一种固体氧化物燃料电池用金属支撑的多次烧结装置及其烧结方法与流程

本发明涉及固体氧化物燃料电池，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池用金属支撑的多次烧结装置及其烧结方法。

背景技术：

1、与其他燃料电池技术相比，sofc工作温度高，需要较长时间才能达到临界工作温度并发挥供能作用，启动时间较长。sofc的高温运行会对周围产生很大影响，因此需要良好热屏蔽，导致系统质量增加，这是sofc在便携领域和应急电源领域份额较低的主要原因；

2、而新一代金属支撑型sofc（metal-supportedsofc，ms-sofc）有望能较好地解决此类问题；与传统结构的sofc相比，ms-sofc具有以下优点：成熟的焊接技术使得电池堆易于密封；良好的机械性能使得电堆具有更好的抗热震特性；优异的热传导性能使得电堆具有高的启停速率；更为紧凑的体积和更低的制造成本。

3、金属支撑sofc（ms-sofc）虽然相比于电解质支撑sofc和电极支撑sofc具有更低廉的成本、更快的启动速度、更高的机械强度、更简单的密封方法，但电池的制备问题一直极大的制约着ms-sofc的发展。传统电池成熟的湿化学制备方法应用到ms-sofc制备上时，会因为金属支撑体自身的特性出现许多问题；比如金属支撑体尤其是fe基金属材料在烧结过程中由于高温和空气气氛下时会被氧化，破坏其结构，因此需要保持还原气氛；还原气氛下，阳极活性层中的ni在高温条件下会出现粗化和团聚的问题，还会与支撑体中元素相互扩散，降低支撑体和阳极材料性能；还原气氛对阴极材料也提出了更高的要求，传统阴极材料如lsm等在还原气氛下会被分解；且烧结过程中，由于加热棒分布在烧结炉的侧壁内部，升温过程难以保持金属支撑体受热均匀，烧结完成后，金属支撑体自然时间过长，且造成热量浪费。

4、ms-sofc的主要制备方法是制备金属支撑体后，在其表面采用等离子喷涂、脉冲激光沉积、磁控溅射、物理气相沉积等薄膜制备方法沉积阳极活性层、电解质层和阴极活性层；这些薄膜制备方法可以较低温度制备较薄的致密电解质层，避免了传统制备工艺所需高温烧结引起的各种制备问题；然而，这些制备成型方法操作复杂，成本较高，不利于大规模生产。

5、因此，有必要提供一种新的固体氧化物燃料电池用金属支撑的多次烧结装置及其烧结方法解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是提供一种廉价且简单、易于实现大规模生产的固体氧化物燃料电池用金属支撑的多次烧结装置及其烧结方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的固体氧化物燃料电池用金属支撑的多次烧结装置包括：烧结炉，所述烧结炉的内部对称安装隔板，所述隔板与所述烧结炉之间、所述烧结炉的底端内部均安装多个加热棒；所述烧结炉的顶端安装用于带动气体在所述烧结炉内部循环运动的抽气机构，所述抽气机构包括筒体，所述烧结炉的顶面居中处安装多个筒体，所述筒体的内部转动连接固定轴和扇叶，且所述固定轴的两端分别连接所述扇叶和电机；所述筒体通过第二固定管连通吸筒的内部，所述吸筒的内部安装内部呈漏斗形的固定块和喷头，所述喷头连接所述第二固定管，所述固定块的内部设有环形的凹槽，所述凹槽的内部连通侧壁呈“l”形的吸管，且所述吸管的底端连通所述烧结炉的内部；所述烧结炉的底端安装带动气体运动的驱动机构，且所述烧结炉的侧壁对称安装干燥箱；所述干燥箱和所述烧结炉的内部通过连接机构连通所述抽气机构，且所述烧结炉的内部安装用于加快所述烧结炉内部散热效率的散热机构。

3、优选的，所述连接机构包括总管，所述烧结炉的顶面边缘处对称安装所述总管，所述总管的侧壁安装多根第二连接管，所述第二连接管的底端位于所述隔板与所述烧结炉之间。

4、优选的，所述总管的侧壁安装多根第一连接管，所述第一连接管的侧壁安装流量控制阀，且所述第一连接管的底端连通所述干燥箱的内部。

5、优选的，所述干燥箱的内部安装多个安装架，且所述干燥箱的底端安装所述排气管。

6、优选的，所述吸筒的一端固定连接第一固定管，且所述第一固定管的一端固定连接所述总管。

7、优选的，所述散热机构包括风机，所述干燥箱的表面安装所述风机，所述风机连接散热管；所述散热管固定于所述烧结炉的顶端，所述散热管的侧壁倾斜安装多根喷管，且所述喷管的底端位于所述隔板与所述烧结炉之间。

