CN105140548B - 一种固体氧化物燃料电池电解质的烧结方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池电解质的烧结方法，属于固体氧化物燃料电池领域。本发明是将固体氧化物电解质粉体中加入粘结剂压制成块体之后，针对不同电解质，施加不同电场，其场强大小可调，30‑200V cm‑1。同时将电解质置于炉中加热，当其加热到500‑1250℃时，电流瞬间增大，此时将电流进行限制，并恒流保温烧结，则电解质烧结致密。本发明相比于传统的电解质烧结方法具有，低的炉温要求，高的烧结速率，能够致密化难以烧结的电解质陶瓷，不需要添加烧结助剂，以及装置简便等优点。

Description

一种固体氧化物燃料电池电解质的烧结方法
技术领域
本发明涉及一种固体氧化物燃料电池电解质的烧结方法，属于固体氧化物燃料电池领域。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效的，清洁的能源转换系统，它能将燃料里的化学能直接转化为电能。并且SOFC还具有低污染，低噪音和可使用燃料广泛等优点。但是，制备SOFC是一项消耗大量能量和时间的过程，尤其是对于其电解质的烧结制备过程。因为要保证电解质的稳定性和耐久性、防止电池短路，电解质必须达到完全致密，这样就必须在高温环境下进行长时间的保温，才能使得电解质素坯达到完全致密。目前致密化SOFC电解质最常用的方法是传统烧结方法。其它烧结方法，如压力辅助烧结、场助烧结也相继被提出，但是在致密化SOFC电解质中还没能广泛应用。
传统烧结方法通常是指将电解质粉体通过压制或流延等方法得到初始电解质素坯后，再进行高温热处理，这时电解质内部会发生固态扩散作用，其中的传质过程能将颗粒间的空隙填满，由此得到高致密度的电解质。
压力辅助烧结技术和场助烧结技术都可以降低烧结温度，但所需要的设备复杂、对设备要求高、设备成本高。尤其是对于放电等离子体烧结技术而言更是如此。
在电解质传统烧结方法中，烧结温度很高并且烧结时间也很长，因此对设备的要求性就很高。并且较高的烧结温度和较长的烧结时间都会增加成本。如：对于固相法制备的钇掺杂的钡锆酸盐(BZY)粉末，炉温需要达到1800-2200℃，保温时间通常为24h；流延法制备的锶和镁掺杂的镓酸镧(Sr and Mg-doped lanthanum gallate，LSGM)片子需要经过预烧和终烧两个步骤，且终烧温度为1450℃，保温时间通常为6h。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在烧结时间长、温度高的问题，提供一种固体氧化物燃料电池电解质的烧结方法。该方法高效的将电能直接转化为加热电解质块体的焦耳热。明显的降低了所需要的炉温与烧结时间。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种固体氧化物燃料电池电解质的烧结方法，具体步骤如下：
步骤一、向电解质粉体中加入粘结剂，研磨均匀、干燥后压制成条状；电解质粉体与粘结剂的质量比为2:1。
步骤二、将步骤一所得的条状电解质样品两端连接铂丝，串联到电路中；然后整体置于炉体中，从室温升至500～1250℃，开始升温时在电路中向电解质样条施加恒定场强；当温度升到500～1250℃的时候发生闪烧现象，记录此时的温度；同时电流会进行步进式变化，直至上升到0.5A～1A，并在0.5A～1A下恒流保温烧结5min～60min，则电解质烧结致密。
步骤一所述电解质粉体包括钐掺杂氧化铈(Samarium Doped Ceria，SDC)、氧化钇稳定性氧化锆(Yttria Stabilized Zirconia,YSZ)、LSGM、BaZr0.8Y0.2O3-δ(BZY)、BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ(BZCYYb)；
步骤一所述电路中包括电源，电源为恒压恒流电源；
步骤二所述场强与步骤三所述炉温存在反相关，即随着场强的升高出现闪烧点的温度会降低。
步骤二所述场强范围；30-200V/cm。
通过示波器记录过程中的电压和电流的变化。
有益效果
1、本发明通过向电解质块体施加电能，将电能集中到电解质块体上，能够显著降低SOFC的电解质的致密化温度，如BZY可以在炉温为900℃下烧结致密。从而可以在较低的炉温600-1000℃下将电解质烧结致密。并且与传统烧结方法所得的电解质材料的致密性相同。
2、通过闪烧的方式烧结电解质材料，可以在较短的时间内将电解质烧结致密，因此提高了烧结速率。
3、有些电解质材料需要在很高的温度(大于1500℃)下才能致密，因此对炉体的要求高，而闪烧方式在管式炉中就能完成，因此所需装置简单。
附图说明
图1为实施例1的样品烧结完后的表面形貌图；
图2为实施例2的样品烧结完后的表面形貌图；
图3为实施例3的样品烧结完后的表面形貌图；
图4为实施例4的样品烧结完后的表面形貌图；
图5为实施例5的样品烧结完后的表面形貌图；
图6为实施例3的样品烧结完后的交流阻抗图；
图7为传统烧结方法得到的LSGM样品的交流阻抗图。
具体实施方式
实施例1
向SDC电解质粉体中加入粘结剂，研磨均匀、干燥后压制成条状；然后在电解质样品两端连接铂丝，串联到电路中；然后整体置于炉体中，从室温升至680℃，开始升温时在电路中向电解质样条施加90V cm-1的场强；将炉温上升速率设定为10℃ min-1，当温度升到670℃的时候发生闪烧现象，记录此时的温度；同时电流会进行步进式变化，即在0.10A下开始限流且保持100s，然后电流变化为0.20A且保持100s，以此类推，直至电流上升到0.6A，并在0.6A下恒流保温烧结25min，则电解质烧结致密。然后将炉温自然冷却至室温，烧结得到的SDC电解质表面SEM图，如图1所示。
实施例2
将向YSZ电解质粉体中加入粘结剂，研磨均匀、干燥后压制成条状；然后在电解质样品两端连接铂丝，串联到电路中；然后整体置于炉体中，从室温升至1160℃，开始升温时在电路中向电解质样条施加30V cm-1的场强；将炉温上升速率设定为10℃ min-1，当温度升到1150℃的时候发生闪烧现象，记录此时的温度；同时电流会进行步进式变化，即在0.05A下开始限流且保持100s，然后电流变化为0.10A且保持100s，以此类推，直至电流上升到0.8A，并在0.8A下恒流保温烧结5min，则电解质烧结致密。然后将炉温自然冷却至室温，烧结得到的YSZ电解质表面SEM图，如图2所示。
实施例3
向LSGM电解质粉体中加入粘结剂，研磨均匀、干燥后压制成条状；然后在电解质样品两端连接铂丝，串联到电路中；然后整体置于炉体中，从室温升至700℃，开始升温时在电路中向电解质样条施加100V cm-1的场强；将炉温上升速率设定为10℃ min-1，当温度升到690℃的时候发生闪烧现象，记录此时的温度；同时电流会进行步进式变化，即当电流上升到0.5A时开始限流，并在0.5A下恒流保温烧结10min，则电解质烧结致密。然后将炉温自然冷却至室温，烧结得到的LSGM电解质表面SEM图，如图3所示。限流烧结所得样品的阻抗值与传统烧结所得样品的阻抗值的分别对应图6、图7。
实施例4
向BZCYYb电解质粉体中加入粘结剂，研磨均匀、干燥后压制成条状；然后在电解质样品两端连接铂丝，串联到电路中；然后整体置于炉体中，从室温升至840℃，开始升温时在电路中向电解质样条施加60V cm-1的场强；将炉温上升速率设定为10℃ min-1，当温度升到830℃的时候发生闪烧现象，记录此时的温度；同时电流会进行步进式变化，即在0.45A下开始限流且保持100s，然后电流变化为0.9A，并在0.9A下恒流保温烧结60min，则电解质烧结致密。然后将炉温自然冷却至室温，烧结得到的BZCYYb电解质表面SEM图，如图4所示。
实施例5
向BZY电解质粉体中加入粘结剂，研磨均匀、干燥后压制成条状；然后在电解质样品两端连接铂丝，串联到电路中；然后整体置于炉体中，从室温升至910℃，开始升温时在电路中向电解质样条施加150V cm-1的场强；将炉温上升速率设定为10℃ min-1，当温度升到900℃的时候发生闪烧现象，记录此时的温度；同时电流会进行步进式变化，即在0.25A下开始限流且保持100s，然后电流变化为0.50A且保持100s，以此类推，直至电流上升到1A，并在1A下恒流保温烧结40min，则电解质烧结致密。然后将炉温自然冷却至室温，烧结得到的BZY电解质表面SEM图，如图5所示。

