燃料電池（FC）是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、排放低、無噪聲等特點(diǎn)，是21世紀(jì)的能源革命性發(fā)電技術(shù)。同時(shí)它還與氫能源產(chǎn)業(yè)直接關(guān)聯(lián)，是核心技術(shù)環(huán)節(jié)。

BE公司的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其標(biāo)準(zhǔn)配置可產(chǎn)生250 kW的功率

根據(jù)所使用的電解質(zhì)不同，燃料電池有多種分類。其中固體氧化物燃料電池（SOFC）發(fā)電不需經(jīng)過從燃料化學(xué)能→熱能→機(jī)械能→電能的轉(zhuǎn)變過程，其能量轉(zhuǎn)化效率高、操作方便、無腐蝕、燃料適用性廣，很容易與現(xiàn)有能源資源供應(yīng)系統(tǒng)兼容。同時(shí)，SOFC不需要貴金屬催化劑，原材料資源豐富且成本低，因此具備了廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)，受到了各界的關(guān)注。

固體氧化物燃料電池工作原理示意圖

一、SOFC與流延成型的關(guān)聯(lián)

從電池結(jié)構(gòu)上講，SOFC大體可分為3類：管式、平板式、瓦楞式，一般采用氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)在700~1000℃下工作。其中，平板式的優(yōu)點(diǎn)是PEN（陽極/電解質(zhì)/陰極燒結(jié)成一體的三合一結(jié)構(gòu)）制備工藝簡單，造價(jià)低，同時(shí)由于電流收集均勻，平板型電池的輸出功率密度也較管式高。但也有缺點(diǎn)就是密封困難、抗熱循環(huán)性能差及難以組裝成大功率電池組。

不過，近年SOFC的研究正向800℃以下的中低溫方向發(fā)展，在這種工作條件下可以使用低成本的金屬連接材料（如廉價(jià)的耐熱不銹鋼），無機(jī)密封問題也變得比較容易解決，還可以提高電池材料的長期穩(wěn)定性，降低電池系統(tǒng)的制造和運(yùn)行成本。所以，近年來研究與開發(fā)的中溫SOFC大都采用平板型結(jié)構(gòu)。

平板式SOFC

不過隨著SOFC工作溫度的下降，YSZ的電阻率會(huì)迅速增大。而中、低溫固體氧化物燃料電池的發(fā)展不僅要依賴于高電導(dǎo)率的電解質(zhì)材料和高催化活性的電極材料，更要借助于電解質(zhì)的薄膜化來實(shí)現(xiàn)——一般認(rèn)為，當(dāng)SOFC的工作溫度為700℃時(shí)，YSZ電解質(zhì)的厚度應(yīng)當(dāng)小于50 μm。

固體電解質(zhì)是SOFC最核心的部件，它的厚度和致密度將直接影響電池的性能，因此制備致密的電解質(zhì)層是目前國內(nèi)外對于中、低溫SOFC研究的重點(diǎn)、難點(diǎn)之一，許多薄膜制備技術(shù)都被嘗試用來制備致密的電解質(zhì)薄膜。這就是為什么流延法目前會(huì)成為生產(chǎn)大面積平板固體氧化物燃料電池電解質(zhì)的最重要方法的原因。當(dāng)然，流延成型法還有其他優(yōu)勢，大致可總結(jié)為：

(1)相對于化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積等成型方法，流延成型法的設(shè)備成本和制造成本低；

(2)制得材料的機(jī)械強(qiáng)度較干壓法高、而且能夠得到致密的結(jié)構(gòu)；

(3)所制備的材料缺陷少且薄膜的厚度范圍寬；

(4)可以將不同組分的多層材料層壓在一起。

二、可用的流延成型法

流延成型工藝的主要流程是：首先將陶瓷粉體與分散劑加入溶劑（水或有機(jī)溶劑）中，通過球磨或超聲波振蕩打開顆粒團(tuán)聚，并使溶劑潤濕粉體，再加入粘結(jié)劑和增塑劑，通過二次球磨得到穩(wěn)定、均一的漿料；再將漿料在流延機(jī)上進(jìn)行成型得到素坯；然后進(jìn)行干燥，使溶劑蒸發(fā)，粘結(jié)劑在陶瓷粉末之間形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，得到素坯膜；接著對素坯膜進(jìn)行機(jī)加工，得到所需要的特定形狀；最后通過排膠和燒結(jié)處理得到所需要的成品。

