管式固體氧化物燃料電池陽(yáng)極-電解質(zhì)的制備與性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種新型的發(fā)電裝置，具有高效，低污染等優(yōu)點(diǎn)，引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。管式SOFC具有高機(jī)械強(qiáng)度、高抗熱沖擊性能、簡(jiǎn)化的密封技術(shù)、高模塊化集成性能等特點(diǎn)，是最接近商業(yè)化的SOFC發(fā)電技術(shù)。本論文的主要工作是陽(yáng)極支撐型管式SOFC的制備與性能研究，開(kāi)發(fā)了低成本的陶瓷成型技術(shù)用于制備YSZ電解質(zhì)薄膜，并提出制備連續(xù)梯度陽(yáng)極功能層的設(shè)想，以改善陽(yáng)極性能。在此基礎(chǔ)上，組裝了管式SOFC單體電池及電堆，對(duì)其各項(xiàng)性

2、能指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。為大功率電池堆的組裝打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　本論文采用浸漬涂敷法制備YSZ電解質(zhì)薄膜。開(kāi)發(fā)出一種新型高固含量的懸浮液體系作為涂敷漿料，克服了傳統(tǒng)的浸漬涂敷法耗時(shí)長(zhǎng)，效率低的缺點(diǎn)。通過(guò)對(duì)漿料穩(wěn)定性、粘度測(cè)試及薄膜表觀形貌進(jìn)行考察，確定了漿料最佳組成。粉料-YSZ100g，溶劑-丁酮/乙醇(1/1)550mL，分散劑-三乙醇胺2.5g，粘結(jié)劑-聚乙烯醇縮丁醛4.5g，塑性劑-聚乙二醇/鄰苯二甲酸二乙酯(1/1)7

3、.5g。采用優(yōu)化的浸漬涂敷工藝成功地制備了致密的YSZ電解質(zhì)薄膜。電解質(zhì)薄膜厚度約為27μm，用于SOFC單體電池，其開(kāi)路電壓在測(cè)試溫度范圍(650℃~850℃)內(nèi)穩(wěn)定在1.12V~1.19V，接近理論電壓。在800℃時(shí)，單電池的最大功率密度為505mW·cm-2。YSZ薄膜在800℃時(shí)電導(dǎo)率為0.0098S·cm-1，高于溶膠涂敷法，表現(xiàn)出良好的離子導(dǎo)電性。
　　文中研究不同燒結(jié)工藝對(duì)YSZ電解質(zhì)塊體性能、YSZ電解質(zhì)薄膜性能以

4、及電池性能的影響。YSZ電解質(zhì)的電導(dǎo)率主要受其晶粒尺寸和致密度的影響。燒結(jié)制度分別為S15、S14和S13-20時(shí)，YSZ粒徑依次減小，電解質(zhì)的電導(dǎo)率逐漸增大，分別為0.014S·cm-1、0.0445S·cm-1和0.0564S·cm-1。當(dāng)YSZ電解質(zhì)薄膜的燒結(jié)制度分別為S15、S14和S13-20時(shí)，單電池800℃的最大功率密度分別為505mW·cm-2、623mW·cm-2和671mW·cm-2；開(kāi)路電壓相應(yīng)的分別為1.14V、

5、1.13V和1.11V，采用較低的燒結(jié)溫度有效地抑制陽(yáng)極的過(guò)燒結(jié)，從而大大降低了電池極化電阻，提高了電池的放電性能。對(duì)YSZ薄膜的燒結(jié)機(jī)理進(jìn)行了初步探討。YSZ燒結(jié)過(guò)程中的結(jié)晶化過(guò)程對(duì)薄膜最終燒結(jié)的致密性及晶粒尺寸有較大影響，在1200℃保溫2h有助于形成大量晶核尺寸大于臨界晶核尺寸的晶粒。這些晶粒繼續(xù)保持生長(zhǎng)并最終獲得了晶粒尺寸較小且較致密的YSZ膜。采用三步燒結(jié)的方法可以抑制晶界遷移，保持晶界擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)YSZ的低溫?zé)Y(jié)。

6、　　采用冷等靜壓成型方法制備管式SOFC陽(yáng)極，浸漬涂敷法制備YSZ電解質(zhì)，組裝了管式SOFC單體電池并進(jìn)行放電測(cè)試。在800℃下，以氫氣為燃料，電池的開(kāi)路電壓為1.0V，最大功率為0.42W，最大功率密度為110mW·cm-2，接近國(guó)際管式SOFC性能水平。采用SUS430不銹鋼為連接材料組裝了管式SOFC電堆。放電測(cè)試結(jié)果表明，氫氣流量為300mL·min-1時(shí)，電堆的開(kāi)路電壓為0.79V，輸出功率0.65W。恒流放電測(cè)試其長(zhǎng)期工作穩(wěn)

7、定性，在8.5h時(shí)間范圍內(nèi)，電堆性能衰減14％。
　　本論文首次提出了采用電泳沉積法制備連續(xù)梯度陽(yáng)極功能層的設(shè)想，對(duì)其制備過(guò)程及制備的功能層的性能進(jìn)行了研究。電泳起始電流隨外加電壓的增大而增大，隨著電泳沉積的進(jìn)行，不同電壓下電流密度都逐漸降低。沉積層質(zhì)量與外加電壓之間呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系。在沉積電壓一定時(shí)，在電泳的一段時(shí)間內(nèi)，沉積質(zhì)量與時(shí)間呈線(xiàn)形關(guān)系；在沉積一段時(shí)間后，沉積的量與沉積時(shí)間呈拋物線(xiàn)關(guān)系，曲線(xiàn)的斜率隨時(shí)間而減小。采用恒壓40V

8、制備的功能層具有較理想的微觀結(jié)構(gòu)，功能層中NiO與YSZ的比例隨厚度的增加呈現(xiàn)連續(xù)梯度的變化，NiO含量隨厚度的增加逐漸降低，從距陽(yáng)極基體2.5μm處的64%降低至13.3μm處的50%，YSZ含量則由36%增加至50%。電泳沉積功能層后電池的性能有了不同程度的提高，恒壓電泳5min，10min和20min的電池最大功率密度分別為0.88,1.15和1.10W·cm-2。電池的EIS測(cè)試結(jié)果表明，電泳沉積功能層有效地增大了TPB，在電泳