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(rèn)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(jìn)程中，還有一些問(wèn)題沒(méi)有解決。其中一個(gè)主要問(wèn)題是SOFC的工作溫度過(guò)高，從而帶來(lái)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(jī)械強(qiáng)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(jī)械性能優(yōu)良的陽(yáng)極支撐的薄膜電解質(zhì)，是近年來(lái)國(guó)際上的熱

2、點(diǎn)。
　　 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(shí)驗(yàn)配方及噴霧熱分解工藝對(duì)SDC粉末性能的影響，并采用差熱-熱重分析及熱力學(xué)計(jì)算研究了SDC的形成機(jī)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(jī)理、流變學(xué)特性、漿料干燥及成膜機(jī)理，結(jié)果表明：當(dāng)固相含量大于50wt.％時(shí)漿料顯示出較明顯的假塑性行為。三乙醇胺的分散機(jī)理主要為靜電穩(wěn)定機(jī)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(qiáng)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(mǎn)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(duì)流延成型的SDC電解質(zhì)性能的影響，結(jié)果表明：高溫?zé)珊骃DC的相結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生改變，而晶粒尺寸增大。1400℃燒結(jié)2小時(shí)后得到了相對(duì)密度為97％的SDC電解質(zhì)。燒結(jié)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型指出升高溫度、

4、細(xì)化粉末粒徑可以促進(jìn)燒結(jié)過(guò)程的進(jìn)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(shí)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(shí)的SDC在600℃時(shí)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(duì)疊層法制備N(xiāo)iO-SDC和NiO-YSZ陽(yáng)極，以及

5、NiO-SDC陽(yáng)極或NiO-YSZ陽(yáng)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(wú)裂紋的疊層片。經(jīng)1400℃共燒2 h后，NiO-YSZ陽(yáng)極達(dá)到了較高的機(jī)械性能并達(dá)到實(shí)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(yáng)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(dòng)勢(shì)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(duì)單電池Ni-YSZ//SDC//LSCF-SDC電學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：?jiǎn)坞姵赜?00℃，600℃，700℃，800℃時(shí)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(kāi)路電壓分別為0.978 V，0.921 V，0.861 V，0.803 V。各個(gè)溫度下單電池的濃差極化較大，較低溫時(shí)歐姆極化較大。單電池中Ni-YSZ陽(yáng)極和SDC電解質(zhì)界面間發(fā)生反應(yīng)形成了低電導(dǎo)率