SOFC阳极支撑陶瓷管的制备方法及制备装置与流程

本发明涉及一种SOFC阳极支撑陶瓷管的制备方法及制备装置。

背景技术：

目前，SOFC阳极制备通常都是先将陶瓷泥料挤压成型剪切，经4~5天自然风干，再进行阳极表面电解质膜处理，然后风干，再焙烧。这种制备工艺流程，工序多，时间长，工艺一致性差，造成产品品质不稳定。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种SOFC阳极支撑陶瓷管的制备方法及制备装置，固体氧化物阳极支撑体陶瓷管制造工序及工艺参数稳定，实现PAL技术控制，实现陶瓷泥料挤出成型、烘干、阳极表面电解质膜、阳极支撑体陶瓷管一次成型的自动化制备技术。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的，其是一种SOFC阳极支撑陶瓷管的制备方法，其特征在于包括：

第一步：制备陶瓷泥料；将氧化锆粉体与氧化镍干混，氧化锆粉体与氧化镍的重量比为1:1，得到混合料；再在混合料中加入的造孔剂和粘结剂并进行混合，再加入水，经混料、捏合及泥练得到陶瓷泥料，陶瓷泥料的硬度需达到13－14 ，造孔剂占混合料的40%±3%，粘结剂占混合料的1%±0.3%，水占混合料的8%±1%；

制备电解质浆料；溶剂由甲苯与乙醇的混合而成，甲苯与乙醇的体积比例为0.85：1；按每1.5ml溶剂与每1g电解质粉体及每0.01g分散剂充分混合，得到混合液；再在混合液中，以每1.5ml混合液加入0.01g粘结剂及每1.5ml加入0.05g的硝酸，充分混合制成浆料；

第二步：将第一步的陶瓷泥料送入挤出机，挤出机将陶瓷泥料挤压成陶瓷泥坯管；

第三步：第二步中所得到的陶瓷泥坯管经挤出机的出口套设在引导杆总成上并沿引导杆总成移动，引导杆总成穿过第一烘干箱的进口及出口，第一烘干箱烘干引导杆总成上的陶瓷泥坯管；引导杆总成直径比陶瓷泥坯管的孔径小15%±3%；第一烘干箱的进口与出口的孔径较陶瓷泥坯管的孔径大15%±3%；第一烘干箱内的温度控制在40℃～60℃；

第四步：烘干后的陶瓷泥坯管沿着引导杆总成进入多孔陶瓷中的涂敷室中，涂敷室的孔径较陶瓷泥坯管外径大15%±3%；在常压下，由于多孔陶瓷表面张力使第一步中的电解质浆料不能渗透进多孔陶瓷；当施以一定压强，电解质浆料渗透进多孔陶瓷，并在涂敷室的外壁上形成挂珠，挂珠涂覆在涂敷室中的陶瓷泥坯管的表面；

采用了粘稠度控制结构，其控制电解质浆料粘稠度在标准粘度±10%之间；采用了搅拌及温度控制结构，其控制电解质浆料的温度在常温至50℃之间；

采用压强控制结构，其可改变电解质浆料表面压强，使电解质浆料表面处于正压或负压状态，从而控制电解液浆料是否向多孔陶瓷渗透，当电解质浆料表面压强在0.13MP±5%，电解质浆料渗入多孔陶瓷中；当电解质浆料表面压强小于0.1MP，电解质浆料停止渗入多孔陶瓷中；以及

第五步：涂覆后的陶瓷泥坯沿着引导杆总成进入第二烘干室中进行烘干成型，用户可根据需要的长度将陶瓷泥坯切断制成所需要的SOFC阳极支撑陶瓷管，第二烘干箱内的温度控制在常温至60℃。

