裝置，以及采用該多功能氣相淀積裝置，原位、一次性完成材料和微結(jié)構(gòu)不同的固體氧化物燃料單電池的各陶瓷膜層制備的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)采用多次制備和多層高溫共燒存在的上述問(wèn)題。
本發(fā)明的多功能氣相淀積裝置，其特征在于石英反應(yīng)腔1、真空腔2以及連接于真空腔2下端的真空泵3構(gòu)成立式淀積反應(yīng)器；管狀石英反應(yīng)腔1的下端與真空腔2的上底密封連接；石英反應(yīng)腔1的上端與多通連接件4密封連接；多通連接件4的其它接頭分別與金屬有機(jī)化合物固體源化學(xué)氣相淀積的源物質(zhì)進(jìn)樣系統(tǒng)5，源物質(zhì)溶液氣溶膠化學(xué)氣相淀積或源物質(zhì)溶液靜電噴涂輔助氣相淀積的進(jìn)樣系統(tǒng)6，以及反應(yīng)氣體的進(jìn)樣系統(tǒng)7連接；石英反應(yīng)腔1內(nèi)的樣品臺(tái)8固定于加熱器9之上，加熱器9固定于托盤(pán)10之上，托盤(pán)10固定于樣品臺(tái)支撐桿11的頂端；在樣品臺(tái)8和加熱器9的中心，安裝有測(cè)溫?zé)犭娕?2；樣品臺(tái)支撐桿11的下端從真空腔2的下底板的中心孔穿出，并與位于真空腔2下方的樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)、升降系統(tǒng)13定位動(dòng)連接；樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)、升降系統(tǒng)13系統(tǒng)由安裝固定板13-1，升降電極13-2，推動(dòng)螺桿13-3，推動(dòng)板13-4，導(dǎo)向桿13-5，位置傳感器13-6，以及安裝固定于推動(dòng)板13-4上并與樣品臺(tái)支撐桿11下端軸連接的樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)電極13-7組成；樣品臺(tái)支撐桿11與真空腔2的下底板之間由密封組件14密封；對(duì)應(yīng)于樣品臺(tái)上方淀積反應(yīng)區(qū)位置，在石英反應(yīng)腔1的外面，是射頻等離子體電源的輸出負(fù)載15；在石英反應(yīng)腔1周?chē)蟹雷o(hù)筒16，防護(hù)筒16的上端有一個(gè)頂板17；頂板17的下面安裝熱光源18和紫外光源19；熱光源18的光線直射石英反應(yīng)腔1內(nèi)的樣品臺(tái)8的頂面，紫外光源19的光線直射石英反應(yīng)腔1內(nèi)樣品臺(tái)8上方的淀積反應(yīng)區(qū)；測(cè)溫?zé)犭娕?2的引線和加熱器9的電源線穿過(guò)支撐桿11，并從支撐桿11下段的管壁上穿出，與安裝在支撐桿11下段、可與支撐桿11一起旋轉(zhuǎn)和升降的電聯(lián)接器20上不同的相互電絕緣的接電環(huán)聯(lián)接；電聯(lián)接器20的每一個(gè)接電環(huán)上有一個(gè)與可以上、下移動(dòng)，但不能隨之旋轉(zhuǎn)的滑動(dòng)電聯(lián)接頭21，電聯(lián)接器21與控溫儀22之間導(dǎo)線聯(lián)接。
利用該多功能氣相淀積裝置可實(shí)施的淀積制備技術(shù)包括金屬有機(jī)化合物源化學(xué)氣相淀積(MOCVD)，金屬源物質(zhì)溶液氣溶膠化學(xué)氣相淀積(Aerosol-CVD)，以及金屬源物質(zhì)溶液靜電噴涂輔助氣相淀積(ESAVD)。
本發(fā)明的固體氧化物燃料電池單電池的制備方法，其特征在于采用多功能氣相淀積裝置，以預(yù)先制備的多孔陽(yáng)極或陰極為襯底層，原位、依次制備單電池的其它各陶瓷膜層，即首先采用金屬有機(jī)化合物源化學(xué)氣相淀積，或金屬源物質(zhì)溶液氣溶膠化學(xué)氣相淀積，或金屬源物質(zhì)溶液靜電噴涂輔助氣相淀積，或這三種或其中的兩種技術(shù)結(jié)合，制備襯底電極的電化學(xué)活性層或電極過(guò)渡層；然后，采用金屬有機(jī)化合物源化學(xué)氣相淀積制備致密電解質(zhì)層；其后，采用金屬有機(jī)化合物源化學(xué)氣相淀積，或金屬源物質(zhì)溶液氣溶膠化學(xué)氣相淀積，或金屬源物質(zhì)溶液靜電噴涂輔助氣相淀積，或這三種或其中的兩種技術(shù)結(jié)合，制備另一個(gè)電極的電化學(xué)活性層；最后，采用源物質(zhì)溶液氣溶膠化學(xué)氣相淀積，或金屬有機(jī)化合物源化學(xué)氣相淀積，或兩者結(jié)合，制備單電池的另一個(gè)多孔電極。
所述金屬有機(jī)化合物源，包括Zr、Y、Ce、Sm、Gd、Cr、Cu、Dy、La、Nd、Pr、Sr、Ca或Sc的β-二酮金屬有機(jī)化合物或鰲合物。
所述金屬源物質(zhì)溶液，包括Ni、Cu、Fe、Co、Mn、Cr、Ca、Sr、Ba、Y、Sc、Zr、La、Ce、Sm、Gd、Dy、Nd或Pr的硝酸鹽、甲酸鹽，乙酸鹽，或金屬有機(jī)化合物的水溶液、乙醇溶液、正丁醇溶液、或甲苯溶液。