流延法制備SOFC工藝圖

根據(jù)溶劑的種類，流延成型可以分為水基流延體系和有機(jī)流延體系兩大類，這兩種目前都有用于SOFC的制備中，具體區(qū)別如下：

1、有機(jī)流延成型

有機(jī)流延體系（即傳統(tǒng)流延工藝）研究和應(yīng)用較早，在陶瓷制備的應(yīng)用上已經(jīng)較成熟。其常用溶劑有甲苯、二甲苯、乙醇和三氯乙烯等，實(shí)際生產(chǎn)中則常用乙醇/甲苯、乙醇/三氯乙烯等二元共沸溶劑。由于有機(jī)溶劑的相容性、易揮發(fā)、低蒸發(fā)潛熱、低表面張力以及可防止陶瓷粉體水化等特點(diǎn)，因此，有機(jī)流延成型體系具有添加劑選擇范圍較廣泛、溶劑揮發(fā)快、干燥時(shí)間短等諸多優(yōu)點(diǎn)，易得到結(jié)構(gòu)均勻、坯體缺陷尺寸較小、強(qiáng)度高柔韌性好的陶瓷薄板。

但是有機(jī)流延成型工藝最常被詬病的，就是有機(jī)溶劑具有一定的毒性，不可避免地給人類和生態(tài)環(huán)境帶來危害，且生產(chǎn)成本較高，成品有機(jī)物含量較高、密度較低、排膠過程易開裂，這些都制約著有機(jī)流延成型的發(fā)展，同時(shí)也給下方的水系流延成型工藝帶來了機(jī)會(huì)。

2、水系流延成型

水系流延成型技術(shù)是將粉體分散于含有分散劑的水溶液中，通過粘結(jié)劑分子的長鏈纏繞作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)粘結(jié)成型，最終得到具有一定強(qiáng)度及韌性的素坯。水系流延成型中，通過控制刮刀高度可以制備出厚度可控的薄膜素坯，在制備超薄大尺寸陶瓷制品方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。目前，水系流延成型技術(shù)已被應(yīng)用于多層復(fù)合透明陶瓷、固體氧化物燃料電池電解質(zhì)、電容器基板及其他高技術(shù)陶瓷的生產(chǎn)。另外由于水系流延成型具有無毒性、不易燃、價(jià)格低廉等優(yōu)勢，因此有望成為未來發(fā)展趨勢。

然而水的極性較大，粉體之間需要大量的粘結(jié)劑形成長鏈分子纏繞網(wǎng)絡(luò)才能粘結(jié)成型，其有機(jī)物含量相較于凝膠注模增長了10%~20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），該方法受限于分散劑和粘結(jié)劑選擇種類較少，且面臨水溶劑表面張力大、對粉料的浸潤性差（易再次絮凝）、產(chǎn)生難除氣泡、揮發(fā)速率慢及其收縮不一致導(dǎo)致干燥開裂等問題；同時(shí)，有機(jī)物添加量的增多還會(huì)導(dǎo)致坯體起皮、開裂，排膠后坯體致密度大幅度下降。

三、總結(jié)

當(dāng)然，SOFC的制備方法其實(shí)是多種多樣的，以上呈現(xiàn)的只是SOFC其中一條制備線路中的一小部分，不過對燃料電池的性能和壽命也依舊有著非常重要的影響。至于有機(jī)合適還是水基更好，相信隨著對相關(guān)工藝研究的深入，終有一日還是能得到最終的答案。

資料來源：

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