固體氧化物燃料電池的相轉化及流延法制備研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種可直接將化學能轉換為電能的裝置，因其具備全固態(tài)、高效、環(huán)境友好等眾多優(yōu)點而受到人們的日益關注。傳統(tǒng)的高溫SOFC對電池材料和制備技術的要求較高，導致了電池的制備成本過高，限制了SOFC的實際應用。因此降低SOFC的工作溫度已成為目前SOFC主要的研究方向。
　　 制備薄膜電解質是實現(xiàn)SOFC的中低溫操作的最有效方式之一，為了實現(xiàn)中低溫SOFC的低成本和實用化目標，本論文主要側重于陽極支撐的SO

2、FC的制備工藝技術研究以及電化學性能表征上。此外，為了避開含鈷陰極的不利影響，論文也對新型無鈷鈣鈦礦陰極材料La0.6Ba0.4Fe1-xNixO3-δ的性能進行了研究。
　　 論文第一章概述了SOFC的工作原理、關鍵材料、發(fā)展趨勢以及制備方法等。針對SOFC市場化面臨的制備技術和陰極材料的挑戰(zhàn)，提出了本論文的研究目標及研究內容。
　　 第二章中發(fā)展了相轉化與真空輔助浸漬相結合的方法制備了陽極支撐的管狀SOFC。首先用相

3、轉化法制備了NiO-YSZ（氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯）陽極支撐體，再利用真空輔助浸漬技術來制備YSZ電解質薄膜。經(jīng)過1400℃共燒后，成功盼在1000℃預燒的NiO-YSZ陽極襯底上制備出了非常致密的YSZ電解質薄膜。以La0.8Sr0.2MnO3-δ-YSZ(LSM-YSZ)為復合陰極，單電池在700℃獲得的最大功率密度為155mW/cm2。此外，通過引入陽極功能層使電池的性能進一步得到提高。研究表明相轉化結合真空輔助浸漬技術是制備陽極支撐

4、的管狀SOFC的一種簡便有效的方法。
　　 第三章作者研究了相轉化方法制備了基于Ce0.8Sm0.202.δ(SDC)的中空纖維陶瓷管SOFC。纖維管NiO-SDC陽極襯底采用相轉化法制備，在陽極襯底上采用真空輔助浸漬成功制備了20μm厚的SDC電解質。采用潮濕的氫氣為燃料氣，單電池在600℃獲得的最大功率密度和開路電壓分別為168mW/cm2和0.71V。此外，通過制備一層電子阻隔層顯著地提高了此電池的開路電壓。由于纖維管SO

5、FC具有非常高的堆積密度，未來應用潛力很大。
　　 第四章我們通過原位相轉化法和漿料浸漬的方法成功制備了NiO-BaZr0.lCe0.7Y0.2O3-δ(NiO-BZCY)陽極支撐體以及厚度約為25μm的Ba2r0.8Y0.2O3.6(BZY)致密電解質薄膜。通過在凝固浴中引入酒精獲得了滿足需要的陽極襯底。電池表征給出，在550℃、600℃和650℃的功率密度分別是34、55和70mW/cm2，比傳統(tǒng)的電解質支撐的BZY電池高出

6、近一個數(shù)量級。實驗表明相轉化法制備平板狀SOFC是非?？尚械摹?br>　　 第五章提出了通過流延、噴霧工藝制備陽極支撐的質子導體SOFC。NiO-BZCY陽極襯底是利用流延法制備并對預燒溫度優(yōu)化后得到的。致密的BaZro.1Ce0.7Y0.2O3-δ(BZCY)電解質是通過簡單的噴霧技術制備的。電池在550℃獲得了97mW/m2的功率輸出。另外，我們還將流延法應用于陽極支撐的單電池NiO-BZCY/BZY/Smo.5Sr0.5C003

7、-δ-SDC的制備中，獲得的單電池在600℃的最大功率密度為9lmW/cm2，其數(shù)值與當前的BZY薄膜電池性能的發(fā)展水平相當。實驗結果充分證明流延結合噴霧技術是低成本制備陽極支撐的質子陶瓷膜燃料電池的可靠性路徑。
　　 第六章對鈣鈦礦氧化物La0.6Ba0.4Fe1-xNixO3-δ(LBFN)作為中低溫SOFC的一種無鈷陰極的潛能進行了探索研究。電導率測試表明，電導率隨著Ni摻雜量的增加而增加，La0.6Ba0.4Fe0.8N

8、i0.203-δ(LBFN2)在450℃的電導率達到了300S/cm。XRD表明，LBFN2與SDC的兼容性非常好。LBFN2-SDC/SDC/LBFN2-SDC對稱電池的交流阻抗測試表明，LBFN2-SDC(質量比7:3)復合陰極的面極化電阻在7000C只有0.17Ωcm2。以其作為陰極，NiO-SDC陽極支撐20μm厚的SDC薄膜電解質單電池在600℃的最大功率密度達到了300mW/cm2，結果表明LBFN2是有潛力的一種無鈷中低溫