超薄纳米化SOFC电解质层的制备方法与流程

文档序号:15457803发布日期:2018-09-15 01:39
本发明涉及燃料电池领域,具体而言,涉及超薄纳米化SOFC电解质层的制备方法。
背景技术
:电解质是固体氧化物燃料电池(SOFC)的核心部件。由于需要隔离燃料气体和氧化气体,并在阴阳极间传导离子,电解质需要具有高度致密的结构和较高的离子电导率。在材料方面,氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)具有较好的稳定性和较高的离子电导率,因此常用作于电解质材料。但是,YSZ通常在850℃以上时才具有满足要求的离子电导率,从而导致由其构成的SOFC需在高温下工作,进而导致一些问题难以避免:如电解质与电极发生互扩散或反应生成高电阻相,造成电解质电导率下降;多孔电极烧结,导致电极活性下降;连接体材料中Cr挥发,对电极材料产生毒化;高温密封材料性能要求更为苛刻。这些问题不仅导致电池性能衰减严重,还使电池成本大幅提高。解决以上问题的最佳办法就是降低SOFC的工作温度,但随着温度的降低,电解质的欧姆极化和电极的活化极化会迅速增大,从而造成电池性能下降。其中,欧姆极化对电池性能影响更为显著。为降低YSZ电解质在中低温下的欧姆极化,研究人员提出了两种解决办法:一是降低电解质层厚度,使其不超过10μm;二是提高YSZ在中低温下的离子电导率,而提高电导率的主要办法是制备具有纳米晶粒结构的YSZ层。在纳米结构的电解质中,晶界数量显著增多,晶界电导占主导,并且晶界的离子扩散速率会随晶粒尺寸减小而加快,从而提高离子电导率。研究表明,晶粒尺寸低于100nm的电解质的电导率要高于微米结构的同类电解质1~2个数量级。然而,就目前来看,传统的流延法、丝网印刷法、浆料涂布法等技术在制备超薄、致密且具有纳米化结构的电解质层上仍存在很大难点。技术实现要素:本发明的目的在于提供一种超薄纳米化SOFC电解质层的制备方法,其能够快速高效地在基材表面形成纳米化程度高的电解质涂层,并且不需要烧结工艺,生产效率高。本发明的实施例是这样实现的:一种超薄纳米化SOFC电解质层的制备方法,其包括:采用3mol%~8mol%的YSZ作为热喷涂材料,在100~200Pa的低压环境下进行等离子喷涂,在基材表面沉积YSZ电解质涂层。本发明实施例的有益效果是:本发明实施例提供了一种超薄纳米化SOFC电解质层的制备方法,其以3mol%~8mol%的YSZ作为热喷涂材料,通过超低压等离子喷涂,在基材表面沉积YSZ电解质涂层。用该方法得到的电解质涂层具有高度致密的特点,解决了当前电解质层厚度与致密性无法兼顾的难题。并且,该电解质层由尺寸低于100nm的纳米等轴晶粒组成,改善了传统制备方法中电解质层晶粒易粗化问题。同时,该制备方法快速高效,避免了传统制备方法所需的烧结过程,简化了工艺流程,提高了生产效率。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本发明实施例1所制备得到的YSZ电解质涂层的扫描电镜图片;图2为本发明实施例1所制备得到的YSZ电解质涂层的透射电镜图片。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。下面对本发明实施例的一种超薄纳米化SOFC电解质层的制备方法进行具体说明。本发明实施例提供了一种超薄纳米化SOFC电解质层的制备方法,其包括:采用3mol%~8mol%的YSZ作为热喷涂材料,在100~200Pa的低压环境下进行等离子喷涂,在基材表面沉积YSZ电解质涂层。超低压等离子喷涂技术是近些年来在低压等离子喷涂的基础上发展起来的一种新型涂层制备技术,其在超低压条件(低于200Pa)下工作,使用大功率喷枪(可达180kW),可制备薄且致密的陶瓷涂层。