本發(fā)明涉及固體氧化物燃料電池，尤其涉及一種固體氧化物燃料電池用金屬支撐的多次燒結(jié)裝置及其燒結(jié)方法。

背景技術(shù)：

1、與其他燃料電池技術(shù)相比，sofc工作溫度高，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到臨界工作溫度并發(fā)揮供能作用，啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。sofc的高溫運(yùn)行會(huì)對(duì)周圍產(chǎn)生很大影響，因此需要良好熱屏蔽，導(dǎo)致系統(tǒng)質(zhì)量增加，這是sofc在便攜領(lǐng)域和應(yīng)急電源領(lǐng)域份額較低的主要原因；

2、而新一代金屬支撐型sofc（metal-supportedsofc，ms-sofc）有望能較好地解決此類問題；與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的sofc相比，ms-sofc具有以下優(yōu)點(diǎn)：成熟的焊接技術(shù)使得電池堆易于密封；良好的機(jī)械性能使得電堆具有更好的抗熱震特性；優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性能使得電堆具有高的啟停速率；更為緊湊的體積和更低的制造成本。

3、金屬支撐sofc（ms-sofc）雖然相比于電解質(zhì)支撐sofc和電極支撐sofc具有更低廉的成本、更快的啟動(dòng)速度、更高的機(jī)械強(qiáng)度、更簡(jiǎn)單的密封方法，但電池的制備問題一直極大的制約著ms-sofc的發(fā)展。傳統(tǒng)電池成熟的濕化學(xué)制備方法應(yīng)用到ms-sofc制備上時(shí)，會(huì)因?yàn)榻饘僦误w自身的特性出現(xiàn)許多問題；比如金屬支撐體尤其是fe基金屬材料在燒結(jié)過程中由于高溫和空氣氣氛下時(shí)會(huì)被氧化，破壞其結(jié)構(gòu)，因此需要保持還原氣氛；還原氣氛下，陽極活性層中的ni在高溫條件下會(huì)出現(xiàn)粗化和團(tuán)聚的問題，還會(huì)與支撐體中元素相互擴(kuò)散，降低支撐體和陽極材料性能；還原氣氛對(duì)陰極材料也提出了更高的要求，傳統(tǒng)陰極材料如lsm等在還原氣氛下會(huì)被分解；且燒結(jié)過程中，由于加熱棒分布在燒結(jié)爐的側(cè)壁內(nèi)部，升溫過程難以保持金屬支撐體受熱均勻，燒結(jié)完成后，金屬支撐體自然時(shí)間過長(zhǎng)，且造成熱量浪費(fèi)。

4、ms-sofc的主要制備方法是制備金屬支撐體后，在其表面采用等離子噴涂、脈沖激光沉積、磁控濺射、物理氣相沉積等薄膜制備方法沉積陽極活性層、電解質(zhì)層和陰極活性層；這些薄膜制備方法可以較低溫度制備較薄的致密電解質(zhì)層，避免了傳統(tǒng)制備工藝所需高溫?zé)Y(jié)引起的各種制備問題；然而，這些制備成型方法操作復(fù)雜，成本較高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。

5、因此，有必要提供一種新的固體氧化物燃料電池用金屬支撐的多次燒結(jié)裝置及其燒結(jié)方法解決上述技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種廉價(jià)且簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的固體氧化物燃料電池用金屬支撐的多次燒結(jié)裝置及其燒結(jié)方法。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的固體氧化物燃料電池用金屬支撐的多次燒結(jié)裝置包括：燒結(jié)爐，所述燒結(jié)爐的內(nèi)部對(duì)稱安裝隔板，所述隔板與所述燒結(jié)爐之間、所述燒結(jié)爐的底端內(nèi)部均安裝多個(gè)加熱棒；所述燒結(jié)爐的頂端安裝用于帶動(dòng)氣體在所述燒結(jié)爐內(nèi)部循環(huán)運(yùn)動(dòng)的抽氣機(jī)構(gòu)，所述抽氣機(jī)構(gòu)包括筒體，所述燒結(jié)爐的頂面居中處安裝多個(gè)筒體，所述筒體的內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)連接固定軸和扇葉，且所述固定軸的兩端分別連接所述扇葉和電機(jī)；所述筒體通過第二固定管連通吸筒的內(nèi)部，所述吸筒的內(nèi)部安裝內(nèi)部呈漏斗形的固定塊和噴頭，所述噴頭連接所述第二固定管，所述固定塊的內(nèi)部設(shè)有環(huán)形的凹槽，所述凹槽的內(nèi)部連通側(cè)壁呈“l(fā)”形的吸管，且所述吸管的底端連通所述燒結(jié)爐的內(nèi)部；所述燒結(jié)爐的底端安裝帶動(dòng)氣體運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，且所述燒結(jié)爐的側(cè)壁對(duì)稱安裝干燥箱；所述干燥箱和所述燒結(jié)爐的內(nèi)部通過連接機(jī)構(gòu)連通所述抽氣機(jī)構(gòu)，且所述燒結(jié)爐的內(nèi)部安裝用于加快所述燒結(jié)爐內(nèi)部散熱效率的散熱機(jī)構(gòu)。