8、优选的，所述驱动机构包括第一安装管和第二安装管，所述隔板的底端安装多根第二安装管，所述第二安装管的侧壁垂直安装第一安装管；所述第二安装管的一端安装卡块，所述第一安装管的一端、所述卡块的内部均呈漏斗形。

9、优选的，所述干燥箱的侧壁安装工控机，所述工控机分别与温度计、所述加热棒、所述电机、所述流量控制阀和所述风机之间电性连接，温度计安装于所述烧结炉的内部。

10、一种固体氧化物燃料电池用金属支撑的多次烧结方法，具体包括以下步骤：

11、步骤一：用激光打孔的工艺对430l不锈钢板进行打孔，不锈钢板板表面涂了一层熔融石英涂层，打孔后的多孔不锈钢板作为固体氧化物燃料电池的金属支撑体，板槽的厚度为200-500μm；

12、步骤二：选择500目430l不锈钢粉体和scsz陶瓷材料作为初始粉体，选择dm-55作为分散剂，丁酮和无水乙醇作为有机溶剂，b-50作为塑化剂，b-72作为粘结剂，草酸铵作为造孔剂，配制多孔430l不锈钢-scsz复合层浆料，设置流延刀高度200um，利用流延成型技术制作膜带，室温干燥备用；选择scsz陶瓷材料作为初始粉体，选择dm-55作为分散剂，丁酮和无水乙醇作为有机溶剂，b-50作为塑化剂，b-72作为粘结剂配制电解质层浆料，设置流延刀高度50um，利用流延成型技术制作膜带，室温干燥备用；选择scsz陶瓷材料作为初始粉体，选择dm-55作为分散剂，丁酮和无水乙醇作为有机溶剂，b-50作为塑化剂，b-72作为粘结剂，草酸铵作为造孔剂配制多孔scsz浆料，设置流延刀高度100um，利用流延成型技术制作膜带；将膜带放入所述干燥箱内部进行干燥，利用烧结炉散发的热量和气体使膜带快速干燥；

13、步骤三：把干燥后的多孔430l不锈钢-scsz复合层膜带和多孔scsz层膜带放入到所述烧结炉中进行低温烧结，所述烧结炉中的所述抽气机构运作，使所述烧结炉内部的气体在所述烧结炉的内部循环运动，使膜带受热均匀；且以2℃/min的升温速度，升至100℃，然后在此温度保温0.5h，再次升温，温度升到150℃，然后在此温度保温0.5h，再次升温，温度升到200℃，然后在此温度保温1h后结束烧结；烧结完成后，打开所述散热机构，所述散热机构将空气抽入所述隔板与所述烧结炉之间，使空气经过加热后再通过所述驱动机构在进入所述烧结炉的内部；打开所述连接机构，使部分气体在所述烧结炉的内部循环运动，避免所述烧结炉内部温度下降过快，另一部分气体通过所述连接机构进入干燥箱的内部，使工件在所述干燥箱的内部快速干燥；

14、步骤四：分别按化学计量比配制sm(no3)3和ce(no3)3混合水溶液，加入与金属离子摩尔比1：1的柠檬酸，配制ni(no3)2水溶液；将配制的两种混合水溶液分别逐次交替浸渍在多孔430l不锈钢-scsz复合层膜带表面；对于阴极，按化学计量比配制la(no3)3、sr(no3)2、fe(no3)3和co(no3)2混合的水溶液，加入与金属离子摩尔比1：1的柠檬酸，将配制的lscf混合水溶液浸渍到多孔scsz电池阴极侧中浸渍在多孔scsz膜带表面；采用edta～柠檬酸双络合法制作gdc粉体，根据质量比，按gdc粉体:乙基纤维素:松油醇:三油酸甘油酯=1:0.01:0.125:0.07的比例混合研磨4h，得到gdc阻挡层浆料，gdc的固含量约为70%，用丝网印刷的方式把浆料附着在scsz电解质层膜带表面；并将加工后的膜带放入所述干燥箱的内部进行干燥；