本發(fā)明聯(lián)合金屬有機(jī)化合物源化學(xué)氣相淀積(MOCVD)、金屬源物質(zhì)溶液氣溶膠化學(xué)氣相淀積(Aerosol-CVD)、金屬源物質(zhì)溶液靜電噴涂輔助氣相淀積技術(shù)于同一臺(tái)裝置，600-1000℃溫度范圍內(nèi)原位、連續(xù)制備材料和微結(jié)構(gòu)不同的固體氧化物燃料單電池各陶瓷膜層，不需要多層高溫共燒。從而解決了現(xiàn)有制備方法需多次制備和多層高溫共燒帶來(lái)的諸如不能同時(shí)滿足電池各陶瓷層對(duì)微結(jié)構(gòu)的不同要求，由于共燒時(shí)各陶瓷層的熱收縮或膨脹不一致而導(dǎo)致的電池變形、破裂、或電池內(nèi)部存在殘余應(yīng)力或微裂紋，單電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受到限制，電池制備能耗高等問(wèn)題。其突出優(yōu)點(diǎn)在于1)由于本發(fā)明方法以預(yù)先制備的多孔電極為襯底，采用多功能氣相淀積裝置，原位、600-1000℃溫度范圍內(nèi)、依次制備材料和微結(jié)構(gòu)要求不同的單電池的其它各陶瓷膜層，不需要多層高溫(1400℃以上)共燒；2)原位、600-1000℃溫度范圍內(nèi)、依次制備單電池的各陶瓷層，不需要多次“室溫制備-高溫?zé)Y(jié)-冷卻”循環(huán)制備，因此，效率高，能耗低；3)采用本發(fā)明的多功能氣相淀積裝置和電池制備方法，單電池各陶瓷層的制備溫度低且溫度變化范圍小(600-1000℃)，避免了因多層高溫共燒而容易出現(xiàn)的電池變形，或破裂、或內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋、或電池內(nèi)部有較大的殘余應(yīng)力；4)同樣由于本發(fā)明單電池各陶瓷層的制備，溫度(600-1000℃)較低，幾乎不存在已制備陶瓷層的二次燒結(jié)，因此，單電池各陶瓷層的微結(jié)構(gòu)易于控制；5)與電化學(xué)氣相淀積技術(shù)相比，本發(fā)明方法的氣相淀積不涉及電化學(xué)過(guò)程成膜，因而，既適用于管狀固體氧化物單電池的制備，又適用于平板型單電池的制備；6)由于本發(fā)明方法采用的氣相淀積所使用的源物質(zhì)腐蝕性小，加上制備溫度較低，因此，降低了對(duì)設(shè)備的要求，設(shè)備投資費(fèi)用較少；7)由于本發(fā)明方法采用的氣相淀積所使用的源物質(zhì)為金屬有機(jī)化合物或鰲合物，或金屬鹽，易于制備，來(lái)源廣泛；8)本發(fā)明單電池制備方法，針對(duì)電池各陶瓷膜層采用不同的材料和有不同的微結(jié)構(gòu)要求，利用本發(fā)明的多功能氣相淀積裝置，采用不同的氣相淀積制備技術(shù)，制備效率高；9)由于本發(fā)明方法的制備溫度較低(600-1000℃)，因此，既適用于陽(yáng)極支撐單電池的制備，又適用于陰極支撐單電池的制備。


圖1為本發(fā)明的多功能氣相淀積裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖2為四通連接件6的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為固體源進(jìn)樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為氣路系統(tǒng)的原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合

本發(fā)明的實(shí)施步驟。
實(shí)施例1制作多功能氣相淀積裝置按圖1給出的多功能氣相淀積裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖，進(jìn)行金屬有機(jī)化合物固體源化學(xué)氣相淀積(MOCVD)和超聲霧化金屬源物質(zhì)溶液氣溶膠化學(xué)氣相淀積(Aerosol-CVD)相結(jié)合的，并輔以等離子體強(qiáng)化、紫外光源活化反應(yīng)物種以及熱光源輻射襯底表面輔助加熱的多功能氣相淀積裝置的制作和裝配1、本實(shí)施例中，石英反應(yīng)腔1由上、下兩段石英管半球過(guò)渡連接而成，下段石英管的外徑Φ150毫米、高220毫米、壁厚6毫米，上段的外徑Φ50毫米、高150毫米、壁厚5毫米。
2、外徑為Φ450毫米的不銹鋼金屬圓筒真空腔2的高為200毫米，筒壁使用6毫米不銹鋼板材，上、下底使用8毫米厚不銹鋼板；筒壁上開(kāi)一個(gè)直徑120毫米，帶有密封蓋板的手孔；真空腔2的上底有一個(gè)Φ140/160/170×2/3/3(毫米)三級(jí)階梯式中心圓孔，外徑為Φ150毫米的石英反應(yīng)腔1的下端放在Φ140/160×2(毫米)的臺(tái)階上；尺寸為Φ150/160/170×4/4(毫米)的“T”型聚四氟密封件放在Φ160/170×3/3(毫米)的臺(tái)階型環(huán)形槽內(nèi)，同時(shí)，在真空腔2的上底的上面，Φ180毫米的圓上，有6個(gè)均勻分布的M6(毫米)螺桿，螺桿一端固定于真空腔2上底的上面，另一端突出向上，用于安裝“T”型聚四氟密封件的壓緊法蘭，尺寸為Φ150/200×5(毫米)；在真空腔2上底的下表面，焊有一個(gè)Φ160毫米的環(huán)型金屬冷卻水管，金屬管的內(nèi)徑為Φ8，用于聚四氟密封件部位的冷卻；真空腔2的下底上有一直徑Φ40毫米的中心孔，直徑Φ35毫米的樣品臺(tái)支撐桿11由此穿過(guò)，上端連接、固定反應(yīng)腔內(nèi)的樣品臺(tái)托盤(pán)10，下端與樣品臺(tái)升降、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)13的推動(dòng)板定位軸承連接；支撐桿11與真空腔2下底板之間的密封件14為不銹鋼整體件，即長(zhǎng)40毫米，內(nèi)徑Φ35.5毫米，壁厚7毫米的直管一端連接著一個(gè)Φ100/35.5×8(毫米)的安裝法蘭，在內(nèi)徑Φ35.5毫米管的內(nèi)壁上有兩個(gè)相距20毫米的Φ44×5(毫米)“O”型密封圈槽，槽內(nèi)各裝一個(gè)Φ44×5(毫米)的“O”型橡膠密封圈，用于密封件14與支撐桿11之間的密封，密封件14安裝法蘭的端面，有一個(gè)Φ50×5(毫米)的“O”型密封圈槽，槽內(nèi)裝有Φ50×5(毫米)橡膠“O”型密封圖，用于封件14與真空腔2下底板之間的密封；在密封件14安裝法蘭的Φ85毫米圓上，四個(gè)Φ7安裝孔均布，同時(shí)，在真空腔2下底的下表面對(duì)應(yīng)位置的圓上，有四個(gè)固定于真空腔2下底板上的M6螺桿，用于真空腔2下底板與封件16法蘭之間的固定連接和密封。
