CN117438626A - 一种固体氧化物燃料电池的电解质材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种固体氧化物燃料电池的电解质材料及其制备方法，其中固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法包括：将氧化锆与三氧化二钇进行混料、电熔，得到预制粉体；将乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇进行混合，得到预制溶液；将预制粉体与预制溶液进行混合，得到混合溶液；将混合溶液在等离子体火炬中进行喷涂，预制溶液经过高温处理后挥发，预制粉体经过高温处理后熔化为液滴，液滴冷却凝固后得到电解质材料。

Description

一种固体氧化物燃料电池的电解质材料及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池的电解质材料及其制备方法。
背景技术
对于固体氧化物燃料电池的电解质层而言，要求具有较好的致密性。对于制备电解质层的电解质材料（例如为YSZ）而言，传统制备方法是烧结、电熔、溶剂热法、化学法、沉淀法等。通过烧结制备得到的电解质材料容易出现以下问题：得到的电解质材料烧结不充分，微纳米尺寸很难形成或达到均一化。通过电熔、溶剂热法、化学法或沉淀法得到的电解质材料的制备工艺较为复杂。如何简化制备工艺，优化得到的电解质材料的成型尺寸是目前亟需解决的问题。
发明内容
为了解决或改善上述技术问题至少之一，本发明的一个目的在于提供一种固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法。
本发明的另一个目的在于提供一种固体氧化物燃料电池的电解质材料。
为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，包括：将氧化锆与三氧化二钇进行混料、电熔，得到预制粉体；将乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇进行混合，得到预制溶液；将预制粉体与预制溶液进行混合，得到混合溶液；将混合溶液在等离子体火炬中进行喷涂，预制溶液经过高温处理后挥发，预制粉体经过高温处理后熔化为液滴，液滴冷却凝固后得到电解质材料。
根据本发明提供的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法的技术方案，第一方面，制备方法简单；第二方面，优化了电解质材料的成型尺寸，可以满足微纳米尺寸以及均一化的要求。
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）属于第三代燃料电池，是一种能够在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效转化为电能的全固态化学发电装置。
具体而言，固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法的步骤包括：
第一步，将氧化锆与三氧化二钇进行混料、电熔，得到预制粉体。氧化锆的化学式为ZrO。氧化锆是自然界的矿物原料，主要有斜锆石和锆英石。三氧化二钇也称为氧化钇，化学式为Y2O3。可选地，氧化锆与三氧化二钇以以锆和钇的原子比为100：4的比例进行混合。可选地，将氧化锆与三氧化二钇通过混料机进行混料，得到混合物料。可选地，在混料过程中，混料机的转速为70r/min至90r/min ，混料机的转速优选为80r/min；混料时长为2h至10h；在混料过程中，环境温度设置为90℃至150℃。可选地，将混合物料通过电熔炉设备进行电熔，得到预制粉体。可选地，在电熔过程中，电熔炉设备的功率为32kW至37kW，温度为1700℃至1800℃，电熔时长为2h至10h。电熔炉设备的功率优选为35kW。本步骤的目的在于得到预制粉体，预制粉体为无机YSZ粉体。YSZ表示一类掺杂稀土元素钇的氧化锆，常常称作钇稳定氧化锆。
第二步，将乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇进行混合，得到预制溶液。乙醇是一种有机化合物，分子式为C2H6O。水是由氢和氧两种元素组成的无机物，化学式为H2O。乙基纤维素是一种高分子化合物，化学式为(C12H22O5)n，常温下是白色或淡褐色粉末。鱼油是一种从多脂鱼类中提取的油脂，富含二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸等多种n-3系多不饱和脂肪酸。异丙醇又名2-丙醇，是一种有机化合物，化学式为C3H8O。乙醇作为预制溶液的主要溶剂。水具有两个方面的作用，第一方面，水作为无机溶剂，与乙醇互溶；第二方面，作为分散剂，与无机YSZ粉体相互分散。乙基纤维素、鱼油以及异丙醇作为预制溶液的主要分散剂，能够使无机YSZ粉体长时间在乙醇溶液中悬浮而不分层。本步骤的目的在于得到预制溶液，预制溶液中一部分化学物质作为溶剂，另一部分化学物质作为分散剂。
第三步，将预制粉体与预制溶液进行混合，得到混合溶液。混合溶液包括预制粉体、乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇。乙醇作为有机溶剂。水作为无机溶剂，与乙醇互溶；还可以作为分散剂，与预制粉体相互分散。乙基纤维素、鱼油以及异丙醇作为分散剂，能够使预制粉体长时间在混合溶液中悬浮而不分层。
