浸渍涂敷法制备YSZ电解质薄膜及其在SOFC中应用

论文摘要

固体氧化物燃料电池（SOFC）被认为是二十一世纪最有前景的绿色能源技术之一。近年来,降低SOFC的操作温度到600℃800℃成为人们研究的热点之一。操作温度的降低可以通过开发新的高电导的电解质材料以及电解质薄膜化两条途径来实现。Y2O3稳定的ZrO2 （YSZ）具有优越的热稳定性和化学稳定性、优异的力学性能以及在较宽的氧分压范围内呈现纯氧离子导电特性等优点,是SOFC最常用的电解质材料之一。因此,YSZ电解质的薄膜化是目前实现SOFC中温化的有效途径。本文采用浸渍涂敷法制备NiO-YSZ阳极支撑的YSZ电解质薄膜,并研究了烧结工艺对YSZ电解质性能以及电池放电性能的影响。首先,改进了原有的浸渍涂敷工艺,成功地制备出致密的YSZ电解质薄膜。改进包括以下四个部分:将涂敷浆料球磨的时间由24h延长至48h;将烧结过程中中温区（1200℃）保温时间由30min延长至120min;压片阳极的预烧温度由1200℃降至1000℃;使用纯锆板作为烧结时的衬底。研究结果表明:浸渍涂敷两次且经1500℃烧结5h制备的YSZ电解质薄膜厚度约为27μm ,与阳极之间接触良好,致密无缺陷。在测试温度范围（650℃850℃）内,单电池的开路电压稳定在1.12V1.19V。在800℃时,单电池的最大功率密度为505mW/cm2。其次,详细的研究了烧结制度对YSZ电解质薄膜性能以及电池放电性能的影响。研究结果表明,在S15 （1500℃烧结5h）、S14 （1400℃烧结6h）和S13-20 （1300℃烧结20h）三种烧结制度下均可以制备出致密的YSZ电解质薄膜;采用不同烧结制度获得的YSZ电解质,其YSZ晶粒的大小及离子导电性不同。YSZ电解质薄膜的致密度由高到低为S15﹥S14≈S13-20;YSZ晶粒的尺寸由大到小为S15﹥S14﹥S13-20;中低温范围（750℃和800℃）内YSZ电解质薄膜离子导电性由高到低为S13-20﹥S14﹥S15。当YSZ电解质薄膜的烧结制度分别为S15、S14和S13-20,单电池在800℃测试时,其开路电压分别为1.14V、1.13V和1.11V,接近理论电压;最大功率密度分别为505mW/cm2、623mW/cm2和671mW/cm2。实验证明,当烧结制度为S13-20时,电池的综合性能最好:在750℃、800℃和850℃时,单电池的开路电压分别为1.13V、1.11V和1.10V;最大功率密度分别为419mW/cm2、671mW/cm2和800mW/cm2;YSZ电解质薄膜离子电导率分别为0.0153S/cm、0.0222S/cm和0.028S/cm。最后,优化后的浸渍涂敷工艺被成功的用于制备平板式大尺寸SOFC和管式SOFC用YSZ电解质薄膜,并且对平板式大尺寸SOFC单体电池和管式SOFC单体电池进行了放电测试。对于平板式单体电池,当电池尺寸为55mm×55mm,阴极面积为30mm×30mm,在800℃测试时,其开路电压为1.04V,最大功率为1.32W,最大功率密度为146mW/cm2。对于管式单体电池,当电池总长度为30mm、阴极长度为15mm、阴极面积为3.768cm2且在800℃测试时,其开路电压为1.0V,最大功率为416mW,最大功率密度为110mW/cm2。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）概述
• 1.2.1 SOFC 的工作原理
• 1.2.2 SOFC 的结构类型及其特点
• 1.2.3 SOFC 的研究概况
• 1.3 SOFC 电解质概述
• 1.3.1 SOFC 电解质材料
• 1.3.2 SOFC 电解质薄膜的制备方法
• 1.4 本课题来源及主要研究内容
• 第2章 实验药品仪器及方法
• 2.1 实验药品
• 2.2 实验仪器
• 2.3 多孔NiO-YSZ 阳极支撑体的制备
• 2.3.1 干压成型法制备NiO-YSZ 阳极支撑体
• 2.3.2 流延成型法制备NiO-YSZ 阳极支撑体
• 2.3.3 冷等静压成型法制备管式NiO-YSZ 阳极支撑体
• 2.4 物化性能的表征
• 2.4.1 粉体粒径分布表征
• 2.4.2 X 射线衍射分析
• 2.4.3 氧离子电导率测试
• 2.4.4 微观形貌表征
• 2.5 电化学性能测试
• 2.5.1 放电性能测试
• 2.5.2 电化学阻抗谱测试
• 第3章 浸渍涂敷法制备YSZ 电解质薄膜工艺改进
• 3.1 引言
• 3.2 NiO-YSZ 阳极预烧温度对YSZ 电解质薄膜形貌的影响
• 3.2.1 NiO-YSZ 阳极支撑体的制备
• 3.2.2 阳极预烧温度对YSZ 电解质薄膜形貌的影响
• 3.3 浸渍涂敷用YSZ 浆料的配制及YSZ 粉体粒径分布表征.
• 3.3.1 浸渍涂敷用YSZ 浆料的配制
• 3.3.2 涂敷浆料中YSZ 粉体粒度分布表征
• 3.4 中温区保温时间对YSZ 电解质薄膜形貌的影响
• 3.4.1 YSZ 电解质薄膜的烧结
• 3.4.2 中温区保温时间对YSZ 电解质薄膜形貌的影响
• 3.5 烧结过程中衬底的纯度对YSZ 电解质形貌的影响
• 3.6 单电池的制备及其电化学性能测试
• 3.6.1 单电池的制备
• 3.6.2 单电池的放电性能测试
• 3.6.3 单电池的阻抗谱测试
• 3.7 本章小结
• 第4章 烧结工艺对YSZ 电解质薄膜性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 YSZ 电解质块体烧结工艺的研究
• 4.2.1 YSZ 电解质块体的制备
• 4.2.2 不同烧结制度制备YSZ 块体的微观结构
• 4.2.3 不同烧结制度制备YSZ 块体的XRD 分析
• 4.2.4 不同烧结制度制备YSZ 块体的阻抗谱及其电导率
• 4.3 YSZ 电解质薄膜烧结工艺的研究
• 4.3.1 NiO-YSZ 阳极/YSZ 电解质薄膜的制备.
• 4.3.2 不同烧结制度制备的YSZ 电解质薄膜的微观结构
• 4.3.3 不同烧结制度制备YSZ 电解质薄膜的XRD 分析
• 4.3.4 不同烧结制度制备薄膜对电池放电性能的影响.
• 4.3.5 不同烧结制度制备YSZ 电解质薄膜的阻抗谱及其电导率
• 4.4 本章小结
• 第5章 平板式大尺寸SOFC 和管式SOFC 单体电池制备
• 5.1 平板式大尺寸SOFC 单体电池的制备
• 5.1.1 NiO-YSZ 阳极支撑体的制备
• 5.1.2 YSZ 电解质薄膜的制备
• 5.1.3 平板式大尺寸SOFC 单体电池的组装
• 5.2 管式SOFC 单体电池的制备
• 5.2.1 管式NiO-YSZ 阳极支撑体的制备
• 5.2.2 YSZ 电解质薄膜的制备
• 5.2.3 管式SOFC 单体电池的组装
• 5.3 电池的放电性能测试
• 5.3.1 平板式大尺寸SOFC 单体电池放电性能测试
• 5.3.2 管式SOFC 单体电池的放电性能测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