[发明专利]一种固体氧化物燃料电池多层陶瓷结构体的烧结方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池的制备方法，具体而言，涉及固体氧化物燃料电池的多层陶瓷结构的烧结方法。

背景技术

燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的装置，具有转化效率高、排放污染少的特点。根据燃料电池电解质的不同，燃料电池具有多种不同的类型。固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称为SOFC)是一种全固态结构的燃料电池，其各部分都由陶瓷构成。典型的SOFC呈三明治结构，又称阳极-电解质-阴极(Anode-Electrolyte -Cathode)多层结构，主要由致密的固体氧化物电解质、多孔的阳极和阴极组成。SOFC通常在高温下运行，例如500℃～1000℃。

通常的陶瓷烧结方法主要包括以下几个过程：在较低温度下加热陶瓷生坯，使生坯中的有机粘合剂分解和挥发(这一过程称作脱胶或排胶)；脱胶完成后，将陶瓷生坯的温度升至对应材料所固有的起始烧结温度(Ts)，使其开始烧结，使温度持续升高直至生坯收缩率达到最高为止，此时的温度称为最终烧结温度(Te)；随后使烧结的陶瓷材料冷却，由此得到成型陶瓷。为了降低制备成本和分层带来的使用性能问题，通常会采用多层陶瓷共同烧结来制备整体SOFC或部分SOFC部件的工艺。为了提高电极的化学反应活性降低电池极化，有时会在电解质与电极之间加入电极功能层。但是，在共烧结过程中，由于各层的材料的化学和/或物理性质有所不同、每层陶瓷材料烧结的温度不同、在烧结过程中收缩的程度也不相同，因此多层陶瓷材料在共烧结过程中往往会产生严重的烧结变形、分层或开裂，这种变形不利于燃料电池的制备和电池后续的封装工作。

通常，在共烧结燃料电池的多层陶瓷部件生坯时，为了使烧结获得的陶瓷材料平整，需要在烧结过程中在陶瓷生坯表面设置承烧板(陶瓷压板)来增加压力。这种烧结方法有以下几种缺点：(1)陶瓷材料在未达到起始烧结温度时强度很低，在其表面施加压力，会阻碍陶瓷生坯收缩，从而产生裂纹；(2)陶瓷材料在未达到起始烧结温度时强度很低，在表面增加承烧板，会破坏陶瓷材料的表面，从而产生缺陷；(3)使用陶瓷压板加压会紧密覆盖陶瓷材料表面，因此会阻碍陶瓷材料的脱胶、延长陶瓷材料的脱胶时间，因而会提高能耗，降低效率。但是，如果不使用陶瓷压板加压，如上文所述，会导致烧结后陶瓷材料严重变形，以致不能使用。

S.H.Lee等在Key.Eng.Mat.321[8]264-268(2004)中，以及P.Z.Cai等在J.Am.Ceram.Soc.80[8]1929-39(1997)中都指出，电解质和阳极在高温共烧后发生严重形变，这主要由阳极基底厚度、制备时使用的浆料的性质、阳极与电解质间热匹配性和各层之间相互作用力决定。Paul Von Dollen等在J.Am.Ceram.Soc.88[12]3361-3368(2005)中进一步研究了阳极的预烧温度、阳极厚度以及浆料性质对共烧变形的影响。但是这些工作仅仅提供了一些研究方法和结论，并没有具体的解决固体氧化物燃料电池在共烧过程中多层结构陶瓷发生形变的问题。

葛晓东等人在专利《一种减少固体氧化物燃料电池电解质膜形变的方法》(CN100409478C)中使用预先制备的已烧结的YSZ(钇稳定的二氧化锆)片和已烧结的支撑体将未烧结的电解质膜夹在中间，再加压烧结电解质膜，由此可以获得表面无缺陷并且不发生形变的电解质-阳极共烧体。但是此专利仅仅解决了阳极-电解质双层结构的变形的问题，对于其它多层结构也没有讨论；而且该文献公开的方法是将各层分步烧结，并非共烧结，工序复杂；此专利文献中的阳极采用干压法制备，制备方法单一并且不适用大面积制备，不利于燃料电池的推广；此外，在该文献中，在电解质-阳极坯体上直接压有YSZ片，由于坯体未在低温下烧结，强度较差，表面容易被破坏，影响多层陶瓷的烧结成品率。

因此，需要开发出一种烧结多层陶瓷结构体的方法，使用该方法，能够节省能耗，提高生产效率，使获得的陶瓷材料完整无碎裂，平整无弯曲，表面无缺陷，无分层，良品率高。

发明内容

为了缩短脱胶时间短、简化工艺、提高产品合格率和降低生产成本，并得到表面无缺陷的平整的多层陶瓷用于制备燃料电池，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池的多层陶瓷结构体的烧结方法。

所述烧结方法主要包括以下步骤：

1)预烧结步骤，在该步骤中，使用第一压板对多层陶瓷生坯的表面施加第一压力或不对所述表面加压，在此状态下，加热使所述多层陶瓷生坯脱胶，随后，升温速率升温到预烧结最终温度，得到多层陶瓷预烧坯体；