第四步，将混合溶液在等离子体火炬中进行喷涂，预制溶液经过高温处理后挥发，预制粉体经过高温处理后熔化为液滴，液滴冷却凝固后得到电解质材料。等离子体火炬（亦称等离子体发生器或等离子体加热系统）通过电弧来产生高温气体，可在氧化、还原或惰性环境下工作，为气化、裂解、反应、熔融和冶炼等各种功能的工业炉提供热源。等离子体火炬具有等离子体火焰，等离子体火焰的中心温度超过10000℃。混合溶液在保护气体以及辅助气体的氛围下向等离子体火炬的等离子体火焰进行喷涂。可选地，保护气为氩气和/或氮气。当保护气为氩气时，氩气的流量为40L/min至90L/min；当保护气为氮气时，氮气的流量为30L/min至60L/min。可选地，辅助气体为氧气，且氧气的流量为40L/min至60L/min。可选地，等离子体火炬的电压为60V至80V，电流为620A至670A。可选地，混合溶液的质量流速为250mg/min至300mg/min，压力为60MPa至100MPa。可选地，混合溶液的喷涂距离为50cm至60cm。混合溶液在喷涂过程中，预制溶液经过高温处理后挥发；预制粉体经过高温处理后熔化为液滴，液滴穿过高温区域冷却凝固后得到固体颗粒粉。收集固体颗粒粉，完成固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备。
本发明限定的技术方案中，第一方面，制备方法简单；第二方面，优化了电解质材料的成型尺寸，可以满足微纳米尺寸以及均一化的要求。
另外，本发明提供的上述技术方案还可以具有如下附加技术特征：
在上述技术方案中，将氧化锆与三氧化二钇进行混料、电熔，得到预制粉体，包括：将氧化锆与三氧化二钇通过混料机进行混料，得到混合物料；将混合物料通过电熔炉设备进行电熔，得到预制粉体。
在该技术方案中，制备预制粉体的具体步骤包括：
将氧化锆与三氧化二钇通过混料机进行混料，得到混合物料。氧化锆的化学式为ZrO。氧化锆是自然界的矿物原料，主要有斜锆石和锆英石。三氧化二钇也称为氧化钇，化学式为Y2O3。可选地，氧化锆与三氧化二钇以以锆和钇的原子比为100：4的比例进行混合。可选地，将氧化锆与三氧化二钇通过混料机进行混料，得到混合物料。可选地，在混料过程中，混料机的转速为70r/min至90r/min ，混料机的转速优选为80r/min；混料时长为2h至10h；在混料过程中，环境温度设置为90℃至150℃。通过混料机能够使氧化锆与三氧化二钇的混合更加充分。
将混合物料通过电熔炉设备进行电熔，得到预制粉体。可选地，在电熔过程中，电熔炉设备的功率为32kW至37kW，温度为1700℃至1800℃，电熔时长为2h至10h。电熔炉设备的功率优选为35kW。本步骤的目的在于得到预制粉体，预制粉体为无机YSZ粉体。YSZ表示一类掺杂稀土元素钇的氧化锆，常常称作钇稳定氧化锆。通过电熔炉设备进行电熔，确保制备出无机YSZ粉体。
在上述技术方案中，将氧化锆与三氧化二钇通过混料机进行混料，得到混合物料，具体为：将氧化锆与三氧化二钇以以锆和钇的原子比为100：4的比例进行混合，并通过混料机在第一温度阈值下以第一转速阈值运转第一时间阈值进行混料，得到混合物料。
在该技术方案中，通过控制氧化锆与三氧化二钇的混合比例，确定预制粉体成型后分子式的原子比，以制备出无机YSZ粉体。此外，通过控制混料时的温度、转速以及时间，确保氧化锆与三氧化二钇可以在适宜条件下进行充分混合。
在上述技术方案中，第一温度阈值为90℃至150℃。
在该技术方案中，通过将混料时的环境温度控制在90℃至150℃，确保氧化锆与三氧化二钇可以在适宜条件下进行充分混合。
在上述技术方案中，第一转速阈值为80r/min至150r/min。
在该技术方案中，通过将混料机的转速控制在80r/min至150r/min，一方面，可以避免混料机的转速过快，有利于控制能耗；另一方面，可以避免混料机的转速过慢，从而确保氧化锆与三氧化二钇可以在混料机的辅助下进行充分混合。
在上述技术方案中，第一时间阈值为2h至10h。
在该技术方案中，通过将混料时长控制在2h至10h，一方面，可以避免混料时长过短，从而确保氧化锆与三氧化二钇可以在混料机的辅助下进行充分混合；另一方面，可以避免混料时长过长，以提高整体制备效率。
在上述技术方案中，将混合物料通过电熔炉设备进行电熔，得到预制粉体，具体为：将混合物料通过电熔炉设备在第二温度阈值下以第一功率阈值运转第二时间阈值进行电熔，得到预制粉体。
在该技术方案中，通过在电熔时控制温度、功率以及时间，确保制备出无机YSZ粉体，以供后续步骤使用。精确控制电熔时的温度、功率以及时间还可以在一定程度上优化电解质材料的成型尺寸。
在上述技术方案中，第二温度阈值为1700℃至1800℃。
在该技术方案中，通过将电熔时的温度控制在1700℃至1800℃，一方面，可以避免温度过高，有利于控制能耗；另一方面，可以避免温度过低，从而确保电熔后制备出无机YSZ粉体。
在上述技术方案中，第一功率阈值为32kW至37kW。
在该技术方案中，通过控制第一功率阈值的大小，一方面，有利于控制能耗；另一方面，可以确保电熔后制备出无机YSZ粉体。第一功率阈值优选为35kW。
在上述技术方案中，第二时间阈值为2h至10h。
在该技术方案中，通过将电熔时长控制在2h至10h，一方面，可以避免电熔时长过短，确保电熔后制备出无机YSZ粉体；另一方面，可以避免电熔时长过长，以提高整体制备效率。
