低成本制备氧化锆薄膜燃料电池的研究

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成电能的全固态电化学发电装置，具有环境友好、能量转换效率高和燃料适应广泛等优点，是21世纪各国竞相发展的一种新型绿色能源。SOFC工作时阳极和阴极的损失较小，极化损失主要集中在电解质的内阻上。为提高燃料电池的电流密度和输出功率密度，应尽量降低电解质材料的厚度。减少电池内阻的最有效途径之一就是在结构上将电解质制成薄膜。因此人们相继开发一些制备电解质薄膜的方法，如电化学气相沉积法、等离子体喷涂法、喷雾热解法和溶胶—凝胶法等，这些方法或者由于制备成本高、或者由于设备复杂，不适于大规模制备电解质薄膜而在应用上受到限制。因此简化电解质薄膜的制备工艺、降低SOFC的制作成本是国际上一种发展趋势。本文主要研究了用低成本的简单的陶瓷成型方法在NiO／YSZ阳极支撑体上制备氧化钇（Y2O3）稳定的氧化锆（ZrO2）（简称YSZ）薄膜，并研究其SOFC性能。 本文首先研究了作为薄膜型固体氧化物燃料电池的阳极支撑体材料——Ni／YSZ金属陶瓷的性能，发现经不同温度预烧后的YSZ粉体的比表面积会发生变化，从而影响NiO／YSZ烧结体的性能。对于我们所使用的平均粒径为2μm的YSZ粉体，经900℃预烧处理2小时后，与NiO纳米粉末混合得到的NiO／YSZ烧结体（NZM900）具有较合适的孔隙率、较高的电导率以及与YSZ电解质较为匹配的烧结收缩性质。虽然它的电化学性能不如由YSZ原粉合成的NiO／YSZ烧结体（NZM），但从SOFC单电池的测试结果可以看出，在低温时（750℃）二者的结果非常接近。从中低温SOFC的应用角度来说，显然NZM900是较为理想的阳极支撑体材料。 本文研究了在YSZ／异丙醇亚稳悬浮液体系中YSZ颗粒自发沉降的特性，并且研究了利用这种沉降在支撑体上沉积电解质薄膜的重力沉降方法（Gravity deposition，GD），进而对NiO／YSZ阳极支撑体上制备YSZ固体电解质薄膜的工艺条件进行了研究，得到了制备用于重力沉降的YSZ悬浮液的最佳工艺条件是：用异丙醇做溶剂，浓度为10g／L，超声波粉碎10 min。并在此条件下制备出厚度约为20μm的YSZ薄膜，将其组装成SOFC单电池，得到单电池的最大开路电压为0.98 V，850℃时的短路电流密度接近1 A／cm2，最大功率密度达180 mW／cm2；900℃时最大功率密度达到210 mW／cm2。 利用氧化物陶瓷颗粒在稳定悬浮液中吸附离子带电、进而在外电场作用下向电极定向运动并发生沉积的电泳沉积过程，可以进行薄膜的电泳沉积（Electrophoreticdeposition，EPD）。本文研究了用电泳沉积法在NiO／YSZ阳极基底上制备YSZ薄膜的相关参数条件。在YSZ悬浮液中加入碘做分散剂，碘与异丙醇作用产生H+离子，YSZ颗粒吸附H+而带正电，当分散剂碘的浓度为0.5 g／L时，YSZ悬浮液具有最大的zeta电

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 固体氧化物燃料电池简介
• 1.1.1 燃料电池概念
• 1.1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）原理与特点
• 1.2 SOFC的基本组成
• 1.2.1 电解质材料
• 1.2.2 阳极材料
• 1.2.3 阴极材料
• 1.2.4 连接体材料
• 1.3 固体电解质YSZ成膜技术
• 1.3.1 化学方法
• 1.3.2 物理方法
• 1.3.3 陶瓷成型方法
• 1.4 本文拟解决的问题
• 2 SOFC中阳极支撑体性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 YSZ粉末的预烧温度对NiO／YSZ性能的影响
• 2.2.1 实验方法及过程
• 2.2.2 NiO微粉的性质