3、優(yōu)選的，所述連接機(jī)構(gòu)包括總管，所述燒結(jié)爐的頂面邊緣處對(duì)稱安裝所述總管，所述總管的側(cè)壁安裝多根第二連接管，所述第二連接管的底端位于所述隔板與所述燒結(jié)爐之間。

4、優(yōu)選的，所述總管的側(cè)壁安裝多根第一連接管，所述第一連接管的側(cè)壁安裝流量控制閥，且所述第一連接管的底端連通所述干燥箱的內(nèi)部。

5、優(yōu)選的，所述干燥箱的內(nèi)部安裝多個(gè)安裝架，且所述干燥箱的底端安裝所述排氣管。

6、優(yōu)選的，所述吸筒的一端固定連接第一固定管，且所述第一固定管的一端固定連接所述總管。

7、優(yōu)選的，所述散熱機(jī)構(gòu)包括風(fēng)機(jī)，所述干燥箱的表面安裝所述風(fēng)機(jī)，所述風(fēng)機(jī)連接散熱管；所述散熱管固定于所述燒結(jié)爐的頂端，所述散熱管的側(cè)壁傾斜安裝多根噴管，且所述噴管的底端位于所述隔板與所述燒結(jié)爐之間。

8、優(yōu)選的，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第一安裝管和第二安裝管，所述隔板的底端安裝多根第二安裝管，所述第二安裝管的側(cè)壁垂直安裝第一安裝管；所述第二安裝管的一端安裝卡塊，所述第一安裝管的一端、所述卡塊的內(nèi)部均呈漏斗形。

9、優(yōu)選的，所述干燥箱的側(cè)壁安裝工控機(jī)，所述工控機(jī)分別與溫度計(jì)、所述加熱棒、所述電機(jī)、所述流量控制閥和所述風(fēng)機(jī)之間電性連接，溫度計(jì)安裝于所述燒結(jié)爐的內(nèi)部。

10、一種固體氧化物燃料電池用金屬支撐的多次燒結(jié)方法，具體包括以下步驟：

11、步驟一：用激光打孔的工藝對(duì)430l不銹鋼板進(jìn)行打孔，不銹鋼板板表面涂了一層熔融石英涂層，打孔后的多孔不銹鋼板作為固體氧化物燃料電池的金屬支撐體，板槽的厚度為200-500μm；

12、步驟二：選擇500目430l不銹鋼粉體和scsz陶瓷材料作為初始粉體，選擇dm-55作為分散劑，丁酮和無水乙醇作為有機(jī)溶劑，b-50作為塑化劑，b-72作為粘結(jié)劑，草酸銨作為造孔劑，配制多孔430l不銹鋼-scsz復(fù)合層漿料，設(shè)置流延刀高度200um，利用流延成型技術(shù)制作膜帶，室溫干燥備用；選擇scsz陶瓷材料作為初始粉體，選擇dm-55作為分散劑，丁酮和無水乙醇作為有機(jī)溶劑，b-50作為塑化劑，b-72作為粘結(jié)劑配制電解質(zhì)層漿料，設(shè)置流延刀高度50um，利用流延成型技術(shù)制作膜帶，室溫干燥備用；選擇scsz陶瓷材料作為初始粉體，選擇dm-55作為分散劑，丁酮和無水乙醇作為有機(jī)溶劑，b-50作為塑化劑，b-72作為粘結(jié)劑，草酸銨作為造孔劑配制多孔scsz漿料，設(shè)置流延刀高度100um，利用流延成型技術(shù)制作膜帶；將膜帶放入所述干燥箱內(nèi)部進(jìn)行干燥，利用燒結(jié)爐散發(fā)的熱量和氣體使膜帶快速干燥；