3、支撐桿11和樣品臺(tái)8支撐桿11是一個(gè)下端封閉、外徑Φ35毫米、壁厚5毫米、長(zhǎng)520毫米的不銹鋼管；外徑Φ110毫米、厚5毫米的耐熱不銹鋼圓形托盤(pán)10安裝固定于支撐桿11的上端；托盤(pán)10的上面，安裝固定外徑Φ100毫米、高50毫米的1000瓦電加熱器9；加熱器上安裝固定直徑Φ90毫米，高10毫米的平頂圓柱石墨樣品臺(tái)8(樣品臺(tái)8與加熱器9之間電絕緣)；托盤(pán)10、加熱器9和石墨樣品臺(tái)8的中心各有一個(gè)Φ10毫米的孔，用于安裝測(cè)溫?zé)崤?2；熱偶12的引線和加熱器9的電源線通過(guò)支撐桿11的內(nèi)管到支撐桿11的下段，穿過(guò)管壁后與安裝于支撐桿11下段外壁上的四個(gè)相互絕緣的銅環(huán)電聯(lián)接器20聯(lián)接，四個(gè)相互絕緣的銅環(huán)上又有四個(gè)可與支撐桿13一起上、下移動(dòng)而不能旋轉(zhuǎn)的滑動(dòng)電聯(lián)接器21(碳刷)，四個(gè)碳刷分別與控溫儀22上的對(duì)應(yīng)的接線柱之間導(dǎo)線聯(lián)接。本實(shí)施例的石墨樣品8的頂面為平頂，即頂面與底面夾角為0度；但可根據(jù)需要，樣品8的頂面為斜面，即頂面與地面有一定的交角，不同的樣品臺(tái)，頂面與地面的夾角0-30度范圍變化；4、樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)和升降系統(tǒng)13樣品臺(tái)8的旋轉(zhuǎn)，由設(shè)在支撐桿11下端、并與支撐桿11軸連接的50瓦調(diào)速電機(jī)13-7來(lái)完成，支撐桿11與升降系統(tǒng)的推動(dòng)板13-4用定位軸承連接，調(diào)速電機(jī)13-7與推動(dòng)板13-4固定連接，電機(jī)13-7的轉(zhuǎn)速(即樣品臺(tái)8的轉(zhuǎn)速)每分鐘0-600轉(zhuǎn)連續(xù)可調(diào)；支撐桿11及樣品臺(tái)8的升降系統(tǒng)主要固定板13-1，直流電機(jī)13-2，推進(jìn)螺桿13-3，升降推動(dòng)板13-4，導(dǎo)向桿13-5，高度位置控制器的高度傳感器13-6組成，高度傳感器13-6的滑動(dòng)電觸頭安裝固定于升降推動(dòng)板13-4上，高度傳感器13-6的高度標(biāo)竿(直徑6毫米、長(zhǎng)250毫米的線型電壓分配器)安裝在固定板13-1上；樣品臺(tái)的升降高度(0-250毫米)計(jì)算機(jī)程序控制，即對(duì)于設(shè)定的高度位置，電機(jī)13-2帶動(dòng)推進(jìn)螺桿13-3旋轉(zhuǎn)，推進(jìn)螺桿13-3的旋轉(zhuǎn)使升降推動(dòng)板板13-4向上或向下移動(dòng)，當(dāng)樣品臺(tái)8升、降到指定位置，電機(jī)13-2自動(dòng)停止并鎖緊。
5、等離子體系統(tǒng)15本實(shí)施例的等離子體該系統(tǒng)由500瓦射頻電源和電容負(fù)載15組成。電容負(fù)載15是兩個(gè)尺寸相同，半徑75毫米(石英反應(yīng)腔1的外徑為Φ150毫米)，厚度1毫米的半圓形銅板，高度80毫米，弧長(zhǎng)為200毫米；半圓形銅板的兩邊各有兩個(gè)10×10(毫米)的耳，耳上各有一個(gè)Φ6的安裝孔，使用四個(gè)M5的聚四氟螺釘將兩個(gè)半圓形銅板固定在石英反應(yīng)腔1的外壁上，板的下邊緣距離樣品臺(tái)10的上表面約20毫米。
6、石英反應(yīng)腔1的防護(hù)罩16為避免射頻等離子體電源工作時(shí)對(duì)周?chē)娮觾x器的干擾以及安全考慮，石英反應(yīng)腔1的外面，固定于真空腔2之上，是一個(gè)直徑Φ450毫米，高度300毫米的不銹鋼圓筒防護(hù)罩16，用2毫米不銹鋼板制成；防護(hù)罩16的壁上，對(duì)應(yīng)于樣品臺(tái)10在反應(yīng)淀積腔內(nèi)的位置，有一個(gè)Φ50觀察孔；防護(hù)罩16上的頂板17是一個(gè)Φ450/60×4(毫米)的環(huán)狀不銹鋼頂板，石英反應(yīng)腔1的上端(Φ50)由頂板17的Φ60中心孔伸出到頂板17上40毫米；本實(shí)施例使用兩個(gè)口徑100毫米650瓦的鹵素?zé)糇鳛橐r底表面輔助加熱的熱光光源18，兩個(gè)長(zhǎng)100毫米的弧形20瓦準(zhǔn)分子紫外燈管作為反應(yīng)腔內(nèi)反應(yīng)物種的光誘導(dǎo)活化紫外光光源19，兩種光源的燈均安裝在頂板17的下頂面上，光線對(duì)著淀積反應(yīng)區(qū)或襯底表面；鹵素?zé)?8和紫外燈光19的發(fā)光強(qiáng)度，使用調(diào)壓器手動(dòng)調(diào)節(jié)電源電壓進(jìn)行控制；另外，為防止射頻電磁波的泄漏和對(duì)其它儀器的干擾，防護(hù)罩16和頂板17的內(nèi)壁上均貼有一層厚度0.2毫米的鋁箔。