在本技术方案中，所述粘结剂是每1.5ml含有0.1g的聚乙烯醇缩丁醛 。

在本技术方案中，所述电解质粉体是氧化锆。

在本技术方案中，所述分散剂是鱼油。

在本技术方案中，在所述搅拌及温度控制结构中设有超声波分散结构，超声波分散结构将电解质温度控制在30℃-50℃之间，从而避免电解质热聚集。

在本技术方案中，所述挤出机挤出陶瓷泥坯管的速度与陶瓷泥坯管的壁厚成反比，陶瓷泥坯管的壁厚每增加20%，挤出速度调低10%。

在本技术方案中，所述第一烘干箱的工作时长t₁与陶瓷泥坯管的壁厚成正比，根据陶瓷泥坯管的壁厚调整比例常数C ，设定壁厚0.5mm，C为1， 壁厚每增加20%， C增加10%，微波工作时间t₁ =C_t1。

在本技术方案中，所述多孔陶瓷的孔粒直径2微米，空隙率30%；在常压下，施以0.03MP压强，电解质浆料渗透多孔陶瓷，并在涂敷室的外壁上形成挂珠。

为了实现上述方法，本发明是这样实现的，一种SOFC阳极支撑陶瓷管的制备装置，其特征在于包括：

挤出机；所述挤出机进口与陶瓷泥坯料连通，陶瓷泥坯料通过挤出机的出口后被挤压成管状；

第一烘干箱及引导杆总成；所述引导杆总成的一端可拆卸的安装在挤出机的出口端面上，在所述第一烘干箱中设有第一烘干箱进口及第一烘干箱进口，所述引导杆总成穿过第一烘干箱进口及第一烘干箱出口，陶瓷泥坯料通过所述挤出机的出口后形成陶瓷泥坯管套设在引导杆总成上并沿着引导杆总成移动进入第一烘干箱中，陶瓷泥坯管的内径比引导杆总成的外径大15%±3%，陶瓷泥坯管的外径比第一烘干箱进口及第一烘干箱出口的孔径小15%±3%；

容器；所述容器与第一烘干箱出口连通，在所述容器的上部设有空气室；

搅拌及温度控制结构；所述搅拌及温度控制结构包括右转动盘、左转动盘、连接件及超声波分散结构；所述左转动盘及右转动盘分别位于容器内的左侧及右侧并可转动，所述连接件的两端分别与右转动盘及左转动盘固定，所述容器的内壁与右转动盘及左转动盘相互配合形成浆料池，所述浆料池位于空气室下方并与空气室连通，浆料池与容器的进料口连通；所述超声波分散结构固定设在左转动盘或右转动盘上，超声波分散结构对浆料池内的浆料进行震动搅拌；

转动结构；所述转动结构与右转动盘连接并带动右转动盘转动，右转动盘通过连接件带动左转动盘转动；

多孔陶瓷；所述多孔陶瓷的两端分别设在右转动盘及左转动盘上，多孔陶瓷随右转动盘转动，在多孔陶瓷中设有涂敷室，浆料可通过多孔陶瓷在涂敷室的外壁上形成挂珠，所述涂敷室的进口与第一烘干箱出口连通，所述引导杆总成插设在涂敷室中，陶瓷泥坯管沿着引导杆总成进入涂敷室中，涂敷室的孔径较陶瓷泥坯管的直径大15%±3%；

压强控制结构；所述压强控制结构包括增压测压结构及泄压结构；所述增压测压结构的出气口与空气室连通，增压测压结构测量并增大空气室内的压强；所述泄压结构的进气口与空气室连通，泄压结构可降低空气室内的压强；

粘稠度控制结构；所述粘稠度控制结构包括高压喷雾嘴及搅拌测速结构；所述高压喷雾嘴的出口与浆料池连通，高压喷雾嘴的进口与外界浆料连通，所述搅拌测速结构可测量浆料的粘稠度，用户根据浆料粘稠度变化调整高压喷雾嘴的工作状态；

