YSZ基SOFC电解质/阳极的研究

摘要

固体氧化物燃料电池(SOFC)以其高效、低污染等优点被认为是未来极具潜力的绿色发电方式之一，受到人们的广泛关注。为了提高SOFC模拟电池的放电性能，对其电解质薄膜、阳极的微观结构及制备方法进行了研究，并对其综合性能进行了测试。
　　首先，对YSZ电解质薄膜的流延和烧结工艺进行优化改进。比较几种不同YSZ原材料，确定了YSZ粉体的最佳原材料为TOSOH8YSZ；研究了YSZ流延浆料中溶剂和PVB含量对制备的电解质致密性的影响，发现制备的电解质膜的致密性随浆料中溶剂和PVB含量的减少而增加，但是溶剂和PVB含量过低会导致流延工艺困难，确定电解质的最佳PVB含量为YSZ质量的4％，溶剂的最佳含量为YSZ质量的1.12倍。以最佳配方制备的电解质薄膜分别在1200℃，1250℃，1300℃，1350℃，1400℃烧结5h，放电测试结果表明，1250℃烧结5h的电解质薄膜，其致密度已经达到SOFC要求，组装电池后，800℃时开路电压达到1.11V，接近理论电压，最大功率密度为951mWcm-2。
　　其次，对阳极的功能层(AFL)和支撑层(ASL)进行了改进。确定了功能层的最佳原材料为TOSOH8YSZ和I型NiO；对NiO和YSZ相对含量的研究表明，当NiO含量为60mass%时，既可以保证电解质薄膜不脱落，又使其具有较高的性能；在功能层中以PVB替代淀粉作为造孔剂，使得三相反应界面大幅度增加，最大功率密度由322mWcm-2提高至574mWcm-2。阳极支撑层的最佳原材料为TOSOH8YSZ和II型NiO；NiO含量在65mass%时，可以形成细密的网络结构，利于电子、氧离子传导和气体传输。通过调整阳极造孔剂的种类和用量，使阳极孔隙呈梯度分布，有利于气体在支撑层中快速传输，在功能层快速反应。为避免严重烧结，阳极的烧结温度应小于1400℃。在烧结过程中，阳极相对于电解质先膨胀后收缩。
　　最后，对性能较好的电池进行了综合性能测试。样品稳定测试8h，功率密度维持在580mWcm-2左右，将其进一步改进之后稳定测试28.5h，功率密度维持在1050mWcm-2左右；电池在氢气气氛中经历升温和降温三次循环之后，放电性能无明显变化；在800℃下，反复通入氢气和空气进行彻底的氧化还原，四个循环之后，电池开路电压由1.12V降至1.05V；氢气流量对放电性能具有明显影响，最大功率密度随氢气流量增加而先增加后减小或不变，最大功率密度对应流量为0.25Lmin-1；测试温度对放电性能也有很大影响，750℃，800℃和850℃对应最大功率密度分别为1062mWcm-2，1459mWcm-2和1737mWcm-2。

目录

YSZ基SOFC电解质/阳极的研究

The Study of SOFC Electrolyte Based on YSZ

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 固体氧化物燃料电池工作原理

1.3 固体氧化物燃料电池发展概述

第2章 实验原料及实验方法

2.1 实验药品

2.2 实验仪器

2.3 流延制备素坯

2.4 素坯烧结

2.5 性能表征方法

第3章 电解质膜的制备及性能研究

3.1 SOFC电解质的要求及制膜工艺

3.2 电解质原材料的确定

3.3 电解质浆料中有添加剂对致密性的影响

3.4 电解质烧结温度的影响

3.5 本章小结

第4章 阳极的制备及性能表征

4.1 SOFC阳极材料基本要求

4.2 阳极功能层的研究

4.3 阳极支撑层的研究

4.4 阳极烧结过程的研究

4.5 阳极烧结温度的影响

4.6 本章小结

第5章 电池性能的综合测试

5.1 测试体系现状

5.2 稳定性的测试

5.3 循环性的测试

5.4 氧化还原性能测试

5.5 氢气流量对放电性能的影响

5.6 测试温度对放电性能的影响

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