專利名稱：中溫固體氧化物燃料電池陽極支撐固體電解質(zhì)復(fù)合膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及中溫固體氧化物燃料電池陽極支撐固體電解質(zhì)復(fù)合膜及其制備方法，屬于燃料電池材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
固體氧化物燃料電池是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的高效全固態(tài)電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置。其損耗主要集中在電解質(zhì)材料的內(nèi)阻損耗。為了提高電池的電流密度和功率密度，又能降低電池的工作溫度，在選擇高電導(dǎo)率新型電解質(zhì)材料的同時(shí)，必須使用薄膜化制備工藝。眾所周知，陶瓷薄膜化的制備工藝很多，如空氣等離子噴涂(APS)、電化學(xué)氣相沉積(EVD)等制備方法盡管可以成型燒結(jié)一步到位，但因設(shè)備價(jià)格昂貴，制作成本高而難以推廣應(yīng)用。流延法則由于工藝簡單、成本低廉是最適于制作大面積薄平陶瓷材料的重要工藝方法，對平板型中溫固體氧化物燃料電池規(guī)?；a(chǎn)具有廣闊的市場前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種簡單實(shí)用的固體氧化物燃料電池陽極支撐固體電解質(zhì)復(fù)合膜。
該復(fù)合膜由氧化鎳-氧化釔穩(wěn)定氧化鋯復(fù)合金屬陶瓷陽極和重量比6-10％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)或氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯(SSZ)或摻雜氧化釓的氧化鈰(CGO)電解質(zhì)層兩層，通過流延制成，復(fù)合膜面積100×100mm2以上，電解質(zhì)厚度10-30um，陽極厚度0.5-1.5mm。
一種中溫固體氧化物燃料電池陽極支撐固體電解質(zhì)復(fù)合膜的制備方法，其步驟依次為第一步，將按重量比6-10％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)，氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯(SSZ)，摻雜氧化釓的氧化鈰(CGO)，分別配上丁酮和乙醇(按2∶1重量比)混合溶劑，1-5wt％三乙醇胺分散劑，用行星式球磨機(jī)在0-50Nz(0-530轉(zhuǎn)/分)可控條件下球磨1-3小時(shí)混勻。
在NiO占40-70wt％的NiO-YSZ混合物中，配上丁酮和乙醇(按2∶1重量比)混合溶劑，1-5wt％三乙醇胺分散劑，用行星式球磨機(jī)在0-50Nz(0-530轉(zhuǎn)/分)可控條件下球磨1-3小時(shí)混勻。
第二步，將上述兩種混合后的有機(jī)基電解質(zhì)和陽極漿料分別再配上2-10％鄰苯二甲酸二丁酯和聚乙烯醇塑性劑，5-25％聚乙烯醇縮丁醛粘結(jié)劑，分別用行星式球磨機(jī)在0-50Nz(0-530轉(zhuǎn)/分)可控條件下再球磨2-7小時(shí)混勻。
第三步，將上述兩種混勻的漿料分別經(jīng)60-80目篩網(wǎng)過篩和真空除氣處理后，在流延機(jī)上按所需厚度調(diào)好刀高分別流延并層疊制成復(fù)合膜。
第四步，將干燥后的復(fù)合膜素坯切割成所需尺寸大小，經(jīng)真空封裝后再以200MPa進(jìn)行等靜壓，然后采用熱壓燒結(jié)裝置，以30-150℃/h速率升溫，在600和1400-1500℃分別保溫2-6h，使排塑和燒結(jié)一次完成。最后經(jīng)檢驗(yàn)合格、磨方、涂燒陰極制成中溫固體氧化物燃料電池PEN后進(jìn)行性能檢測。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、工藝簡單。可根據(jù)需要，很方便地調(diào)整流延刀的寬度來擴(kuò)大流延膜的寬度。
2、效率高?？蓪?shí)行批量生產(chǎn)。
3、質(zhì)量好。已研制出平整的符合使用要求的陽極支撐的復(fù)合膜。


圖1為燒成的Ni-YSZ/YSZ、Ni-YSZ/SSZ、Ni-YSZ/CGO復(fù)合膜照片。
圖2為其中一種復(fù)合膜(Ni-YSZ/SSZ)斷面的SEM照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1固體氧化物燃料電池陽極支撐的復(fù)合膜素坯制備分別稱取30g8YSZ為8％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(商業(yè))；SSZ為氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯(自制)；CGO為摻雜氧化釓的氧化鈰(商業(yè))，稱取65gNiO為綠色NiO(商業(yè))由黑色NiO經(jīng)800℃分解得到，35gYSZ，再分別配上丁酮和乙醇(按2∶1重量比)混合溶劑，1.5％和2.8％三乙醇胺分散劑，用行星式球磨機(jī)在50Nz(400轉(zhuǎn)/分)可控條件下球磨1小時(shí)混勻。然后再配上2.25％和8％鄰苯二甲酸二丁酯和聚乙烯醇200塑性劑，2.4％和12％聚乙烯醇縮丁醛粘結(jié)劑，再用行星式球磨機(jī)在50Nz(400轉(zhuǎn)/分)可控條件下再球磨2小時(shí)混勻。經(jīng)80目及60目篩網(wǎng)過篩和真空除氣處理后，在流延機(jī)上按調(diào)好的刀高依次逐層流延制成復(fù)合膜素坯。
