[發明專利]超薄納米化SOFC電解質層的制備方法

在審

• 申請號: 201810426127.8
• 申請日: 2018-05-04
• 公開（公告）號: CN108531842A
• 公開（公告）日: 2018-09-14
• 發明（設計）人: 牛少鵬;張小鋒;周克崧;劉敏;鄧暢光;鄧春明;宋進兵;毛杰;鄧子謙;張吉阜;楊焜;徐麗萍;曾威;陳志坤;陳龍飛
• 申請（專利權）人: 廣東省新材料研究所
• 主分類號: C23C4/11
• 分類號: C23C4/11;C23C4/134;H01M8/1253
• 代理公司: 北京超凡志成知識產權代理事務所(普通合伙) 11371
• 代理人: 呂露

一種超薄納米化SOFC電解質層的制備方法，涉及燃料電池領域，其以3mol％～8mol％的YSZ作為熱噴涂材料，通過超低壓等離子噴涂，在基材表面沉積YSZ電解質涂層。用該方法得到的電解質涂層具有高度致密的特點，解決了當前電解質層厚度與致密性無法兼顧的難題。并且，該電解質層由尺寸低于100nm的納米等軸晶粒組成，改善了傳統制備方法中電解質層晶粒易粗化問題。同時，該制備方法快速高效，避免了傳統制備方法所需的燒結過程，簡化了工藝流程，提高了生產效率。

技術領域

本發明涉及燃料電池領域，具體而言，涉及超薄納米化SOFC電解質層的制備方法。

背景技術

電解質是固體氧化物燃料電池(SOFC)的核心部件。由于需要隔離燃料氣體和氧化氣體，并在陰陽極間傳導離子，電解質需要具有高度致密的結構和較高的離子電導率。在材料方面，氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)具有較好的穩定性和較高的離子電導率，因此常用作于電解質材料。

但是，YSZ通常在850℃以上時才具有滿足要求的離子電導率，從而導致由其構成的SOFC需在高溫下工作，進而導致一些問題難以避免：如電解質與電極發生互擴散或反應生成高電阻相，造成電解質電導率下降；多孔電極燒結，導致電極活性下降；連接體材料中Cr揮發，對電極材料產生毒化；高溫密封材料性能要求更為苛刻。這些問題不僅導致電池性能衰減嚴重，還使電池成本大幅提高。解決以上問題的最佳辦法就是降低SOFC的工作溫度，但隨著溫度的降低，電解質的歐姆極化和電極的活化極化會迅速增大，從而造成電池性能下降。其中，歐姆極化對電池性能影響更為顯著。

為降低YSZ電解質在中低溫下的歐姆極化，研究人員提出了兩種解決辦法：一是降低電解質層厚度，使其不超過10μm；二是提高YSZ在中低溫下的離子電導率，而提高電導率的主要辦法是制備具有納米晶粒結構的YSZ層。在納米結構的電解質中，晶界數量顯著增多，晶界電導占主導，并且晶界的離子擴散速率會隨晶粒尺寸減小而加快，從而提高離子電導率。研究表明，晶粒尺寸低于100nm的電解質的電導率要高于微米結構的同類電解質1～2個數量級。然而，就目前來看，傳統的流延法、絲網印刷法、漿料涂布法等技術在制備超薄、致密且具有納米化結構的電解質層上仍存在很大難點。

發明內容

本發明的目的在于提供一種超薄納米化SOFC電解質層的制備方法，其能夠快速高效地在基材表面形成納米化程度高的電解質涂層，并且不需要燒結工藝，生產效率高。

本發明的實施例是這樣實現的：

一種超薄納米化SOFC電解質層的制備方法，其包括：

采用3mol％～8mol％的YSZ作為熱噴涂材料，在100～200Pa的低壓環境下進行等離子噴涂，在基材表面沉積YSZ電解質涂層。

本發明實施例的有益效果是：

本發明實施例提供了一種超薄納米化SOFC電解質層的制備方法，其以3mol％～8mol％的YSZ作為熱噴涂材料，通過超低壓等離子噴涂，在基材表面沉積YSZ電解質涂層。用該方法得到的電解質涂層具有高度致密的特點，解決了當前電解質層厚度與致密性無法兼顧的難題。并且，該電解質層由尺寸低于100nm的納米等軸晶粒組成，改善了傳統制備方法中電解質層晶粒易粗化問題。同時，該制備方法快速高效，避免了傳統制備方法所需的燒結過程，簡化了工藝流程，提高了生產效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發明實施例1所制備得到的YSZ電解質涂層的掃描電鏡圖片；

圖2為本發明實施例1所制備得到的YSZ電解質涂層的透射電鏡圖片。