流延和湿粉喷雾制备固体氧化物燃料电池阳极和电解质的研究

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固体氧化物燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的装置,具有高效、清洁、适用范围广、实用性强、模块化全固态设计的特点。降低固体氧化物燃料电池工作温度到700~800℃,可以提高电池的长期稳定性并且降低制造成本,有利于固体氧化物燃料电池的推广和应用。湿粉喷雾技术是一项成熟的工业化生产技术,适合大规模薄膜制备和连续生产。流延技术在电子陶瓷等领域也有很广泛的应用。本论文以批量化生产为目标,主要围绕流延制备阳极、湿粉喷雾制备阳极功能层和电解质这三方面展开。通过实验和分析,主要获得了如下结果:研究了造孔剂对阳极的影响,使用石墨作为造孔剂,性质稳定供应充足,获得的孔为长条状沿阳极厚度方向均匀分布,阳极微观形貌较好,适合大规模制备阳极使用。通过在制备流延浆料过程中加入部分1300℃预烧YSZ粉体,增加了阳极中YSZ、NiO和气孔三相连通性和均匀性,进一步改善了阳极的微观结构。使用工业化生产的NiO和YSZ作为原料,对阳极浆料制备、流延和干燥工艺过程进行研究,总结出一套适合批量化生的流延法制备阳极技术。发明了一种固体氧化物燃料电池的制备方法。采用湿粉喷雾方法将阳极功能层浆料喷雾在基带上,干燥形成功能层生坯,将阳极浆料流延在功能层生坯上并干燥,最后将功能层-阳极生坯与基带分离,共烧获得阳极。在这种方法中,阳极功能层除了可以增加反应活性区域,提高阳极的电化学活性以外,还能对阳极表面起到修饰作用,使阳极表面非常平整,适合在其上制备电解质。采用本发明方法制备的单电池性能较好,在750℃时开路电压1.10V,最大功率密度为0.7W/cm2。探索了使用湿粉喷雾方法制备YSZ电解质层。采用双层湿粉喷雾方法,将电解质、阳极和阳极功能层制备工艺相结合,简化了工艺步骤,提高了生产效率和成品率,制备获得单电池在750℃时开路电压1.05V,最大功率密度为0.38W/cm2。使用湿粉喷雾方法在1200℃预烧的阳极衬底上制备电解质,调整阳极衬底和电解质生坯烧结时收缩的匹配性,制备获得的单电池外观平整变形小,有利于电池的封接和组装,在750oC时开路电压为1.01V,功率密度为0.62W/cm2。
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