第二烘干箱；在所述第二烘干箱中设有第二烘干箱进口及第二烘干箱出口，所述第二烘干箱进口与涂敷室的出口连通，所述引导杆总成穿过第二烘干箱进口及第二烘干箱出口，涂覆好的陶瓷泥坯管套设在引导杆总成上并沿着引导杆总成移动进入第二烘干箱中，涂覆好的陶瓷泥坯管外径比第二烘干箱进口及第二烘干箱出口的孔径小15%±3%；以及

若干个微波发生器；若干个所述微波发生器分别设在第一烘干箱及第二烘干箱中，微波发生器产生微波射在对应的管状陶瓷泥坯料上。

在本技术方案中，在所述第一烘干箱上开设有第一出风口，在第二烘干箱上开设有第二出风口，在第一及第二烘干箱上均设有温感器。

在本技术方案中，在所述引导杆总成包括一根以上的引导杆，相邻两引导杆互相螺纹连接从而可以增长引导杆的长度，最左的端引导杆与挤出机的出口端螺纹连接。

在本技术方案中，所述增压测压结构包括压力表及进气管，所述进气管的进口与外界气体连通，进气管的出口与空气室连通，所述压力表与空气室连通，压力表测量空气室的空气压强；所述泄压结构包括压帽及泄压嘴，所述泄压嘴的进口与空气室连通，所述压帽套设在泄压嘴的出口上，压帽质量为120克，泄压嘴的孔径面积为28.26mm²。

在本技术方案中，所述转动结构包括步进电机、主动齿轮及从动齿轮；其中所述步进电机设在容器的外壁上，步进电机的输出轴与主动齿轮轴连接，主动齿轮与从动齿轮啮合，从动齿轮控制多孔陶瓷、左转动盘及右转动盘转动。

在本技术方案中，所述右轴承套及左轴承套分别固定在容器内壁的右侧及左侧，从动齿轮、多孔陶瓷的右端及右转动盘均设在右轴承套上并能随右轴承套一起转动，多孔陶瓷的左端及左转动盘均设在左轴承套上并能随左轴承套转动。

在本技术方案中，所述粘度传感结构包括直流电机、安装架、光接收器、光发送管、光通圆盘及旋转头；所述直流电机与旋转头的一端轴连接从而带动旋转头转动，所述旋转头的另一端部位于浆料池中；所述光通圆盘固定设在旋转头的转轴上，在光通圆盘上均匀的设有一个以上的测量孔；所述安装架设在容器的外壁上，所述光接收器及光发送管均固定设在安装架上，光接收器及光发送管分别位于光通圆盘的上部及下部并相互对应，光发送器发出的光信号穿过测量孔发送至光接收器中，光接收器、光发送管及测量孔相互配合测量出旋转头的实时转速，用户根据旋转头的实时转速调整高压喷雾嘴的喷淋量。

在本技术方案中，所述两个密封圈分别套设在右转动盘及左转动盘的外沿上。

在本技术方案中，所述超声波分散结构包括一个以上的超声波换能器及一个以上的工具头，所述每个超声波换能器固定设在左转动盘且均匀排布，所述每个工具头的一端插设在对应的超声波换能器上，工具头位于浆料池中。

本发明与现有技术相比的优点为：固体氧化物阳极支撑体陶瓷管制造工序及工艺参数稳定，实现PAL技术控制，实现陶瓷泥料挤出成型、烘干、阳极表面电解质膜、阳极支撑体陶瓷管一次成型的自动化制备技术。

附图说明

图1是本发明的工作流程图；

图2是本发明的立体图；

图3是本发明的结构示意图；

图4是本发明多孔陶瓷、转动结构及搅拌及温度控制结构的立体图；

图5是本发明去粘稠度控制结构的立体图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对与这些实施方式的说明用与帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。

在本发明描述中,术语 “左”及“右”等指示的方位或位置关系为基与附图所示的方位或位置关系，仅是为了便与描述本发明而不是要求本发明必须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。

