LSGM电解质薄膜制备与电化学性能研究

论文摘要

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种将燃料的化学能直接转化为电能的能源转换装置,在环境友好和高效能源方面显示出很大的优势,越来越受到人们的重视。目前国际上固体氧化物燃料电池的发展趋势是将其操作温度中低温化（工作温度在800℃以下）。为保证电池具有良好的输出性能,La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ（LSGM）电解质的薄膜化制备将传统的电解质支撑型SOFC转变为阳极支撑型是一种非常有前景的技术路线。本论文采用甘氨酸-硝酸盐法（Glycine-Nitrate Process, GNP）合成了LSGM电解质粉体和La0.7Sr0.3Cr0.5Mn0.5O3-δ（LSCM）阳极粉体,X射线衍射（XRD）和能谱分析（EDS）测试结果表明样品为纯相的钙钛矿型结构且各金属元素摩尔比满足实验设计的比例。为优化阳极支撑体的微观结构,研究了造孔剂种类和添加量对阳极支撑体表观性能的影响。研究结果表明采用8 wt.%淀粉作为造孔剂得到的阳极支撑体的孔隙率最大、微观结构最佳。采用浆料旋涂法制备了LSGM薄膜。旋涂法是通过高速旋转产生的离心力将悬浮液中的电解质颗粒沉积到阳极支撑体上。这种制膜方法简单,快捷,成品率高,而且成本低廉。研究了粘结剂和调和剂的种类和添加量,烘制温度,旋涂次数对LSGM薄膜性能的影响。研究结果表明,制备电解质浆料以5 wt.%乙基纤维素作为粘结剂、5 wt.%松油醇作为调和剂,薄膜重复旋涂9次在1400℃条件下烧结4h时,可以成功制备致密的表面略显粗糙的LSGM电解质薄膜。同时采用射频磁控溅射法制备LSGM电解质薄膜,研究了溅射过程中关键的工艺参数对薄膜性能的影响。实验过程中主要通过对薄膜微观结构、阳极/电解质界面的粘附状态、沉积速率的表征来优化工艺。确定最佳工艺参数：溅射压强为5 Pa,射频功率为210 W,基底温度为300℃。采用优化后的工艺参数获得的LSGM薄膜在空气中1000℃条件下退火处理2 h,所得到的薄膜致密度高,结晶性好,与阳极基底结合紧密。另外采用两电极半电池构造法测试分别采用射频磁控溅射法（1#半电池）和浆料旋涂法（2“半电池）在最佳条件下制备LSGM薄膜所组装半电池的电化学性能。由极化性能测试结果可得,线性扫描伏安曲线（Linear Scanning Voltammetry, LSV）和Tafel曲线所得的交换电流密度,1#半电池的交换电流密度均大于2#半电池。同时交流阻抗谱（AC Impedance Spetroscopy）测试结果表明：射频磁控溅射法制备的电解质薄膜的欧姆电阻小于旋涂法所制备的薄膜。电化学性能测试结果表明射频磁控溅射法较浆料旋涂法更适合用于制备中温固体氧化物燃料LSGM电解质薄膜。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 燃料电池概述
• 1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）
• 1.2.1 SOFC的结构类型
• 1.2.2 SOFC的工作原理
• 1.2.3 SOFC的极化现象
• 1.2.4 固体氧化物燃料电池的中低温化
• 1.2.5 SOFC致密电解质薄膜制备方法
• 1.3 本论文的立题意义、研究内容及创新点
• 1.3.1 本论文的立题意义与研究内容
• 1.3.2 本论文的创新点
• 第二章 SOFC中温电解质材料的制备与性能研究
• 2.1 实验方法与测试方法
• 2.1.1 实验方法
• 2.1.2 测试方法
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 LSGM电解质材料的合成
• 2.2.2 阳极基底的制备及造孔剂的选择研究
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 LSGM的物相分析
• 2.3.2 LSGM的形貌及能谱分析
• 2.3.3 LSGM与LSCM高温化学相容性研究
• 2.3.4 阳极的孔隙率
• 2.3.5 阳极的微观结构
• 2.4 本章小结
• 第三章 浆料旋涂法制备LSGM薄膜
• 3.1 实验方法
• 3.1.1 浆料旋涂法
• 3.1.2 浆料旋涂法镀膜设备
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 阳极支撑体的制备
• 3.2.2 电解质薄膜的制备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 添加剂的种类和添加量对薄膜微观结构的影响
• 3.3.2 烧结温度对薄膜微观结构的影响
• 3.3.3 旋涂层数对薄膜微观结构的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 射频磁控溅射法制备LSGM薄膜
• 4.1 实验方法
• 4.1.1 射频磁控溅射法
• 4.1.2 射频磁控溅射镀膜设备
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 阳极支撑体的制备
• 4.2.2 电解质靶材的制备
• 4.2.3 电解质薄膜的制备的工艺流程
• 4.2.4 溅射电解质薄膜工艺参数的优化
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 LSGM电解质靶材物相的表征
• 4.3.2 退火温度对薄膜性能的影响
• 4.3.3 溅射气压对薄膜形貌的影响
• 4.3.4 溅射功率对薄膜形貌的影响
• 4.3.5 基底温度对薄膜形貌的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 电池电化学性能测试
• 5.1 测试方法
• 5.1.1 电化学极化测试
• 5.1.2 电化学交流阻抗谱测试
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 半电池的制备
• 5.2.2 电池电化学性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 极化性能测试
• 5.3.2 交流阻抗谱测试
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读硕士期间发表论文