快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池核心部件的方法

摘要

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池核心部件的方法。所述方法包括如下步骤：将聚氨酯树脂中加入二甲基甲酰胺及阳极粉或电解质粉或阴极粉，然后球磨，经过真空脱泡后，流延在薄膜或基布上，然后进入与溶剂具有亲和性，而与PU不亲和的水中，溶剂被水置换，聚氨酯树脂逐渐凝固，从而形成固态柔韧膜，该膜经晾干、冲压切割、高温烧结后，即可得到平整的固体氧化物燃料电池核心部件(阳极片、阴极片、电解质片等)。通过该工艺制备固体氧化物燃料电池核心部件节能、环保、生产效率高。

权利要求

1.一种快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池核心部件的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将聚氨酯树脂溶解在溶剂二甲基甲酰胺中，搅拌溶解后，添加阳极粉、阴极粉或电解质粉，继续高速搅拌，然后球磨，通过一定目数过滤筛出料；

(2)将步骤(1)制得的浆料真空脱泡，同时检测浆料的黏度；将经脱泡至黏度为1～

100Pa·s的浆料进行流延，进入水中常温固化1～5min成膜，晾干；所述真空脱泡的是指在负压-0.1MPa～0MPa搅拌脱泡；

(3)将步骤(2)得到的膜冲压切片，送入高温炉窑中煅烧，即得所述平板状固体氧化物燃料电池核心部件。

2.根据权利要求1所述的一种快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池核心部件的方法，其特征在于，步骤(1)所述电解质粉为钇稳定的氧化锆粉末；所述阴极粉为锰酸镧粉末。

3.根据权利要求1所述的一种快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池核心部件的方法，其特征在于，步骤(1)所述阳极粉通过以下步骤制得：先后在球磨机中添加水、按1：1质量比混合的氧化镍和钇稳定的氧化锆、占氧化镍和钇稳定的氧化锆粉末总质量5％的造孔剂、氧化锆瓷球，进行球磨，喷雾干燥，得到阳极粉。

4.根据权利要求1所述的一种快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池核心部件的方法，其特征在于，步骤(1)所述聚氨酯树脂、二甲基甲酰胺和粉料的质量比为1：4：4。

5.根据权利要求1所述的一种快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池核心部件的方法，其特征在于，步骤(1)所述目数为10～1000目，所述高速搅拌转速为100～500rpm。

6.根据权利要求1所述的一种快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池核心部件的方法，其特征在于，步骤(3)所述煅烧中高温煅烧段温度为1000～1500℃。

7.根据权利要求1所述的一种快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池核心部件的方法，其特征在于，步骤(3)中，将煅烧后得到的片进行平整度及外观检验，选择合格品即为所述平板状固体氧化物燃料电池核心部件。

8.根据权利要求1所述的一种快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池核心部件的方法，其特征在于，所述的平板状固体氧化物燃料电池核心部件包括阳极片、阴极片或电解质片。

说明书

快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池核心部件的方法

技术领域

[0001] 本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池核心部件的方法。

背景技术

[0002] 燃料电池作为一种直接将化学能转化为电能的装置，能量转化效率高，作为一种新型的发电装置，有望广泛应用在发电厂替代传统的火力发电，有望直接应用在新能源汽车上作为动力装置。固体氧化物燃料电池更是由于核心部件全部为固态陶瓷避免了电解液的泄露等问题而更稳定。

[0003] 前人的研究成果较多的集中在电极材料的制备和电池形状(如管状，锥管状，瓦楞状)的设计上，而对于相当简单，易于组装的平板状燃料电池反倒着力太少。现有的流延生产工艺采用加热挥发法，不但消耗大量能源，而且溶剂大量挥发到环境中造成大气污染，生产效率低。

发明内容

[0004] 为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种节能环保快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池核心部件的方法，为企业提供一种可进行工业化规模快速生产平板状固体氧化物燃料电池核心部件的工艺，由此解决现有工艺耗能、污染环境和生产效率低的问题，促进燃料电池的产业化。

[0005] 本发明目的通过以下技术方案实现：

[0006] 一种节能环保快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池核心部件的方法，包括如下步骤：

[0007] (1)将聚氨酯树脂(PU)溶解在溶剂二甲基甲酰胺(DMF)中，搅拌溶解后，添加粉料，继续高速搅拌，然后球磨，通过一定目数过滤筛出料；所述粉料为阳极粉、阴极粉或电解质粉；

[0008] (2)将步骤(1)制得的浆料真空脱泡，消除溶解在浆料中的气泡，同时检测浆料的黏度；将经脱泡至黏度为1～100Pa·s的浆料进行流延，进入水中常温固化成膜，晾干；