在上述技术方案中，将乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇进行混合，得到预制溶液，具体为：将乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇以质量比为（92~95）：（4~6）：（0.7~1.3）：（0.6~1.0）：（0.1~0.3）的比例进行混合，得到预制溶液。优选地，乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇以质量比为（92~95）：（4~6）：1：（0.6~1.0）：（0.1~0.3）。
在该技术方案中，通过将乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇按照一定的质量比进行混合，确保预制溶液中的溶剂与分散剂比例适当，预制粉体长时间在混合溶液中悬浮而不分层。可选地，乙醇在预制溶液中质量百分比为93wt%；水在预制溶液中质量百分比为5wt%；乙基纤维素在预制溶液中质量百分比为1wt%；鱼油在预制溶液中质量百分比为0.8wt%；异丙醇在预制溶液中质量百分比为0.2wt%。乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇之间的质量比优选为93：5：1：0.8：0.2。
在上述技术方案中，将混合溶液在等离子体火炬中进行喷涂，预制溶液经过高温处理后挥发，预制粉体经过高温处理后熔化为液滴，液滴冷却凝固后得到电解质材料，具体为：通过等离子体火炬对混合溶液进行高温处理，混合溶液在保护气体以及辅助气体的氛围下向等离子体火炬的等离子体火焰进行喷涂，预制溶液经过高温处理后挥发，预制粉体经过高温处理后熔化为液滴，液滴冷却凝固后得到电解质材料。
在该技术方案中，通过设置保护气体以及辅助气体，可以在很大程度上确保所制备的电解质材料的纯净程度。
在上述技术方案中，保护气体为氩气。
在该技术方案中，氩气作为惰性气体，不会与预制溶液或预制粉体发生化学反应，以确保所制备的电解质材料的纯净程度。
在上述技术方案中，氩气的流量为40L/min至90L/min。
在该技术方案中，通过控制氩气的流量，一方面，可以避免保护气体的流量过低，使保护气体具备足够大的流量，以确保所制备的电解质材料的纯净程度；另一方面，可以避免保护气体的流量过大，有利于控制能耗。
在上述技术方案中，保护气体为氮气。
在该技术方案中，氮气作为惰性气体，不会与预制溶液或预制粉体发生化学反应，以确保所制备的电解质材料的纯净程度。
在上述技术方案中，氮气的流量为30L/min至60L/min。
在该技术方案中，通过控制氮气的流量，一方面，可以避免保护气体的流量过低，使保护气体具备足够大的流量，以确保所制备的电解质材料的纯净程度；另一方面，可以避免保护气体的流量过大，有利于控制能耗。
在上述技术方案中，辅助气体为氧气。
在该技术方案中，通过将辅助气体设置为氧气，一方面，起到助燃的作用；另一方面，还可以控制流体的流动方向，在一定程度上起到导向的作用。
在上述技术方案中，氧气的流量为40L/min至60L/min。
在该技术方案中，通过控制氧气的流量，一方面，辅助气体的流量不会过低，确保助燃效果以及导向效果；另一方面，辅助气体的流量不会过高，有利于控制能耗。
在上述技术方案中，等离子体火炬的电压为60V至80V；和/或等离子体火炬的电流为620A至670A。
在该技术方案中，通过控制等离子体火炬的电压，一方面，等离子体火炬的电压不会过低，确保等离子体火焰的中心温度；另一方面，等离子体火炬的电压不会过高，有利于控制能耗。
通过控制等离子体火炬的电流，一方面，等离子体火炬的电流不会过低，确保等离子体火焰的中心温度；另一方面，等离子体火炬的电流不会过高，有利于控制能耗。
在上述技术方案中，混合溶液的喷涂距离为50cm至60cm。
在该技术方案中，通过控制混合溶液的喷涂距离，一方面，混合溶液的喷涂距离不会过短，确保单位时间内混合溶液的喷涂量，以提高制备效率；另一方面，混合溶液的喷涂距离不会过长，以确保所制备的电解质材料的成型尺寸。
本发明第二方面提供了一种固体氧化物燃料电池的电解质材料，通过上述任一技术方案中的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法制作而成。
根据本发明的固体氧化物燃料电池的电解质材料的技术方案，固体氧化物燃料电池的电解质材料通过上述任一技术方案中的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法制作而成。通过本发明的制备方法所制备的电解质材料成型尺寸较为统一，满足微纳米尺寸以及均一化的要求。
本发明的技术方案的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施例的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法的第一流程图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法的第二流程图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法的第三流程图。
图4示出了本发明实施例1中制备得到的固体氧化物燃料电池的电解质材料的微观结构图。
图5示出了本发明实施例2中制备得到的固体氧化物燃料电池的电解质材料的微观结构图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明的实施例进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本发明的实施例还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。
下面参照图1至图3描述根据本发明一些实施例提供的固体氧化物燃料电池的电解质材料及其制备方法。
