CN109808042B - 固体氧化物燃料电池电解质制备模具控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的固体氧化物燃料电池电解质制备模具控制装置，属于SOFC发电的技术领域。其结构有：母模模具(1)、上公模模具(2)、下公模模具(3)组成的电解质单轴模具；气囊上板(5)、气囊下板(6)、环形气囊(7)、气泵(8)组成的电解质腔体深度驱动部分；电解质腔体深度传感器(15)、腔体深度数字显示器(11)组成的电解质腔体深度控制部分；电解质平整支杆(12)、电解质平整旋纽(13)、电解质平整滑板(14)组成的粉体平整部分。本发明的模具控制装置能减小并精确控制电解质粉料的厚度，制得厚度0.5mm以下的电解质，电解质腔体(4)内粉料分布均匀，烧结后不开裂不变形。具有更好的致密性和更高的机械强度。

Description

固体氧化物燃料电池电解质制备模具控制装置

技术领域

本发明属固体氧化物燃料电池(SOFC)发电的技术领域，特别涉及一种燃料电池电解质制备模具控制装置。

背景技术

SOFC的制作工艺流程：首先从电解质的制备成型入手，然后在电解质的两个侧面分别附上阳极材料和阴极材料，再进行密封处理，最后安装电极引线。此种方法称为“以电解质为支撑体的SOFC单电池制备方法”。

电解质是SOFC发电的核心部件，从而电解质的各项技术指标决定了SOFC整体发电的性能和指标。制备高质量的高温陶瓷电解质是一项重要环节。

制备厚度0.5mm以下的电解质所需的电解质制备粉料用量很少，很难掌握制备粉料用量。在模具腔内电解质制备粉料也很难摊平。无法控制电解质粉料平整的均匀分布，干压后导致电解质内部应力大，经过高温烧结不是破碎、开裂就是变形。电解质的制备方法是利用特种高温陶瓷的制作工艺，即干压法制作。干压法是由模具进行单轴方向对粉体施压，此方法具有方便快捷、用料省等优点。但是，传统干压法制备的电解质厚度都在0.5mm以上。制备0.5mm以下的电解质成品率非常低。再经过高温炉烧结后，大部分破碎、开裂或变形。电解质的成品率近似于零。这个难题一直困扰着SOFC实验室干压法制备电解质的工作进展。

背景技术的电解质制作所用的电解质模具如图1和图2所示。图1为模具主视图，图2为模具左视图。图1和图2中，1为母模模具，2为上公模模具，3为下公模模具，4为电解质腔体。该电解质模具的缺点如下：应用该电解质模具无法控制电解质粉料的厚度，难于制备厚度在0.5mm以下的电解质；更为重要的是若电解质上的一个微小裂痕，在高温的环境下，就会导致阳极燃料的泄漏。燃料泄漏会立刻引起燃料燃烧，导致SOFC整体报废。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，在现有技术基础上设计一种固体氧化物燃料电池电解质制备模具控制装置，使模具精确控制电解质腔体的深度、进而减小并控制电解质的制备粉料的厚度，制备出厚度在0.5mm以下的电解质，并尽量避免烧结后的固体氧化物燃料电池电解质出现破碎、开裂或变形的现象。

本发明的具体技术方案如下。

一种固体氧化物燃料电池电解质制备模具控制装置，结构包括电解质单轴模具，所述的电解质单轴模具，由圆筒形状的母模模具1、上公模模具2、下公模模具3组成；上公模模具2、下公模模具3均为圆柱和圆盘同轴构成的一个整体，其中的圆柱外径与母模模具1的内径相同，上公模模具2的圆柱下底面、下公模模具3的圆柱上底面与母模模具1内侧面围成的空间为电解质腔体4；其特征在于，结构还有电解质腔体深度驱动部分、电解质腔体深度控制部分；

所述的电解质腔体深度驱动部分，由在母模模具1下底面安装的圆环形的气囊上板5、在下公模模具3圆盘上面安装的圆环形的气囊下板6、在气囊上板5和气囊下板6之间安装的环形气囊7、装有气泵进气口9和气泵放气阀门10的气泵8构成，气泵8与环形气囊7用乳胶软管连接；母模模具1、下公模模具3、气囊上板5、气囊下板6、环形气囊7能够同轴线安装；

所述的电解质腔体深度控制部分，由电解质腔体深度传感器15和腔体深度数字显示器11构成，其中，电解质腔体深度传感器15安装在气囊上板5和气囊下板6之间，当气囊上板5和气囊下板6之间距离变化时，电解质腔体4的深度随之等距离变化，电解质腔体深度传感器15将气囊上板5和气囊下板6之间距离变化信息传递给腔体深度数字显示器11，腔体深度数字显示器11就能够显示电解质腔体4深度的改变量。