13、步驟三：把干燥后的多孔430l不銹鋼-scsz復(fù)合層膜帶和多孔scsz層膜帶放入到所述燒結(jié)爐中進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，所述燒結(jié)爐中的所述抽氣機(jī)構(gòu)運(yùn)作，使所述燒結(jié)爐內(nèi)部的氣體在所述燒結(jié)爐的內(nèi)部循環(huán)運(yùn)動(dòng)，使膜帶受熱均勻；且以2℃/min的升溫速度，升至100℃，然后在此溫度保溫0.5h，再次升溫，溫度升到150℃，然后在此溫度保溫0.5h，再次升溫，溫度升到200℃，然后在此溫度保溫1h后結(jié)束燒結(jié)；燒結(jié)完成后，打開所述散熱機(jī)構(gòu)，所述散熱機(jī)構(gòu)將空氣抽入所述隔板與所述燒結(jié)爐之間，使空氣經(jīng)過加熱后再通過所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在進(jìn)入所述燒結(jié)爐的內(nèi)部；打開所述連接機(jī)構(gòu)，使部分氣體在所述燒結(jié)爐的內(nèi)部循環(huán)運(yùn)動(dòng)，避免所述燒結(jié)爐內(nèi)部溫度下降過快，另一部分氣體通過所述連接機(jī)構(gòu)進(jìn)入干燥箱的內(nèi)部，使工件在所述干燥箱的內(nèi)部快速干燥；

14、步驟四：分別按化學(xué)計(jì)量比配制sm(no3)3和ce(no3)3混合水溶液，加入與金屬離子摩爾比1：1的檸檬酸，配制ni(no3)2水溶液；將配制的兩種混合水溶液分別逐次交替浸漬在多孔430l不銹鋼-scsz復(fù)合層膜帶表面；對(duì)于陰極，按化學(xué)計(jì)量比配制la(no3)3、sr(no3)2、fe(no3)3和co(no3)2混合的水溶液，加入與金屬離子摩爾比1：1的檸檬酸，將配制的lscf混合水溶液浸漬到多孔scsz電池陰極側(cè)中浸漬在多孔scsz膜帶表面；采用edta～檸檬酸雙絡(luò)合法制作gdc粉體，根據(jù)質(zhì)量比，按gdc粉體:乙基纖維素: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阻擋層漿料，gdc的固含量約為70%，用絲網(wǎng)印刷的方式把漿料附著在scsz電解質(zhì)層膜帶表面；并將加工后的膜帶放入所述干燥箱的內(nèi)部進(jìn)行干燥；

15、步驟五：把干燥后新的多孔430l不銹鋼-scsz復(fù)合層膜帶、帶有阻擋層的scsz電解質(zhì)層膜帶和新的多孔scsz層膜帶放入到所述燒結(jié)爐中進(jìn)行中溫?zé)Y(jié)，通過所述抽氣機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)氣體內(nèi)循環(huán)，使膜帶受熱均勻；10℃/min的升溫速度，升至600℃，然后在此溫度保溫1h，再次升溫，溫度升到800℃，然后在此溫度保溫1h后結(jié)束燒結(jié)，燒結(jié)后使用所述散熱機(jī)構(gòu)對(duì)膜帶進(jìn)行均勻快速降溫；600℃燒結(jié)使得浸漬的有機(jī)添加物盡可能的完全分解，避免在后續(xù)燒結(jié)過程中碳元素的影響，且600℃的溫度范圍內(nèi)，430l不銹鋼材料與scsz材料熱收縮基本一致，兩種材料不會(huì)出現(xiàn)膨脹排斥，繼續(xù)升高到800℃后保溫，使得未分解的有機(jī)添加物徹底分解，同時(shí)也使得430l不銹鋼與scsz材料適應(yīng)高溫，出現(xiàn)少許排斥現(xiàn)象，可以人為打磨修護(hù)，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；

