单步法制备氧化物燃料电池的阳极/电解质薄膜双层结构

摘要

为了降低固体氧化物燃料电池（SOFC）的内阻，通常需要把电阻率最大的电解质部件薄膜化。以往在制备阳极支撑型电解质薄膜时，需要逐次制备阳极支撑体和电解质薄膜。本文尝试利用悬浮液料浆中不同组分的沉降特性的差异，采用单步法制备氧化物燃料电池的阳极/电解质薄膜双层结构。
　　NiO和YSZ分别是制作阳极和电解质的常用材料。两种粉体的烧结性能差别较大，为了让NiO/YSZ阳极支撑体更好地匹配YSZ电解质薄膜，需要对NiO进行预烧处理。首先对200-1100℃预烧后的NiO进行了多项性能测试。研磨后的NiO的粒度分布显示200℃的预烧温度即可对粉体的团聚力产生影响。利用烧结收缩曲线测试表征了不同温度预烧后NiO的烧结特性，用于制作NiO/YSZ阳极支撑体时估算最佳预烧温度。
　　在尝试利用注浆法制作平板型阳极支撑体的过程中，发现悬浮液中NiO的沉降速度比YSZ的大，导致沉降体中的两种组分呈梯度分布。利用这个现象，发明了可以一次（单步）制作阳极支撑体/电解质薄膜二合一结构的技术——单步注浆法。利用该方法制作的单电池，开路电压（OCV）可达1.12V；最大功率密度达到0.5W/cm2。阻抗谱测试结果表明，电池性能主要受极化电阻的制约。
　　为了减少电池的极化电阻，在阳极浆料中加入石墨作为造孔剂。用喷笔将浆料高速喷向石膏模具，得到阳极支撑体。电解质薄膜则采用浸渍法制作。单电池测试结果显示，添加的石墨造孔剂越多，电池的性能反而越差。最大功率密度只有0.14W/cm2。原因在于阳极内部的孔隙为片状，孔隙与电池平面平行且不连通。分析阻抗谱得出电池的性能受到极化电阻的严重影响。
　　浇铸法和单步浇铸法是成本低、稳定性好的SOFC制备工艺。将NiO、YSZ和PVB等在酒精中球磨，得到浇铸浆料。通过控制酒精挥发的速度，可以在模具中分别形成阳极支撑体和阳极支撑体/电解质二合一结构。利用这种方法得到的部件制作的两种单电池最大功率密度分别为0.42W/cm2和0.34W/cm2。浇铸法制备的SOFC单电池的阻抗谱测量结果表明，欧姆电阻偏大。
　　单步注浆法和单步浇铸法都可以一次性地完成较大面积的过渡性阳极支撑体和电解质薄膜的制作，这样可以显著简化电池的制作步骤、降低制作过程的能源消耗。

目录

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Fabrication of Anode/Electrolyte Bi-layer for Solid Oxide Fuel Cells by Single Step

摘要

Abstract

目录

第1章绪论

1.1课题背景

1.2燃料电池工作原理和分类

1.3固体氧化物燃料电池的结构和工作原理

1.4燃料电池阳极支撑体制备方法概述

1.5电解质薄膜的制备方法

1.6电池堆技术

1.7本论文研究的目的和意义

第2章预烧对NiO的影响

2.1预烧对NiO粉体颗粒度的影响

2.2预烧温度对NiO烧结收缩性能的影响

2.3NiO/YSZ的程序升温还原（TPR）分析

2.4浆料的沉降曲线

2.5本章小结

第3章单步注浆法制备阳极支撑体-电解质薄膜双层结构

3.1石膏的吸水规律

3.2单步注浆法制备阳极-电解质薄膜双层结构

3.3在阳极浆料中加入纸纤维的研究

3.4本章小结

第4章喷涂法制备复合阳极支撑体

4.1概述

4.2选用石墨作为造孔剂

4.3电池性能对比

4.4本章小结

第5章浇铸法制作SOFC阳极-电解质薄膜双层结构

5.1浇铸法简介

5.2单步浇铸法制备阳极支撑体/电解质薄膜

5.3用木薯粉做造孔剂浇铸阳极

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

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致谢