浸漬涂敷法制備YSZ電解質薄膜及其在SOFC中應用.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)被認為是二十一世紀最有前景的綠色能源技術之一。近年來，降低SOFC的操作溫度到600℃~800℃成為人們研究的熱點之一。操作溫度的降低可以通過開發(fā)新的高電導的電解質材料以及電解質薄膜化兩條途徑來實現。Y2O3穩(wěn)定的ZrO2(YSZ)具有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性、優(yōu)異的力學性能以及在較寬的氧分壓范圍內呈現純氧離子導電特性等優(yōu)點，是SOFC最常用的電解質材料之一。因此，YSZ電解質的薄膜化是目前實現SOFC中

2、溫化的有效途徑。本文采用浸漬涂敷法制備NiO-YSZ陽極支撐的YSZ電解質薄膜，并研究了燒結工藝對YSZ電解質性能以及電池放電性能的影響。
　　首先，改進了原有的浸漬涂敷工藝，成功地制備出致密的YSZ電解質薄膜。改進包括以下四個部分：將涂敷漿料球磨的時間由24h延長至48h；將燒結過程中中溫區(qū)(1200℃)保溫時間由30min延長至120min；壓片陽極的預燒溫度由1200℃降至1000℃；使用純鋯板作為燒結時的襯底。研究結果表明

3、：浸漬涂敷兩次且經1500℃燒結5h制備的YSZ電解質薄膜厚度約為27μm，與陽極之間接觸良好，致密無缺陷。在測試溫度范圍(650℃~850℃)內，單電池的開路電壓穩(wěn)定在1.12V~1.19V。在800℃時，單電池的最大功率密度為505mW/cm2。
　　其次，詳細的研究了燒結制度對YSZ電解質薄膜性能以及電池放電性能的影響。研究結果表明，在S15(1500℃燒結5h)、S14(1400℃燒結6h)和S13-20(1300℃燒結2

4、0h)三種燒結制度下均可以制備出致密的YSZ電解質薄膜；采用不同燒結制度獲得的YSZ電解質，其YSZ晶粒的大小及離子導電性不同。YSZ電解質薄膜的致密度由高到低為S15﹥S14≈S13-20；YSZ晶粒的尺寸由大到小為S15﹥S14﹥S13-20；中低溫范圍(750℃和800℃)內YSZ電解質薄膜離子導電性由高到低為S13-20﹥S14﹥S15。
　　當YSZ電解質薄膜的燒結制度分別為S15、S14和S13-20，單電池在800℃

5、測試時，其開路電壓分別為1.14V、1.13V和1.11V，接近理論電壓；最大功率密度分別為505mW/cm2、623mW/cm2和671mW/cm2。
　　實驗證明，當燒結制度為S13-20時，電池的綜合性能最好：在750℃、800℃和850℃時，單電池的開路電壓分別為1.13V、1.11V和1.10V；最大功率密度分別為419mW/cm2、671mW/cm2和800mW/cm2；YSZ電解質薄膜離子電導率分別為0.0153S/

6、cm、0.0222S/cm和0.028S/cm。
　　最后，優(yōu)化后的浸漬涂敷工藝被成功的用于制備平板式大尺寸SOFC和管式SOFC用YSZ電解質薄膜，并且對平板式大尺寸SOFC單體電池和管式SOFC單體電池進行了放電測試。對于平板式單體電池，當電池尺寸為55mm×55mm，陰極面積為30mm×30mm，在800℃測試時，其開路電壓為1.04V，最大功率為1.32W，最大功率密度為146mW/cm2。對于管式單體電池，當電池總長度為