IT-SOFC電解質(zhì)材料及其薄膜化工藝研究.pdf

1、降低固體氧化物燃料電池(SOFC)系統(tǒng)的制造成本是目前這項技術(shù)領(lǐng)域的研究重點。操作溫度在750℃或者更低，不僅可以使用更廉價的內(nèi)部連接材料和范圍更廣的密封材料，而且可降低整個材料體系的退化速度，提高電池的可靠性和持久性。降低運行溫度的主要方法是：采用新型電解質(zhì)材料、電解質(zhì)層的薄膜化。本文基于這兩個決定因素，選用操作簡單、成本低廉的干壓法制備了不同電解質(zhì)材料、不同電解質(zhì)厚度的陽極支撐SOFC。 選用傳統(tǒng)電解質(zhì)材料Y2O3穩(wěn)定的Zr

2、O2(YSZ)作為研究對象，通過控制電解質(zhì)材料的質(zhì)量來控制電解質(zhì)薄膜的厚度，制備了三個不同電解質(zhì)厚度的單體電池。電解質(zhì)YSZ質(zhì)量分別為0.3g、0.2g、0.1g的單電池，電池發(fā)電性能隨著電解質(zhì)薄膜厚度降低而增高。900℃時開路電壓分別為1.02V、0.994V、0.99V；三種電池的最大電流密度分別為489mA/cm2、526 mA/cm2、548 mA/cm2；最大功率密度分別為114.2mW/cm2、122.9 mW/cm2、14

3、1.7mW/cm2。YSZ對溫度的變化比較敏感，YSZ=0.1g時，700℃下最大電流密度為124mA/cm2和最大功率密度為30.4mW/cm2，950℃時則為554mA/cm2和140.3mW/cm2，說明不適合做為中溫固體氧化物燃料電池(IT-SOFC)的電解質(zhì)材料。 選用在中溫下電導率高的Ce0.85Gd0.15O2-δ(CGO)代替YSZ作為電解質(zhì)材料來降低SOFC運行溫度。采用檸檬酸溶膠-凝膠法制備了電解質(zhì)材料CGO

4、及陰極材料La0.6Sr0.4Fe0.8CO0.2O3-δ，并采用XRD、TEM等方法對所制備的材料進行了表征。用共壓法制備了三種不同電解質(zhì)厚度的單體電池。CGO電解質(zhì)材料質(zhì)量分別為0.3g、0.2g和0.1g；750℃時三種電池的最大電流密度和最大功率密度分別為385mA/cm2和93.2mW/cm2、315mA/cm2和69mW/cm2和262mA/cm2和45.4 mW/cm2；最高開路電壓分別為：0.81V、0.76V和0.63

5、V，比理論上氫氣為燃料的時的開路電壓1.05-1.10V小很多。造成這種情況的主要原因是電解質(zhì)材料CGO中的Ce4+容易在H2還原氣氛中被還原成為Ce3+，從而引起電解質(zhì)的電子電導，造成電池內(nèi)部局部短路；進而引起電池開路電壓損失和相應的電池效率損失。CGO電解質(zhì)單電池在不同溫度下的運行時，電流損失隨著運行溫度的降低而減?。婚_路電壓隨著運行溫度的降低而增大，并且逐漸接近理論值；使得CGO電解質(zhì)SOFC隨著運行溫度的降低性能減退較慢，輸出變

6、化比較平緩。證明了CGO是一種很好的中低溫SOFC的電解質(zhì)材料。 采用在Ni-CGO陽極和CGO電解質(zhì)層之間插入一個ScSZ層的方法來解決CGO電解質(zhì)的電子電導問題。分別利用共沉淀法及共沸蒸餾法制備了ScSZ。利用XRD及TEM對粉體材料進行了表征。SEM照片顯示SeSZ/CGO之間分界線明顯，電解質(zhì)層之間沒有發(fā)生化學反應而出現(xiàn)有礙電池性能的物質(zhì)。ScSZ/CGO雙層電解質(zhì)電池在800℃時的最大電流密度和最大功率密度分別為677