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）属于第三代燃料电池，是一种能够在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效转化为电能的全固态化学发电装置。
在根据本发明的一个实施例中，如图1所示，固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法的步骤包括：
S102，将氧化锆与三氧化二钇进行混料、电熔，得到预制粉体。氧化锆的化学式为ZrO。氧化锆是自然界的矿物原料，主要有斜锆石和锆英石。三氧化二钇也称为氧化钇，化学式为Y2O3。可选地，氧化锆与三氧化二钇以以锆和钇的原子比为100：4的比例进行混合。可选地，将氧化锆与三氧化二钇通过混料机进行混料，得到混合物料。可选地，在混料过程中，混料机的转速为70r/min至90r/min，混料机的转速优选为80r/min；混料时长为2h至10h；在混料过程中，环境温度设置为90℃至150℃。可选地，将混合物料通过电熔炉设备进行电熔，得到预制粉体。可选地，在电熔过程中，电熔炉设备的功率为32kW至37kW，温度为1700℃至1800℃，电熔时长为2h至10h。电熔炉设备的功率优选为35kW。本步骤的目的在于得到预制粉体，预制粉体为无机YSZ粉体。YSZ表示一类掺杂稀土元素钇的氧化锆，常常称作钇稳定氧化锆。
S104，将乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇进行混合，得到预制溶液。乙醇是一种有机化合物，分子式为C2H6O。水是由氢和氧两种元素组成的无机物，化学式为H2O。乙基纤维素是一种高分子化合物，化学式为(C12H22O5)n，常温下是白色或淡褐色粉末。鱼油是一种从多脂鱼类中提取的油脂，富含二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸等多种n-3系多不饱和脂肪酸。异丙醇又名2-丙醇，是一种有机化合物，化学式为C3H8O。乙醇作为预制溶液的主要溶剂。水具有两个方面的作用，第一方面，水作为无机溶剂，与乙醇互溶；第二方面，作为分散剂，与无机YSZ粉体相互分散。乙基纤维素、鱼油以及异丙醇作为预制溶液的主要分散剂，能够使无机YSZ粉体长时间在乙醇溶液中悬浮而不分层。本步骤的目的在于得到预制溶液，预制溶液中一部分化学物质作为溶剂，另一部分化学物质作为分散剂。
S106，将预制粉体与预制溶液进行混合，得到混合溶液。混合溶液包括预制粉体、乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇。乙醇作为有机溶剂。水作为无机溶剂，与乙醇互溶；还可以作为分散剂，与预制粉体相互分散。乙基纤维素、鱼油以及异丙醇作为分散剂，能够使预制粉体长时间在混合溶液中悬浮而不分层。
S108，将混合溶液在等离子体火炬中进行喷涂，预制溶液经过高温处理后挥发，预制粉体经过高温处理后熔化为液滴，液滴冷却凝固后得到电解质材料。等离子体火炬（亦称等离子体发生器或等离子体加热系统）通过电弧来产生高温气体，可在氧化、还原或惰性环境下工作，为气化、裂解、反应、熔融和冶炼等各种功能的工业炉提供热源。等离子体火炬具有等离子体火焰，等离子体火焰的中心温度超过10000℃。混合溶液在保护气体以及辅助气体的氛围下向等离子体火炬的等离子体火焰进行喷涂。可选地，保护气为氩气和/或氮气。当保护气为氩气时，氩气的流量为40L/min至90L/min；当保护气为氮气时，氮气的流量为30L/min至60L/min。可选地，辅助气体为氧气，且氧气的流量为40L/min至60L/min。可选地，等离子体火炬的电压为60V至80V，电流为620A至670A。可选地，混合溶液的质量流速为250mg/min至300mg/min，压力为60MPa至100MPa。可选地，混合溶液的喷涂距离为50cm至60cm。混合溶液在喷涂过程中，预制溶液经过高温处理后挥发；预制粉体经过高温处理后熔化为液滴，液滴穿过高温区域冷却凝固后得到固体颗粒粉。收集固体颗粒粉，完成固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备。
相关技术中，在烧结、电沉积等技术中，由于颗粒尺寸分布不均匀以及烧结温度或电沉积温度低，得到的电解质材料烧结不充分，微纳米尺寸很难形成或达到均一化。
本发明限定的技术方案中，第一方面，制备方法简单；第二方面，优化了电解质材料的成型尺寸，可以满足微纳米尺寸以及均一化的要求。
在根据本发明的一个实施例中，如图2所示，固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法的步骤包括：
S202，将氧化锆与三氧化二钇通过混料机进行混料，得到混合物料。氧化锆的化学式为ZrO。氧化锆是自然界的矿物原料，主要有斜锆石和锆英石。三氧化二钇也称为氧化钇，化学式为Y2O3。可选地，氧化锆与三氧化二钇以以锆和钇的原子比为100：4的比例进行混合。可选地，将氧化锆与三氧化二钇通过混料机进行混料，得到混合物料。可选地，在混料过程中，混料机的转速为70r/min至90r/min，混料机的转速优选为80r/min；混料时长为2h至10h；在混料过程中，环境温度设置为90℃至150℃。通过混料机能够使氧化锆与三氧化二钇的混合更加充分。