15、步骤五：把干燥后新的多孔430l不锈钢-scsz复合层膜带、带有阻挡层的scsz电解质层膜带和新的多孔scsz层膜带放入到所述烧结炉中进行中温烧结，通过所述抽气机构和驱动机构实现气体内循环，使膜带受热均匀；10℃/min的升温速度，升至600℃，然后在此温度保温1h，再次升温，温度升到800℃，然后在此温度保温1h后结束烧结，烧结后使用所述散热机构对膜带进行均匀快速降温；600℃烧结使得浸渍的有机添加物尽可能的完全分解，避免在后续烧结过程中碳元素的影响，且600℃的温度范围内，430l不锈钢材料与scsz材料热收缩基本一致，两种材料不会出现膨胀排斥，继续升高到800℃后保温，使得未分解的有机添加物彻底分解，同时也使得430l不锈钢与scsz材料适应高温，出现少许排斥现象，可以人为打磨修护，提高结构稳定性；

16、步骤六：将所制备的各功能层膜带裁剪成与金属支撑体多孔不锈钢板相同大小，用400目的砂纸将各功能层膜带双面打磨，增加粗糙度以便于各接触面更好地附着；按多孔430l不锈钢基板支撑体层、多孔430l不锈钢-scsz复合层、scsz电解质层、gdc阻挡层和多孔ssz层的顺序把新膜带叠合到一起，用热压机压合到一起，得到电池骨架，把电池骨架放入到所述烧结炉中，通入5%h2和95%n2混合气体作为保护气，在1350℃的高温下进行烧结，烧结过程中通过所述抽气机构和驱动机构实现气体内循环，使电池骨架受热均匀，提高电池骨架质量；烧结完成后即可得到固体氧化物燃料电池的金属支撑：

17、与相关技术相比较，本发明提供的固体氧化物燃料电池用金属支撑的多次烧结装置及其烧结方法具有如下有益效果：

18、使用涂有熔融石英涂层的多孔430l不锈钢板做固体燃料电池支撑体，使得燃料电池具有更快的启动速度、更高的机械强度，同时涂有熔融石英涂层能够防止不锈钢板外围在高温下快速氧化；使用多次温度烧结法对电池各部分材料进行煅烧，使得固体氧化物燃料电池耐高温性能更稳定，衰减率更小，寿命更长；具体来说，多次低温不同温度段烧结，可以使得草酸铵造孔的孔径大小有层次感，且均匀，以便于后面浸渍阳极和阴极浆料。同未进行低温烧结直接浸渍烧结排胶的做法对比，多孔孔隙率会增大，浸渍阴阳极浆料量会增多，使得电池性能更优异，同一温度下，单电池的最大功率密度明显提高；多次中温不同温度段烧结，能够使浸渍的有机添加物彻底分解排出，不会因微量未排尽的有机物影响电池的性能；同时能够使材料更好的适应高温，不会在后面高温烧结时快速增加温度使得材料出现高温热膨胀排斥过大，出现卷层变形翘曲现象，影响电池的寿命；在通入5%h2和95%n2混合气体作为保护气的情况下，1350℃高温烧结，能够使电池各部分材料接触面融合度更高，电解质膜片的致密度更高，同时可以防止部分电池材料发生高温氧化的情况，产品成品率高、质量好，适合大规模批量生产；

19、在膜带和电池骨架放入到所述烧结炉内部烧结的过程中，通过所述抽气机构和所述驱动机构带动气体在所述烧结炉内部快速内循环运动，从而使膜带和电池骨架所述烧结炉内部受热均匀，快速的进行升温，且没有干燥的膜带和电池骨架放入所述干燥箱中利用所述烧结炉散热的热量使其快速干燥；烧结完成后，通过所述散热机构箱所述烧结炉的内部夹层中通入空气，使空气与所述抽气机构喷出的热空气混合后再次进入所述烧结炉中，避免所述烧结炉中温度下降过快，影响膜带和电池骨架的质量，当气体被所述抽气机构抽出后，部分气体在所述烧结炉的内部循环运动，避免所述烧结炉内部温度下降过快，另一部分气体通过所述连接机构进入干燥箱的内部，使工件在所述干燥箱的内部快速干燥，合理利用所述烧结炉余热。