EB-PVD沉积MS-SOFC阳极功能涂层和电解质层的研究

论文摘要

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种将化学能直接转化成电能的全固态电化学发电装置,具有环境友好、能量转换效率高和燃料适应广泛等优点,是21世纪各国竞相发展的一种新型绿色发电装置。SOFC采用多孔金属作为支撑体,可以解决长期以来一直困扰研究人员的密封、Ni团聚等问题。此外,还可以显著的降低制造成本。金属支撑型SOFC具有快速启动的能力,在长期运行下具有良好的稳定性。本文研究利用电子束物理气相沉积（EB-PVD）在多孔金属支撑体上沉积金属支撑型固体氧化物燃料电池（Metal Supported-SOFC, MS-SOFC）阳极功能涂层（Anode Functional Layer, AFL）和电解质层。在提出金属支撑型SOFC架构基础上,通过选择基板种类,并控制基板温度,基板高度,蒸发电流和沉积时间等工艺参数,在多孔不锈钢基板上实现了单独的阳极功能涂层的沉积和阳极功能层及电解质层的连续沉积。利用SEM、TEM、XRD、EDAX和BET等方法对涂层的显微结构、相组成、孔隙率和孔径分布进行表征,并研究了阳极功能涂层的透气性和高温导电性。研究结果表明,利用EB-PVD能够在多孔不锈钢上沉积出具备纳米级孔隙和颗粒几何特征的阳极功能涂层。用Ni锭料和YSZ粉末作为蒸发材料,孔隙孔径过小。利用NiO代替Ni,用NiO和YSZ粉末作为蒸发材料再还原,可以增大孔径,而保持颗粒尺寸很细小。采用NiO和YSZ粉末为蒸发材料得到的涂层比表面积大,能够提供大量的三相反应区界面同时保证一定的透气性。此外,它还具有良好的高温导电性能,600°C下比表面电阻仅1m?·cm2。本文还成功沉积了梯度阳极功能涂层和电解质层,其Ni元素含量沿着涂层厚度方向从基体一侧到电解质一侧逐渐减少。电解质层由高导电率的立方相YSZ组成,为典型的柱状晶组织。预先沉积阳极功能涂层和慢速沉积技术的结合使用,有助于沉积薄而致密的电解质层。但是由于基体上局部粗大孔隙或电解质涂层中柱状晶间缝隙等表面缺陷的存在,电解质不足够致密。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 固体氧化物燃料电池
• 1.2 中低温SOFC
• 1.3 金属支撑型SOFC
• 1.4 SOFC 阳极功能涂层研究现状
• 1.4.1 SOFC 输出性能与阳极功能涂层显微结构的关系
• 1.4.2 SOFC 输出性能与阳极功能涂层成分及厚度的关系
• 1.5 YSZ 电解质层沉积方法研究现状
• 1.5.1 YSZ 电解质层常见沉积方法
• 1.5.2 EB-PVD 沉积SOFC 电解质层研究现状
• 1.6 本文主要研究任务
• 第2章 试验材料和试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 蒸发源材料
• 2.1.2 基体材料
• 2.2 工艺试验方法
• 2.2.1 EB-PVD 设备简介
• 2.2.2 阳极功能涂层和电解质层的沉积过程
• 2.3 材料分析方法
• 2.3.1 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.3 透射电子显微镜（TEM）
• 2.3.4 孔隙率和孔径分布的表征
• 2.3.5 热膨胀系数的测量
• 2.3.6 导电性能的表征
• 第3章 EB-PVD 沉积SOFC 阳极功能涂层
• 3.1 以Ni 和8YSZ 为蒸发材料
• 3.1.1 沉积方法
• 3.1.2 显微结构
• 3.1.3 相组成
• 3.1.4 孔径分布
• 3.2 以NiO 和8YSZ 粉末为蒸发材料
• 3.2.1 沉积方法
• 3.2.2 显微结构
• 3.2.3 相组成
• 3.2.4 透气性能
• 3.2.5 高温导电性能
• 3.3 本章小结
• 第4章 EB-PVD 连续沉积阳极功能涂层和电解质层
• 4.1 沉积工艺
• 4.2 显微结构
• 4.3 电解质层相组成
• 4.4 梯度阳极功能涂层和电解质层的连续沉积
• 4.5 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