论文总字数：21601字

摘 要

固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell，SOFC）是一种可以将化学能直接转化成电能的固态装置，因其能量转化效率高、燃料适用性广和废气排放低等优点近年来受到越来越多的关注。本论文采用相转化法和流延技术一步制备出了具有双孔道（海绵状孔和指型状孔）结构的SOFC平板式多孔阳极，并在指状孔一侧形成了网格状的表面形貌。考察了铸膜液组成和溶剂中聚醚砜（PESf）含量对阳极结构及电池性能的影响。实验结果表面：随着铸膜液中固含量从55%、57.5%、60%、62.5%增加到65%时，阳极的孔结构由大孔逐渐成为指状孔海绵孔再到小孔结构，气孔率呈先增大后减小趋势，在固含量60%时气孔率最高。选取气孔率最高的固含量配比，用PESf含量不同的铸膜液配置4组不同的料浆，随着PESf含量的增加，制得的阳极气孔率下降但成膜性能变好。采用喷涂工艺涂覆YSZ电解质膜的阳极经1400℃高温烧结后被制成半电池，在600-800℃氢气还原气氛下测试其阻抗性能，探讨了阳极支撑体内部结构与电池性能的关系。实验结果表明，气孔率低、指状孔孔径均一、海绵孔层厚的阳极支撑体的半电池阻抗较低。

关键词：固体氧化物燃料电池 相转化 阳极支撑 微观结构

Fabrication of SOFC anode support by phase-inversion method

Abstract

Solid oxide fuel cells (SOFCs) is attracting increasing attention as a direct chemical-to-electrical energy conversion device for its solid-state structure, high energy conversion efficiency and fuel flexibility and low emissions. In this paper, planar YSZ-NiO anode supports with dual-pore structure (sponge-like pore and finger-like pore) were prepared in one step by phase-inversion combined with tape-casting method, and a mesh-like surface morphology was obtained on the side of the sponge-like pores layer. The microstructure of the YSZ-NiO support can be effectively controlled by varying the slurry composition with different solid loading and polymer binder content. Experimental results showed that, with the solid loading increase from 55%, 57.5%, 60%, 62.5% to 65%, the microscopy of the anode evolved from homogenous macrovoids structure to finger-like and sponge-like pores, and to microvoids structure when the solid loading reached to 65%. The results also indicated that with the increase of the PESf concentration in the casting slurry, the formation of finger-like pores was inhibited, and consequently resulted in a less porous microstructure with better mechanical strength. Electrolyte/anode planar half cell was fabricated with YSZ electrolyte film sprayed on the mesh-like outer surface of the support and co-sintered at 1400℃. The polarization resistance of all samples were measured in the H₂ at 600-800℃. The correlation between the cell electrochemical performance and anode microstructures was discussed. The results showed that the sample with lower porosity, homogenous finger-like pore size and thicker sponge-like pore layer exhibited lower polarization resistance.

Key Words：Solid oxide fuel cells; Phase inversion; Anode support; Microstructure

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 SOFC工作原理 1

1.3 SOFC结构类型 2

1.4 SOFC发展现状 3

1.5 固体氧化物燃料电池阳极材料 4

1.5.1金属阳极材料 4

1.5.2氧化物阳极材料 4

1.6 相转化技术原理 5

1.6.1孔的形成机制 6

1.6.2指状孔结构和海绵孔结构 8

1.7 本论文研究内容 8

第二章 实验及表征方法 9

2.1 实验原料 9

2.2 实验所需主要设备 9

2.3 实验方法和步骤 10

2.3.1 阳极泥浆的制备过程 10

2.3.2 相转化法制备SOFC阳极支撑材料 11

2.3.3 电解质料浆制备 13

2.3.4 试样制备 13

2.4. 表征方法 14

2.4.1 体积密度与气孔率 15

2.4.2 电化学性能 17

2.4.3 金相显微分析 17

2.4.3 扫描电子显微镜分析 17

第三章 结果与讨论 18

3.1 四种铸膜液的组成 18

3.2 挤出成型相转化制备阳极材料 18

3.2.1挤出成型相转化制备阳极材料的气孔率和体积密度 18

3.3 流延成型相转化制备阳极材料 19

3.3.1流延成型相转化制备阳极材料的气孔率、体积密度及收缩率 19

3.3.2流延成型相转化制备阳极片的微观结构 22

3.4 流延成型相转化制备阳极片的电性能 25

3.4.1表面、固含量对半电池阻抗的影响 25

3.4.2铸膜液成分对半电池阻抗的影响 27

第四章 结论与展望 30

4.1 结论 30

4.2 展望 30

参考文献 31

致 谢 33

第一章 绪论

1.1 引言

能源与人类社会生存和发展密切相关，目前人类对能源的消费主要以煤炭、石油、等化石能源为主，在利用这些传统能源的过程中会向自然界排放大量的二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等有毒气体和大量的粉尘，这些将会导致全球气候变暖、臭氧层破坏、酸雨和光化学烟雾等环境污染问题。随着社会的不断发展，人类对能源的需求日益严格，有限的矿物能源日趋枯竭，人类的发展面临着重大的能源危机。面对这一能源危机，一方面是开发新能源，如太阳能、生物质能、核能、风能、地热能、海洋能等一次能源和氢能等二次能源；另一方面就是提高现有能源的利用效率。燃料电池因为高效、节能、无污染等优势，被认为是重要的绿色能源技术之一，正引起了世界各国的广泛研究并逐渐形成新的产业。

请支付后下载全文，论文总字数：21601字