固體氧化物燃料電池陽極支撐的復(fù)合膜燒成將干燥等靜壓后的素坯膜采用熱壓燒結(jié)裝置，以30℃/h速率升溫至600℃保溫2h，然后以120℃/h速率升溫至1500℃保溫4h，再以80℃/h速率降溫至700℃后自然降溫，使排塑和燒結(jié)一次完成。圖1為燒成的Ni-YSZ/YSZ、Ni-YSZ/SSZ、Ni-YSZ/CGO復(fù)合膜照片，圖2為其中一種復(fù)合膜(Ni-YSZ/SSZ)斷面的SEM照片。可見電解質(zhì)膜厚約為20微米，基本致密；陽極為多孔結(jié)構(gòu)，便于反應(yīng)氣體的擴(kuò)散。
固體氧化物燃料電池性能評價(jià)測試將Ni-YSZ/YSZ、Ni-YSZ/SSZ、Ni-YSZ/CGO復(fù)合膜涂燒LSM(La0.7Sr0.3MnO3)陰極制成固體氧化物燃料電池PEN后以H2為燃料、O2為氧化劑對電池性能進(jìn)行了測試。三種PEN的性能如下表所示。從表中可看出，其性能排列順序?yàn)镹i-YSZ/CGO＞Ni-YSZ/SSZ＞Ni-YSZ/YSZ。
表1三種復(fù)合膜構(gòu)成的PEN性能比較

權(quán)利要求
1.中溫固體氧化物燃料電池陽極支撐固體電解質(zhì)復(fù)合膜，其特征在于該復(fù)合膜由氧化鎳-氧化釔穩(wěn)定氧化鋯復(fù)合金屬陶瓷陽極和重量比為6-10％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)或氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯(SSZ)或摻雜氧化釓的氧化鈰(CGO)電解質(zhì)層兩層組成，通過流延制成，復(fù)合膜面積100×100mm2以上，電解質(zhì)厚度10-30um，陽極厚度0.5-1.5mm。
2.按權(quán)利要求1所述的中溫固體氧化物燃料電池陽極支撐固體電解質(zhì)復(fù)合膜的其制備方法，包括下述步驟(1)將按重量比6-10％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)，氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯(SSZ)，摻雜氧化釓的氧化鈰(CGO)，分別配上丁酮和乙醇混合溶劑，三乙醇胺分散劑，球磨混勻；在NiO占40-70wt％的NiO-YSZ混合物中，配上丁酮和乙醇混合溶劑，三乙醇胺分散劑，球磨混勻；(2)將步驟1兩種混合后的漿料分別再配鄰苯二甲酸二丁酯和聚乙烯醇塑性劑，聚乙烯醇縮丁醛粘結(jié)劑，球磨混勻；(3)將上述兩種混勻的漿料分別經(jīng)60-80目篩網(wǎng)過篩和真空除氣處理后，在流延機(jī)上按所需厚度調(diào)好刀高分別流延并層疊制成復(fù)合膜；(4)將干燥后的復(fù)合膜素坯切割成所需尺寸大小，經(jīng)真空封裝后再以200MPa進(jìn)行等靜壓，然后采用熱壓燒結(jié)裝置，排塑和燒結(jié)一次完成。
3.按權(quán)利要求2所述的中溫固體氧化物燃料電池陽極支撐固體電解質(zhì)復(fù)合膜的其制備方法，其特征在于所述的步驟1球磨的條件為用行星式球磨機(jī)在0-50Nz可控條件下球磨1-3小時(shí)。
4.按權(quán)利要求2所述的中溫固體氧化物燃料電池陽極支撐固體電解質(zhì)復(fù)合膜的其制備方法，其特征在于所述的步驟2球磨的條件用行星式球磨機(jī)在0-50Nz可控條件下再球磨2-7小時(shí)。
5.按權(quán)利要2或3或4所述的中溫固體氧化物燃料電池陽極支撐固體電解質(zhì)復(fù)合膜的其制備方法，其特征在于所述的排塑和燒結(jié)的條件為以30-150℃/h速率升溫，在600和1400-1500℃分別保溫2-6h。
全文摘要
一種中溫固體氧化物燃料電池陽極支撐固體電解質(zhì)復(fù)合膜，其特征為由氧化鎳－氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(簡稱NiO－YSZ)金屬陶瓷陽極分別和6－10％氧化釔穩(wěn)定氧化鋯或氧化鈧穩(wěn)定氧化鋯或摻雜氧化釓氧化鈰(分別簡稱為8YSZ或SSZ或CGO)固體電解質(zhì)兩層組成。采用流延疊加，經(jīng)等靜壓、共燒結(jié)制得陽極支撐固體電解質(zhì)復(fù)合膜。該復(fù)合膜尺寸＞100×100mm，其中電解質(zhì)厚度10－30μm，陽極厚度0.5－1.5mm。本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)是工藝過程簡單，制作成本低，可制得大面積所需厚度平整的陽極支撐復(fù)合膜，特別適用于平板型固體氧化物燃料電池制備，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。
文檔編號(hào)H01M4/86GK1917262SQ20061003052
公開日2007年2月21日 申請日期2006年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月29日
發(fā)明者王紹榮, 曹佳弟, 王振榮, 溫廷璉 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所