7、本實(shí)施例的多通接頭4為一平面十字交叉不銹鋼四通連接件，如附圖2所示，其與石英反應(yīng)腔1的相連接的下接口，內(nèi)徑Φ51毫米，外徑Φ60毫米，接口直管段長(zhǎng)40毫米，與石英反應(yīng)腔1(外徑Φ50毫米)橡膠“O”型環(huán)機(jī)械密封連接；內(nèi)徑Φ40毫米，外徑Φ50毫米，直管段長(zhǎng)30毫米的上接口，與單一混合溶液源物質(zhì)進(jìn)樣系統(tǒng)6，“卡箍法蘭”連接，橡膠“O”型環(huán)密封；水平左邊的接口，內(nèi)徑Φ21毫米，外徑Φ30毫米，直管段長(zhǎng)40毫米，與固體源進(jìn)樣系統(tǒng)5的石英玻璃管(外徑Φ20毫米，見(jiàn)附圖3)橡膠“O”型環(huán)機(jī)械密封連接；水平右邊的接口，內(nèi)徑Φ4毫米，外徑Φ6毫米，長(zhǎng)50毫米，與反應(yīng)氣體進(jìn)樣系統(tǒng)7的Φ6毫米不銹鋼管用標(biāo)準(zhǔn)Φ6兩通管件密封連接。
8、固體源進(jìn)樣系統(tǒng)5本實(shí)施例采用單一混合金屬有機(jī)化合物固體源化學(xué)氣相淀積技術(shù)及固體源進(jìn)樣系統(tǒng)；如附圖3所示，固體源進(jìn)樣系統(tǒng)的石英管5-1，是由直徑Φ30毫米，壁厚2.5毫米，長(zhǎng)400毫米的粗管和直徑Φ20毫米，壁厚2.5毫米，長(zhǎng)300毫米的細(xì)石英管，軸向?qū)佣?；石英?-1的粗管上，距離粗管的端頭80毫米處，有一個(gè)直徑Φ8毫米，壁厚2毫米，長(zhǎng)60毫米的固體源載帶氣體接頭；在石英管5-1的細(xì)管上，靠近粗、細(xì)管的連接處，是一個(gè)外徑Φ30毫米，長(zhǎng)80毫米的石英水冷套5-2，其外壁上有兩個(gè)距離60毫米，直徑Φ8毫米，長(zhǎng)度40毫米的進(jìn)、出水接頭；石英管5-1的管內(nèi)，是固體源樣品舟5-3和石英樣品舟推動(dòng)塊7-4；石英樣品舟5-3為長(zhǎng)250毫米、口寬15毫米的半圓形(直徑Φ15毫米)樣品舟，其一端接一段長(zhǎng)80毫米、直徑Φ15毫米的石英管；樣品舟推動(dòng)塊5-4是一個(gè)長(zhǎng)30毫米，外徑Φ25毫米的聚四氟乙烯圓柱，有一個(gè)Φ15毫米的軸向中心孔；聚四氟乙烯圓柱的表面，鑲嵌一塊厚度1毫米、長(zhǎng)×寬＝30×10(毫米)的弧形鐵片；樣品舟5-3一頭的圓管插在樣品舟推動(dòng)塊5-4的Φ15毫米中心孔內(nèi)；聚四氟乙烯圓柱在石英管5-1內(nèi)移動(dòng)，將帶動(dòng)(推或拖)樣品舟移動(dòng)；在石英管5-1的外面，靠管壁近，對(duì)著管內(nèi)聚四氟乙烯圓柱的位置，有一個(gè)由30瓦直流步進(jìn)電機(jī)5-5和推進(jìn)螺桿5-6推動(dòng)的永磁體塊5-7；永磁體塊5-7將石英管5-1內(nèi)聚四氟乙烯圓柱表面上的鐵片磁化，兩者之間的磁偶合力，可以使兩者在石英管5-1的軸線方向上同步移動(dòng)；直流電機(jī)5-5，或推進(jìn)螺桿5-6的轉(zhuǎn)速，也就是永磁體塊5-7或樣品舟5-3的移動(dòng)速度，由計(jì)算機(jī)程序控制；樣品舟5-3的移動(dòng)速度每分鐘0-10毫米連續(xù)可調(diào)，對(duì)應(yīng)的進(jìn)樣量約為每分鐘0-3克；推進(jìn)螺桿5-6的有效工作長(zhǎng)度為300毫米，外徑8毫米；本實(shí)施例采用300瓦聚光鹵素?zé)?-8作為固體源升華氣化加熱器，手動(dòng)調(diào)壓器改變鹵素?zé)舻妮斎腚妷嚎刂乒腆w源物質(zhì)的升華氣化加熱溫度；固體源進(jìn)樣系統(tǒng)石英管5-1的細(xì)管端與石英反應(yīng)腔1頂部的不銹鋼四通連接件的接口5密封連接，粗管的管口，由用環(huán)氧樹(shù)脂粘接固定套裝在石英管5-1上的內(nèi)徑30.5毫米、長(zhǎng)10毫米、M37×1.5的外螺紋管5-9，Φ35×3硅橡膠密封墊5-10，以及外徑Φ42毫米、內(nèi)螺紋長(zhǎng)度10毫米的M37×1.5盲頭內(nèi)螺管堵頭5-11組合密封。
9、本實(shí)施例的單一混合固體源5載氣，溶液源物質(zhì)進(jìn)樣系統(tǒng)6的載氣，以及反應(yīng)氣體7的氣路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，如附圖4所示；氣路管道使用內(nèi)壁拋光的Φ6不銹鋼管；氣路系統(tǒng)的始端，即與氣源之間，有一個(gè)Φ6二位球閥G-1(截止閥)，按氣體的流動(dòng)方向，其后分別是5毫米厚不銹鋼板制造的高200毫米，直徑150毫米氣體緩沖罐G-2，在緩沖罐的頂部接一個(gè)0-3Mpa的氣體壓力表G-3，Φ6管道過(guò)濾器G-4，最大流量300毫升/分質(zhì)量流量計(jì)G-5，以及氣路系統(tǒng)末端的Φ6二位球閥G-6(截至閥)。
10、本實(shí)施例多功能氣相淀積裝置的安裝首先將真空腔2固定安裝于長(zhǎng)×寬×高＝900×700×800(毫米)的金屬機(jī)架上；然后安裝真空腔2下底板與支撐桿11之間的密封件14；將支撐桿11的上端從密封件14的密封孔內(nèi)向上插入真空腔2的腔內(nèi)，然后將支撐桿11的下端與安裝在機(jī)架上的樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)和升降系統(tǒng)13的升降板13-1定位軸承連接，其后安裝固定支撐桿11上端的托盤(pán)10，測(cè)溫?zé)犭娕?2，加熱器9和石墨樣品臺(tái)8，然后聯(lián)接熱電偶12的引線及加熱器9的電源線；隨后安裝石英反應(yīng)腔1以及密封件——“T”型聚四氟密封環(huán)和壓緊法蘭；安裝固定石英反應(yīng)腔1外壁上的射頻等離子體電源電容負(fù)載15，并與500瓦的射頻電源聯(lián)接；安裝石英反應(yīng)腔1的防護(hù)筒16和頂板17；此前，先把兩個(gè)650瓦的鹵素?zé)魺峁夤庠?8和兩個(gè)長(zhǎng)100毫米弧形19瓦準(zhǔn)分子紫外燈管安裝于頂板17的下頂面上，同時(shí)接好鹵素?zé)艉妥贤鉄舻碾娫淳€；安裝石英反應(yīng)腔1的上端的四通連接件4；安裝超聲霧化器噴嘴6(連接有進(jìn)液管道，溶液儲(chǔ)罐，載氣管道及氣路控制系統(tǒng))；安裝單一混合固體源進(jìn)樣系統(tǒng)5，并將其與載氣氣路系統(tǒng)相連接；安裝反應(yīng)氣體的進(jìn)氣氣路系統(tǒng)7；安裝抽速為每秒8升的機(jī)械真空泵3；接通真空腔2上底與石英反應(yīng)腔1之間聚四氟密封件的水冷卻器循環(huán)冷卻水，聯(lián)接各種用電器的電源線，信號(hào)傳輸電纜線等。
