流延-疊層法制備平板型中溫固體氧化物燃料電池的研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池（SOFC）因其零排放、高效率、燃料適應(yīng)性廣而成為一種舉世公認的綠色能源，得到了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。但在走向?qū)嵱没蜕虡I(yè)化進程中，還有一些問題沒有解決。其中一個主要問題是SOFC的工作溫度過高，從而帶來種種技術(shù)和材料困難。解決的主要措施是減小工作溫度下固體電解質(zhì)隔膜的電阻、提高電極的催化活性及機械強度。研究中溫下具有高離子電導(dǎo)率的固體電解質(zhì)材料，以及采用匹配性好和機械性能優(yōu)良的陽極支撐的薄膜電解質(zhì)，是近年來國際上的熱

2、點。
　　 本論文工作采用環(huán)保的醋酸鹽為原料，以噴霧熱分解技術(shù)制備氧化衫摻雜二氧化鈰（SDC）粉末，研究實驗配方及噴霧熱分解工藝對SDC粉末性能的影響，并采用差熱-熱重分析及熱力學(xué)計算研究了SDC的形成機制。
　　 系統(tǒng)研究了水基流延SDC漿料的制備、分散劑及其分散機理、流變學(xué)特性、漿料干燥及成膜機理，結(jié)果表明：當固相含量大于50wt.％時漿料顯示出較明顯的假塑性行為。三乙醇胺的分散機理主要為靜電穩(wěn)定機理。以20～25℃

3、干燥16～24后，得到了表面平整光滑、顯微結(jié)構(gòu)均勻、強度和柔韌性高的SDC、NiO-SDC和NiO-YSZ（氧化釔穩(wěn)定氧化鋯）單膜生坯，生坯厚度與刮刀第2道刀口間隙的高度之間滿足1/2.5～1/3的關(guān)系。
　　 研究了不同的脫脂和燒結(jié)制度對流延成型的SDC電解質(zhì)性能的影響，結(jié)果表明：高溫燒成后SDC的相結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變，而晶粒尺寸增大。1400℃燒結(jié)2小時后得到了相對密度為97％的SDC電解質(zhì)。燒結(jié)過程的動力學(xué)模型指出升高溫度、

4、細化粉末粒徑可以促進燒結(jié)過程的進行。SDC電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率表現(xiàn)出Arrhenius行為。1300℃，1400℃和1500℃燒結(jié)2小時的SDC電解質(zhì)的電導(dǎo)活化能分別為1.24 eV，0.90 eV和1.08 eV，1400℃燒結(jié)2小時的SDC在600℃時得到最大的離子電導(dǎo)率為9.5×10-3S·cm-1。
　　 系統(tǒng)研究了電解質(zhì)厚度、疊層層數(shù)、疊層溫度、疊層壓力、共燒制度等因素對疊層法制備NiO-SDC和NiO-YSZ陽極，以及

5、NiO-SDC陽極或NiO-YSZ陽極支撐的SDC薄膜電解質(zhì)性能的影響。結(jié)果表明：在較低的溫度和壓力下制備出了平整無裂紋的疊層片。經(jīng)1400℃共燒2 h后，NiO-YSZ陽極達到了較高的機械性能并達到實用要求。采用疊層法成功制備出了直徑為25 mm，厚度為1.2 mm的NiO-YSZ陽極支撐SDC薄膜電解質(zhì)半電池。
　　 從理論上推導(dǎo)了單電池電動勢與溫度的關(guān)系及電流與氫氣用量間的關(guān)系，并首次提出了氫氣用量的閾值。研究了溫度和氫氣

6、用量對單電池Ni-YSZ//SDC//LSCF-SDC電學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：單電池于500℃，600℃，700℃，800℃時的最大功率密度分別為26.60 mW/c㎡，42.30 mW/c㎡，66.78mW/c㎡，93.03 mW/c㎡，開路電壓分別為0.978 V，0.921 V，0.861 V，0.803 V。各個溫度下單電池的濃差極化較大，較低溫時歐姆極化較大。單電池中Ni-YSZ陽極和SDC電解質(zhì)界面間發(fā)生反應(yīng)形成了低電導(dǎo)率