在本发明的描述中，术语“第一”及“第二”仅用与描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1，其是一种SOFC阳极支撑陶瓷管的制备方法及制备装置，包括：

第一步：制备陶瓷泥料；将氧化锆粉体与氧化镍干混，氧化锆粉体与氧化镍的重量比为1:1，得到混合料；再在混合料中加入的造孔剂和粘结剂并进行混合，再加入水，经混料、捏合及泥练得到陶瓷泥料，陶瓷泥料的硬度需达到13－14 ，造孔剂占混合料的40%±3%，粘结剂占混合料的1%±0.3%，水占混合料的8%±1%；

制备电解质浆料；溶剂由甲苯与乙醇的混合而成，甲苯与乙醇的体积比例为0.85：1；按每1.5ml溶剂与每1g电解质粉体及每0.01g分散剂充分混合，得到混合液；再在混合液中，以每1.5ml混合液加入0.01g粘结剂及每1.5ml加入0.05g的硝酸，充分混合制成浆料；

第二步：将第一步的陶瓷泥料送入挤出机1，挤出机1将陶瓷泥料挤压成陶瓷泥坯管；

第三步：第二步中所得到的陶瓷泥坯管经挤出机1的出口套设在引导杆总成19上并沿引导杆总成19移动，引导杆总成19穿过第一烘干箱2的进口22及出口23，第一烘干箱2烘干引导杆总成上的陶瓷泥坯管；引导杆总成19直径比陶瓷泥坯管的孔径小15%±3%；第一烘干箱2的进口22与出口23的孔径较陶瓷泥坯管的孔径大15%±3%；第一烘干箱2内的温度控制在40℃～60℃；

第四步：烘干后的陶瓷泥坯管沿着引导杆总成19进入多孔陶瓷16中的涂敷室161中，涂敷室161的孔径较陶瓷泥坯管外径大15%±3%；在常压下，由于多孔陶瓷16表面张力使第一步中的电解质浆料不能渗透进多孔陶瓷16；当施以一定压强，电解质浆料渗透进多孔陶瓷，并在涂敷室161的外壁上形成挂珠，挂珠涂覆在涂敷室161中的陶瓷泥坯管的表面；

采用了粘稠度控制结构，其控制电解质浆料粘稠度在标准粘度±10%之间；采用了搅拌及温度控制结构，其控制电解质浆料的温度在常温至50℃之间；

采用压强控制结构，其可改变电解质浆料表面压强，使电解质浆料表面处于正压或负压状态，从而控制电解液浆料是否向多孔陶瓷渗透，当电解质浆料表面压强在0.13MP±5%，电解质浆料渗入多孔陶瓷16中；当电解质浆料表面压强小于0.1MP，电解质浆料停止渗入多孔陶瓷16中；以及

第五步：涂覆后的陶瓷泥坯沿着引导杆总成19进入第二烘干室10中进行烘干成型，用户可根据需要的长度将陶瓷泥坯切断制成所需要的SOFC阳极支撑陶瓷管，第二烘干箱10内的温度控制在常温至60℃。

在本实施例中，所述粘结剂是每1.5ml含有0.1g的聚乙烯醇缩丁醛 。

在本实施例中，所述电解质粉体是氧化锆。

在本实施例中，所述分散剂是鱼油。

在本实施例中，在所述搅拌及温度控制结构中设有超声波分散结构20，超声波分散结构20将电解质温度控制在30℃-50℃之间，从而避免电解质热聚集。

在本实施例中，所述挤出机1挤出陶瓷泥坯管的速度与陶瓷泥坯管的壁厚成反比，陶瓷泥坯管的壁厚每增加20%，挤出速度调低10%。

在本实施例中，所述第一烘干箱2的工作时长t₁与陶瓷泥坯管的壁厚成正比，根据陶瓷泥坯管的壁厚调整比例常数C ，设定壁厚0.5mm，C为1， 壁厚每增加20%， C增加10%，微波工作时间t₁ =C_t1。