S204，将混合物料通过电熔炉设备进行电熔，得到预制粉体。可选地，在电熔过程中，电熔炉设备的功率为32kW至37kW，温度为1700℃至1800℃，电熔时长为2h至10h。电熔炉设备的功率优选为35kW。本步骤的目的在于得到预制粉体，预制粉体为无机YSZ粉体。YSZ表示一类掺杂稀土元素钇的氧化锆，常常称作钇稳定氧化锆。通过电熔炉设备进行电熔，确保制备出无机YSZ粉体。
S206，将乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇进行混合，得到预制溶液。乙醇是一种有机化合物，分子式为C2H6O。水是由氢和氧两种元素组成的无机物，化学式为H2O。乙基纤维素是一种高分子化合物，化学式为(C12H22O5)n，常温下是白色或淡褐色粉末。鱼油是一种从多脂鱼类中提取的油脂，富含二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸等多种n-3系多不饱和脂肪酸。异丙醇又名2-丙醇，是一种有机化合物，化学式为C3H8O。乙醇作为预制溶液的主要溶剂。水具有两个方面的作用，第一方面，水作为无机溶剂，与乙醇互溶；第二方面，作为分散剂，与无机YSZ粉体相互分散。乙基纤维素、鱼油以及异丙醇作为预制溶液的主要分散剂，能够使无机YSZ粉体长时间在乙醇溶液中悬浮而不分层。本步骤的目的在于得到预制溶液，预制溶液中一部分化学物质作为溶剂，另一部分化学物质作为分散剂。
S208，将预制粉体与预制溶液进行混合，得到混合溶液。混合溶液包括预制粉体、乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇。乙醇作为有机溶剂。水作为无机溶剂，与乙醇互溶；还可以作为分散剂，与预制粉体相互分散。乙基纤维素、鱼油以及异丙醇作为分散剂，能够使预制粉体长时间在混合溶液中悬浮而不分层。
S210，将混合溶液在等离子体火炬中进行喷涂，预制溶液经过高温处理后挥发，预制粉体经过高温处理后熔化为液滴，液滴冷却凝固后得到电解质材料。等离子体火炬（亦称等离子体发生器或等离子体加热系统）通过电弧来产生高温气体，可在氧化、还原或惰性环境下工作，为气化、裂解、反应、熔融和冶炼等各种功能的工业炉提供热源。等离子体火炬具有等离子体火焰，等离子体火焰的中心温度超过10000℃。混合溶液在保护气体以及辅助气体的氛围下向等离子体火炬的等离子体火焰进行喷涂。可选地，保护气为氩气和/或氮气。当保护气为氩气时，氩气的流量为40L/min至90L/min；当保护气为氮气时，氮气的流量为30L/min至60L/min。可选地，辅助气体为氧气，且氧气的流量为40L/min至60L/min。可选地，等离子体火炬的电压为60V至80V，电流为620A至670A。可选地，混合溶液的质量流速为250mg/min至300mg/min，压力为60MPa至100MPa。可选地，混合溶液的喷涂距离为50cm至60cm。混合溶液在喷涂过程中，预制溶液经过高温处理后挥发；预制粉体经过高温处理后熔化为液滴，液滴穿过高温区域冷却凝固后得到固体颗粒粉。收集固体颗粒粉，完成固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备。
在根据本发明的一个实施例中，如图3所示，固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法的步骤包括：
S302，将氧化锆与三氧化二钇以以锆和钇的原子比为100：4的比例进行混合，并通过混料机在第一温度阈值下以第一转速阈值运转第一时间阈值进行混料，得到混合物料。氧化锆的化学式为ZrO。氧化锆是自然界的矿物原料，主要有斜锆石和锆英石。三氧化二钇也称为氧化钇，化学式为Y2O3。可选地，氧化锆与三氧化二钇以以锆和钇的原子比为100：4的比例进行混合。可选地，将氧化锆与三氧化二钇通过混料机进行混料，得到混合物料。可选地，在混料过程中，混料机的转速为70r/min至90r/min，混料机的转速优选为80r/min；混料时长为2h至10h；在混料过程中，环境温度设置为90℃至150℃。通过混料机能够使氧化锆与三氧化二钇的混合更加充分。通过控制氧化锆与三氧化二钇的混合比例，确定预制粉体成型后分子式的以锆和钇的原子比，以制备出无机YSZ粉体。此外，通过控制混料时的温度、转速以及时间，确保氧化锆与三氧化二钇可以在适宜条件下进行充分混合。
S304，将混合物料通过电熔炉设备在第二温度阈值下以第一功率阈值运转第二时间阈值进行电熔，得到预制粉体。可选地，在电熔过程中，电熔炉设备的功率为32kW至37kW，温度为1700℃至1800℃，电熔时长为2h至10h。电熔炉设备的功率优选为35kW。本步骤的目的在于得到预制粉体，预制粉体为无机YSZ粉体。YSZ表示一类掺杂稀土元素钇的氧化锆，常常称作钇稳定氧化锆。通过在电熔时控制温度、功率以及时间，确保制备出无机YSZ粉体，以供后续步骤使用。精确控制电熔时的温度、功率以及时间还可以在一定程度上优化电解质材料的成型尺寸。