[0009] (3)将步骤(2)得到的膜冲压切片，送入高温炉窑中煅烧，即得平板状固体氧化物燃料电池核心部件。

[0010] 步骤(1)所述电解质粉优选为钇稳定的氧化锆粉末；所述阴极粉优选为锰酸镧粉末。

[0011] 步骤(1)所述阳极粉通过以下步骤制得：先后在球磨机中添加水、按1：1质量比混合的氧化镍(NiO)和钇稳定的氧化锆(YSZ)、占上述氧化镍(NiO)和钇稳定的氧化锆(YSZ)粉末总质量5％的造孔剂(如淀粉或纤维素等高分子化合物)、氧化锆瓷球，进行球磨，喷雾干燥，得到阳极粉。

[0012] 步骤(1)所述聚氨酯树脂、二甲基甲酰胺和粉料的质量比优选为1：4：4。

[0013] 步骤(1)所述目数优选为10～1000目，更优选为10目～400目；所述高速搅拌转速为100～500rpm。

[0014] 步骤(2)所述真空脱泡的是指在负压-0.1MPa～0MPa搅拌脱泡。

[0015] 步骤(2)所述固化的时间优选为1～5min。本发明所述常温是指10～30℃。

[0016] 步骤(3)所述煅烧中高温煅烧段温度优选为1000～1500℃。

[0017] 步骤(3)所述冲压工艺参数优选如下：送料速度为100～1000mm/min，冲头压力为0.2～1.0MPa，冲压频率≤20Hz。

[0018] 步骤(3)中，将煅烧后得到的片进行平整度及外观检验，选择合格品即为所述平板状固体氧化物燃料电池核心部件。

[0019] 上述制备方法中，所述聚氨酯树脂(PU)作为成型剂；二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂；水为相转化剂。

[0020] 上述制备方法中所述的平板状固体氧化物燃料电池核心部件包括阳极片、阴极片或电解质片等。

[0021] 与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

[0022] (1)节能。现有的工艺通过加热挥发溶剂需要消耗大量的能源，本技术方案通过相转化法萃取溶剂，节约大量宝贵能源。

[0023] (2)环保。现有工艺中加热挥发的溶剂大量散失到大气环境中，造成大气污染，本技术方案采用相转化剂——水进行溶剂的提取回收，不但环保，而且回收的溶剂可以循环使用，经济。

[0024] (3)生产效率高。现有工艺中通常流延速度为1m/min，本发明技术方案流延成型速度可达5m/min以上，生产效率大大提高。

附图说明

[0025] 图1为本发明提供的节能环保快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池阳极片的工艺流程图。

[0026] 图2为本发明提供的节能环保快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池电解质片的工艺流程图。

[0027] 图3为本发明提供的节能环保快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池阴极片的工艺流程图。

[0028] 图4为本发明提供的节能环保快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池核心部件的生产制备工序示意图。

具体实施方式

[0029] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

[0030] 本发明提供的一种快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池核心部件的方法如图4所示，包括原料工序、喷雾干燥工序、混料工序、球磨混料工序、真空脱泡工序、流延工序、冲压工序、烧结工序以及检验工序，根据粉料的不同，其中的原料工序、喷雾干燥工序可包含在原料的前处理工作中可以省略，具体包括如下步骤：将聚氨酯树脂中加入二甲基甲酰胺、粉料(阳极粉或电解质粉或阴极粉)，然后球磨，再经过真空脱泡后，流延在薄膜或基布上，然后进入与溶剂具有亲和性，而与PU不亲和的水中，溶剂被水置换，聚氨酯树脂逐渐凝固，从而形成固态柔韧膜，该膜经晾干、冲压切割、高温烧结后，即可得到平整的固体氧化物燃料电池核心部件(阳极片、阴极片、电解质片等)。

[0031] 实施例1

[0032] 本实施例提供一种节能环保快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池阳极的工艺，如图1所示，具体包括如下步骤：

[0033] (1)先后在球磨机中添加水，按1：1质量比混合的氧化镍(NiO)和钇稳定的氧化锆(YSZ)，占上述粉末总质量5％的造孔剂(淀粉或纤维素等高分子化合物)，氧化锆瓷球，进行球磨，喷雾干燥，得到原料——阳极粉末。

[0034] (2)在拌缸中加入溶剂二甲基甲酰胺(DMF)，随后依次加入聚氨酯树脂(PU)，阳极粉末，400rpm高速搅拌；随后进行球磨混料，通过200目过滤筛出料至脱泡缸中；其中PU、DMF与阳极粉末的质量比为1：4：4。

[0035] (3)将步骤(2)得到的浆料在一定的负压(-0.1MPa)下搅拌脱泡，消除溶解在浆料中的气泡，同时检测浆料的黏度。

[0036] (4)将脱泡至黏度为10Pa·s的浆料进行流延，流延速度为5m/min，进入相转化剂(水)中固化成膜，固化时间2min，固化温度为常温，晾干。

[0037] (5)将步骤(4)得到的膜冲压切片(切片大小100mm×100mm，冲压工艺参数优选如下：送料速度为100～1000mm/min，冲头压力为0.2～1.0MPa，冲压频率≤20Hz)，表面敷粉(氧化锆粉)，叠片，装承烧板上，送入高温炉窑中煅烧，烧结制度如下：

