IT-SOFC电解质材料及其薄膜化工艺研究

论文摘要

降低固体氧化物燃料电池（SOFC）系统的制造成本是目前这项技术领域的研究重点。操作温度在750℃或者更低,不仅可以使用更廉价的内部连接材料和范围更广的密封材料,而且可降低整个材料体系的退化速度,提高电池的可靠性和持久性。降低运行温度的主要方法是:采用新型电解质材料、电解质层的薄膜化。本文基于这两个决定因素,选用操作简单、成本低廉的干压法制备了不同电解质材料、不同电解质厚度的阳极支撑SOFC。选用传统电解质材料Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）作为研究对象,通过控制电解质材料的质量来控制电解质薄膜的厚度,制备了三个不同电解质厚度的单体电池。电解质YSZ质量分别为0.3g、0.2g、0.1g的单电池,电池发电性能随着电解质薄膜厚度降低而增高。900℃时开路电压分别为1.02V、0.994V、0.99V;三种电池的最大电流密度分别为489mA/cm2、526 mA/cm2、548 mA/cm2;最大功率密度分别为114.2mW/cm2、122.9 mW/cm2、141.7mW/cm2。YSZ对温度的变化比较敏感,YSZ=0.1g时,700℃下最大电流密度为124 mA/cm2和最大功率密度为30.4mW/cm2,950℃时则为554mA/cm2和140.3mW/cm2,说明不适合做为中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）的电解质材料。选用在中温下电导率高的Ce0.85Gd0.15O2-δ（CGO）代替YSZ作为电解质材料来降低SOFC运行温度。采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备了电解质材料CGO及阴极材料La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3-δ,并采用XRD、TEM等方法对所制备的材料进行了表征。用共压法制备了三种不同电解质厚度的单体电池。CGO电解质材料质量分别为0.3g、0.2g和0.1g;750℃时三种电池的最大电流密度和最大功率密度分别为385mA/cm2和93.2mW/cm2、315mA/cm2和69mW/cm2和262mA/cm2和45.4 mW/cm2;最高开路电压分别为:0.81V、0.76V和0.63V,比理论上氢气为燃料的时的开路电压1.05-1.10V小很多。造成这种情况的主要原因是电解质材料CGO中的Ce4+容易在H2还原气氛中被还原成为Ce3+,从而引起电解质的电子电导,造成电池内部局部短路;进而引起电池开路电压损失和相应的电池效率损失。CGO电解质单电池在不同温度下的运行时,电流损失随着运行温度的降低而减小;开路电压随着运行温度的降低而增大,并且逐渐接近理论值;使得CGO电解质SOFC随着运行温度的降低性能减退较慢,输出变化比较平缓。证明了CGO是一种很好的中低温SOFC的电解质材料。采用在Ni-CGO阳极和CGO电解质层之间插入一个ScSZ层的方法来解决CGO电解质的电子电导问题。分别利用共沉淀法及共沸蒸馏法制备了ScSZ。利用XRD及TEM对粉体材料进行了表征。SEM照片显示ScSZ/CGO之间分界线明显,电解质层之间没有发生化学反应而出现有碍电池性能的物质。ScSZ/CGO双层电解质电池在800℃时的最大电流密度和最大功率密度分别为677.5mA/cm2和197.3 mW/cm2;开路电压达到1.02V。证明ScSZ薄膜的存在有效阻止了电子的传输,同时也提高了电流密度及功率密度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 燃料电池概述
• 1.2 SOFC 工作原理及特点
• 1.3 电解质材料
• 1.4 阳极材料
• 1.5 阴极材料
• 1.6 电解质薄膜的制备工艺
• 2 仪器分析方法及电池性能测试装置
• 2.1 材料表征方法
• 2.1.1 透射式电子显微镜
• 2.1.2 扫描电子显微镜
• 2.1.3 多晶X射线衍射
• 2.2 电池电性能测试装置
• 2.2.1 电池反应器结构
• 2.2.2 实验装置示意图及实物图
• 2.3 表征设备型号
• 3 共压法制备阳极支撑SOFC研究
• 3.1 采用共压法制备电解质薄膜的目的
• 3.2 实验试剂及实验器材
• 3.3 共压法制备YSZ为电解质的SOFC
• 3.3.1 阳极支撑体及电解质薄膜的共压制备
• 3.3.2 阴极制备
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 XRD分析
• 3.4.2 电池微观结构表征
• 3.4.3 电池烧结
• 3.4.4 电池发电性能研究
• 3.5 本章小结
• 4 CGO为电解质的中温SOFC研制和讨论
• 4.1 实验试剂及实验器材
• 0.8Gd_0.2O_2-δ（CGO）'>4.2 柠檬酸溶胶-凝胶法制备Ce_0.8Gd_0.2O_2-δ（CGO）
• 4.3 阳极材料NiO-CGO的制备
• 4.4 CGO为电解质的单体池制备
• 4.4.1 NiO-CGO/CGO二合一基体的制备
• 4.4.2 LSCF阴极的制备
• 4.5 结果与讨论
• 4.5.1 电解质材料CGO的XRD,TEM分析
• 4.5.2 烧结过程中出现的问题讨论
• 4.5.3 电池的SEM分析
• 4.5.4 电池发电性能分析
• 4.6 本章小结
• 5 ScSZ/CGO双层电解质SOFC研究
• 5.1 ScSZ的制备
• 5.1.1 共沉淀法制备11ScSZ
• 5.1.2 共沸蒸馏法制备11ScSZ
• 5.2 电池的制备
• 5.2.1 NiO-CGO/CGO/ScSZ三合一基体的制备
• 5.2.2 阴极的制备
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 ScSZ电解质材料的XRD和TEM分析
• 5.3.2 SEM分析
• 5.3.3 电性能测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录英汉关键词对照表
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