[发明专利]注浆法制备电解质薄管的工艺及制作石膏模的母模具

说明书

本发明属用于固体氧化物燃料电池的自支撑电解质薄管的制备工艺。

“J.Am.Ceram.Soc.76[3]563-88(1993)”陶瓷燃料电池的综述文章中介绍了燃料电池的元件材料，其中的电解质材料有“稳定化氧化锆(ZrO₂)，特别是钇稳定化氧化锆(YSZ)是固体氧化物燃料电池(SOFC)最普遍的电解质。”文章中还介绍了燃料电池的堆叠设计和制作，其中分立电池的串联设计又分为带状结构和锥管套接结构两种。与本发明最接近的电解质薄管即是锥管套接结构的电解质薄管。对单个电池来说，其形状是锥形管，支撑物是电解质本身，即自支撑结构。现有技术的制备锥形管的工艺是“轴向压制法”。其过程大致为，以纳米尺寸的Y₂O₃稳定化的ZrO₂(YSZ)为主要原料的电解质粉末，在较高温度下压成要求的形状(锥管形)和密度(约50％的原始密度)，制成未烧结体，再在空气中1125℃下烧结到理论密度的95％。YSZ中还加入Al₂O₃的精细颗粒，使YSZ抗裂韧性增强，且对材料的导电率影响不大。

现有技术的电解质锥形管制作工艺有以下不足：1.要压制致密的电解质管，必须要先制得纳米尺寸的电解质粉末，原料粒度要求高。2.工艺过程和设备复杂。原料要求纳米尺度的粉末，不仅需要复杂的工艺和设备，而且正如综述文章所讲的，“通常制备ZrO₂粉末要使用氯化物，因此可能含有相当量残留的氯化物……，要用冲洗法去除氯化物杂质。”轴向压制电解质管就要有加压设备和抗压模具，这也使工艺及设备复杂化。3.压制成的未烧结体易碎，成品率低。4.电解质管的导电率和致密度仍需要提高。

本发明的目的是克服现有技术的不足，采用石膏模注浆制备电解质管，使工艺和设备都变得简单，并提高未烧结体的成品率；采用球磨、加解凝剂、去气泡等工艺调浆料，降低对原料粒度的要求，增强致密性，通过添加合适量的Al₂O₃，增强电解质薄管的韧性和提高导电率。    

本发明以Y₂O₃稳定的ZrO₂(YSZ)作为固体电解质，平均粒度在0.7～1.0μm；同时加入一定量的Al₂O₃，平均粒度0.3～0.6μm。经过本发明的与现有技术完全不同的工艺过程，制成用于固体氧化物燃料电池的电解质薄管，薄管呈圆锥筒形，锥筒的底面开口，顶端呈圆滑的封闭球冠形。

本发明的工艺过程按顺序包括制石膏模——调浆料——除气泡——注浆——脱模——预烧——烧结等过程。

所说的制石膏模，是将石膏和水按一定比例混合，搅拌均匀成石膏浆，加除泡剂搅拌后倒入密闭容器进行抽真空处理，过筛倒入母模具中凝固，拆去母模具烘干制得石膏模；石膏模的形状是，立体的石膏模中央轴向开有圆锥形的洞，圆锥洞的底面开口，圆锥面的锥顶封闭。

所说的调浆料是以YSZ为主要成分的电解质与占YSZ干料重量(3.0～4.5)％的Al₂O₃细粉混合，加阿拉伯树胶作解凝剂，以蒸馏水作溶剂，放入球磨机中，用ZrO₂球球磨1.5～3.5小时，过筛得电解质浆料。

所说的除气泡是在浆料中加除泡剂并抽真空处理。

所说的注浆，是将除气泡处理后的浆料注入石膏模的圆锥形洞内，静置3～10分钟，倒出剩余的浆料，并让干涸层继续在石膏模中干燥，形成底端开口的圆锥筒形电解质未烧结体。

所说的脱模是将未烧结体从石膏模中取出。

所说的预烧是将未烧结体在1200～1350℃温度下预烧，冷却后进行修坯。

所说的烧结是将修坯后的电解质薄管在1600～1850℃温度下烧结制成成品。

前述的制石膏模工艺过程中，石膏可以选用二水石膏，过120目筛，在120～180℃温度下烘炒，再放置2～8天。处理后的石膏与水按两者重量比10∶(8.0～10)进行混合搅拌。抽真空处理是在(0.08～0.10)MPa真空下处理。烘干是在50～70℃温度下烘干。

用于制石膏模的一种母模具由图1给出。

图1是本发明的制石膏模的母模具结构图。