實(shí)施例2利用實(shí)施例1完成的多功能氣相淀積裝置，制備以Ni-YSZ金屬陶瓷為支撐體陽(yáng)極、YSZ為電解質(zhì)、LSM-YSZ 50％復(fù)合材料為陰極功能層、LSM為陰極的單電池本實(shí)施例制備的多層陶瓷膜電池的符號(hào)為(-)多孔Ni-YSZ，Ni-YSZ修飾層，YSZ過(guò)渡層|YSZ致密層|YSZ過(guò)渡層，多孔LSM(+)這里，YSZ為8mol％Y2O3摻雜穩(wěn)定的立方ZrO2，LSM為(La0.7Sr0.3)0.9MnO3。
詳細(xì)制備步驟如下1、用注漿成型法制備N(xiāo)iO-YSZ陽(yáng)極支撐體生坯；干燥后1300℃燒結(jié)4小時(shí)；兩面機(jī)械拋光、超聲清理后，得到厚度為1.5mm，直徑Φ80mm的NiO-YSZ多孔陽(yáng)極支撐體。陽(yáng)極還原后(NiO→Ni)，Ni-YSZ陽(yáng)極的孔隙率約為36％，Ni的比例為40vol％。
2、在上述制備的NiO-YSZ陽(yáng)極支撐體表面，懸浮顆粒漿料噴漿法制備一層厚度3-10μm的NiO-YSZ修飾層。懸浮顆粒漿料中NiO、YSZ粉體的粒度為0.1-0.2μm，NiO的比例為40wt％，固含量約10％的漿料，水溶劑，并加入5‰的聚丙烯酸(5000)穩(wěn)定劑。NiO-YSZ修飾層干燥、1200℃灼燒后得到厚度約為4μm的NiO-YSZ修飾層，其還原后的孔隙率約為18％，平均孔徑約0.2μm；修飾層的漿料也可以是采用化學(xué)共沉淀法制備的NiO-YSZ前驅(qū)物漿料，如相關(guān)金屬的氫氧化物或草酸鹽沉淀物漿料，灼燒分解后得到NiO-YSZ修飾層。
3、利用如附圖1所示的多功能氣相淀積裝置，以上述制備的陽(yáng)極支撐體為襯底，制備單電池的其它各陶瓷膜層首先將樣品臺(tái)8的高度降低到真空腔2室內(nèi)對(duì)應(yīng)于手孔中心線位置；然后將襯底置放于樣品臺(tái)8上，修飾面向上；關(guān)閉手孔的密封蓋板；將樣品臺(tái)8升高到石英反應(yīng)腔1內(nèi)，襯底的上表面距離石英反應(yīng)腔1圓弧頂20厘米處；啟動(dòng)真空泵3，將真空反應(yīng)腔內(nèi)的真空度抽至約0.5×10-1Pa；接通樣品臺(tái)加熱器9和輔助加熱燈18的電源，對(duì)襯底進(jìn)行加熱，加熱速度(10℃/分)和溫度由溫度控制儀22控制；打開(kāi)真空腔2上底板上冷卻器的水閥；當(dāng)襯底溫度升高到1000℃時(shí)，啟動(dòng)射頻(RF)等離子體電源，電容負(fù)載17使低壓反應(yīng)腔內(nèi)的氣體放電，對(duì)處于等離子體輝光區(qū)內(nèi)的襯底表面轟擊凈化處理1小時(shí)。
4、淀積相對(duì)致密的YSZ陽(yáng)極過(guò)渡層(活性層)將襯底溫度降低到750℃；恒溫約30分鐘后，單一混合固體源MOCVD技術(shù)制備8％mol-Y2O3摻雜的ZrO2(YSZ)電解質(zhì)膜；Y和Zr的源物質(zhì)為金屬離子的β-二酮(2，2，6，6-Tetramethyl-3，5-heptanedionate，DPM)絡(luò)合物；單一混合源中Zr(DPM)4與Y(PDM)3的質(zhì)量比為6∶1；混合固體源的氣化溫度為190±2℃；進(jìn)樣速度0.16克/分鐘，氬(Ar)載氣流量為60毫升/分鐘，反應(yīng)氣體氧氣的流量為50毫升/分鐘；氣化了的Zr(DPM)4/Y(PDM)3混合源由氬(Ar)氣載帶，經(jīng)多通管接頭6進(jìn)入淀積發(fā)應(yīng)腔，在襯底表面吸附的Zr(DPM)4和Y(PDM)3分解，氧化，并形成YSZ膜；淀積過(guò)程中，樣品臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度為90轉(zhuǎn)/分鐘；鹵素?zé)舻碾娫措妷嚎刂茷?40伏；約60分鐘，形成厚度約4微米的YSZ陽(yáng)極過(guò)渡層；5、停止YSZ源物質(zhì)進(jìn)樣，Ar載氣流量降低到20毫升/分鐘，同時(shí)升高襯底的溫度到900℃(2℃/min)，氧氣流量增加至80毫升/分鐘；并啟動(dòng)等離子體電源，對(duì)已有的YSZ過(guò)渡層進(jìn)行氧化、凈化處理30分鐘；6、恢復(fù)YSZ固體源物質(zhì)的升華加熱(190±2℃)，進(jìn)樣速度設(shè)定為0.12克/分鐘，Ar載氣流量控制為60毫升/分鐘，氧氣流量80毫升/分鐘；900℃，連續(xù)淀積反應(yīng)約4小時(shí)，得到厚度12-15μm致密YSZ電解質(zhì)膜；停止固體源升華加熱，使其溫度降低到室溫；7、超聲霧化單一混合液體源化學(xué)氣相淀積技術(shù)(Aerosol-CVD)制備陰極側(cè)YSZ過(guò)渡層；襯底的溫度仍控制為900℃；真空霧化噴頭6的儲(chǔ)液罐溶液為0.1M的Zr(DPM)4與Y(PDM)3混合乙醇溶液，溶液中Zr(DPM)4與Y(PDM)3的摩爾比和YSZ的化學(xué)計(jì)量比相同；8、啟動(dòng)超聲霧化器