S306，将乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇以质量比为（92~95）：（4~6）：（0.7~1.3）：（0.6~1.0）：（0.1~0.3）的比例进行混合，得到预制溶液。优选地，乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇以质量比为（92~95）：（4~6）：1：（0.6~1.0）：（0.1~0.3）。乙醇是一种有机化合物，分子式为C2H6O。水是由氢和氧两种元素组成的无机物，化学式为H2O。乙基纤维素是一种高分子化合物，化学式为(C12H22O5)n，常温下是白色或淡褐色粉末。鱼油是一种从多脂鱼类中提取的油脂，富含二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸等多种n-3系多不饱和脂肪酸。异丙醇又名2-丙醇，是一种有机化合物，化学式为C3H8O。乙醇作为预制溶液的主要溶剂。水具有两个方面的作用，第一方面，水作为无机溶剂，与乙醇互溶；第二方面，作为分散剂，与无机YSZ粉体相互分散。乙基纤维素、鱼油以及异丙醇作为预制溶液的主要分散剂，能够使无机YSZ粉体长时间在乙醇溶液中悬浮而不分层。本步骤的目的在于得到预制溶液，预制溶液中一部分化学物质作为溶剂，另一部分化学物质作为分散剂。通过将乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇按照一定的质量比进行混合，确保预制溶液中的溶剂与分散剂比例适当，预制粉体长时间在混合溶液中悬浮而不分层。可选地，乙醇在预制溶液中质量百分比为93wt%；水在预制溶液中质量百分比为5wt%；乙基纤维素在预制溶液中质量百分比为1wt%；鱼油在预制溶液中质量百分比为0.8wt%；异丙醇在预制溶液中质量百分比为0.2wt%。乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇之间的质量比优选为93：5：1：0.8：0.2。
S308，将预制粉体与预制溶液进行混合，得到混合溶液。混合溶液包括预制粉体、乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇。乙醇作为有机溶剂。水作为无机溶剂，与乙醇互溶；还可以作为分散剂，与预制粉体相互分散。乙基纤维素、鱼油以及异丙醇作为分散剂，能够使预制粉体长时间在混合溶液中悬浮而不分层。
S310，通过等离子体火炬对混合溶液进行高温处理，混合溶液在保护气体以及辅助气体的氛围下向等离子体火炬的等离子体火焰进行喷涂，预制溶液经过高温处理后挥发，预制粉体经过高温处理后熔化为液滴，液滴冷却凝固后得到电解质材料。等离子体火炬（亦称等离子体发生器或等离子体加热系统）通过电弧来产生高温气体，可在氧化、还原或惰性环境下工作，为气化、裂解、反应、熔融和冶炼等各种功能的工业炉提供热源。等离子体火炬具有等离子体火焰，等离子体火焰的中心温度超过10000℃。混合溶液在保护气体以及辅助气体的氛围下向等离子体火炬的等离子体火焰进行喷涂。可选地，保护气为氩气和/或氮气。当保护气为氩气时，氩气的流量为40L/min至90L/min；当保护气为氮气时，氮气的流量为30L/min至60L/min。可选地，辅助气体为氧气，且氧气的流量为40L/min至60L/min。通过设置保护气体以及辅助气体，可以在很大程度上确保所制备的电解质材料的纯净程度。可选地，等离子体火炬的电压为60V至80V，电流为620A至670A。可选地，混合溶液的质量流速为250mg/min至300mg/min，压力为60MPa至100MPa。可选地，混合溶液的喷涂距离为50cm至60cm。混合溶液在喷涂过程中，预制溶液经过高温处理后挥发；预制粉体经过高温处理后熔化为液滴，液滴穿过高温区域冷却凝固后得到固体颗粒粉。收集固体颗粒粉，完成固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备。
在另一个实施例中，第一温度阈值为90℃至150℃。通过将混料时的环境温度控制在90℃至150℃，确保氧化锆与三氧化二钇可以在适宜条件下进行充分混合。
在另一个实施例中，第一转速阈值为80r/min至150r/min。通过将混料机的转速控制在80r/min至150r/min，一方面，可以避免混料机的转速过快，有利于控制能耗；另一方面，可以避免混料机的转速过慢，从而确保氧化锆与三氧化二钇可以在混料机的辅助下进行充分混合。
在另一个实施例中，第一时间阈值为2h至10h。通过将混料时长控制在2h至10h，一方面，可以避免混料时长过短，从而确保氧化锆与三氧化二钇可以在混料机的辅助下进行充分混合；另一方面，可以避免混料时长过长，以提高整体制备效率。
在另一个实施例中，第二温度阈值为1700℃至1800℃。通过将电熔时的温度控制在1700℃至1800℃，一方面，可以避免温度过高，有利于控制能耗；另一方面，可以避免温度过低，从而确保电熔后制备出无机YSZ粉体。
在另一个实施例中，第一功率阈值为32kW至37kW。通过控制第一功率阈值的大小，一方面，有利于控制能耗；另一方面，可以确保电熔后制备出无机YSZ粉体。第一功率阈值优选为35kW。
在另一个实施例中，第二时间阈值为2h至10h。通过将电熔时长控制在2h至10h，一方面，可以避免电熔时长过短，确保电熔后制备出无机YSZ粉体；另一方面，可以避免电熔时长过长，以提高整体制备效率。
在另一个实施例中，保护气体为氩气。氩气作为惰性气体，不会与预制溶液或预制粉体发生化学反应，以确保所制备的电解质材料的纯净程度。
可选地，氩气的流量为40L/min至90L/min。通过控制氩气的流量，一方面，可以避免保护气体的流量过低，使保护气体具备足够大的流量，以确保所制备的电解质材料的纯净程度；另一方面，可以避免保护气体的流量过大，有利于控制能耗。
在另一个实施例中，保护气体为氮气。氮气作为惰性气体，不会与预制溶液或预制粉体发生化学反应，以确保所制备的电解质材料的纯净程度。
可选地，氮气的流量为30L/min至60L/min。通过控制氮气的流量，一方面，可以避免保护气体的流量过低，使保护气体具备足够大的流量，以确保所制备的电解质材料的纯净程度；另一方面，可以避免保护气体的流量过大，有利于控制能耗。
