中温固体氧化物燃料电池电解质薄膜的制备及性能表征

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1、摘要中周科学技术大学博士学位论文固体氧化物燃料电池(solidoxideFuelcells，sOFcsl是一种新兴的能量转换装置，它通过电化学反应将燃料(如氢气、天然气等)中存贮的化学能直接转化为电能，不经过卡诺循环，具有能量转化效率高、噪声低、对环境冲击力小等优点，被誉为21世纪的绿色能源。在能源危机和环境污染的双重压力F，世界各国纷纷加强对燃料电池的开发和利用，以期在提高现有能源利用率的同时，加强对生态环境的保护。传统的高温燃料电池由于高的工作温度而导致于材料选择困难和制造成本高，但降低电池的工作温度至中温(600．8000c)则可以在保持高温燃料电池的优点的同时，在很大程度上克服

2、其缺点。而中温化的条件是，采用高离子电导的电解质材料和Ysz电解质薄膜化，这其中，YsZ电解质的薄膜化被认为是目前最具潜力的发展方向。本课题在分析所有的Ysz薄膜制备的工艺和方法后，针对其制备过程中存在的问题，创造性的提出新型Ysz薄膜的制备方法，并在此基础上进行共烧过程的物理与化学问题的研究；为降低界面阻抗，提高电池性能进行钐掺杂的氧化铈(sDc)过渡层的研究以及密封材料与制备的研究，探寻中温燃料电池(IT—sOFcs)制备的最佳途径。本文第一和第二章简单介绍固体氧化物燃料电池基本的原理，所涉及到电池部件材料的基本性能，研究现状及存在的问题。综述电解质薄膜刮备的各种工芝和方法，并着重

3、分析各种方法制备过程中所存在的问题，围绕着中温燃料电池的商业化的关键技术和成本这一核心，提出本学位论文的研究目标及内容。第二章着重介绍sDc和Lao8sr02Fe03《LsF)粉体的制备利电池眭能的测试。用革酸盐共沉淀法制备掺杂氧化铈粉体，可以得到具有高烧结活性利低掺入杂质的粉体。该粉体具有较好的烧结性能，但该方法制备的粉体堆积密度相对低，作为电解质材料则难于致密化。钙钛矿型结构的LSF阴极不仅具有电好的氧还原催化活II摘要中国科学技术人学博士学垃论文性，且有令人满意的长期稳定性，与Ysz电解质相匹配。因此，最有希望成为大规模推广应用IT—sOFc阴极材料。采用甘氨酸．硝酸盐法制备Ls

4、F阴极粉体，可以得到具有高比表面和低掺入杂质的优良粉体；第四章对静电喷涂法的原理以及YSz薄膜的制备工艺进行详尽的研究。静电喷涂法是利用场致荷电的方式让粉体颗粒荷电并在气流和电场力的作用下均匀沉积到村底表面上的过程。目前这一方法主要是将玻璃和塑料粉末涂覆到金属表面E以实现防腐和表面修饰的作用。本课题首次利用这一方法来制备sOFc电解质薄膜。采用自制的静电喷涂设备对Ysz粉末的涂覆工艺进行详尽的研究。在静电喷涂过程中，静电涂层的厚度取决于喷涂时间。在开始喷涂时，涂缓的沉积量随喷涂时间而急剧增加，饵沉积⋯定的厚度后，沉积量的增加减缓，直至不再增加。涂层的相对密度与粉体的属性有关。YSZ粉体

5、(其粒径为O．i．O．5岫、)经喷涂后形成团聚体的疏松堆积，相对密度仅30％，且与静电电压无关。而经IooOoc预烧后的粉体(其粒度为1．o-10岬)的相对密度可达37％，无团聚现象旺相对密度随静电电压的增大而提高。为了提高静电涂层的相对密度，采用在涂层上进行涂浆。在毛细管力的作用下，浆科中更细的粒子将去填充静电涂层的孔隙，从而形成更致密的涂层。经涂浆后的相对密度为50％。同时，浆料中的细小粒子在静电涂层中的固聚体之间和之中进行填充，包覆团聚体，有效地消除了团聚体对烧结过程的不利影响。静电喷涂法制备薄膜能有效的修饰衬底表面的缺陷。涂层形成过程中，对于衬底上尺寸约为lO“m的坑或裂纹进行

6、填充，消除了这种缺陷在致密膜的影响。这对制备大面积完整致密的电解质薄膜是十分重要的。采用此法制各的YsZ膜在14500C烧结后的单电池测量结果表明，在7500c其OcV值为1．1V，已接近燃料电池的e皿．￡，这说明ysz膜是完全致密的。它的I．P曲线显示，在750。CF最大的功率密度为142mw／cm2。第五章研究YSZ薄膜的烧结和与阳极的共烧过程中的物理与化学问题，这是阳极支撑的单电池制备最关键的科学与技术。静电喷涂所形成的涂层具有较低的耜Ill摘要巾国科学技术大学随十学位论文对密度(为30％)且由团聚的颗粒所组成。这些团聚体内部一次颗粒间的一次气孔较小，分布较窄易于烧结，而形成尺寸

7、为1．10LLm的晶粒。而团聚体之间的孔尺寸较犬且孔径的分布较宽，在烧结过程中气孔不熊排除，烧结后形成多孔状的结构。凶此，静电喷涂所形成的涂层是不能烧结致密的。为此在静电喷涂所形成的涂层E进行涂浆。在毛细管力的作用下，浆料中更细的颗粒填充团聚体之中和之闯，提高素坯的相对密度，消除较大尺寸的孔洞，使素坯中的孔径分布更均匀并消除团聚体对烧结过程的不利的影响。14500c和14000c均可烧结致密。通过对上述两者的比较，为制备致密薄膜提供新的思路与方