6，Zr(DPM)4與Y(PDM)3乙醇溶液由輸液管進(jìn)入超聲霧化噴嘴并霧化為直徑10-20μm的微液滴，在氬氣(Ar)的載帶下進(jìn)入反應(yīng)腔淀積腔；進(jìn)樣方式為脈沖式，即每連續(xù)進(jìn)樣10秒，40毫升/分鐘，停歇20秒；載氣(Ar)的流量始終為80毫升/分鐘，氧氣流量90毫升/分鐘；約1.5小時(shí)后，得到厚度約3μm的YSZ陰極過(guò)渡層；9、在YSZ陰極過(guò)渡層上面，MOCVD與Aerosol-CVD聯(lián)合技術(shù)制備多孔LSM陰極層，淀積反應(yīng)溫度800℃摩爾比為7∶3的La(DPM)3與Sr(DPM)2的混合固體源由固體源進(jìn)樣系統(tǒng)7進(jìn)入反應(yīng)腔；固體源(Ar)載氣流量80毫升/分鐘，混合固體源的加熱升華溫度控制為235±2℃；濃度0.1M的Mn硝酸鹽水溶液，作為Mn元素的源物質(zhì)，由溶液超聲霧嘴霧化進(jìn)樣系統(tǒng)6進(jìn)入反應(yīng)腔；La，Sr，Mn源物質(zhì)的進(jìn)樣速度摩爾比控制為7∶3.5∶10；氧氣流量60毫升/分鐘；800℃，連續(xù)淀積反應(yīng)3小時(shí)，得到厚度約15μm的多孔LSM陰極層；10、停止所有源物質(zhì)的進(jìn)樣，氬載氣流量降低到20毫升/分鐘，氧氣流量90毫升/分鐘，800℃，對(duì)LSM陰極層進(jìn)行除碳30分鐘；11、關(guān)閉氬載氣和氧氣的進(jìn)氣閥，關(guān)閉真空泵3，打開(kāi)真空泵上的放氣閥，對(duì)CVD裝置反應(yīng)腔緩慢空氣，直到與環(huán)境壓力相等；800℃，一個(gè)大氣壓空氣條件下，對(duì)最后的單電池樣品實(shí)施退火1小時(shí)；最后，0.5℃/min緩慢降低樣品的溫度到室溫；12、調(diào)節(jié)樣品臺(tái)升降裝置13，將樣品臺(tái)及襯底降低到下真空腔2內(nèi)與手孔相對(duì)的位置；打開(kāi)手孔密封蓋板，取出樣品臺(tái)上已制備的單電池；13、對(duì)上述制備的單電池進(jìn)行“削邊”處理，即除去單電池樣品周邊的LSM陰極層和LSM-YSZ 50％陰極功能層。
至此，NiO-YSZ陽(yáng)極支撐的多層陶瓷膜電池“多孔Ni-YSZ支撐體陽(yáng)極+Ni-YSZ修飾層+陽(yáng)極YSZ過(guò)渡層+YSZ致密電解質(zhì)層+陰極YSZ過(guò)渡層+多孔LSM陰極”制備完畢。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本制備方法具有以下優(yōu)點(diǎn)1、采用本發(fā)明的多功能氣相淀積裝置及原位制備固體氧化物燃料電池單電池的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，避免了多層高溫共燒；制備溫度＜900℃，避免所得產(chǎn)品出現(xiàn)嚴(yán)重的熱機(jī)械應(yīng)力；2、本發(fā)明制備電池的各陶瓷功能膜層，通過(guò)調(diào)整源物質(zhì)的組成配比，膜的成分可得到嚴(yán)格控制；由于不需要高溫多層共燒，而且各層的淀積制備溫度較低，且變化不大(750-900℃)，幾乎不存在二次燒結(jié)問(wèn)題，各層的微結(jié)構(gòu)可以很好地控制；3、與美國(guó)西屋公司的EVD技術(shù)制備溫度約1200℃相比，本發(fā)明方法的制備溫度為1000℃以下，制備溫度降低，有利于降低設(shè)備投資費(fèi)用和使用操作費(fèi)用；4、美國(guó)西屋公司的EVD技術(shù)制膜基于電化學(xué)原理，一般僅適用于管狀SOFC的制備；而本發(fā)明方法既可以用于平板型SOFC的制備，又可以用于管狀SOFC單電池的制備；5、EVD技術(shù)使用腐蝕性較強(qiáng)的氯化物源；本發(fā)明使用的源物質(zhì)可以是金屬有機(jī)化合物(MO)，也可以是金屬鹽，來(lái)源廣泛；同時(shí)，本發(fā)明使用的源物質(zhì)的腐蝕性低，從而使設(shè)備費(fèi)用降低；6、美國(guó)西屋公司EVD技術(shù)采用LSM陰極支撐襯底，而本發(fā)明方法既可用于陰極支撐襯底，又可用于陽(yáng)極支撐襯底，因此，電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加靈活；7、采用本發(fā)明方法，淀積速度快，效率高，能耗低、環(huán)境友好，易于工業(yè)化推廣。
實(shí)施例3利用實(shí)施例1完成的多功能氣相淀積裝置，制備以LSCF陰極為支撐體、SDC為電解質(zhì)、復(fù)合Cu-SDC為陽(yáng)極的多層陶瓷膜單電池本實(shí)施例制備的多層陶瓷膜單電池，表示為(-)多孔Cu-SDC60vol％，SDC過(guò)渡層|致密SDC電解質(zhì)層|LSCF-SDC 50vol％陰極過(guò)渡層，LSCF陰極修飾層，多孔LSCF陰極支撐體(+)這里的SDC為釤摻雜的二氧化鈰(Sm0.2Ce0.8O1.9，SDC)；Cu-SDC為銅金屬陶瓷，其中Cu的體積含量為40％；LSCF代表La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8復(fù)合氧化物；LSCF-SDC(50vol％)為L(zhǎng)SCF和SDC的復(fù)合陰極，其中SDC的體積比為50％；制備步驟如下1、采用流延法(Tape casting)制備LSCF陰極支撐體生坯，干燥后1000℃灼燒4小時(shí)，樣品兩面機(jī)械拋磨后，得到厚度為1.5mm，直徑Φ100mm，孔隙率約為38％的多孔LSCF陰極支撐體；2、以上述制備的LSCF陰極為襯底，采用本發(fā)明多功能氣相淀積裝置，制備單電池的其它各層陶瓷膜，本實(shí)施例使用的樣品臺(tái)9的頂面與水平底面的夾角為10°；樣品放置和表面凈化處理步驟同實(shí)施例2的步驟3；3、表面凈化處理后，制備LSCF-SDC 