固体氧化物燃料电池阳极材料的流延法制备及其表面修饰研究.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文摘要摘要固体氧化物燃料电池( S o l i dO x i d eF u e lC e l l s ，S O F C s ) 作为一种新型的能源利用技术具有能量转化效率高、对环境污染小、燃料适应性强等优点，它一诞生就吸引了世界各国广泛的关注与研究经过二十年的快速发展，固体氧化物燃料电池技术已开始走向市场化和产业化为了降低制造和使用成本，当前固体氧化物燃料电池技术的一个重要课题是通过使电解质薄膜化以实现中低温操作而制备低成本、大面积阳极以支撑薄膜化电解质是实现中低温S O F C 的重要关键环节本论文探索了用流延法制备性能良好的S O F C 阳极工艺，通过对阳极表面进行修饰处理以保障溅射法薄膜电介质的致密性论文还基于研制的阳极板制备了两种S O F C 单电池，并对单电池的性能进行了表征论文第一章概述了S O F C 的工作原理，各关键材料( 电解质、阴极、阳极、连接材料) 的性能要求，以及S O F C 技术研究、发展的现状和趋势最后给出了本论文的主要研究目标第二章研究了采用流延法制备固体氧化物燃料电池阳极膜和阳极／电解质复合膜的制备工艺分析了流延中各种添加剂对流延法制膜的影响，确定了流延体系和制备N i ／Y S Z 阳极的工艺过程；研究了刀口高度和生坯厚度的关系；讨论了生坯的烧结工艺，为防止烧结体卷曲还使用了加压烧结；此外，还采用扫描电镜对不同温度下烧结的阳极衬底形貌作了分析，分析给出了流延法制备的阳极可能不导通的内在原因。

论文第三章进行了N i ／Y S Z 阳极的表面修饰研究为了保证采用磁控溅射法能制备5 一l O u m 厚或更薄的Y S Z 膜，有必要对阳极表面进行修饰，以达到降低电极／电解质接触面上阳极的孔径大小和增加接触面平整度的目的阳极表面修饰采用了浸渍、浇注、抛光等多种不同的方法，研究发现几种方法对阳极表面微结构均有改善，其中，以在有机玻璃和绒布上进行机械抛光的效果最好第四章给出了单电池的制备工艺与电化学性能表征电池阳极由流延法制备，电解质分别由流延和磁控溅射制备，丝网印刷制备阴极两种方法制备电解质厚度分别为2 5 u m 和5 u m ，2 5 u m 厚电解质在8 0 0 ℃时最大输出功率为3 6 0m W ／c m 2 ，5 u m 厚电解质8 0 0 ℃时最大输出功率达7 4 0m W ／c m 2 中国科学技术大学硕士学位论文摘要此外，论文作者早期在G d B a C 0 2 0 5 + 5 体系的内耗研究方面作了部分工作G d B a C 0 2 0 5 + 6 体系的低频内耗研究表明：体系中存在一个由额外氧运动引起的弛豫内耗峰；额外氧6 对这个弛豫内耗峰的大小、峰形及峰位有较大影响，反映了额外氧状态随6 而变化。

当6 = 0 ．0 0 5 ，体系中额外氧含量很少而接近零时，相应的内耗峰消失：6 达到一定数量后，出现弛豫内耗峰由6 = O ．2 7 8 、0 ．4 0 7 、0 ．4 2 1 、0 ．．5 1 5 样品的弛豫内耗峰分析可得到体系随6 不同存在着三种不同的额外氧形态此外，6 = 0 ．4 ．2 1 及0 ．5 1 5 的样品在3 6 0 K 附近还存在一个相变内耗峰，它对应着体系中的金属一绝缘体转变此部分内容作为本论文的第五章给出中国科学技术大学硕士学位论文A b s t r a c tA b s t r a c tS o l i dO x i d eF u e lC e l l ( S O F C ) o p e r a t e sa th i g ht e m p e r a t u r e ，w h i c hf e a t u r e st h eh i g ho p e r a t i n ge f f i c i e n c yi ng e n e r a t i n ge l e c t r i c i t ya ta b o u t6 0 ％．H o w e v e r , t h ev e r yh i g ho p e r a t i n gt e m p e r a t u r eo ft h eS O F Cr e q u i r e sm o r ec o s t so fm a t e r i a l sf a b r i c a t i o n ．T ol o w e rt h ec o s to fS O F Cs y s t e ma n dp r o l o n gt h el i f et i m e ，i ti sn e c e s s a r yt or e d u c et h eo p e r a t i n gt e m p e r a t u r et ob e l o w8 5 0 。

