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固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)作为一种新型清洁能源技术,近年已被广泛研究。SOFC具有转化效率高、燃料适用性广和环境友好等优点,小型化是其重要的发展趋势,微管式 SOFC的研制是其热点之一。微管式SOFC支撑阳极管的制备主要包括塑性挤出法和相转化法。与传统挤出技术相比,相转化技术具有成本低、结构可控和无造孔剂添加等优点。目前,梯度阳极是支撑型 SOFC采用的结构。传统梯度阳极的制备步骤复杂且所制备孔道是不连续的,相转化法制备的阳极具有不对称孔道形貌,是一种理想的SOFC梯度阳极结构。 本论文通过相转化法构筑了具有双孔道(海绵状孔和指型状孔)结构的SOFC平板式阳极和微管式阳极。通过扫描电子显微镜(SEM)技术对阳极的微观形貌进行表征,研究制备条件对阳极微观结构的影响,优化出最佳的制备工艺。通过测试单电池放电性能对阳极的电化学反应活性进行表征,考察阳极微观形貌与电池性能间的关系,并采用电化学阻抗谱(EIS)方法对阳极结构影响机理和负载条件下阴极氧还原反应动力学进行探讨。 采用相转化法一步制备了具有双孔道结构的平板阳极。考察了铸膜液组成和凝固浴深度对阳极结构及电池性能的影响。随着铸膜液固含量的增加,阳极海绵孔道层的孔径及孔隙率降低;随着NiO含量增加,阳极海绵孔道层的孔径及孔隙率增加,并且出现Ni团聚现象;随着凝固浴深度的增加,双孔道阳极海绵孔道层厚度减小,气体透过率增加。当NiO-YSZ与PESf的质量比为10:1、NiO含量为50％,凝固浴深度为10.5cm时,所制备阳极的海绵孔道层厚度最薄(45μm),800℃电池的最大功率密度值为1.15W·cm-2。通过EIS解析,双孔道阳极结构显著降低了由扩散过程控制的低频区阻抗。制备了双孔道阳极支撑ScSZ电解质平板式SOFC,通过造孔剂的添加,提高了支撑阳极的气体透过率,并考察了海绵孔道层和指型孔道层对电池性能的影响,800℃采用指型孔道作为支撑阳极的电池具有更高的放电功率,其最大功率密度值为1.97W·cm-2。 采用相转化纺丝技术制备了NiO-YSZ中空纤维阳极,考察了纺丝工艺条件包括纺丝压力、内凝固浴流速和空隙长度对阳极形貌的影响,获得优化制备工艺。采用不同N2压力制备了NiO-YSZ中空纤维阳极,当N2压力为0.1MPa制备的电池具有最高的最大功率密度值为0.54W·cm-2。 采用相转化法和浸渍涂敷技术制备了阳极支撑微管式SOFC。考察了阳极NiO含量、阳极功能层和复合阴极对电池性能的影响。随着NiO含量的增加,阳极的孔隙率和电导率升高,电池的放电功率也随之提高。引入阳极功能层后,电池的功率输出继续增加。采用LSM-YSZ两相质量比为60:40的复合阴极材料,800℃组装的微管式SOFC其最大功率密度为0.85W·cm-2。通过EIS解析,在高负载电流下,电池性能主要受到扩散过程控制的低频区阻抗的影响。制备了阳极支撑ScSZ电解质微管式SOFC,800℃电池的最大功率密度为1.0W·cm-2;进一步考察了其在NH3气氛下的电化学性能,800℃最大功率密度为0.782W·cm-2。为了提高微管式SOFC的机械强度,在中空纤维阳极当中采用具有较高断裂强度的3YSZ替代了8YSZ。同Ni-8YSZ中空纤维阳极相比,Ni-3YSZ中空纤维阳极的孔隙率增加,电导率降低,断裂强度增加。