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固体氧化物燃料电池(SOFC)是将燃料的化学能直接转化为电能的发电装置,由于具有能量转化效率高、环境友好等优点而成为近二十年来的研究热点。为了降低SOFC的运行温度,目前研究和开发的SOFC大多采用阳极支撑型平板式的结构设计。对于阳极支撑型平板式SOFC,多孔阳极在具有良好的化学与电化学性能的同时,还必须具备良好的机械性能。本文以改善传统SOFC阳极材料NiO+8YSZ的力学性能为切入点,并对阳极的电化学性能以及阳极支撑型单体SOFC的性能进行了综合考察。主要研究内容包括:
⑴采用流延法制备NiO+8YSZ+3Y-TZP(其中NiO为50wt.%)阳极材料体系以及相应的阳极支撑电解质复合膜,考察了不同3Y-TZP引入量对NiO+8YSZ阳极力学性能及还原特征的影响。研究表明,当3Y-TZP的含量为30wt%时(TZ30阳极),阳极的MSP强度为~330MPa,与NiO+8YSZ阳极相比提高了~65%,并且还原后阳极的线膨胀率只有~0.18%,相应的TZ30/ScSZ复合膜基本保持平整,电解质没有出现开裂现象;
⑵采用流延+等静压、对称烧结工艺制备了用于阳极阻抗谱测量的阳极支撑型对称电池结构样品。考察了NiO+CGO、NiO+ScSZ两种阳极活性层的引入对TZ30阳极电化学性能的影响。测试结果表明,NiO+ScSZ阳极活性层的引入可以有效改善TZ30阳极的性能,850℃下TZ30、TZ30/Ni+ScSZ的极化面电阻分别为2.310·cm2、0.930·cm2;而NiO+CGO对TZ30阳极的电化学性能并无明显改善,850℃下TZ30/CGO复合阳极的极化面电阻为2.270·cm2,而且在低温下反而表现出了比TZ30更大的极化面电阻。对TZ30/ScSZ的阻抗谱分析表明,低温下(700℃、750℃),阳极的电化学过程主要受电荷转移所控制;高温时(800℃、850℃),阻抗谱的高频圆弧由电荷的实际转移过程所控制,而气体的扩散、表面迁移、吸附解离等过程则影响阻抗谱的低频圆弧;
⑶单电池测试结果表明,与浸渍法制备CGO中间层相比,流延共烧结工艺在简化电池制备工序的同时,共烧结能带动CGO的收缩,得到相对致密的CGO层,从而提供足够的氧离子电导,并有效阻止LSCF-CGO复合阴极与ScSZ电解质的反应,因此电池的性能有了明显的改善。本文还考察了流延共烧结工艺中Tz30/NiO+ScSZ/ScSZ/CGO复合膜共烧结温度对单电池性能的影响。结果表明复合膜在1350℃下共烧结的单电池CELL-1350-TC性能最好,850℃下,其欧姆面电阻与极化面电阻分别为0.185、0.3360·cm2,最大功率密度为0.850W·cm-2。