阳极支撑SOFC电解质薄膜及电极材料的制备与性能研究

摘要

固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell，SOFC)是新型绿色发电技术，采用离子导体为隔膜，直接将化学能转化为电能，能量转换效率高，安全环保，很有发展前景。然而其工作温度较高会引发诸多问题，降低SOFC的使用寿命和工作效率，实现电池中低温化的常用方法就是采用阳极支撑SOFC，将电解质材料制备成薄膜。作为SOFC的重要组成部分，阳极支撑体与电解质薄膜的性能极为重要。
　　首先以石墨为造孔剂制备多孔NiO/YSZ阳极材料，探讨造孔剂含量对阳极材料微观结构及各项性能的影响。结果表明随着造孔剂含量的增加，阳极材料的开气孔率和收缩率等逐渐增加，抗热震性能得到改善，而其弯曲强度和电导率有所降低。其中石墨含量10wt％的阳极材料，弯曲强度在50MPa左右，还原后气孔率达到38％，电导率为720s/cm，满足SOFC正常工作的基本要求。
　　其次通过干压成型法制备出梯度阳极材料，使阳极从支撑层到功能层NiO和造孔剂含量递减，原料粉体颗粒逐渐细化，孔隙率降低，从而增加阳极的催化活性，使阳极材料工作寿命延长，性能提高。对于阳极功能层，原料球磨时间越长，则粉体颗粒越细，混合越均匀，从而保证了较高的反应三相界面。
　　然后采用浆料旋涂法在阳极支撑体上制备电解质薄膜，研究各项旋涂工艺参数对电解质薄膜厚度和致密性的影响。发现粘结剂中乙基纤维素含量为3wt％，固相含量为40wt％，阳极预烧温度为800℃时，薄膜致密性较好。旋涂时间为20s，转速4000r/min，旋涂4次时，可以得到厚度15um左右的电解质薄膜。薄膜厚度均匀平整，与阳极支撑体连接紧密。在YSZ浆料中加入Bi2O3作为烧结助剂，不仅可以降低烧结温度，提高致密性，还能促进晶粒生长，降低电解质材料的晶界电阻。但过多的Bi2O3会导致部分c-ZrO2转变为氧离子电导率较低的m-ZrO2，同时降低了电解质的抗热震性能。添加3wt％Bi2O3的YSZ电解质在1250℃时的相对密度为97.5％，达到纯YSZ电解质在1450℃烧结后的致密性，避免了m-ZrO2的生成，较为合适。
　　最后采用溶胶凝胶法制备出比表面积较大、反应活性较高的钙钛矿型LSM阴极粉体。将LSM与YSZ混合，球磨时间越长，粉体混合越均匀，颗粒越细小。通过旋涂法在阳极支撑电解质上制备复合阴极薄膜，可得到SOFC单电池。浆料中乙基纤维素起到粘结剂和造孔剂的双重作用，其含量为6wt％的复合阴极在1100℃烧结后骨架结构细化，孔隙细小均匀，薄膜表面平整，且与电解质接触紧密，使阴极拥有更多的三相界面，电化学活性提高。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 固体氧化物燃料电池概述

1．2．2 SOFC的主要特点

1．2．3 SOFC的分类

1．3 SOFC的主要结构

1．3．2 SOFC电解质

1．3．3 SOFC阴极

1．3．4 连接材料

1．4 SOFC理论电动势

1．4．1 SOFC开路电压、输出电压

1．4．2 固体氧化物燃料电池的极化损失

1．5 国内外研究现状

1．6 研究内容

第二章 实验内容及方法

2．1 实验材料及仪器设备

2．2 技术路线及实验过程

2．2．1 实验工艺流程图

2．2．2 NiO／YSZ阳极的制备

2．2．3 YSZ电解质薄膜的制备

2．2．4 SOFC单电池的制备

2．3 样品表征

2．3．1 微观形貌分析

2．3．2 物相分析

2．3．3 气孔率测试

2．3．4 收缩率测试

2．3．5 抗热震性测试

2．3．6 弯曲强度测试

2．3．7 电导率测试

第三章 以石墨为造孔剂的阳极结构与性能

3．1 造孔剂含量对阳极性能影响

3．1．1 气孔率

3．1．2 收缩率

3．1．3 质量烧失率

3．1．4 抗热震性

3．1．5 弯曲强度

3．2 NiO还原前后阳极材料的变化

3．2．1 物相组成

3．2．2 气孔率

3．2．3 电导率

3．3 梯度阳极材料的结构与性能

3．3．1 梯度阳极理论及制备

3．3．2 过渡层的影响

3．3．3 球磨时间的影响

3．4 本章小结

第四章 阳极支撑电解质薄膜的制备与性能

4．1 浆料旋涂法制备电解质薄膜

4．1．1 固相含量对电解质的影响

4．1．2 乙基纤维素含量对电解质的影响

4．1．3 阳极预烧温度对电解质的影响

4．1．4 旋涂时间对电解质的影响

4．1．5 旋涂转速对电解质的影响

4．1．6 旋涂次数对电解质的影响

4．2 Bi2O3掺杂对YSZ电解质性能的影响

4．2．1 致密性

4．2．2 物相组成

4．2．3 抗热震性

4．2．4 电解质薄膜微观结构

4．3 本章小结

第五章 溶胶凝胶法制备复合阴极

5．1．2 煅烧前后LSM微观形貌

5．2 旋涂法制备复合阴极

5．2．1 粘结剂浓度对阴极的影响

5．2．2 球磨时间对阴极的影响

5．2．3 烧结温度对阴极的影响

5．2．4 旋涂层数对阴极的影响

5．3 SOFC单电池组装

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 本文创新点

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文