所述的电解质腔体深度传感器15，为容栅式直线位移传感器，主要结构有动栅、定栅和测量电路。动栅和定栅之间的电容量随着电解质腔体4的深度改变而变化；测量电路中每组有8个分路动栅，每一路施加一个正弦电压，其初相位以π/4增量依次递增；输出的相位值通过测量电路转换为数字信号，再通过腔体深度数字显示器11显示四位数值。

上述技术方案的电解质腔体深度驱动部分中，气泵8控制环形气囊7的进气或排气，驱动母模模具1上下移动，从而控制电解质腔体4的深度；电解质腔体深度控制部分的电解质腔体深度传感器15和腔体深度数字显示器11又使控制电解质腔体4的深度达到精准可控。

为了控制电解质腔体的粉料均匀分布，使其上表面光滑平整，再加装粉体平整部分。装粉体平整部分的具体结构如下所述。

本发明的固体氧化物燃料电池电解质制备模具控制装置结构还有粉体平整部分；粉体平整部分由电解质平整支杆12、电解质平整旋纽13、电解质平整滑板14构成；电解质平整支杆12在母模模具1外侧垂直于气囊上板5安装；电解质平整滑板14为中间半圆形的长平板，长平板一端有圆环能套装在电解质平整支杆12的上端，圆环的侧面沿圆环半径方向开有洞，洞内的螺旋与电解质平整旋纽13的外螺旋配合，能使电解质平整旋纽13旋进旋出。

本发明实验用的电解质平整滑板14，在母模模具1内直径为13mm(半径为6.5mm)时，电解质平整滑板14的半圆形凹面的半径可以为7～10mm。即电解质平整滑板14的半圆形凹面的半径与母模模具1内半径之比可以为7～10:6.5。

本发明有益效果：

1、减小并精确控制电解质的制备粉料的厚度：制得厚度0.5mm以下的电解质。减小电解质的厚度，缩短氧离子在电解质中传递的距离，解决了减小电解质的电阻值这个提高SOFC发电效率的关键问题。

2、控制电解质腔体的粉料均匀分布，使其上表面光滑平整。电解质经干压法后，电解质内部应力分布均匀。再经高温炉烧结和保温处理后不破碎、不开裂、不变形。电解质具有更好的致密性和更高的机械强度。

附图说明

图1为背景技术电解质制作模具的主视图；

图2为背景技术电解质制作模具的左视图；

图3为本发明SOFC电解质制备模具控制装置的主视图；

图4为本发明SOFC电解质制备模具控制装置的左视图；

图5为本发明电解质平整滑板正视图；

图6为本发明电解质平整滑板俯视图；

图7为本发明SDC电解质的SOFC单电池的横截面扫描电子显微镜图；

图8为本发明SDC/ND电解质的SOFC单电池的横截面扫描电子显微镜图；

图9为本发明制得的SDC电解质的不同工作温度下交流阻抗谱；

图10为本发明制得的SDC/ND电解质的不同工作温度下交流阻抗谱。

具体实施方式

实施例1结合附图说明本发明的结构

本发明的SOFC电解质制备模具控制装置的结构可分为四个部分：电解质单轴模具、电解质腔体深度驱动部分、电解质腔体深度控制部分和粉体平整部分。在图3和图4中，1为母模模具；2为上公模模具；3为下公模模具；4为电解质腔体；5为气囊上板；6为气囊下板；7为环形气囊；8为气泵；9为气泵进气口；10为气泵放气阀门；11为腔体深度数字显示器；12为电解质平整支杆；13为电解质平整固定旋纽；14为电解质平整滑板；15为电解质腔体深度传感器。

所述的电解质单轴模具，与背景技术的电解质制作所用的电解质模具(如图1和图2所示)相同。由圆筒形状的母模模具1、上公模模具2、下公模模具3组成，上公模模具2、下公模模具3均为圆柱和圆盘同轴构成的一个整体，其纵剖面为T形，其中的圆柱外径与母模模具1的内径相同，上公模模具2的圆柱下底面、下公模模具3的圆柱上底面与母模模具1内侧面围成的空间为电解质腔体4(实验用的电解质腔体4直径，亦即母模模具1内直径，为13mm)。

所述的电解质腔体深度驱动部分，由气囊上板5、气囊下板6、环形气囊7、气泵8构成。其中，气囊下板6、环形气囊7、气囊上板5自下而上的同轴线套装在下公模模具3圆盘上面与母模模具1下底面之间；气泵8上装有气泵进气口9和气泵放气阀门10，气泵8的动力可以来自于手动，气泵8与环形气囊7用乳胶软管连接，防止手动时气泵8的震动传递给环形气囊7及电解质腔体4。气囊上板5与气囊下板6的材料均为聚四氟乙烯或电木材料加工而成；环形气囊7为橡胶布制成；气泵8为橡胶制成。