在另一个实施例中，辅助气体为氧气。通过将辅助气体设置为氧气，一方面，起到助燃的作用；另一方面，还可以控制流体的流动方向，在一定程度上起到导向的作用。
可选地，氧气的流量为40L/min至60L/min。通过控制氧气的流量，一方面，辅助气体的流量不会过低，确保助燃效果以及导向效果；另一方面，辅助气体的流量不会过高，有利于控制能耗。
在另一个实施例中，等离子体火炬的电压为60V至80V。通过控制等离子体火炬的电压，一方面，等离子体火炬的电压不会过低，确保等离子体火焰的中心温度；另一方面，等离子体火炬的电压不会过高，有利于控制能耗。
在另一个实施例中，等离子体火炬的电流为620A至670A。通过控制等离子体火炬的电流，一方面，等离子体火炬的电流不会过低，确保等离子体火焰的中心温度；另一方面，等离子体火炬的电流不会过高，有利于控制能耗。
在另一个实施例中，混合溶液的喷涂距离为50cm至60cm。通过控制混合溶液的喷涂距离，一方面，混合溶液的喷涂距离不会过短，确保单位时间内混合溶液的喷涂量，以提高制备效率；另一方面，混合溶液的喷涂距离不会过长，以确保所制备的电解质材料的成型尺寸。
在根据本发明的一个实施例中，固体氧化物燃料电池的电解质材料通过上述任一实施例中的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法制作而成。通过本发明的制备方法所制备的电解质材料成型尺寸较为统一，满足微纳米尺寸以及均一化的要求。
实施例1
一种固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将氧化锆与三氧化二钇以以锆和钇的原子比为100：4的比例进行混合，并通过混料机在150℃下以80r/min转速进行混料6h，得到混合物料；
S2：将步骤S1得到的混合物料通过电熔炉设备在1700℃至1800℃下以功率为35kW进行电熔6h，得到预制粉体；
S3：将乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇以质量比为93：5：1：0.8：0.2的比例进行混合，得到预制溶液；其中，乙醇在预制溶液中质量百分比为93wt%；水在预制溶液中质量百分比为5wt%；乙基纤维素在预制溶液中质量百分比为1wt%；鱼油在预制溶液中质量百分比为0.8wt%；异丙醇在预制溶液中质量百分比为0.2wt%；
S4：将预制粉体与预制溶液进行混合，得到混合溶液。混合溶液包括预制粉体、乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇；
S5：通过等离子体火炬对混合溶液进行高温处理，混合溶液在保护气体以及辅助气体的氛围下向等离子体火炬的等离子体火焰进行喷涂到空气中，预制溶液经过高温处理后挥发，预制粉体经过高温处理后熔化为液滴，液滴冷却凝固后得到电解质材料；其中，等离子体火焰的中心温度超过10000℃；保护气为氩气，流量为40L/min至90L/min；辅助气体为氧气，且氧气的流量为40L/min至60L/min；等离子体火炬的电压为60V至80V，电流为620A至670A；混合溶液的质量流速为250mg/min，压力为60MPa至100MPa；混合溶液的喷涂距离为50cm。
如图4所示，本实施例制备得到的电解质材料的颗粒粒径为~0.2微米；该电解质材料的YSZ材料，满足均一化要求。
实施例2
一种固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将氧化锆与三氧化二钇以以锆和钇的原子比为100：4的比例进行混合，并通过混料机在100℃下以80r/min转速进行混料6h，得到混合物料；
S2：将步骤S1得到的混合物料通过电熔炉设备在1700℃至1800℃下以功率为35kW进行电熔6h，得到预制粉体；
S3：将乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇以质量比为93：5：1：0.8：0.2的比例进行混合，得到预制溶液；其中，乙醇在预制溶液中质量百分比为93wt%；水在预制溶液中质量百分比为5wt%；乙基纤维素在预制溶液中质量百分比为1wt%；鱼油在预制溶液中质量百分比为0.8wt%；异丙醇在预制溶液中质量百分比为0.2wt%；
S4：将预制粉体与预制溶液进行混合，得到混合溶液；混合溶液包括预制粉体、乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇；
S5：通过等离子体火炬对混合溶液进行高温处理，混合溶液在保护气体以及辅助气体的氛围下向等离子体火炬的等离子体火焰进行喷涂到空气中，预制溶液经过高温处理后挥发，预制粉体经过高温处理后熔化为液滴，液滴冷却凝固后得到电解质材料；其中，等离子体火焰的中心温度超过10000℃；保护气为氩气，流量为40L/min至90L/min；辅助气体为氧气，且氧气的流量为40L/min至60L/min；等离子体火炬的电压为60V至80V，电流为620A至670A；混合溶液的质量流速为300mg/min，压力为60MPa至100MPa；混合溶液的喷涂距离为60cm。
如图5所示，本实施例制备得到的电解质材料的颗粒粒径为~1.1微米；该电解质材料的YSZ材料，满足均一化的要求。
性能测试
对实施例1-2中制备得到的电解质材料进行性能测试。
实施例1制备的YSZ粉体的电导率测试结果为0.08 S/cm，YSZ粉体的尺寸约0.2微米。实施例2制备的YSZ粉体的电导率测试结果为0.09 S/cm，YSZ粉体的尺寸约1微米。
