一种激光熔融固体氧化物燃料电池电解质层的制备方法与流程

1.本发明属于固体氧化物燃料电池制备技术领域，具体地涉及一种激光熔融固体氧化物燃料电池电解质层的制备方法。


背景技术：

2.能源和环境问题一直是人类社会可持续发展的关键性制约因素，构建绿色低碳、安全高效的能源体系是世界能源发展的战略重点。作为一种新能源技术，固体氧化物燃料电池是一种在中高温环境下能够将燃料的化学能直接转化成电能的全固态化学发电装置，其发电效率达45％～60％，热电联产效率高达80％以上。其具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优势，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料，在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。当前，诸多世界发达国家普遍将固体氧化物燃料电池当作一种战略储备技术。
3.固体氧化物燃料电池由多孔阳极支撑体，致密电解质，多孔阴极组成，其中，致密电解质层的制备主要包括采用复杂的流延法(流延成型法是指在陶瓷粉料中加入适量的溶剂、分散剂、粘结剂等添加剂，充分球磨混合得到均匀稳定的浆料，通过流延机刮刀以一定的速度刮过，浆料在基板上形成一定厚度的片状坯体的方法。)、模压法(一种金属粉或陶瓷粉末的简单成型方式，是将定量预先处理过的粉末加入定制金属模具中，施以压力使其成为有一定强度的坯体。)、丝网印刷法(丝网印刷是将浆料/陶瓷墨水透过网孔印刷到基体表面，反复操作多次得到一定厚度的涂层)、真空蒸镀法(真空蒸镀通过真空镀膜设备，采用电子束将特制氧化锆粉料沉积到基底上形成陶瓷薄膜)、磁控溅射法(磁控溅射法通过将粉料经过一定处理后形成导电材料，将导电陶瓷粉料溅射在特定靶材上来形成陶瓷薄膜)来实现，最后再经过长时间高温烧结工艺，来制备得到三明治结构的固体氧化物燃料电池。
4.上述电解质层的制备方法中，通常流延法、模压法、丝网印刷法需要经过长时间排胶以及高温共烧，制备周期很长，制备成本高，而且阳极、电解质、阴极经过高温共烧后很难得到理想结构的多孔阳极结构，导致无法得到想要的三相界面，而真空蒸镀法以及磁控溅射法对设备、材料的要求很高，且上述方法通常只适合用于平板电池的制备，上述种种原因导致固体氧化物燃料电池难以进行大规模商业化运用，严重制约了固体氧化物燃料电池技术的发展，因此，必须寻求更高效，快速，简便的制备方法。