发明人经过自身创造性劳动发现,将其应用与电解质涂层的制备中,可以快速高效地得到厚度小、纳米化程度极高的电解质涂层。其中,本发明实施例采用3mol%~8mol%的YSZ作为热喷涂材料,包括3YSZ、5YSZ、8YSZ等,上述材料本身具有较好的稳定性,并且在高温(850℃以上)条件下,具有较高的离子电导率,为常用的电解质材料。将这些材料作为热喷涂材料在超低压下进行喷涂后,可以在基材表面形成致密的、高度纳米化的电解质涂层。进一步地,热喷涂材料为团聚烧结粉末,粒径为5~22μm。发明人经过自身创造性劳动发现,在上述粒径范围内,喷涂得到的电解质涂层的纳米化程度较高。同时,制备得到的电解质涂层不需再烧结,可以精简工艺流程,大幅提高制备效率。基材为多孔铁素体或马氏体不锈钢,包括430、420、410不锈钢中的任一种。在进行等离子喷涂前,先对基材的表面进行预处理,使基材的表面粗糙度为Ra1.5-2.5μm。基材表面的粗糙度对喷涂得到的电解质涂层的致密度有影响,在上述表面粗糙度范围内,得到的电解质涂层厚度均匀,致密度和纳米化程度较高。可选地,对基材的表面进行预处理的方式是:先将基材用酒精超声处理,再采用白刚玉对基材的表面进行喷砂处理。超声处理的时间为10~30min,白刚玉优选为280#白刚玉,喷砂压力为0.1~0.2bar。喷砂结束后,可以再次用酒精超声处理3~5min,以除去表面杂质。而后再在50~80℃下烘干。等离子喷涂的喷涂电流为2200~2400A,喷涂电压为45~48V,喷涂距离为900~1100mm。在进行喷涂时,采用氩气和氦气作为工作气体,工作气体的氩气流量为90~110L/min,氦气流量为15~40L/min。同时,采用氩气作为粉末载气,粉末载气的流量为9~12L/min,送粉率为7~10g/min。本发明实施例提供了一种超薄纳米化SOFC电解质层的制备方法。该方法制备得到的YSZ电解质涂层的厚度为10~15μm,涂层高度致密且具有极高的纳米化程度。以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。实施例1本发明实施例提供了一种超薄纳米化SOFC电解质层的制备方法,其包括:S1.用酒精超声清洗基材(430不锈钢)10min后,采用白刚玉进行喷砂,喷砂压力0.1bar,喷砂结束后用酒精超声清洗5min,于80℃下烘干待用。S2.以8YSZ(粒径5~22μm)作为热喷涂材料,在150Pa的低压环境下进行等离子喷涂,在上述处理后的基材表面沉积YSZ电解质涂层,YSZ电解质涂层厚度为10μm,该YSZ电解质涂层的扫描电镜图片如图1所示,该YSZ电解质涂层的透射电镜图片如图2所示。具体喷涂参数为:喷涂电流2400A,喷涂电压47V;工作气体流量:氩气流量为110L/min,氦气流量为15L/min;粉末载气流量:氩气流量为10L/min,送粉率10g/min;喷涂距离950mm,舱压150Pa。实施例2本发明实施例提供了一种超薄纳米化SOFC电解质层的制备方法,其包括:S1.用酒精超声清洗基材(430不锈钢)10min后,采用白刚玉进行喷砂,喷砂压力0.2bar,喷砂结束后用酒精超声清洗3min,于60℃下烘干待用。S2.以5YSZ(粒径5~22μm)作为热喷涂材料,在100Pa的低压环境下进行等离子喷涂,在上述处理后的基材表面沉积YSZ电解质涂层。具体喷涂参数为:喷涂电流2200A,喷涂电压48V;工作气体流量:氩气流量为90L/min,氦气流量为20L/min;粉末载气流量:氩气流量为12L/min,送粉率10g/min;喷涂距离1000mm,YSZ电解质涂层厚度为15μm。