根据本发明的固体氧化物燃料电池的电解质材料及其制备方法的实施例，第一方面，制备方法简单；第二方面，优化了电解质材料的成型尺寸，可以满足微纳米尺寸以及均一化的要求。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，包括：
将氧化锆与三氧化二钇进行混料、电熔，得到预制粉体；
将乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇进行混合，得到预制溶液；
将所述预制粉体与所述预制溶液进行混合，得到混合溶液；
将所述混合溶液在等离子体火炬中进行喷涂，所述预制溶液经过高温处理后挥发，所述预制粉体经过高温处理后熔化为液滴，所述液滴冷却凝固后得到电解质材料。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述将氧化锆与三氧化二钇进行混料、电熔，得到预制粉体，包括：
将所述氧化锆与所述三氧化二钇通过混料机进行混料，得到混合物料；
将所述混合物料通过电熔炉设备进行电熔，得到所述预制粉体。
3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述将所述氧化锆与所述三氧化二钇通过混料机进行混料，得到混合物料，具体为：
将所述氧化锆与所述三氧化二钇以锆和钇的原子比为100：4的比例进行混合，并通过所述混料机在第一温度阈值下以第一转速阈值运转第一时间阈值进行混料，得到所述混合物料。
4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述第一温度阈值为90℃至150℃。
5.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述第一转速阈值为80r/min至150r/min。
6.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述第一时间阈值为2h至10h。
7.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述将所述混合物料通过电熔炉设备进行电熔，得到所述预制粉体，具体为：
将所述混合物料通过所述电熔炉设备在第二温度阈值下以第一功率阈值运转第二时间阈值进行电熔，得到所述预制粉体。
8.根据权利要求7所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述第二温度阈值为1700℃至1800℃。
9.根据权利要求7所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述第一功率阈值为32kW至37kW。
10.根据权利要求7所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述第二时间阈值为2h至10h。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述将乙醇、水、乙基纤维素、鱼油以及异丙醇进行混合，得到预制溶液，具体为：
将所述乙醇、所述水、所述乙基纤维素、所述鱼油以及所述异丙醇以质量比为（92~95）：（4~6）：（0.7~1.3）：（0.6~1.0）：（0.1~0.3）的比例进行混合，得到所述预制溶液。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述将所述混合溶液在等离子体火炬中进行喷涂，所述预制溶液经过高温处理后挥发，所述预制粉体经过高温处理后熔化为液滴，所述液滴冷却凝固后得到电解质材料，具体为：
通过所述等离子体火炬对所述混合溶液进行高温处理，所述混合溶液在保护气体以及辅助气体的氛围下向所述等离子体火炬的等离子体火焰进行喷涂，所述预制溶液经过高温处理后挥发，所述预制粉体经过高温处理后熔化为所述液滴，所述液滴冷却凝固后得到所述电解质材料。
13.根据权利要求12所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述保护气体为氩气。
14.根据权利要求13所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述氩气的流量为40L/min至90L/min。
15.根据权利要求12所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述保护气体为氮气。
16.根据权利要求15所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述氮气的流量为30L/min至60L/min。
17.根据权利要求12所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述辅助气体为氧气；和/或，所述氧气的流量为40L/min至60L/min。
18.根据权利要求12所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述等离子体火炬的电压为60V至80V；和/或所述等离子体火炬的电流为620A至670A。
19.根据权利要求12所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法，其特征在于，所述混合溶液的喷涂距离为50cm至60cm。
20.一种固体氧化物燃料电池的电解质材料，其特征在于，通过如权利要求1至19中任一项所述的固体氧化物燃料电池的电解质材料的制备方法制作而成。
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