50vol％陰極過(guò)渡層首先將襯底的溫度由1000℃降低到800℃；恒溫30分鐘后，MOCVD與Aerosol-CVD聯(lián)合制備LSCF-SDC 50vol％陰極過(guò)渡層；Ce(DPM)4與Sm(DPM)3固體混合物作為SDC的源物質(zhì)，Ce(DPM)4與Sm(DPM)3的混合摩爾比例為2∶8，單一混合固體源的升華加熱溫度為180±2℃，氣化后的固體源源物質(zhì)由流量80毫升/分鐘的(Ar)載氣帶入反應(yīng)淀積腔；濃度0.1M的La，Sr，Co，F(xiàn)e的硝酸鹽混合水溶液作為L(zhǎng)SCF的源物質(zhì)，溶液中La，Sr，Co，F(xiàn)e的摩爾比與LSCF的相同，混合溶液經(jīng)超聲霧化噴嘴6霧化后進(jìn)入淀積反應(yīng)腔；反應(yīng)氣體氧氣的流量為80毫升/分鐘；SDC源物質(zhì)采用連續(xù)進(jìn)樣，進(jìn)樣速度為0.50克/分鐘，LSCF源物質(zhì)溶液的進(jìn)樣為脈沖進(jìn)樣，每次進(jìn)樣20秒，速度為120毫升/分鐘，間隔40秒；約2.5小時(shí)后，得到厚度約15μm，上表面層孔隙率約15％的LSCF-SDC 50vol％陰極過(guò)渡層；4、800℃條件下，MOCVD制備SDC電解質(zhì)膜停止LSCF-SDC源物質(zhì)進(jìn)樣，SDC固體源物質(zhì)的進(jìn)樣速度降低到0.15克/分鐘，Ar載氣流量控制為50毫升/分鐘，氧氣流量80毫升/分鐘，約3個(gè)小時(shí)，得到厚度約10μm的致密SDC電解質(zhì)層；5、800℃條件下，MOCVD制備SDC陽(yáng)極過(guò)渡層SDC固體源物質(zhì)的進(jìn)樣速度控制為0.3克/分鐘，Ar載氣流量100毫升/分鐘，氧氣流量60毫升/分鐘，連續(xù)淀積約1小時(shí)，得到厚度約5um相對(duì)致密的SDC陽(yáng)極過(guò)渡層；6、MOCVD和Aerosol-CVD聯(lián)合制備多孔Cu-SDC60vol％陽(yáng)極MOCVD技術(shù)的SDC源物質(zhì)的組成和步驟3的相同，0.1M濃度的硝酸鎳水溶液作為Aerosol-CVD技術(shù)Cu的源物質(zhì)；800℃，SDC固體源和Cu硝酸鹽水溶液源同時(shí)進(jìn)樣；SDC固體源物質(zhì)由7進(jìn)入反應(yīng)腔，進(jìn)樣速度為0.5克/分鐘，Ar載氣流量控制為100毫升/分鐘；Cu硝酸鹽水溶液源經(jīng)超聲霧嘴6霧化后進(jìn)入反應(yīng)腔，進(jìn)樣速度為260毫升/分鐘；氧氣流量60毫升/分鐘；連續(xù)淀積2小時(shí)，得到厚度約15μm的多孔CuO-SDC陽(yáng)極層，還原后得到多孔Cu-SDC60vol％陽(yáng)極，孔隙率約27％；7、停止所有源物質(zhì)的進(jìn)樣，關(guān)閉氬載氣和氧氣的進(jìn)氣閥，關(guān)閉真空泵，打開(kāi)真空泵上的放氣閥，將反應(yīng)腔緩慢充空氣到與環(huán)境壓力相等；在800℃，一個(gè)大氣壓空氣條件下，對(duì)最后的單電池樣品實(shí)施退火、消除應(yīng)力處理1個(gè)小時(shí)；0.5℃/min緩慢降溫到室溫；8、調(diào)節(jié)樣品臺(tái)升降裝置13，將樣品臺(tái)8的高度降低到下真空腔2內(nèi)，手孔水平中線相對(duì)位置；打開(kāi)手孔密封門(mén)，取出樣品臺(tái)上的單電池；9、對(duì)上述制備的單電池的周邊進(jìn)行磨削處理，除去單電池樣品周邊的Cu-SDC60vol％陽(yáng)極層，以免LSCF陰極與Cu-SDC60vol％陽(yáng)極接觸。
至此，LSCF-SDC 50vol％陰極支撐的多層陶瓷膜電池“多孔Cu-SDC60vol％陽(yáng)極，SDC陽(yáng)極過(guò)渡層|SDC電解質(zhì)|LSCF-SDC 50vol％陰極過(guò)渡層，LSCF陰極”制備完畢。
采用本發(fā)明方法制備SOFC單電池，既可以采用陽(yáng)極設(shè)計(jì)(實(shí)施例1)，又可以采用陰極支撐設(shè)計(jì)(本實(shí)施例)。而傳統(tǒng)陶瓷制備技術(shù)，一般只能采取陽(yáng)極支撐設(shè)計(jì)；與美國(guó)西屋公司的僅可用于制備管狀SOFC的EVD技術(shù)相比，本發(fā)明方法既可以用于平板型SOFC的制備，也可以用于管狀SOFC單電池的制備。
對(duì)上述實(shí)施例2、3制備的單電池進(jìn)行電池性能測(cè)試結(jié)果顯示，700℃，H2(3％ H2O)燃料，空氣氧化劑操作，電池輸出功率都在500mW/cm2以上，成品率高，性能穩(wěn)定，優(yōu)于傳統(tǒng)陶瓷工藝技術(shù)制備的電池。
權(quán)利要求