C ．T h ek e yt e c h n i q u et or e d u c et h eo p e r a t i n gt e m p e r a t u r ei st of a b r i c a t et h et h i ne l e c t r o l y t em e m b r a n eo np o r o u sa n o d ew i t hl a r g ea r e a ．I nt h i st h e s i s ，t h er e s e a r c h e sa i ma td e v e l o p i n gm a t e r i a l sf o rS O F Co fh i g hp e r f o r m a n c e ，l a r g ea r e aa n d l o wc o s t ．T h i st h e s i si n v e s t i g a t e dt h ep r e p a r a t i o no fh i g hp e r f o r m a n c eS O F Ca n o d eb yt a p ec a s t i n gp r o c e s s ．T h ea n o d es u r f a c ew a sm o d i f i e dt oi n c r e a s et h eg a s ·t i g h t n e s so ft h es p u t t e r i n gY S Zf i l m ．T w ok i n d so fs i n g l ec e l lw e r ef a b r i c a t e db a s e do nt h et a p ec a s t i n ga n o d es u b s t r a t e ．A no v e r v i e wo ft h ew o r kp r i n c i p l eo fS O F Cw a sg i v e ni nC h a p t e r1 ．S O F Cc o m p o n e n t ss u c ha se l e c t r o l y t e ，c a t h o d e ，a n o d ea n dc o n n e c t o rw e r ed i s c u s s e d ．I na d d i t i o n ，t h er e s e a r c hs t a t u so fS O F Cw a sa l s ob r i e f l yr e v i e w e d ．T a p ec a s t i n gt e c h n o l o g yw a sw i d e l yu s e dt op r e p a r ep l a n a rS O F Cc o m p o n e n t s ．I nC h a p t e r2 ，t h ep r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fN i ／Y S Za n o d es u b s t r a t e sb yo r g a n i ct a p ec a s t i n gt e c h n i q u ew e r ep r e s e n t e d ．T h ep r e p a r a t i o no fs l u r r y ，c a s t i n go ft a p e sa n dd r y i n go ft h et a p e sb ye v a p o r a t i o no fs o l v e n tw e r ed i s c u s s e df o rt h ef a b r i c a t i o no fg o o dq u a l i t yt a p e s ．T h et a p ec a s t i n gs y s t e m ，t h ed o c t o rb l a d eh e i g h ta n dt h eg r e e nt a p e st h i c k n e s sw e r eo p t i m i z e d ．T h et h e r m o l y s i sa n ds i n t e r i n gb e h a v i o r so ft h eg r e e nt a p e sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d ．I tw a sf o u n dt h a ts h r i n k a g er a t eo ft h et a p e sw a si n f l u e n c e db ys i n t e r i n gt e m p e r a t u r e s ．T h ea n o d ep r e p a r e db yt a p ec a s t i n gp r o c e s ss o m e t i m e sw a sn o tc o n d u c t i v e ，t h er e a s o nw a sa l s oa n a l y z e d ．F o rt h ep u r p o s eo fb u i l d i n gu pt h i nY S Ze l e c t r o l y t el a y e ro nt h ep o r o u sa n o d es u b s t r a t ew i t h o u ta n yd e f e c t s ，t h es u r f a c eo ft h ea n o d ew a sm o d i f i e dv i as y n t h e s i z i n gf i n eN i ／Y S Zf u n c t i o n a ll a y e r s ．I nC h a p t e r3 ，t h es u r f a c eo fN i ／Y S Za n o d ew a sm o d i f i e dv i ad i p ·c o a t i n g ，v a c u u ms l i pc a s t i n ga n ds u r f a c ep o l i s h i n gm e t h o d sb yf i n eI I I中国科学技术大学硕士学位论文A b s t r a c tN i O —Y S Zp a r t i c l e sf o rc o n t r o l l i n gt h es u r f a c er o u g h n e s sa n dt h ep o r es i z e ．T h em i c r o s t r u c t u r eo ft h em o d i f i e da n o d ew a sc a r e f u l l yc h a r a c t e r i z e db ys。