SOFC阳极纳米复合粉体及电池成型工艺的研究

论文摘要

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种将化学能直接转化为电能的能量转换装置,具有能量转换效率高、对环境友好和操作简单等优点,在世界范围内得到了极大的关注和各国政府的大力支持。由于传统的机械混合造成Ni和YSZ（三氧化二钇稳定二氧化锆）两相分布不均,直接影响了SOFC性能的进一步提高。采用Pechini法合成了NiO/YSZ阳极纳米复合粉,实验结果表明,pH值和柠檬酸/金属阳离子物质的量配比是影响阳极复合粉粒径、团聚情况和阳极性能的主要因素。通过实验优化了阳极复合粉体的制备工艺（pH=7.0,柠檬酸/金属阳离子物质的量配比为2∶1）,合成的复合粉体在阳极当中NiO、YSZ两相颗粒的分布最均匀。将合成的复合粉体用压片法制备成阳极（面积为Φ20mm）,涂敷电解质并组装模拟电池,800℃（H2流量为50mL/min）时放电的最大功率密度达到850mW/cm2;将复合粉作为阳极功能层通过流延工艺制备了半电池（面积为Φ20mm）并组装成模拟电池,在800℃（H2流量为50mL/min）具有最大的功率密度达到1000mW/cm2。为了组装SOFC电堆,需要制备大尺寸半电池,研究大尺寸半电池的流延成型工艺。首先,减小了造孔剂淀粉的含量,防止裂纹出现;其次,研究YSZ的粒径变化对半电池成型的影响,发现随煅烧温度的增加,YSZ颗粒的粒径加大,900℃煅烧2小时所得YSZ（颗粒粒径2.0μm）成型性最好（作为支撑层只有少量细微裂缝的产生）;在YSZ确定的条件下,考察了北京建材NiO（颗粒粒径6.3μm）和上海国药NiO（颗粒粒径2.0μm）粒径变化对半电池成型的影响,发现采用上海国药NiO与YSZ匹配性最好,得到平整无缺陷的大尺寸半电池,并且通过改进流延浆料组分,于1300℃获得了致密的YSZ电解质,半电池800℃开路电压达到1.05V,接近理论电压。采用优化的流延工艺,成功制备出面积为7.5×7.5cm2的半电池及7×7cm2的阳极。流延法制备的半电池所组装的模拟电池（面积为Φ20mm,丝网印刷阴极面积0.6×0.6cm2）的放电性能,800℃（H2流量为100mL/min）的最大功率密度为560mW/cm2,以800mA/cm2的电流密度放电,9小时无衰减。在7×7cm2的阳极上涂敷电解质,将其制备成5×5cm2的半电池,组装成单体电池。单体电池放电测试结果表明,当阳极面积为5.0×5.0cm2,阴极面积为3.0×3.0cm2时,800℃（H2流量为500mL/min）最大功率为1.32W,最大功率密度为146mW/cm2。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 SOFC概述
• 1.2.1 SOFC工作原理及特点
• 1.2.2 SOFC发展现状
• 1.3 SOFC阳极材料的研究
• 1.3.1 SOFC的阳极材料发展现状
• 1.3.2 Ni-YSZ阳极材料
• 1.4 NiO/YSZ阳极复合粉
• 1.4.1 NiO/YSZ阳极复合粉的制备方法
• 1.4.2 Pechini法制备阳极复合粉
• 1.5 课题来源及研究内容
• 1.5.1 本研究课题的来源
• 1.5.2 课题研究内容
• 第2章 实验材料与仪器设备及研究方法
• 2.1 实验药品
• 2.2 实验仪器
• 2.3 阳极复合粉的制备
• 2.4 压片-涂敷工艺制备半电池
• 2.4.1 压片基体成型
• 2.4.2 压片基底烧结
• 2.4.3 涂覆法制备电解质膜
• 2.5 流延法制备半电池
• 2.5.1 流延素坯成型
• 2.5.2 流延素坯烧结
• 2.6 物理性质表征
• 2.6.1 热重-差热分析
• 2.6.2 线性热膨胀率测定
• 2.6.3 粒度及粒度分布分析
• 2.6.4 X射线衍射分析
• 2.6.5 扫描电子显微镜分析
• 2.7 电化学分析测试方法
• 2.7.1 电池放电性能分析
• 2.7.2 电池阻抗谱性能（EIS）分析
• 第3章 NiO/YSZ阳极复合粉体的制备及其性能研究
• 3.1 溶液pH值对复合粉体性能的影响
• 3.1.1 不同pH值溶液组成
• 3.1.2 物相组成（XRD）分析
• 3.1.3 阳极微观形貌（SEM）分析
• 3.1.4 电化学性能测试
• 3.2 柠檬酸含量对复合粉体性能的影响
• 3.2.1 不同柠檬酸含量的溶液组成
• 3.2.2 物相组成（XRD）分析
• 3.2.3 粉体及阳极微观形貌（SEM）分析
• 3.2.4 电化学性能测试
• 3.3 本章小结
• 第4章 流延法制备阳极及其性能研究
• 4.1 流延法制备模拟电池及其性能研究
• 4.1.1 溶液pH值对复合粉体性能的影响
• 4.1.2 柠檬酸含量对复合粉体性能的影响
• 4.2 流延法制备大尺寸半电池的研究
• 4.2.1 有机物含量的影响
• 4.2.2 YSZ粉粒度的影响
• 4.2.3 不同NiO原料的影响
• 4.2.4 流延法制备电解质膜及其改进
• 4.2.5 优化的大尺寸阳极半电池制备工艺
• 4.3 单体电池的组装与性能研究
• 4.3.1 平板式SOFC
• 4.3.2 燃料电池片的制作
• 4.3.3 单体电池组装
• 4.3.4 单体电池的放电性能
• 4.4 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
• 致谢