中温平板式SOFC阳极半电池体系的研究

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很有希望的绿色发电方式之一，越来越受到人们的广泛关注。为了提高SOFC模拟电池的放电性能，对电解质膜，阳极进行了改进及性能研究，并且探索了阳极支撑平板式SOFC单电池的制备方法。
　　首先，采用流延法对YSZ电解质薄膜工艺进行了改进。改变了YSZ粉料的组成，采用TOSOHYSZ和JCYSZ粗细颗粒混合制备了在800℃开路电压达到1.1V，电镜观察下晶粒结合紧密的电解质膜。在保证开路电压不降的前提下，将电解质膜的厚度从20μm降低到15μm，降低了阻抗，将电池800℃时的功率密度提高了12.2％。在电解质中加入0.5mass%Al2O3，降低了晶界电阻。此外还初步考察了丝网印刷法制备电解质膜。
　　其次，对阳极的支撑层和功能层进行了改进。采用加入占固含量30mass%的新型造孔剂PMMA改善了支撑层结构，阿基米德排水法测试支撑层孔隙率达到60%，SEM观察发现阳极支撑层形成了圆形通孔结构，为阳极反应提供足够的气体通道。
　　采用共沉淀法制备了平均粒径33nm的纯相NiO。用放电曲线比较了不同粒径的NiO对电池性能的影响，纳米级的NiO提供了更多的三相反应界面，其中细颗粒的NiO将电池功率密度提高了49.9%。TOSOHYSZ粗细颗粒混合加入功能层，形成了较为理想的阳极结构，提高了电池的性能。采用Pechini法制备NiO/YSZ复合粉体，SEM及能谱测试发现形成了YSZ包覆NiO的结构，将复合粉末加入功能层，电池在800℃时功率密度达到500mW·cm-2。在功能层和支撑内层之间加入中间层，增大了三相反应界面，阻止了来自支撑层杂质的扩散，这种结构的电池在800℃时功率密度达到638mW·cm-2。在各层配方改进后，对烧结制度进行了改进，得到了较为平整的陶瓷片。
　　最后，采用最佳的阳极和电解质的制备工艺成功制备了90mm×90mm的陶瓷片。

目录

中温平板式SOFC阳极半电池体系的研究

STUDY OF THE ANODE HALF CELL SYSTEM OF PLANNER INTERMEDIATE TEMPERATURE SOFC

摘 要

Abstract

目 录

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

1.3.1 SOFC电解质研究进展

1.3.2 SOFC阳极的发展

1.4 本课题来源及主要研究内容

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 表征方法

2.5.1 热重-差热分析

2.5.2 粉体粒度分析

2.5.3 物相组成的测定

2.5.4 SEM的测试

2.5.5 陶瓷孔隙率的测试

2.5.6 阳极电导率的测试

2.5.7 模拟电池放电测试

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

3.1.1 SOFC电解质要求

3.1.2 电解质制膜工艺

3.2 流延法制备电解质膜

3.2.1 素坯膜的的制备

3.2.2 电解质用YSZ粉料的优化

3.2.3 电解质膜厚度对性能的影响

3.2.4 Al2O3对YSZ电解质的影响

3.3 丝网印刷法制备电解质膜

3.4 本章小结

第4章 阳极微观结构的改进

4.1 SOFC阳极材料基本要求

4.2 阳极支撑层的制备及改进

4.3 阳极功能层的改进

4.3.1 NiO粉料的确立

4.3.2 阳极功能层YSZ颗粒的影响

4.3.3 NiO-YSZ复合粉末的制备

4.3.4 复合梯度功能层的制备

4.4 大尺寸陶瓷片的制备

4.5 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