所述的电解质腔体深度控制部分，由电解质腔体深度传感器15和腔体深度数字显示器11构成。其中，电解质腔体深度传感器15安装在气囊上板5和气囊下板6之间，当气囊上板5和气囊下板6之间距离变化时，电解质腔体4的深度随之等距离变化，电解质腔体深度传感器15将气囊上板5和气囊下板6之间距离变化信息传递给腔体深度数字显示器11，腔体深度数字显示器11就能够显示电解质腔体4深度的改变量。其中的电解质腔体深度传感器15的类型为容栅式直线位移传感器。电解质腔体深度传感器15主要包括定栅、动栅和测量电路，其精度为0.01mm。动栅和定栅之间的电容量随着其相对位移依一定规律而变化。测量电路原理：测量电路中有时钟振荡器，产生时钟脉冲方波。测量电路中每组有8个分路动栅，每一路施加一个正弦电压，其初相位以45度角(π/4)的增量依次递增。每组中有8路动栅，共6组(对应48路动栅)。交流电压相位和动栅与定栅之间的位移的关系呈近似线性关系，而输出的相位值通过测量电路转换为数字信号，再通过腔体深度数字显示器11显示四位数值。

所述的粉体平整部分，由电解质平整支杆12、电解质平整旋纽13、电解质平整滑板14构成。电解质平整支杆12在母模模具1外侧垂直于气囊上板5安装；电解质平整滑板14为中间半圆形的长平板，长平板一端有圆环能套装在电解质平整支杆12的上端，且电解质平整滑板14是与电解质平整支杆12垂直安装。圆环的侧面沿圆环半径方向开有洞，洞内的螺旋与电解质平整旋纽13的外螺旋配合，能使电解质平整旋纽13旋进旋出。

实施例2SOFC电解质制备实验操作步骤

具体结构结合图3和图4进一步说明SOFC电解质制备实验操作步骤。

首先分别将下公模模具3、气囊下板6、环形气囊7、气囊上板5和母摸模具1按图3所示，从下到上的顺序组装在一起。将气泵8与环形气囊7用乳胶软管连接，使气泵8能向环形气囊7供气。环形气囊7内的空气量增加，使环形气囊7的高度平缓上升，气囊下板6与气囊上板5之间的间距随之平缓增加，这时也同步使母模模具1平缓升高，同时导致电解质腔体4深度的增加。上述电解质腔体4深度的增加，腔体深度数字显示器11将同步显示电解质腔体4深度增加的变量。当电解质腔体4深度达到3mm时，气泵8停止向环形气囊7供气。把电解质制备粉料加入电解质腔体4内，当加入电解质腔体4的制备粉料超过母摸模具1上端时，停止电解质制备粉料的添加工作。

旋松气泵8上的气泵放气阀门10，气泵放气阀门10开始放气，环形气囊7内的空气量随之减少，使环形气囊7的高度平缓下降，气囊下板6与气囊上板5之间的间距连续平缓减小，这时也同步使母模模具1平缓降低，同步导致电解质腔体4深度的减小。当电解质腔体4深度减小接近理想的深度时，即腔体深度数字显示器11显示接近理想深度值时，旋紧气泵8上的气泵放气阀门10，此时电解质腔体4深度的变化同步停止。

如图5和图6所示，旋松电解质平整旋纽13，使电解质平整滑板14平放于母模模具1的上端，以电解质平整支杆12为轴做逆时针刮平旋转，电解质平整滑板14的形状为半圆形凹面，半圆形凹面的圆半径为7mm至10mm，多余的粉料集中在半圆形的凹面前滑动，可使电解质腔体4上表面的大部分地方得到填满和平整。只有电解质圆形的边缘的平整度欠佳。

将电解质平整滑板14抬起，逆时针越过刮出粉料的上端之后，将电解质平整滑板14放在母模模具1的上端平面上。再进行顺时针刮平旋转，由于电解质平整滑板14的顺时针旋转，电解质平整滑板14形状为半圆形的凸面，多余的粉料在半圆形的凸面前向周围滑动，可使电解质腔体4上表面圆形的边缘得到充分的填满和平整。

旋松气泵8上的气泵放气阀门10，气泵放气阀门10再次开始放气，注意观察腔体深度数字显示器11显示的数值，可根据对电解质的尺寸要求精度的不同，选择每次刮抹间隔值(如0.02mm～0.10mm)，再用电解质平整滑板14逆时针和顺时针旋转平整，刮抹间隔值可自行确定。最终达到电解质所要求的尺寸和理想平整效果。

