平板式固体氧化物燃料电池制备及性能研究

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1、摘要固体氧化物燃料电池(SOFC)是一个可以直接将燃料的化学能转换为电能的电化学装置，被誉为21世纪最具有发展潜力的能源之一，它的热效率高、燃料的适应性强，能很好地满足区域供电、供热的需要，具有重要的经济和社会意义。目前，固体氧化物燃料电池的研究正向800℃以下的中低温方向发展，在这种工作条件下可以使用低成本的金属连接材料，还可以提高电池材料的长期稳定性，降低电池各组分材料之间的浸蚀作用；但是，温度的降低也会增大固体电解质的欧姆损失，使电极的极化作用增大。为减小工作温度下固体电解质隔膜的电阻和提高电极的催化活性，近年来的研究工作主要集中在以下两个方面：一是研制中温下

2、具有高离子导电率的新固体电解质材料，比如La(SOGa(M曲03或Ce02基的电解质材料；二是采用超薄的电解质膜以增大中低温下电池的输出功率密度。其中电解质的薄膜化研究近年来在国际上受到越来越广泛的重视。本文在平板固体氧化物燃料电池的电极制备、单电池研制(包括高温无机密封)和电池性能测试分析方面进行了尝试，合成了与之相匹配的阴、阳极材料，并在此基础上组装出了电解质支撑平板式和阳极支撑平板式YSZ-NiIYSZILSM固体氧化物燃料电池单电池，设计组装了电池的气氛控制系统和性能测试系统，以H2为燃料、空气为氧化剂，在温度为700～1000℃范围内测试了电池性能。用XR

3、D研究了YSZ-NiO金属陶瓷粉末的相结构，制得的粉末中的Zr02均为四方相；这是因为反应中生成的少量Y203进入到Zr02的晶格间隙，起到了稳定Zr02的作用。LsM的XRD图与非化学计量氧化物LaMn0315的图谱非常接近。用SEM观察了YSZ．NiO阳极和LSM阴极的断面形貌。结果表明，阳极和阴极的晶粒和孔隙分布均匀，均为多孔结构。阳极支撑式SOFC的阳极平均厚度约为lmm，电解质的平均厚度约为0．5mm，阴极的平均厚度约为0．15ram。电解质层相对较为致密。定点电子能谱分析结果表明，阳极一电解质一阴极三合一结构中各部分的元素分布正常，电解质层有效地阻挡了阳

4、极和阴极中元素的扩散，阴极材料中掺杂的Sr与Zr02发生了反应，形成了不导电相SrZr03，这也’是导致整个电池性能不高的主要原因之一。电池的性能测试表明，电解质支撑式单电池开路电压(OCV)大于1．01v，1000。C时的最大功率密度为7．73mW／cm2，考察了单电池开路电压与氢气流量和温度的关系。阳极支撑式单电池的开路电压为O．98V，90012时的最大功率密度为3．31mW／cm2。关键词：固体氧化物燃料电池(SOFC)；电解质；阳极；阴极；电解质支撑；阳极支撑IIAbstractSolidoxidefuelcellsfSOFC)areexpectedtob

5、ecomeoneofthemostpotentialenergysourcesin21century．Itisanelectrochemicaldevicethatconvertstheenergyofachemicalreactiondirectlyintoelectricalenergy．Theyhavehighheatefficiency，goodfueladaptiveness，canmeetsatisfactorilytheneedsoflocalsupplyofpowerandheat．Theywillplayanimportantroleinourso

6、cietyandeconomy．RecentSOFCdevelopmenthasbeenfocusedonlowertemperatureoperationlessthan800+C．SuchoperationenablesUStouselow-costmetallicinterconnects，long-termcellmaterialsstability，anddecreasethematerialscorrosionforplantcomponents．However，italsoincreasesboththeohmiclOSSatthesolid—stat

7、eelectrolyteandthepolarizationlossatbothelectrodes．Toreducetheohmiclossoftheelectrolyteandthepolarizationlossofelectrodes，twoapproacheshavebeenconductedinresentyears．OneistoapplynewmaterialssuchasLa(Sr)Ga(M曲03orCeO：basedoxidesforelectrolytes，whichhavehigherconductivitythanthatofYSZat