在本实施例中，所述多孔陶瓷16的孔粒直径2微米，空隙率30%；在常压下，施以0.03MP压强，电解质浆料渗透多孔陶瓷，并在涂敷室161的外壁上形成挂珠。

如图2至5所示，其是一种SOFC阳极支撑陶瓷管的制备装置，包括：

挤出机1；所述挤出机1进口与陶瓷泥坯料连通，陶瓷泥坯料通过挤出机1的出口后被挤压成管状；

第一烘干箱2及引导杆总成19；所述引导杆总成19总成的一端可拆卸的安装在挤出机1的出口端面上，在所述第一烘干箱2中设有第一烘干箱进口22及第一烘干箱进口23，所述引导杆总成19穿过第一烘干箱进口22及第一烘干箱出口23，陶瓷泥坯料通过所述挤出机1的出口后形成陶瓷泥坯管套设在引导杆总成19上并沿着引导杆总成19移动进入第一烘干箱2中，陶瓷泥坯管的内径比引导杆总成19的外径大15%±3%，陶瓷泥坯管的外径比第一烘干箱进口22及第一烘干箱出口23的孔径小15%±3%；

容器3；所述容器3与第一烘干箱出口23连通，在所述容器3的上部设有空气室32；

搅拌及温度控制结构；所述搅拌及温度控制结构包括右转动盘17、左转动盘13、连接件15及超声波分散结构20；所述左转动盘13及右转动盘17分别位于容器3内的左侧及右侧并可转动，所述连接件15的两端分别与右转动盘17及左转动盘13固定，所述容器3的内壁与右转动盘17及左转动盘13相互配合形成浆料池31，所述浆料池31位于空气室32下方并与空气室32连通，浆料池31与容器3的进料口33连通；所述超声波分散结构20固定设在左转动盘4或右转动盘3上，超声波分散结构20对浆料池11内的浆料进行震动搅拌；

转动结构9；所述转动结构9与右转动盘17连接并带动右转动盘17转动，右转动盘17通过连接件带动左转动盘13转动；

多孔陶瓷16；所述多孔陶瓷16的两端分别设在右转动盘17及左转动盘13上，多孔陶瓷16随右转动盘17转动，在多孔陶瓷16中设有涂敷室161，浆料可通过多孔陶瓷5在涂敷室51的外壁上形成挂珠，所述涂敷室51的进口与第一烘干箱出口23连通，所述引导杆总成19插设在涂敷室51中，陶瓷泥坯管沿着引导杆总成19进入涂敷室51中，涂敷室51的孔径较陶瓷泥坯管的直径大15%±3%；

压强控制结构；所述压强控制结构包括增压测压结构8及泄压结构5；所述增压测压结构8的出气口与空气室32连通，增压测压结构8测量并增大空气室32内的压强；所述泄压结构5的进气口与空气室32连通，泄压结构2可降低空气室32内的压强；

粘稠度控制结构；所述粘稠度控制结构包括高压喷雾嘴7及搅拌测速结构6；所述高压喷雾嘴7的出口与浆料池31连通，高压喷雾嘴7的进口与外界浆料连通，所述搅拌测速结构可测量浆料的粘稠度，用户根据浆料粘稠度变化调整高压喷雾嘴2的工作状态；

第二烘干箱10；在所述第二烘干箱10中设有第二烘干箱进口102及第二烘干箱出口103，所述第二烘干箱进口102与涂敷室161的出口连通，所述引导杆总成19穿过第二烘干箱进口102及第二烘干箱出口103，涂覆好的陶瓷泥坯管套设在引导杆总成19上并沿着引导杆总成19移动进入第二烘干箱102中，涂覆好的陶瓷泥坯管外径比第二烘干箱进口102及第二烘干箱出口103的孔径小15%±3%；以及