Claims (7)

1.一种固体氧化物燃料电池电解质的烧结方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、向电解质粉体中加入粘结剂，研磨均匀、干燥后压制成条状；
步骤二、将步骤一所得的条状电解质样品两端连接铂丝，串联到电路中；然后整体置于炉体中，从室温升至500～1250℃，开始升温时在电路中向电解质样条施加恒定场强；当温度升到500～1250℃的时候发生闪烧现象，记录此时的温度；同时电流会进行步进式变化，直至上升到0.5A～1A，并在0.5A～1A下恒流保温烧结5min～60min，则电解质烧结致密。
2.如权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电解质的烧结方法，其特征在于：步骤一所述电解质粉体包括钐掺杂氧化铈(Samarium Doped Ceria，SDC)、氧化钇稳定的氧化锆(Yttria Stabilized Zirconia,YSZ)、LSGM、BaZr0.8Y0.2O3-δ(BZY)、BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ(BZCYYb)。
3.如权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电解质的烧结方法，其特征在于：步骤一所述电解质粉体与粘结剂的质量比为2:1。
4.如权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电解质的烧结方法，其特征在于：步骤一所述电路中包括电源，电源为恒压恒流电源。
5.如权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电解质的烧结方法，其特征在于：步骤二所述场强与步骤三所述炉温存在反相关，即随着场强的升高出现闪烧点的温度会降低。
6.如权利要求1或5所述的一种固体氧化物燃料电池电解质的烧结方法，其特征在于：步骤二所述场强范围；30-200V/cm。
7.如权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池电解质的烧结方法，其特征在于：通过示波器记录过程中的电压和电流的变化。
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