技术实现要素：

5.本发明提供一种激光熔融固体氧化物燃料电池电解质层的制备方法，解决上述现有技术中固体氧化物电池电解质层制备存在的技术问题。
6.本发明提供一种激光熔融固体氧化物燃料电池电解质层的制备方法，采用逐渐增加激光能量使基板表面的电解质粉末熔融后再逐渐降低激光能量的方式制备电解质层。
7.本发明所述的一种激光熔融固体氧化物燃料电池电解质层的制备方法，具体包括
以下步骤：(1)采用激光器作为能量源，将电解质粉末制备得到的浆料浸渍在基板表面，首先在低能量密度下交叉扫描电解质表面进行升温预热干燥，防止陶瓷急热收缩开裂；(2)然后逐渐提高能量密度至电解质层粉末完全烧结熔融；(3)最后逐渐降低能量密度扫描电解质表面，直至完全冷却；(4)重复上述步骤，制备得到相应厚度的致密电解质层。
8.本发明所述基板为多孔氧化锆板。
9.本发明所述电解质粉末包括但不限于氧化钇稳定氧化锆纳米粉末，氧化铈粉末。
10.本发明所述能量源加热功率范围为30～150w。
11.本发明所述激光器包括但不限于光纤激光器，co2激光器。
12.应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
13.本发明有益效果：本发明的电解质层制备方法，能够在不破坏阳极结构的基础上制备致密电解质层，从而保持原始结构，提高电池性能，同时，还能制备不同形状类型的电池结构，大大拓展了燃料电池应用领域，此外，电池制备过程工艺简单，对设备要求低，无需后处理烧结过程，可操作性更强，降低工艺制备成本，更加节能，能够有效推进燃料电池的应用。
附图说明
14.图1为本发明激光熔融固体氧化物燃料电池电介质层制备方法的工艺流程图；
15.图2为本发明实施例1制备的固体氧化物燃料电池电解质断面图；
16.图3为本发明实施例2制备的固体氧化物燃料电池电解质断面图。
具体实施方式
17.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.实施例1
19.首先以无水乙醇：氧化锆纳米粉为6:4质量比例，再添加少量分散剂，经过280r/min球磨8小时制备得到氧化锆浆料，通过表面浸渍方式使氧化锆陶瓷基板布满粉体浆料，采用连续性光纤激光器作为能量源，将氧化锆基底进行定位，设定激光扫描模型为直径为10mm的圆形，扫描工艺参数按照能量密度大小分为三个阶段，首先以能量密度由低到高进行交叉扫描基底表面进行干燥以及预加热，为干燥预热阶段；然后在最大能量密度下进行烧结熔融陶瓷层为激光熔融阶段；最后以能量密度由高到低逐渐降低能量密度交叉扫描，防止陶瓷急冷开裂，为冷却降温阶段；重复上述步骤5次，完成致密电解质层的制备，获得具有一定厚度的电解质层，具体扫描工艺参数见表1；所述电解质制备方法无需进行进一步烧结。
20.表1实施例1激光扫描工艺参数
[0021][0022]
实施例2
[0023]
以无水乙醇：氧化锆纳米粉为6:4质量比例，再添加少量分散剂，经过280r/min球磨8小时制备得到氧化锆浆料，通过表面浸渍方式使氧化锆陶瓷基板布满粉体浆料，采用连续性光纤激光器作为能量源，将氧化锆基底进行定位，设定激光扫描模型为直径为10mm的圆形，扫描工艺参数按照能量密度大小分为三个阶段，首先以能量密度由低到高进行交叉扫描基底表面进行干燥以及预加热，为干燥预热阶段；然后在最大能量密度下进行烧结熔融陶瓷层为激光熔融阶段；最后以能量密度由高到低逐渐降低能量密度交叉扫描，防止陶瓷急冷开裂，为冷却降温阶段，重复上述步骤5次，完成致密电解质层的制备，获得具有一定厚度的电解质层，具体扫描工艺参数见表2；所述电解质制备方法无需进行进一步烧结。
[0024]
表2实施例2各阶段激光扫描工艺参数
[0025]
[0026]
实施例3
[0027]
以无水乙醇：氧化锆纳米粉为1:1质量比例，再添加少量分散剂，经过280r/min球磨16小时制备得到氧化锆浆料，通过表面浸渍方式使氧化锆陶瓷基板布满粉体浆料，采用连续性光纤激光器作为能量源，将氧化锆基底进行定位，设定激光扫描模型为直径为10mm的圆形，扫描工艺参数按照能量密度大小分为三个阶段，首先以能量密度由低到高进行交叉扫描基底表面进行干燥以及预加热，为干燥预热阶段；然后在最大能量密度下进行烧结熔融陶瓷层为激光熔融阶段；最后以能量密度由高到低逐渐降低能量密度交叉扫描，防止陶瓷急冷开裂，为冷却降温阶段，重复上述步骤5次，完成致密电解质层的制备，获得具有一定厚度的电解质层，具体扫描工艺参数见表3；所述电解质制备方法无需进行进一步烧结。
[0028]
表3实施例3各阶段激光扫描工艺参数
[0029][0030]
实施例4
[0031]
以无水乙醇：氧化锆纳米粉为5:5质量比例，再添加少量分散剂，经过280r/min球磨8小时制备得到氧化锆浆料，通过表面浸渍方式使氧化锆陶瓷基板布满粉体浆料，采用连续性光纤激光器作为能量源，将氧化锆基底进行定位，设定激光扫描模型为直径为10mm的圆形，扫描工艺参数按照能量密度大小分为三个阶段，首先以能量密度由低到高进行交叉扫描基底表面进行干燥以及预加热，为干燥预热阶段；然后在最大能量密度下进行烧结熔融陶瓷层为激光熔融阶段；最后以能量密度由高到低逐渐降低能量密度交叉扫描，防止陶瓷急冷开裂，为冷却降温阶段，重复上述步骤5次，完成致密电解质层的制备，获得具有一定厚度的电解质层，具体扫描工艺参数见表4；所述电解质制备方法无需进行进一步烧结。
[0032]
表4实施例4各阶段激光扫描工艺参数
[0033][0034]
本发明提供一种新的固体氧化物燃料电池电解质层的制备方法，采用激光熔融制备电解质，通过调整各项工艺参数，能够在不破坏阳极结构的基础上得到致密电解质层，提高电池性能，降低生产成本，减少制备时间。
[0035]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围，本发明的连接指直接连接或间接连接。