固體氧化物燃料電池兩種電解質膜制備方法的研究及應用.pdf

1、固體氧化物燃料電池是一種將化學能直接轉化為電能的裝置，具有能量轉化效率高、環(huán)境友好及燃料選擇范圍廣的優(yōu)點，越來越受到研究者的重視。制備陽極支撐型固體氧化物燃料電池，降低電池工作溫度(600～800℃)，從而降低成本延長電池壽命已成為目前研究的熱點。減小電解質膜的厚度是降低電池工作溫度，保持電池輸出性能的有效方法之一。因此，開發(fā)低成本高效率的電解質膜制備工藝是獲得高性能陽極支撐型固體氧化物燃料電池的重要途徑。
　　本文開發(fā)了絲網印刷

2、法制備陽極支撐型電解質膜工藝。首先在多孔NiO-YSZ陽極支撐體上印刷制備了YSZ電解質膜。系統研究了影響絲網印刷工藝的幾個重要參數，如YSZ粉末的粒徑及粒徑分布、印刷漿料的組成、電解質膜坯體的燒結溫度和印刷層數。研究結果表明，絲網印刷制備的YSZ電解質膜截面和表面均致密，無裂紋，燒結之后膜厚度為2μm～30μm。電解質膜分別與NiO-YSZ陽極及La0.7Sr0.3MnO3(LSM)-YSZ陰極燒結良好，電解質膜與電極緊密接觸有利于降

3、低電池界面電阻。用于制備電解質膜的YSZ粉末對電解質膜微結構有顯著影響。使用球磨優(yōu)化后的粉末制備的電解質膜致密，而使用未球磨粉末所得膜內微孔較多?；谥旅茈娊赓|膜的電池開路電壓可以達到1.08V，與根據能斯特方程計算的理論開路電壓相當。由致密膜制備的單電池相同溫度和測試條件下的功率密度是多孔膜制備電池指標的5倍。漿料的組成對電解質膜微結構也有明顯影響。實驗研究表明，為保證燒結后電解質膜致密，印刷漿料中YSZ質量百分比應該在30％～45%

4、。電解質膜坯體的燒結狀態(tài)隨溫度上升而明顯改善。燒結溫度越高，制備電池開路電壓越高。得到氣密性合格的電解質膜的最低燒結溫度為1300℃。絲網印刷層數對電池開路電壓也有影響，開路電壓隨印刷層數增大而上升。單次印刷可得2μm左右電解質膜，電解質膜厚度隨印刷層數增大線性上升。為保證電池開路電壓在1.0V以上，重復五次印刷過程是必要的。當電解質膜厚度在30μm以內時，膜厚對電池輸出功率密度沒有明顯影響。電池的電化學測試結果表明，燃料氣體對電池性能

5、有影響。同一電池，以氫氣為燃料時功率密度為甲烷燃料的2倍。850℃，絲網印刷制備的電池最大輸出功率密度為1.72W/cm2，電池性能優(yōu)異。電池的熱循環(huán)性能良好。阻抗譜分析表明，電池的陰極極化是制約電池性能的首要因素。
　　在絲網印刷制備YSZ電解質膜的基礎上，本文采用絲網印刷法在NiO-Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)多孔陽極支撐體上制備了SDC電解質膜。掃描電子顯微鏡結果顯示，SDC電解質膜表面無微孔和裂紋，僅在膜截面存在

6、閉合微孔。電化學測試結果表明，電池開路電壓可以達到0.9V左右，開路電壓隨測試溫度上升而迅速下降，這主要是由SDC的電子導電性在高溫時明顯增強，離子遷移數下降所致。電池Ni-SDC/SDC(12μm)/Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)以氫氣為燃料時，650℃，600℃，555℃，505℃，455℃和405℃測得的最大功率密度分別為1.28W/cm2，1.08W/cm2，0.67W/cm2，0.37W/cm2，

7、0.18W/cm2和0.073W/cm2。以甲烷為燃料，650℃，600℃，555℃和505℃的最大功率密度分別為0.876W/cm2，0.568W/cm2，0.346W/cm2和0.114W/cm2。與國際上報道的陽極支撐型SDC膜固體氧化物燃料電池相比，本實驗在相同測試溫度所得最大功率密度最高。
　　為了降低電解質膜的制備成本和提高效率，本文還開發(fā)了一種新型的電解質膜制備方法，即壓力輔助涂布法。通過此法分別在NiO-YSZ多孔

8、陽極和NiO-SDC多孔陽極上制備了致密YSZ電解質膜。在制備陽極/電解質膜二合一部件的基礎上進一步制備了單電池。對膜微結構、膜內應力、NiO-SDC陽極/YSZ電解質膜之間的界面反應以及電池的電化學性能進行了測試和分析。NiO-SDC陽極支撐型電池主要用來研究甲烷的陽極氧化機制和陽極碳沉積問題。掃描電鏡分析結果顯示，涂布法制備的YSZ電解質膜致密，無裂紋，厚度為5μm～30μm。燒結之后YSZ電解質膜相對密度高達98%。實驗測得的電池

9、開路電壓為1.1V，達到能斯特方程計算的理論開路電壓值。NiO-SDC陽極/YSZ電解質膜界面處元素線掃描結果顯示，陽極中Ce和Sm元素在高溫時向YSZ電解質膜一側擴散，Y和Zr元素沒有發(fā)生明顯擴散。電化學阻抗譜測試和分析結果表明，元素擴散對電池性能影響不大。以甲烷為燃料對制備的NiO-SDC陽極支撐型電池進行測試，700℃，750℃，800℃和850℃時電池的最大功率密度分別為0.276W/cm2，0.491W/cm2，0.821W/

10、cm2和1.142W/cm2。甲烷陽極氧化機制研究表明，Ni-SDC陽極上甲烷的氧化分兩個步驟進行，即甲烷的陽極重整反應和隨后的重整產物一氧化碳和氫氣的陽極氧化。電池放電時陽極碳沉積被來自陰極的氧離子抑制，但電池處于開路狀態(tài)時陽極發(fā)生碳沉積，電池開路電壓迅速下降。
　　本文發(fā)展了固體氧化物燃料電池電解質膜的絲網印刷制備方法，發(fā)明了壓力輔助涂布法，找到了兩種低成本高效率的電解質膜制備方法，推進了陽極支撐型固體氧化物燃料電池的研究進展