• 2.2.3 预烧对YSZ粒径及粒径分布的影响
• 2.2.4 YSZ粉末的预烧对NiO／YSZ样品物理性能的影响
• 2.2.5 YSZ粉末的预烧对NiO／YSZ样品烧结收缩性能的影响
• 2.2.6 YSZ粉末的预烧对NiO／YSZ样品电性能的影响
• 2.3 NiO含量对NiO／YSZ性能的影响
• 2.3.1 实验方法及过程
• 2.3.2 NiO含量对NiO／YSZ样品烧结收缩性能的影响
• 2.3.3 NiO含量对NiO／YSZ样品物理性能的影响
• 2.3.4 NiO含量对900YN系列样品电性能的影响
• 2.4 NiO／YSZ材料还原条件的研究
• 2.4.1 样品制备
• 2.4.2 实验结果与讨论
• 2.5 本章小结
• 3 重力沉降法制备YSZ电解质薄膜
• 3.1 引言
• 3.2 重力沉降法制备YSZ薄膜的原理及实验装置
• 3.3 YSZ悬浮液的配制
• 3.3.1 溶剂对YSZ悬浮液的影响
• 3.3.2 浓度对YSZ悬浮液的影响
• 3.3.3 超声分散时间对YSZ悬浮液的影响
• 3.4 YSZ粉体的性能
• 3.4.1 YSZ粉体的粒径分布
• 3.4.2 YSZ粉体的烧结收缩性质
• 3.4.3 YSZ粉体的密度及电学性质
• 3.4.4 YSZ粉体的沉降曲线
• 3.5 YSZ电解质薄膜的SOFC性能
• 3.5.1 实验方法及过程
• 3.5.2 结果与讨论
• 3.6 本章小结
• 4 电泳沉积法制备YSZ电解质薄膜
• 4.1 引言
• 4.1.1 电泳沉积原理
• 4.1.2 影响电泳沉积的因素
• 4.2 电泳相关参数的初步研究
• 4.2.1 用于电泳沉积的YSZ悬浮液的制备
• 4.2.2 阳极基底的导电
• 4.2.3 电泳池中不同电极材料及形状对沉积的影响
• 4.2.4 小结
• 4.3 电泳沉积过程中沉积量的控制
• 4.3.1 碘的浓度对YSZ沉积量的影响
• 4.3.2 悬浮液浓度对YSZ沉积量的影响
• 4.3.3 外加电压对YSZ沉积量的影响
• 4.4 YSZ电解质薄膜的SOFC性能测试
• 4.4.1 实验方法及过程
• 4.4.2 结果与讨论
• 4.5 恒压与恒流模式对电泳沉积的影响
• 4.5.1 用恒流EPD法制备YSZ电解质薄膜
• 4.5.2 SOFC性能测试
• 4.6 本章小结
• 5 重力沉降与电泳沉积相结合制备YSZ电解质薄膜
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法及过程
• 5.2.1 阳极支撑体的制备
• 5.2.2 YSZ电解质薄膜的制备
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 YSZ电解质薄膜的微观结构
• 5.3.2 SOFC性能测试
• 5.4 本章小结
• 6 离心沉降法制备YSZ电解质薄膜
• 6.1 引言
• 6.2 实验方法及过程
• 6.2.1 溶剂的选择
• 6.2.2 阳极支撑体的制备
• 6.2.3 YSZ电解质薄膜的制备
• 6.2.4 YSZ电解质薄膜的表征及其SOFC性能测试
• 6.2.5 结果与讨论
• 6.3 YSZ／SDC双层电解质膜的制备及其性能研究
• 6.3.1 实验方法及过程
• 6.3.2 结果与讨论
• 6.4 本章小结
• 7 双层干压法制备YSZ电解质薄膜
• 7.1 引言
• 7.2 实验方法及过程
• 7.3 实验结果与讨论
• 7.3.1 电解质薄膜厚度的控制
• 7.3.2 XRD结果
• 7.3.3 烧结收缩率分析
• 7.3.4 单电池实验结果
• 7.4 本章小结
• 结论与展望
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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