[0038] 常温——400℃，-12小时，400℃——600℃，-12小时，

[0039] 600℃——1200℃，-20小时，

[0040] 1200℃恒温烧结，-12小时，

[0041] 1200℃——600℃，-，10小时，

[0042] 600℃——常温，自然冷却。

[0043] 将上述煅烧得到的片进行敲片，检验平整度，平整度不达标者送修正炉进行修正。修正烧结制度如下：

[0044] 常温——1200℃，-10小时，

[0045] 1200℃恒温修正，-4小时，

[0046] 1200℃——600℃，-5小时

[0047] 600℃——常温，自然冷却。

[0048] 将上述煅烧得到的片进行平整度及外观检验，选择合格品，得到阳极片。

[0049] 实施例2

[0050] 本实施例提供一种节能环保快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池电解质片的工艺，如图2所示，具体包括如下步骤：

[0051] (1)在拌缸中加入溶剂二甲基甲酰胺(DMF)，随后依次加入聚氨酯树脂(PU)，电解质钇稳定的氧化锆(YSZ)粉末，400rpm高速搅拌；随后进行球磨混料，通过400目过滤筛出料至脱泡缸中；其中PU、DMF和电解质粉末的质量比为1：4：4。

[0052] (2)将步骤(1)得到的浆料在一定的负压(-0.1MPa)下搅拌脱泡，消除溶解在浆料中的气泡，同时检测浆料的黏度。

[0053] (3)将脱泡至黏度为10Pa·s的浆料进行流延，流延速度为5m/min，进入相转化剂(水)中固化成膜，固化时间2min，固化温度为常温，晾干。

[0054] (4)将步骤(3)得到的膜冲压切片(切片大小100mm×100mm，冲压工艺参数优选如下：送料速度为100～1000mm/min，冲头压力为0.2～1.0MPa，冲压频率≤20Hz)，表面敷粉(氧化锆粉)，叠片，装承烧板上，送入高温炉窑中煅烧，烧结制度如下：

[0055] 常温——400℃，-12小时，

[0056] 400℃——600℃，-12小时，

[0057] 600℃——1400℃，-26小时，

[0058] 1400℃恒温烧结，-12小时

[0059] 1400℃——800℃，-10小时，

[0060] 800℃——常温，自然冷却。

[0061] 将上述煅烧得到的片进行敲片，检验平整度，平整度不达标者送修正炉进行修正。修正烧结制度如下：

[0062] 常温——1400℃，-12小时，

[0063] 1400℃恒温修正，-4小时，

[0064] 1400℃——600℃，-6小时，

[0065] 600℃——常温，自然冷却。

[0066] 将上述煅烧得到的片进行平整度及外观检验，选择合格品，得到电解质片。

[0067] 实施例3

[0068] 本实施例提供一种节能环保快速生产制备平板状固体氧化物燃料电池阴极片的工艺，如图3所示，具体包括如下步骤：

[0069] (1)在拌缸中加入溶剂二甲基甲酰胺(DMF)，随后依次加入聚氨酯树脂(PU)，阴极锰酸镧粉末(LSM)，400rpm高速搅拌；随后进行球磨混料，通过100目过滤筛出料至脱泡缸中；其中PU、DMF和阴极锰酸镧粉末的质量比为1：4：4。

[0070] (2)将步骤(1)得到的浆料在一定的负压(-0.1MPa)下搅拌脱泡，消除溶解在浆料中的气泡，同时检测浆料的黏度。

[0071] (3)将脱泡至黏度为5Pa·s的浆料进行流延，流延速度为5m/min，进入相转化剂(水)中固化成膜，固化时间2min，固化温度为常温，晾干。

[0072] (4)将步骤(3)得到的膜冲压切片(切片大小100mm×100mm，冲压工艺参数优选如下：送料速度为100～1000mm/min，冲头压力为0.2～1.0MPa，冲压频率≤20Hz)，表面敷粉(氧化锆粉)，叠片，装承烧板上，送入高温炉窑中煅烧，烧结制度如下：

[0073] 常温——400℃，-12小时，

[0074] 400℃——600℃，8小时；

[0075] 600℃——1200℃，-20小时，

[0076] 1200℃恒温烧结，-12小时，

[0077] 1200℃——800℃，-6小时，

[0078] 800℃——常温，自然冷却。

[0079] 将上述煅烧得到的片进行敲片，检验平整度，平整度不达标者送修正炉进行修正。修正烧结制度如下：

[0080] 常温——1200℃，-10小时，

[0081] 1200℃恒温修正，-4小时，

[0082] 1200℃——600℃，-5小时，

[0083] 600℃——常温，自然冷却。

[0084] 将上述煅烧得到的片进行平整度及外观检验，选择合格品，得到阴极片。

[0085] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。