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固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效、洁净地将燃料的化学能转化为电能的发电装置,对帮助解决当今社会的能源和环境问题有重要意义。降低操作温度有利于SOFC的实用化并减少成本,其中电解质的薄膜化是主要的研究方向,关键技术在于制各较大面积、机械强度高、电化学性能良好的多孔电极以支撑薄层电解质。电极支撑结构的SOFC分为阳极支撑和阴极支撑,本文通过流延成型工艺制备多孔阴极支撑体,对涉及到的粉体选择和制备、流延工艺参数、烧结过程、电化学性能和微观结构控制进行了初步研究。
阴极支撑体的性能主要体现在机械强度和电化学性能两个方面,在LSM阴极材料中掺入一定量的YSZ有利于提高支撑体的强度和匹配电解质层的热膨胀系数;通过测试不同质量比的LSMIYSZ复合阴极电化学阻抗谱和流延支撑体电导率衡量阴极的极化性能,综合考虑下选择流延制备质量比为1:1的LSMIYSZ复合阴极支撑体。
流延过程中,通过实验确定了浆料配制、除气条件、刀口高度、衬底速度、干燥时间、温度和相对湿度等参数,可以一次制各大面积、均匀厚度的阴极支撑体生坯薄层;讨论了生坯的烧结工艺,通过棚式烧结得到了表面平整无变形的烧结体;通过SEM分析了不同造孔剂和烧结温度对阴极支撑体微观形貌地影响。
喷雾法是一种低成本的物理成膜方法,为改善阴极的微观形貌和性能,本文通过喷雾法制各阴极功能层,并简单分析了浆料配比对喷雾成膜的影响。分别通过磁控溅射和喷雾制备了电解质层,丝网印刷制备阳极层,对2种方法制备的单电池进行测试,磁控溅射未能得到致密度高的电解质层,电池在800℃的功率密度不足50mW/cm2;喷雾制备了致密的电解质层,800℃的开路电压稳定高于1.0V,电池的功率密度110 mW/cm2。通过对电池I-V曲线和阻抗谱的分析,电池功率密度低的原因在于阴极的极化电阻过大。
为了提高单电池的功率密度,本文从改善阴极性能出发,尝试通过改变复合阴极功能层、预烧村底喷雾电解质共烧、在阴极和电解质界面引入隔绝层等方法提高阴极支撑单电池的输出功率,总结了一些经验。