1.一種多功能氣相淀積裝置，其特征在于石英反應(yīng)腔(1)、真空腔(2)以及連接于真空腔(2)下端的真空泵(3)構(gòu)成立式淀積反應(yīng)器；管狀石英反應(yīng)腔(1)的下端與真空腔(2)的上底密封連接；石英反應(yīng)腔(1)的上端與多通連接件(4)密封連接；多通連接件(4)的其它接頭分別與金屬有機(jī)化合物固體源化學(xué)氣相淀積的源物質(zhì)進(jìn)樣系統(tǒng)(5)、源物質(zhì)溶液氣溶膠化學(xué)氣相淀積或金屬鹽溶液靜電輔助的氣相淀積的進(jìn)樣系統(tǒng)(6)以及反應(yīng)氣體的進(jìn)樣系統(tǒng)(7)連接；石英反應(yīng)腔(1)內(nèi)的樣品臺(tái)(8)固定于加熱器(9)之上，加熱器(9)固定于托盤(pán)(10)之上，托盤(pán)(10)固定于樣品臺(tái)支撐桿(11)的頂端；樣品臺(tái)(8)和加熱器(9)的中心孔內(nèi)安裝襯底測(cè)溫?zé)犭娕?12)；樣品臺(tái)支撐桿(11)的下端從真空腔(2)的下底板中心孔穿出與位于真空腔(2)下方的樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)、升降系統(tǒng)(13)定位動(dòng)連接；樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)、升降系統(tǒng)(13)系統(tǒng)由安裝固定板(13-1)、升降電極(13-2)、推動(dòng)螺桿(13-3)、推動(dòng)板(13-4)、導(dǎo)向桿(13-5)、位置傳感器(13-6)，以及安裝固定于推動(dòng)板(13-4)上并與樣品臺(tái)支撐桿(11)下端軸連接的樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)電極(13-7)組成；樣品臺(tái)支撐桿(11)與真空腔(2)的下底板之間由密封組件(14)密封；在石英反應(yīng)腔(1)的外面，對(duì)應(yīng)于樣品臺(tái)上方淀積反應(yīng)區(qū)位置，是射頻等離子體電源的輸出負(fù)載(15)；在石英反應(yīng)腔(1)的周?chē)蟹雷o(hù)筒(16)，防護(hù)筒(16)的上端有一個(gè)頂板(17)；頂板(17)的下面安裝熱光源(18)和紫外光源(19)；熱光源(18)的光直射石英反應(yīng)腔(1)內(nèi)樣品臺(tái)(8)上的襯底，紫外光源(19)的光直射石英反應(yīng)腔(1)內(nèi)樣品臺(tái)(8)上方的淀積反應(yīng)區(qū)；測(cè)溫?zé)犭娕?12)的引線和加熱器(9)的電源線穿過(guò)支撐桿(11)，并從支撐桿(11)下段的管壁上穿出，與安裝在支撐桿(11)下段、可與支撐桿(11)一起旋轉(zhuǎn)和升降的電聯(lián)接器(20)上不同的相互電絕緣的接電環(huán)聯(lián)接；電聯(lián)接器(20)的每一個(gè)接電環(huán)上有一個(gè)與可以上、下移動(dòng)，但不能隨之旋轉(zhuǎn)的滑動(dòng)電聯(lián)接頭(21)，電聯(lián)接器(21)與控溫儀(22)之間導(dǎo)線聯(lián)接。
2.一種固體氧化物燃料電池單電池的制備方法，其特征在于采用本發(fā)明多功能氣相淀積裝置，以預(yù)先制備的電池的多孔支撐體陽(yáng)極或陰極為襯底，原位、依次制備單電池的其它各陶瓷膜層；即首先采用金屬有機(jī)化合物源化學(xué)氣相淀積，或源物質(zhì)溶液氣溶膠化學(xué)氣相淀積，或金屬鹽溶液靜電噴涂輔助的氣相淀積，或這三種或其中的兩種技術(shù)結(jié)合，制備襯底電極的電化學(xué)活性層；然后，采用金屬有機(jī)化合物源化學(xué)氣相淀積，或源物質(zhì)溶液氣溶膠化學(xué)氣相淀積，或金屬鹽溶液靜電噴涂輔助的氣相淀積，或這三種或其中的兩種技術(shù)結(jié)合，制備另一個(gè)電極的電化學(xué)活性層；最后，采用源物質(zhì)溶液氣溶膠化學(xué)氣相淀積，或金屬鹽溶液靜電噴涂輔助的氣相淀積，或兩者結(jié)合，制備單電池的另一個(gè)多孔電極。
3.如權(quán)利要求2所述固體氧化物燃料電池單電池的制備方法，特征在于所述金屬有機(jī)化合物源包括Zr、Y、Ce、Sm、Gd、Cr、Cu、Dy、La、Nd、Pr、Sr、Ca或Sc的β-二酮金屬有機(jī)化合物或鰲合物。
4.如權(quán)利要求2所述固體氧化物燃料電池單電池的制備方法，特征在于所述源物質(zhì)溶液包括Zr、Y、Ce、Sm、Gd、Cr、Cu、Dy、La、Nd、Pr、Sr、Ca、Sc的β-二酮金屬有機(jī)化合物或鰲合物的甲苯溶液，以及Ni、Cu、Fe、Co、Mn、Cr、Ca、Sr、Ba、Y、Sc、Zr、La、Ce、Sm、Gd、Dy、Nd、Pr的硝酸鹽的水溶液，或Ni、Cu、Fe、Co、Mn、Cr、Ca、Sr、Ba、Y、Sc、Zr、La、Ce、Sm、Gd、Dy、Nd、Pr的甲酸鹽、或乙酸鹽的乙醇溶液、正丙醇、正訂醇、或甲苯溶液。
全文摘要
本發(fā)明多功能氣相淀積裝置及原位制備固體氧化物燃料電池單電池的方法，特征是采用集金屬β－二酮金屬鰲合物固體源化學(xué)氣相淀積、源物質(zhì)溶液氣溶膠化學(xué)氣相淀積、以及等離子強(qiáng)化、紫外光源活化反應(yīng)物種、熱光源輔助樣品加熱技術(shù)于一體的多功能氣相淀積裝置；以預(yù)先制備的多孔支撐體陽(yáng)極或陰極為襯底，采用氣相淀積技術(shù)或多種技術(shù)聯(lián)合，在600－1000℃、原位、依次制備單電池的各功能陶瓷膜層。本發(fā)明避免了多層高溫共燒易出現(xiàn)的變形、裂紋或殘余應(yīng)力，單電池各層的組成和微結(jié)構(gòu)易控，制備效率高；使用的源物質(zhì)腐蝕性小，易于制備，來(lái)源廣泛；本發(fā)明既適用于管狀固體氧化物單電池的制備，又適用于平板型單電池的制備。
文檔編號(hào)C23C16/52GK1896305SQ20051004105
公開(kāi)日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2005年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月14日
發(fā)明者孟廣耀, 高建峰, 彭定坤, 姜銀珠, 宋海政, 劉銘飛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)