实施例3本发明实施例提供了一种超薄纳米化SOFC电解质层的制备方法,其包括:S1.用酒精超声清洗基材(430不锈钢)20min后,采用白刚玉进行喷砂,喷砂压力0.2bar,喷砂结束后用酒精超声清洗5min,于80℃下烘干待用。S2.以3YSZ(粒径5~22μm)作为热喷涂材料,在200Pa的低压环境下进行等离子喷涂,在上述处理后的基材表面沉积YSZ电解质涂层,YSZ电解质涂层厚度为10μm。具体喷涂参数为:喷涂电流2200A,喷涂电压45V;工作气体流量:氩气流量为100L/min,氦气流量为40L/min;粉末载气流量:氩气流量为9L/min,送粉率7g/min;喷涂距离900mm。实施例4本发明实施例提供了一种超薄纳米化SOFC电解质层的制备方法,其包括:S1.用酒精超声清洗基材(410不锈钢)15min后,采用白刚玉进行喷砂,喷砂压力0.15bar,喷砂结束后用酒精超声清洗5min,于50℃下烘干待用。S2.以8YSZ(粒径10~15μm)作为热喷涂材料,在100Pa的低压环境下进行等离子喷涂,在上述处理后的基材表面沉积YSZ电解质涂层,YSZ电解质涂层厚度为13μm。具体喷涂参数为:喷涂电流2400A,喷涂电压45V;工作气体流量:氩气流量为110L/min,氦气流量为30L/min;粉末载气流量:氩气流量为12L/min,送粉率10g/min;喷涂距离1000mm。实施例5本发明实施例提供了一种超薄纳米化SOFC电解质层的制备方法,其包括:S1.用酒精超声清洗基材(420不锈钢)10min后,采用白刚玉进行喷砂,喷砂压力0.2bar,喷砂结束后用酒精超声清洗5min,于60℃下烘干待用。S2.以8YSZ(粒径5~10μm)作为热喷涂材料,在100Pa的低压环境下进行等离子喷涂,在上述处理后的基材表面沉积YSZ电解质涂层,YSZ电解质涂层厚度为12μm。具体喷涂参数为:喷涂电流2200A,喷涂电压48V;工作气体流量:氩气流量为90L/min,氦气流量为30L/min;粉末载气流量:氩气流量为12L/min,送粉率8g/min;喷涂距离1100mm。试验例采用本发明实施例1~5所制备得到的超薄纳米化SOFC电解质层,参照国家标准《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法——压差法》(GB/T1038-2000)测定泄漏率以反映YSZ电解质层的致密程度,测试结果如表1所示。表1.泄漏率测试结果泄漏率(×10-8cm4·gf-1·s-1)实施例12.24实施例22.29实施例32.31实施例42.17实施例52.13由表2可见,由本发明实施例1~3所提供的制备方法得到的电解质涂层的泄漏率为2.13×10-8~2.31×10-8cm4·gf-1·s-1,具有较佳的致密度。同时,电解质涂层的厚度为10~15μm,真正做到了厚度与致密度兼顾。电解质涂层的组织也均由尺寸低于100nm的纳米等轴晶粒组成。综上所述,本发明实施例提供了一种超薄纳米化SOFC电解质层的制备方法,其以3mol%~8mol%的YSZ作为热喷涂材料,通过超低压等离子喷涂,在基材表面沉积YSZ电解质涂层。用该方法得到的电解质涂层具有高度致密的特点,解决了当前电解质层厚度与致密性无法兼顾的难题。并且,该电解质层由尺寸低于100nm的纳米等轴晶粒组成,改善了传统制备方法中电解质层晶粒易粗化问题。同时,该制备方法快速高效,避免了传统制备方法所需的烧结过程,简化了工艺流程,提高了生产效率。以上所述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。当前第1页1 2 3 
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