流延法制备大尺寸固体氧化物燃料电池电解质工艺研究

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由于当前社会的快速发展与进步,加快了能源的消耗,并且给环境带来了巨大的破坏,使得人们对清洁且高效的能源越来越关注。固体氧化物燃料电池因其高效且无污染等优点成为了人们的焦点。目前中低温化是固体氧化物燃料电池(SOFC)的主要发展方向,其主要问题是电解质的电导率和中低温电极材料的开发,以降低电池的电阻。提高电解质电导率的方法有两种:一是开发在中低温下电导率高的电解质材料,如钙钛矿类、钪稳定氧化锆(ScSZ)等;二是降低电解质的厚度,通常采用流延法和沉积法等制备。本文主要围绕电解质流延浆料中各有机物含量对浆料与流延产生的影响进行分析,并得到浆料各有机物的最佳含量,从而确定浆料的配方。利用配方制备电解质和电解质阳极的复合生坯,确定烧结方式与烧结制度,制备单电池测试其电性能及物理表征。具体得到以下结论:采用固相法制备了8YSZ(8mol%Y2O3稳定ZrO2)电解质粉体,800℃烧结后形成单一的立方相结构,与未烧结的粉体进行粒径对比,发现烧结后的粉体粒径分布明显变宽且平均粒径增大。随后对流延浆料中各有机物含量对浆料和流延产生的影响进行了实验,发现随溶剂含量的增加,浆料粘度逐渐减小,生坯产生大量裂纹;浆料粘度和沉降体积均随分散剂含量的增加出现先减小后增大的趋势;粘结剂与增塑剂共同作用的条件下,浆料的情况与分散剂对其影响一致。根据得到的数据确定了浆料中有机物的含量,以此进行流延制备电解质生坯,对生坯进行热重-差热分析,确定了有机物在450℃前已经完全分解,故确定生坯的排胶温度,对比不同的烧结温度(1300℃、1350℃、1400℃),观察其微观形貌发现最佳的烧结温度为1350℃,烧结时间为5h。并采用不同的烧结方式制备大尺寸的电解质片,通过对比发现,压烧和棚烧的电解质均会产生裂纹,而不压烧的情况下电解质没有裂纹产生,成功制备了约5cm×5cm电解质片。通过扫描电子显微镜对其进行断面微观形貌的观察发现,晶粒大小基本一致,且无通孔,致密度较好。采用流延法制备8YSZ电解质生坯,1350℃烧结5h后测试其电导率,在800℃时其电导率为0.033S/cm。采用复合流延法制备了阳极/电解质复合生坯,1350℃共烧结5h制备出半电池,通过微观形貌观察,电解质与阳极的接触较好,没有孔洞等缺陷,且阳极孔隙分布较均匀,电解质较为致密。之后采用丝网印刷法在半电池电解质侧先涂覆GDC和LSCF,在1300℃下烧结2h,然后在GDC上涂覆LSCF,在1100℃下烧结2h,制备出单电池NiO-8YSZ/8YSZ/GDC/LSCF,对其进行放电测800℃时其开路电压为1.07V,接近理论值1.1V,在氢气气氛下最高功率密度为331mW/cm2,其交流阻抗谱显示,欧姆电阻在13Ω,且随温度的升高而降低。
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