氧化鋯電解質薄膜燃料電池及其電極優(yōu)化研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種將燃料的化學能直接轉化為電能的電化學發(fā)電裝置，具有高能量轉換效率和環(huán)保等優(yōu)點。傳統(tǒng)的電解質支撐型SOFC需要在1000℃的高溫下工作，以降低電池內阻和提高輸出功率，但是過高的工作溫度降低了電池壽命，提高了生產和材料成本。將SOFC的工作溫度降到800℃以下的中溫區(qū)能有效地解決這些問題。要保證電池在中溫區(qū)仍能獲得高輸出性能，就必須降低電池的極化損失，其中包括電解質的歐姆極化、陰極與陽極的活化極化和濃差極

2、化。
　　為了降低電解質的歐姆極化，開發(fā)了漿料旋涂法，成功地制備出致密的8mol％Y2O3穩(wěn)定的ZrO2（YSZ）薄膜。研究了膜坯的熱處理溫度和旋涂次數(shù)對薄膜性能的影響。實驗結果表明，每層膜坯的熱處理溫度為400℃，旋涂次數(shù)為3次時，可制得氣密性良好的YSZ薄膜；使用14μm的YSZ薄膜制成的SOFC單電池在中低溫獲得優(yōu)秀的輸出性能，如電池800℃的開路電壓為1.14V，650℃的最高功率密度為0.49W/cm2。3mol%Y2O

3、3摻雜的ZrO2(3Y-TZP)的機械強度高于YSZ，以3Y-TZP為原料可以增加電解質薄膜的強度和電池的可靠性，但是它的離子電導率低于YSZ。用漿料旋涂法制備了厚度為7μm的致密3Y-TZP薄膜，用此薄膜制成的單電池在850℃的最高功率密度為1.28W/cm2，該結果表明3Y-TZP薄膜電池也能獲得與YSZ薄膜電池相比擬的輸出性能。Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)是一種高性能的新型中溫陰極材料，為了避免它與

4、YSZ接觸發(fā)生不利的固相反應，用漿料旋涂法在YSZ薄膜上制備了Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)保護薄膜，通過一次共燒結制得致密的YSZ/SDC雙層薄膜，單電池800℃的最高功率密度為0.64W/cm2。
　　Sr摻雜的LaMnO3(LSM)是一種經典的SOFC高溫陰極材料，為了降低該陰極在中低溫區(qū)的極化電阻，研究了SDC浸漬的LSM陰極。實驗結果表明，LSM陰極對氧氣的電化學還原反應活性隨著SDC浸漬量的增加而增強，但浸漬量

5、的增加減少了陰極孔隙率，增大了氧氣的傳質電阻。陰極三相反應區(qū)的增加和孔隙率的減少之間的相互競爭決定了最佳的浸漬量。此外，浸漬量的選擇也受到電池工作溫度和陰極氣氛的影響。比較了不同氣氛下的LSM、LSM/YSZ和LSM/SDC的電化學性能對電池性能的影響。實驗結果表明，空氣氣氛中，電荷轉移過程為速率決定步驟，LSM/SDC陰極的性能最佳；氧氣氣氛中，溫度高于700℃時，電荷轉移過程和傳質過程為共同決定步驟，LSM/YSZ陰極的性能最佳；而

6、溫度低于700℃時，電荷轉移過程為決定步驟，LSM/SDC陰極性能最佳。
　　浸漬方法極大降低了LSM陰極極化，此時陽極的極化電阻對電池性能的制約就不能忽略了。為了改善陽極性能，研究了干壓法的表觀成型壓強對NiO/YSZ陽極粉體粒度和陽極支撐體性能的影響。粒度分布結果表明，表觀成型壓強低于200MPa時，NiO和YSZ顆粒大小幾乎不變；壓強大于500MPa時，8μm的大顆粒NiO破碎成0.6μm的小顆粒，而部分0.2μm的小顆粒Y

7、SZ結合生成9μm的大顆粒。表觀成型壓強為500MPa時，陽極支撐體的孔隙率、三相反應區(qū)及界面接觸情況等綜合性能達到最優(yōu)。為了進一步改善陽極性能，在陽極支撐體上制備了陽極功能層（AFL），研究了AFL的厚度對電池性能的影響。實驗結果表明，AFL不僅增加了電池的氣密性，而且也擴大了陽極的三相反應區(qū)域。AFL的最優(yōu)厚度為5μm，AFL的制備減小了YSZ薄膜的臨界厚度。
　　綜上所述，利用本論文開發(fā)的漿料旋涂法，制備出了高質量的電解質薄