若干个微波发生器11；若干个所述微波发生器11分别设在第一烘干箱2及第二烘干箱10中，微波发生器11产生微波射在对应的管状陶瓷泥坯料上。

工作时，陶瓷泥坯管沿着引导杆总成19依次经过第一烘干箱2、涂敷室161及第二烘干箱10，陶瓷泥坯管在第一烘干箱2中成型，电解质浆料渗入多孔陶瓷16中，并在涂敷室161中形成挂珠，挂珠均匀的涂覆在陶瓷泥坯管表面，涂覆后的陶瓷泥坯管经过第二烘干箱10使电解质浆料成型。

在本实施例中，在所述第一烘干箱2上开设有第一出风口21，在第二烘干箱10上开设有第二出风口101，在第一及第二烘干箱2,10上均设有温感器。

在本实施例中，在所述引导杆总成19包括一根以上的引导杆，相邻两引导杆互相螺纹连接从而可以增长引导杆总成的长度，最左的端引导杆与挤出机1的出口端螺纹连接。

在本实施例中，所述增压测压结构8包括压力表81及进气管82，所述进气管82的进口与外界气体连通，进气管82的出口与空气室32连通，所述压力表81与空气室32连通，压力表81测量空气室32的空气压强；所述泄压结构5包括压帽51及泄压嘴52，所述泄压嘴52的进口与空气室32连通，所述压帽51套设在泄压嘴52的出口上，压帽51质量为120克，泄压嘴52的孔径面积为28.26mm²。

在本实施例中，所述转动结构9包括步进电机91、主动齿轮92及从动齿轮93；其中所述步进电机91设在容器3的外壁上，步进电机91的输出轴与主动齿轮92轴连接，主动齿轮92与从动齿轮93啮合，从动齿轮93控制多孔陶瓷16、左转动盘13及右转动盘17转动。

在本实施例中，所述右轴承套18及左轴承套12分别固定在容器3内壁的右侧及左侧，从动齿轮93、多孔陶瓷16的右端及右转动盘17均设在右轴承套18上并能随右轴承套18一起转动，多孔陶瓷5的左端及左转动盘13均设在左轴承套8上并能随左轴承套8转动。

在本实施例中，所述粘度传感结构6包括直流电机61、安装架62、光接收器63、光发送管64、光通圆盘65及旋转头66；所述直流电机61与旋转头66的一端轴连接从而带动旋转头66转动，所述旋转头的另一端部位于浆料池31中；所述光通圆盘65固定设在旋转头66的转轴上，在光通圆盘65上均匀的设有一个以上的测量孔651；所述安装架62设在容器3的外壁上，所述光接收器63及光发送管64均固定设在安装架62上，光接收器63及光发送管64分别位于光通圆盘65的上部及下部并相互对应，光发送器64发出的光信号穿过测量孔651发送至光接收器63中，光接收器63、光发送管64及测量孔65相互配合测量出旋转头66的实时转速，用户根据旋转头66的实时转速调整高压喷雾嘴7的喷淋量。工作时，所述光通圆盘65固定设在旋转头66上，在光通圆盘65上均匀的三十六个测量孔651，设定额定转速5/min，即每分钟转换电脉冲数为180个；当浆料粘度增加，由于分子表面张力的阻尼作用，转速下降至转速4.5/min，即每分钟转换电脉冲数为162个，启动喷淋；当浆料稀释粘度下降，由于分子表面张力的阻尼作用减少，转速增快至转速5.5/min，即每分钟转换电脉冲数为198个，关闭喷淋。

在本实施例中，所述两个密封圈14分别套设在右转动盘17及左转动盘13的外沿上。

在本实施例中，所述超声波分散结构20包括一个以上的超声波换能器201及一个以上的工具头202，所述每个超声波换能器201固定设在左转动盘13且均匀排布，所述每个工具头202的一端插设在对应的超声波换能器201上，工具头202位于浆料池31中。

以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限与所描述的实施方式。对与本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换及变形仍落入在本发明的保护范围内。