固体氧化物燃料电池电解质和阳极材料的制备方法及性能研究

摘要

固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cells，SOFCs）是一种将化学能直接转换为电能的装置，具有高效、清洁、稳定、模块化全固态设计等特点。提高燃料电池的性能并降低其成本是人们一直追求的目标。
　　本论文以改进SOFC电池制备工艺、提高其性能为目标，主要围绕改进丝网印刷电解质工艺，研究助烧剂Gd2Ti2O7(GT)对Gd0.1Ce0.9O1.95(GDC)电解质的影响，研究添加Co对SOFC阳极功能层结构及电池性能的影响三个方面来展开。通过实验和分析，主要获得以下结果:
　　通过研究丝网目数和印刷次数对丝网印刷YSZ(yttria dopedzirconia)电解质的影响，我们开发了直接在阳极生坯上丝网印刷电解质的方法。这种方法可用于印刷制备平板SOFC电池的电解质。此外，由于阳极生坯衬底在烧结时会产生巨大收缩，带动了电解质层的收缩，使其更易致密。而且，本实验中采用的主要制备技术（湿粉喷雾、流延和丝网印刷）成本低、操作方便、生产效率高，可用于SOFC的大规模化生产。在此基础上，我们又通过研究浆料中粘结剂和表面活性剂含量对丝网印刷GDC电解质的影响，优化了浆料的组成。此外，我们还将GT添加到丝网印刷浆料中，制得了更致密的GDC电解质层。
　　研究了GDC中加入GT对其成分、致密度、电学性能和热膨胀性能的影响，同时对作为对比的加入TiO2的样品也做了相关测试。结果表明，当GT/GDC的摩尔比高于0.02时，在1400℃下烧结5h后，材料的相对密度能超过97％，同时X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）结果表明GDC的成分基本不变，而作为对比，加入TiO2后，TiO2会与GDC中的Gd反应生成GT。交流阻抗谱分析表明，加入GT后，材料的离子电导率下降在可接受的范围内。相比加入等量TiO2的样品，加入GT后的样品的离子电导率也要高很多。此外，材料的热膨胀系数也随着加入GT量的增加而降低。这些结果表明，对GDC来说，GT是一种优秀的烧结助剂。综合来看，当GT/GDC的摩尔比的最佳值为0.02，此时材料的致密度和离子电导率都较高。另外，我们对GT助烧GDC的机理也作了一定的探究。
　　研究了Co加入Ni-YSZ功能层后对其结构和性能的影响。其中XRD结果表明在SOFC工作环境下，起催化作用的金属相为Co与Ni的合金相。扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)结果表明，随着Co含量的增加，Ni1-xCox颗粒的晶粒尺寸增大。热重（thermogravimetric，TG）分析表明，Ni1-xCoxO-YSZ粉体的还原有两个过程，分别是化学反应控制过程和扩散控制过程。其中，DTG（differential thermogravimetric）曲线中对应于化学反应控制的峰位随Co含量的增加向低温度区移动，说明Co加入后会提高Ni1-xCox颗粒的催化活性。SOFC电池性能测试结果表明，当x=0.03时，相应SOFC单电池性能最高，在700、750、800℃下的最大输出功率密度分别为445、651和815 mW cm-2。通过分析讨论，我们认为Co的加入提高了SOFC阳极功能层的催化活性，但同时也导致阳极三相界面长度(three phase boundary，TPB)变短，因而SOFC电池的性能与Co的依赖关系受这两方面因素共同控制。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 固体氧化物燃料电池简介

1．3 SOFC的构成

1．3．1 电解质

1．3．2 阳极

1．3．3 阴极

1．3．4 连接体

1．4 SOFC制备工艺简介

1．4．1 湿粉喷雾法

1．4．2 流延法

1．4．3 丝网印刷法

1．5 SOFC的性能

1．5．1 开路电压

1．5．2 功率密度

1．5．3 交流阻抗谱

1．5．4 SOFC电池性能的改进

1．6 论文的研究内容

参考文献

第二章 丝网印刷法制备YSZ和GDC电解质薄膜的研究

2．1 引言

2．2 样品的测试和表征

2．2．1 电解质的形貌表征

2．2．2 单电池的测试

2．3 丝网印刷法制备YSZ电解质层的研究

2．3．1 研究方法和实验步骤

2．3．2 实验结果及讨论

2．4 丝网印刷法制备GDC电解质层的研究

2．4．1 研究方法和实验步骤

2．4．2 实验结果与讨论

2．5 丝网印刷法制备添加GT的GDC电解质层

2．5．1 研究方法和实验步骤

2．5．2 实验结果与讨论

2．6 本章小结

参考文献

第三章 添加剂GT对GDC电解质材料的影响

3．1 引言

3．2 实验方法与步骤

3．2．1 样品的制备步骤和方法

3．2．2 样品的表征方法

3．3 实验结果与讨论

3．3．2 GT对GDC致密度的影响

3．3．3 GT对GDC离子电导率的影响

3．3．4 GT对GDC热膨胀系数的影响

3．3．5 GT助烧GDC机理的探究

3．4 本章小结

参考文献

第四章 Co掺杂对SOFC阳极功能层催化性能及相应电池性能的影响

4．1 引言

4．2 实验方法与步骤

4．2．1 样品的制备方法与步骤

4．2．2 样品的表征方法

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 Ni1-xCoxO-YSZ及Ni1-xCoxO氧化物粉体的性质及分析

4．3．2 还原后Ni1-xCox-YSZ及Ni1-xCox粉体的性质及分析

4．3．3 Ni1-xCoxO-YSZ粉体还原过程的研究

4．3．4 相应SOFC电池性能的测试及分析

4．3．5 Go对电池性能影响的分析

4．4 本章小结

参考文献

第五章 总结

5．1 丝网印刷法制备电解质薄膜

5．2 GT对GDC的影响

5．3 Co对SOFC阳极功能层催化及相应电池性能的影响

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果