把电解质平整滑板14转移出母模模具1的上端，并用电解质平整旋纽13固定。此时再手动气泵8向环形气囊7供气。环形气囊7内的空气量随之增加，使环形气囊7的高度平缓上升，气囊下板6与气囊上板5之间的间距平缓增加，这时也同步使母模模具1平缓升高，同时导致电解质腔体4中的粉料的上表面向母模模具1内沉入。电解质腔体4深度数字显示器11将同步显示腔体深度增加的轨迹。随着电解质粉料的上表面向母模模具1内沉入，将上公模模具2与母模模具1做同轴相聚。使上公模模具2的下端与电解质腔体4粉料的上表面接触，并一同沉入母模模具1中。停止气泵8向环形气囊7供气。

最后将整体电解质模具送到压机内。压力达到6MPa，将压制完的电解质片取出。电解质片的厚度可实现为0.2～0.3mm。经高温炉的1250～1500℃高温烧结，SOFC电解质的成品率仍高达90％以上。

实施例3本发明装置制得的电解质应用举例

1、制备的SDC(氧化铈掺杂氧化钐)型电解质，单电池的电学性能如下：

如图7所示，以SDC为电解质的SOFC单电池的横截面SEM(扫描电子显微镜)图像，SDC的厚度为307μm。在800℃的工作环境下单电池的输出功率达到319mW_*cm^-2。

如图9所示，SDC电解质的不同工作温度下(空气中800、750、700、650℃)交流阻抗谱分别是9、15、24和42Ωcm²。

2、制备的SDC/ND(氧化铈掺杂氧化钐添加金刚石粉)型电解质，单电池的电学性能如下：

如图8所示，以SDC/ND为电解质的SOFC单电池的横截面SEM图像，SDC/ND的厚度为292μm。在800℃的工作环境下单电池的输出功率达到762mW_*cm^-2。

如图10所示，SDC/ND电解质的不同工作温度下(空气中800、750、700、650℃)交流阻抗谱分别3、7、10和17Ωcm²。

Claims (4)

1.一种固体氧化物燃料电池电解质制备模具控制装置，结构包括电解质单轴模具，所述的电解质单轴模具，由圆筒形状的母模模具(1)、上公模模具(2)、下公模模具(3)组成，上公模模具(2)、下公模模具(3)均为圆柱和圆盘同轴构成的一个整体，其中的圆柱外径与母模模具(1)的内径相同，上公模模具(2)的圆柱下底面、下公模模具(3)的圆柱上底面与母模模具(1)内侧面围成的空间为电解质腔体(4)；其特征在于，结构还有电解质腔体深度驱动部分、电解质腔体深度控制部分；

所述的电解质腔体深度驱动部分，由在母模模具(1)下底面安装的圆环形的气囊上板(5)、在下公模模具(3)圆盘上面安装的圆环形的气囊下板(6)、在气囊上板(5)和气囊下板(6)之间安装的环形气囊(7)、装有气泵进气口(9)和气泵放气阀门(10)的气泵(8)构成，气泵(8)与环形气囊(7)用乳胶软管连接；母模模具(1)、下公模模具(3)、气囊上板(5)、气囊下板(6)、环形气囊(7)能够同轴线安装；

所述的电解质腔体深度控制部分，由电解质腔体深度传感器(15)和腔体深度数字显示器(11)构成，其中，电解质腔体深度传感器(15)安装在气囊上板(5)和气囊下板(6)之间，当气囊上板(5)和气囊下板(6)之间距离变化时，电解质腔体(4)的深度随之等距离变化，电解质腔体深度传感器(15)将气囊上板(5)和气囊下板(6)之间距离变化信息传递给腔体深度数字显示器(11)，腔体深度数字显示器(11)能够显示电解质腔体(4)深度的改变量。

2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电解质制备模具控制装置，其特征在于，结构还有粉体平整部分；所述的粉体平整部分，由电解质平整支杆(12)、电解质平整旋纽(13)、电解质平整滑板(14)构成；电解质平整支杆(12)在母模模具(1)外侧垂直于气囊上板(5)安装；电解质平整滑板(14)为中间半圆形的长平板，长平板一端有圆环能套装在电解质平整支杆(12)的上端，圆环的侧面沿圆环半径方向开有洞，洞内的螺旋与电解质平整旋纽(13)的外螺旋配合，能使电解质平整旋纽(13)旋进旋出。

3.根据权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池电解质制备模具控制装置，其特征在于，所述的电解质腔体深度传感器(15)，为容栅式直线位移传感器，主要结构有动栅、定栅和测量电路。

4.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池电解质制备模具控制装置，其特征在于，电解质平整滑板(14)的半圆形凹面的半径与母模模具(1)内半径之比为7～10:6.5。

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