固體氧化物燃料電池電解質(zhì)和陽極材料的制備方法及性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池（Solid oxide fuel cells，SOFCs）是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置，具有高效、清潔、穩(wěn)定、模塊化全固態(tài)設(shè)計等特點。提高燃料電池的性能并降低其成本是人們一直追求的目標(biāo)。
　　本論文以改進SOFC電池制備工藝、提高其性能為目標(biāo)，主要圍繞改進絲網(wǎng)印刷電解質(zhì)工藝，研究助燒劑Gd2Ti2O7(GT)對Gd0.1Ce0.9O1.95(GDC)電解質(zhì)的影響，研究添加Co對SOFC陽極功能層結(jié)構(gòu)及電池

2、性能的影響三個方面來展開。通過實驗和分析，主要獲得以下結(jié)果:
　　通過研究絲網(wǎng)目數(shù)和印刷次數(shù)對絲網(wǎng)印刷YSZ(yttria dopedzirconia)電解質(zhì)的影響，我們開發(fā)了直接在陽極生坯上絲網(wǎng)印刷電解質(zhì)的方法。這種方法可用于印刷制備平板SOFC電池的電解質(zhì)。此外，由于陽極生坯襯底在燒結(jié)時會產(chǎn)生巨大收縮，帶動了電解質(zhì)層的收縮，使其更易致密。而且，本實驗中采用的主要制備技術(shù)（濕粉噴霧、流延和絲網(wǎng)印刷）成本低、操作方便、生產(chǎn)效率高，

3、可用于SOFC的大規(guī)?；a(chǎn)。在此基礎(chǔ)上，我們又通過研究漿料中粘結(jié)劑和表面活性劑含量對絲網(wǎng)印刷GDC電解質(zhì)的影響，優(yōu)化了漿料的組成。此外，我們還將GT添加到絲網(wǎng)印刷漿料中，制得了更致密的GDC電解質(zhì)層。
　　研究了GDC中加入GT對其成分、致密度、電學(xué)性能和熱膨脹性能的影響，同時對作為對比的加入TiO2的樣品也做了相關(guān)測試。結(jié)果表明，當(dāng)GT/GDC的摩爾比高于0.02時，在1400℃下燒結(jié)5h后，材料的相對密度能超過97％，同時X

4、射線衍射（X-ray diffraction，XRD）結(jié)果表明GDC的成分基本不變，而作為對比，加入TiO2后，TiO2會與GDC中的Gd反應(yīng)生成GT。交流阻抗譜分析表明，加入GT后，材料的離子電導(dǎo)率下降在可接受的范圍內(nèi)。相比加入等量TiO2的樣品，加入GT后的樣品的離子電導(dǎo)率也要高很多。此外，材料的熱膨脹系數(shù)也隨著加入GT量的增加而降低。這些結(jié)果表明，對GDC來說，GT是一種優(yōu)秀的燒結(jié)助劑。綜合來看，當(dāng)GT/GDC的摩爾比的最佳值為0

5、.02，此時材料的致密度和離子電導(dǎo)率都較高。另外，我們對GT助燒GDC的機理也作了一定的探究。
　　研究了Co加入Ni-YSZ功能層后對其結(jié)構(gòu)和性能的影響。其中XRD結(jié)果表明在SOFC工作環(huán)境下，起催化作用的金屬相為Co與Ni的合金相。掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)結(jié)果表明，隨著Co含量的增加，Ni1-xCox顆粒的晶粒尺寸增大。熱重（thermogravimetric，TG）分

6、析表明，Ni1-xCoxO-YSZ粉體的還原有兩個過程，分別是化學(xué)反應(yīng)控制過程和擴散控制過程。其中，DTG（differential thermogravimetric）曲線中對應(yīng)于化學(xué)反應(yīng)控制的峰位隨Co含量的增加向低溫度區(qū)移動，說明Co加入后會提高Ni1-xCox顆粒的催化活性。SOFC電池性能測試結(jié)果表明，當(dāng)x=0.03時，相應(yīng)SOFC單電池性能最高，在700、750、800℃下的最大輸出功率密度分別為445、651和815 mW