中温固体氧化物燃料电池的制备与表征

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1、中国科学技术大学博士学位论文。2007年摘要固体氧化物燃料电池(sOFC)是一种高效、清洁的能源转换装置。该领域的研究趋向是追求操作温度中温化，以克服传统高温80FC(操作温度约1000oC左右)的种种技术和材料困难，并进一步提高性能和降低制造成本。近十几年来，从电池构型到关键材料和核心制备技术都取得了快速进展，但在其实现实用化、商品化的道路上，尚有大量工作要做。迄今，大量研制工作集中在氧离子传导型的SOFCs方面，对质子传导型SOFC的研究工作则相当薄弱和忽视。把新材料探索与薄膜化制各技术方面的已有积累，同时应用于这两类不同离

2、子传导电解质$OFCs，对它们进行性能优化和比较，显然具有重要的研究价值，也有可能揭示二者的不同特点和某些尚未为人所知的信息，从而也具有一定的学术意义。论文立足于这两种类型的固体氧化物燃料电池的发展现状，对两种类型的电池从关键粉体制备及电池制作等方面进行优化和探索，侧重于降低电解质欧姆阻抗为主要出发点，发展不同有机物辅助的燃烧合成工艺，利用本实验室发展的干压．共烧的便捷工艺技术制备阳极支撑的薄膜电解质构型，通过电极与电解质材料的优化组合以及电极结构改善，来提高电池性能，达到固体氧化物燃料电池的实用化要求。‘本论文第一章通过对国内

3、外固体氧化物燃料电池研究、发展现状的调查和分析，总结了固体氧化物燃料电池关键材料及构型的研究进展。围绕固体氧化物燃料电池中温化这一发展趋势，提出了以降低材料制备和操作费用为目的，进行新工艺、新材料的探索和合成的研究路线。确立了粉体合成和电池制各工艺的优化，及电池性能研究作为论文的主要研究内容。论文的第二章、第四章分别对氧离子传导的Ceo．sSm020i．9(SDC)和质子传导的BaCco．sZr03Yo．16Zno．0403．(BCzYz)电解质粉体的制备进行了详细研究。利用所合成的电解质粉体，通过实验室发展的干压共烧工艺，成功

4、的制各了阳极支撑的薄膜化(约10微米左右)电解质电池，分别对氧离子传导型和质子传导型的单电池进行了性能研究和表征(第二章、第五章)。主要工作成果归纳如下；1．电解质粉体的合成粉体的制备技术不仅影响后期的电池制备工艺，同时也影响电池的性能，因m此本论文将电解质粉体的制备与合成列为论文的一个重点。本实验室一直致力与软化学合成法制备固体氧化物燃料电池用粉体，已经发展了多种合成工艺，制备了许多不同种类的粉体，不同工艺合成的粉体各具优点。利用聚合物分子链的官能团及凝胶化特性，本论文使用聚合物——甲基纤维素(MC)，聚乙烯醇(P、，A)辅助

5、法燃烧合成Sm掺杂的ce02_℃eosSrn020I．9(SDC)固体氧化物粉体。与传统的s01．gcl工艺对比，本方法简单，不需要严格的控制溶液的酸，碱度及金属离子的水解性，在较低的温度下得到了SDC纯相粉体。探讨了粉体的形成机理，通过XRD及FTIR等测试手段，详细研究了有机物用量对晶胞参数、晶粒尺寸的影响。研究发现，符合化学计量比的有机物的使用量是最佳的。MC聚合物燃料辅助的燃烧合成制备掺杂氧化铈粉体，在1400。C烧结5h的样品，相对密度达到96％。，该烧结体具有良好的电学性能，在800oC时电导率为0,0898S／cm

6、，其电导活化能为1．17eV。PVA聚合物燃烧法制备SDC时，在350。C的低温下就可以得到纯相。该粉体具有高的烧结活性，在13000C烧结其致密度达98％，800oC的电导率为0．0861S／cm。同时发现，更高温度烧结(如1400。C)对烧结致密化程度提高不大，电导率则会比1300。C烧结的还低，只有0．0619S／cm。与氧离子导体电解质材料相比，质子导体电解质材料在燃料电池方面的应用报道较少，这方面的研究工作最近才活跃起来。在高温质子导体材料中，BaCe03基材料的质子导电率最高，但致密化烧结温度较高，最近本实验室的国外

7、合作者(英国StAndrew大学，陶善文博士)的研究表明，BaCeo．57．to．3Yo．16Zn00403．6(BCZYZ)体系中，掺入的窈元素能有效降低烧结温度，并改善了其对C02的稳定性，固相反应法制备的粉体在1325oC下烧结即可获得致密的烧结体。粉体的制备方法对材料的性能及烧结起至关重要的作用。很显然，对于BCZYZ这种多元复合氧化物粉体，固相反应法难以均匀混合，制备过程繁琐。本论文工作利用柠檬酸的有效络合作用，以柠檬酸燃烧合成方法制备了BCZYZ粉体，为质子导体的烧结温度的进一步降低提供了可行途径，而且燃烧法合成得到

8、的蓬松粉体对后续的千压．共烧工艺极为有利。XRD测试表明在1000oC获得了纯钙钛矿相的BCZYZ粉体，100％纯C02气氛中，从室温升温到1200。C，并返回到室温的过程中，BCZYZ显示了优良的抗C02性能。1000oC合成的粉体在1150。C下烧结即可致密