管式固體氧化物燃料電池陽極-電解質的制備與性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種新型的發電裝置，具有高效，低污染等優點，引起了世界范圍內的廣泛關注。管式SOFC具有高機械強度、高抗熱沖擊性能、簡化的密封技術、高模塊化集成性能等特點，是最接近商業化的SOFC發電技術。本論文的主要工作是陽極支撐型管式SOFC的制備與性能研究，開發了低成本的陶瓷成型技術用于制備YSZ電解質薄膜，并提出制備連續梯度陽極功能層的設想，以改善陽極性能。在此基礎上，組裝了管式SOFC單體電池及電堆，對其各項性

2、能指標進行了系統的研究。為大功率電池堆的組裝打下堅實的基礎。
　　本論文采用浸漬涂敷法制備YSZ電解質薄膜。開發出一種新型高固含量的懸浮液體系作為涂敷漿料，克服了傳統的浸漬涂敷法耗時長，效率低的缺點。通過對漿料穩定性、粘度測試及薄膜表觀形貌進行考察，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。采用優化的浸漬涂敷工藝成功地制備了致密的YSZ電解質薄膜。電解質薄膜厚度約為27μm，用于SOFC單體電池，其開路電壓在測試溫度范圍(650℃~850℃)內穩定在1.12V~1.19V，接近理論電壓。在800℃時，單電池的最大功率密度為505mW·cm-2。YSZ薄膜在800℃時電導率為0.0098S·cm-1，高于溶膠涂敷法，表現出良好的離子導電性。
　　文中研究不同燒結工藝對YSZ電解質塊體性能、YSZ電解質薄膜性能以

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

5、1.13V和1.11V，采用較低的燒結溫度有效地抑制陽極的過燒結，從而大大降低了電池極化電阻，提高了電池的放電性能。對YSZ薄膜的燒結機理進行了初步探討。YSZ燒結過程中的結晶化過程對薄膜最終燒結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。這些晶粒繼續保持生長并最終獲得了晶粒尺寸較小且較致密的YSZ膜。采用三步燒結的方法可以抑制晶界遷移，保持晶界擴散，從而實現YSZ的低溫燒結。

6、　　采用冷等靜壓成型方法制備管式SOFC陽極，浸漬涂敷法制備YSZ電解質，組裝了管式SOFC單體電池并進行放電測試。在800℃下，以氫氣為燃料，電池的開路電壓為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。放電測試結果表明，氫氣流量為300mL·min-1時，電堆的開路電壓為0.79V，輸出功率0.65W。恒流放電測試其長期工作穩

7、定性，在8.5h時間范圍內，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梯度陽極功能層的設想，對其制備過程及制備的功能層的性能進行了研究。電泳起始電流隨外加電壓的增大而增大，隨著電泳沉積的進行，不同電壓下電流密度都逐漸降低。沉積層質量與外加電壓之間呈現線性關系。在沉積電壓一定時，在電泳的一段時間內，沉積質量與時間呈線形關系；在沉積一段時間后，沉積的量與沉積時間呈拋物線關系，曲線的斜率隨時間而減小。采用恒壓40V

8、制備的功能層具有較理想的微觀結構，功能層中NiO與YSZ的比例隨厚度的增加呈現連續梯度的變化，NiO含量隨厚度的增加逐漸降低，從距陽極基體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測試結果表明，電泳沉積功能層有效地增大了TPB，在電泳