阳极支撑sofc关键材料的流延成型工艺及性能表征

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1、中国科学技术大学博士学位论文摘要传统的固体氧化物燃料电池(SOFC)采用Y稳定的氧化锆(YSZ)电解质板支撑构型，工作温度在1000。C左右，由于面临材料与制造成本的诸多问题而难以实用化。目前的SOFC研制方向是采用电极支撑薄层电解质构型，并采用高电导率的电解质，如钐掺杂氧化铈(SDC)，电池可在中温(500～700。C)下操作，降低了对材料与制造成本的要求，并保持高的电化学性能。因此，制各较大面积和尺寸的多孔电极支撑的薄电解质层部件，是SOFC的核心技术，但它具有相当的难度，具体技术与工艺很少有文献报道。本论文将采用低成本陶瓷成型方法——流延法，制备多孔阳极支撑体和

2、致密电解质层部件，并对涉及到的粉体制各、成型技术、烧结工艺、电化学性能与微观结构控制以及辅助材料对样品性能的影响等诸多工程技术问题进行了详实的研究，为中温SOFC的实用化提供相应的技术支持。论文第一章综述介绍了中温SOFC研究现状及相关制各技术，包括低成本的流延制备工艺。第二章是Ceo8Smo20l9(SDC)电解质粉体的制各、烧结与电学性能表征。在SOFC的制备过程中，电解质粉体的质量至关重要。从制造成本、批量生产能力、粉体性能控制等因素考虑，共沉淀法具有无可替代的优势。本章采用草酸盐共沉淀法与碳酸盐共沉淀法制备了SDC粉体，并进行烧结与电学性能研究。草酸盐法制备的

3、粉体为棒状形貌，在15000C可烧结到97％的密度，电导率在700。C达到O0408S．cm～，与文献报道的最佳结果相近。碳酸盐法制备的粉体为纳米级，在12000C可达到99％的密度，电导率为O．038S．cm一；在高的烧结温度下，受到ceov)glJCe(III)还原反应的影响，碳酸盐法SDC粉烧结体的密度下降，且晶界作用逐渐明显而降低电导率并提高活化能。这些结果对后续的流延法制备电解质具有指导作用。第三章是SDC电解质的流延成型与烧结。前述碳酸盐法制备的粉体虽然具有很高的烧结活性，但其粒度太小，烧结收缩率过高，并不适合于流延成型。草酸盐制各的粉体粒度为1Hm，适于

4、流延成型，但是，粉体形貌为棒状，烧结密度低。我们采用简单的球磨工艺，打碎棒状Ceo8Smo2019粉体粒子，研究了不同的球磨参数对流延成型体烧结动力学的作用，通过参数优化，坯体可以在1400。C达至q98％的烧结中国科学技术走学博士学桩论文摘要密度，满足了SOFC电解质层的烧结性能的要求。制备了阳极支撑的501．tm厚度的SDCEg解质层，电池的开路电压在500。C达No．97V(H2—3％H20／air)，表明电解质层达到致密。另外，为减少球磨时间，进一步降低烧结温度，还采用了草酸盐共沉淀粉体与碳酸盐共沉淀粉体复合流延的方法，取得了良好的效果。本章的工作对低成本的共

5、沉淀粉体用于规模化制备电解质层工艺路线提供了重要的技术参考。第四章是Ni／SDC]jIJ极的流延制各与性能表征。阳极支撑体的孔隙率、电导率与微观形貌对SOFC的性能有重要影响。本章采用(A)机械球磨混合法、(B)草酸盐共沉淀法、(C)碳酸盐共沉淀法三种方法制备了阳极粉体，流延成型并在13000C烧结。对于固相中Ni体积占45％的三种阳极支撑体而言，还原后的开孔率依次为：43．7％，43．4％，24．3％；孔径约为19rn、O．89m、0．39in；在H2气氛下600。C电导率为97．7S／cm，627S／cm，1950S／cm。三种阳极在孑L结构、颗粒大小、Ni颗粒的

6、分布等方面表现出明显的不同。所以，通过不同的制备方法实现了对显微结构的控制，从而控制了阳极性能。另外，本章还研究了碳酸赫阳极中Ni含量对性能的影响。当Ni在固相中的相对含量由38％提高到49％时，电导率(600。C)N1330S／em提高至U2460S／cm，孔率由22．3％提高至tJ29．4％。可见，用不同的制备方法，并控制不同的Ni含量，可以在大范围内对阳极的孔率与电导率进行控制，可满足不同情况下对阳极支撑体及阳极活化层的要求。第五章是SOFC多层流延制各工艺及共烧工艺研究。用流延法制备阳极与电解质层复合生坯，通过共烧制备阳极支撑的薄电解质层部件，是一条低成本，适

7、合工业生产的技术路线，很有可能在将来的SOFC产业化中得到应用。但是，这一技术最大的困难在于大面积样品在共烧过程中的开裂、变形等问题。本章通过改变粉体预烧温度，控制阳极衬底及电解质的烧结收缩率，研究在不同的收缩率匹配程度下的烧结变形情况，发现只有阳极衬底与电解质的烧结收缩率相差小于0．1％时，才可以在自由烧结过程中保持平整。通过加压烧结方式，可以进一步提高样品的平整性，但当收缩率相差大于】％时，加压烧结过程中样品由于应力过大而容易开裂。本章工作对制备大面积阳极支撑薄电解质层技术路线中的烧结收缩率控制工艺给出了很好的参考，并证明烧结收缩率需要严格控制。