16、步驟六：將所制備的各功能層膜帶裁剪成與金屬支撐體多孔不銹鋼板相同大小，用400目的砂紙將各功能層膜帶雙面打磨，增加粗糙度以便于各接觸面更好地附著；按多孔430l不銹鋼基板支撐體層、多孔430l不銹鋼-scsz復(fù)合層、scsz電解質(zhì)層、gdc阻擋層和多孔ssz層的順序把新膜帶疊合到一起，用熱壓機(jī)壓合到一起，得到電池骨架，把電池骨架放入到所述燒結(jié)爐中，通入5%h2和95%n2混合氣體作為保護(hù)氣，在1350℃的高溫下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程中通過所述抽氣機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)氣體內(nèi)循環(huán)，使電池骨架受熱均勻，提高電池骨架質(zhì)量；燒結(jié)完成后即可得到固體氧化物燃料電池的金屬支撐：

17、與相關(guān)技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的固體氧化物燃料電池用金屬支撐的多次燒結(jié)裝置及其燒結(jié)方法具有如下有益效果：

18、使用涂有熔融石英涂層的多孔430l不銹鋼板做固體燃料電池支撐體，使得燃料電池具有更快的啟動(dòng)速度、更高的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)涂有熔融石英涂層能夠防止不銹鋼板外圍在高溫下快速氧化；使用多次溫度燒結(jié)法對(duì)電池各部分材料進(jìn)行煅燒，使得固體氧化物燃料電池耐高溫性能更穩(wěn)定，衰減率更小，壽命更長(zhǎng)；具體來說，多次低溫不同溫度段燒結(jié)，可以使得草酸銨造孔的孔徑大小有層次感，且均勻，以便于后面浸漬陽極和陰極漿料。同未進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)直接浸漬燒結(jié)排膠的做法對(duì)比，多孔孔隙率會(huì)增大，浸漬陰陽極漿料量會(huì)增多，使得電池性能更優(yōu)異，同一溫度下，單電池的最大功率密度明顯提高；多次中溫不同溫度段燒結(jié)，能夠使浸漬的有機(jī)添加物徹底分解排出，不會(huì)因微量未排盡的有機(jī)物影響電池的性能；同時(shí)能夠使材料更好的適應(yīng)高溫，不會(huì)在后面高溫?zé)Y(jié)時(shí)快速增加溫度使得材料出現(xiàn)高溫?zé)崤蛎浥懦膺^大，出現(xiàn)卷層變形翹曲現(xiàn)象，影響電池的壽命；在通入5%h2和95%n2混合氣體作為保護(hù)氣的情況下，1350℃高溫?zé)Y(jié)，能夠使電池各部分材料接觸面融合度更高，電解質(zhì)膜片的致密度更高，同時(shí)可以防止部分電池材料發(fā)生高溫氧化的情況，產(chǎn)品成品率高、質(zhì)量好，適合大規(guī)模批量生產(chǎn)；

19、在膜帶和電池骨架放入到所述燒結(jié)爐內(nèi)部燒結(jié)的過程中，通過所述抽氣機(jī)構(gòu)和所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)氣體在所述燒結(jié)爐內(nèi)部快速內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，從而使膜帶和電池骨架所述燒結(jié)爐內(nèi)部受熱均勻，快速的進(jìn)行升溫，且沒有干燥的膜帶和電池骨架放入所述干燥箱中利用所述燒結(jié)爐散熱的熱量使其快速干燥；燒結(jié)完成后，通過所述散熱機(jī)構(gòu)箱所述燒結(jié)爐的內(nèi)部夾層中通入空氣，使空氣與所述抽氣機(jī)構(gòu)噴出的熱空氣混合后再次進(jìn)入所述燒結(jié)爐中，避免所述燒結(jié)爐中溫度下降過快，影響膜帶和電池骨架的質(zhì)量，當(dāng)氣體被所述抽氣機(jī)構(gòu)抽出后，部分氣體在所述燒結(jié)爐的內(nèi)部循環(huán)運(yùn)動(dòng)，避免所述燒結(jié)爐內(nèi)部溫度下降過快，另一部分氣體通過所述連接機(jī)構(gòu)進(jìn)入干燥箱的內(nèi)部，使工件在所述干燥箱的內(nèi)部快速干燥，合理利用所述燒結(jié)爐余熱。