基于钙钛矿型稀土钴酸盐复合氧化物原位成相的中温固体氧化物燃料电池梯度阴极制备和电池性能研究

摘要

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)是一种通过电化学反应将燃料中的化学能直接转换为电能的全固态发电器件。作为一种新型绿色发电系统,它具有能量转换效率高、绿色环保、燃料适用范围广、不需要Pt作为催化剂等优点,是新能源技术中的热点研究。经过近三十年的快速发展,SOFC逐渐走向市场化。随着SOFC发展趋于中低温,减薄电解质厚度势在必行。同时,近年来掺杂钛酸锶阳极支撑和金属支撑的SOFC逐渐成为该领域的热点,然而常规的在空气中高温烧结这些阴极易引起掺杂钛酸锶阳极支撑体和铁基不锈钢支撑体的氧化,因此在高性能阴极制备方面面临着重要的挑战。
　　本课题研究的的主要内容是原位成相梯度阴极的制备工艺,并在此基础上讨论了平板式SOFC单电池的制备工艺,进而对单电池进行性能测试和分析。具体内容如下:
　　论文第一章概述了各种燃料电池技术,简单介绍了SOFC的工作原理、分类以及SOFC技术国内外发展现状及趋势。最后给出了本文的研究内容。
　　第二章主要介绍了SOFC各种关键材料(电解质、阳极、阴极等)的性能要求,以及各种材料的发展概况。
　　第三章主要介绍了NiO/YSZ阳极、CGO阴极阻挡层和LSC/CGO,LSC前驱体阴极粉体的制备方法,并对LSC前驱体粉体进行了热重分析和比表面积测试。
　　第四章详细介绍了半电池的制备方法。采用流延法、丝网印刷法和共烧结法制备多孔NiO/YSZ阳极支撑NiO/YSZ功能层和致密的YSZ电解质薄膜,并在该基体上沉积CGO阻挡层和梯度阴极。在此基础上讨论流延法、丝网印刷法以及共烧结工艺过程的电池缺陷和成因。
　　第五章讨论了原位成相梯度阴极制备的必要性并开发了适合该应用的工艺,采用XRD分析不同制备阶段LSC粉体的相组成,指出该项工艺的可行性。
　　第六章进行单电池的组装和性能测试。实验结果表明,该单电池在800℃工作温度下,获得开路电压1.054V,最大功率密度为317mW/cm2,对影响电池性能的成因进行详细的探讨。
　　第七章总结了课题取得的阶段性成果和实验中问题,最后对原位成相梯度阴极的制备方法进行展望。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2燃料电池技术

1.3固体氧化物燃料电池

第二章 SOFC材料研究进展

2.1 SOFC电解质材料

2.2 SOFC阳极材料

2.3 SOFC阴极材料

2.4本章小结

第三章 粉体制备及表征

3.1 CGO的制备

3.2 LSC前驱体粉体合成

3.3 LSC/CGO复合粉体的制备

3.4其他粉体制备

3.5本章小结

第四章 半电池制备

4.1薄膜制备工艺概述

4.2流延法制备阳极素坯

4.3丝网印刷法制备多孔阳极功能层薄膜和致密的电解质薄膜

4.4 NiO/YSZ、YSZ共烧结

4.5制备阴极阻挡层

4.6本章小结

第五章 原位成相梯度阴极制备

5.1引言

5.2丝网印刷制备梯度阴极

5.3梯度阴极烧结

5.4本章小结

第六章 单电池性能测试

6.1测试系统组装

6.2单电池性能测试

6.3结果分析与讨论

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1结论

7.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文