新能源技术4章燃料电池(809KB).pptVIP

流延成型法 流延成型法制备YSZ薄膜工艺的关键在于制备性能合适的流延浆料。为了使成膜致密，通常采用细颗粒的球形粉料，但是如果粉料过细，浆料中粘结剂和增塑剂的用量也要相应增加，以保证浆料的黏度，这会给干燥和烧结带来困难，从而影响烧结膜的质量。浆料中溶剂、分散剂、粘结剂和塑性剂等添加剂的种类和含量很重要，并且添加剂的添加次序对流延浆料的黏度及流变性影响很大。一般先在粉料中加入溶剂和分散剂，用球磨或超声波分散的方法混合均匀后，再加入塑性剂和粘结剂，这主要是因为粘结剂和分散剂在粉体颗粒上的吸附具有竞争性，分散剂先吸附在颗粒表面后不易被解吸，可增强粉体的分散效果，有利于提高膜的致密度。 浆料涂覆法设备成本低，工艺简单，成膜较薄，但所用的浆料一般是YSZ含量10wt％左右的稀悬浮液，为了得到气密性良好的电解质膜，浆料的涂覆、干燥、预烧过程一般需要重复3一l0次，既费时又费力。针对稀浆涂覆法的不足，一般将浆料中YSZ含量提高到40wt％，用刷子将浆料刷到电极上后再用匀胶机甩平，只进行一次涂覆，烧结后得到8μm厚的均匀致密的YSZ薄膜。也可以 将NiO—YSZ片放在布氏漏斗底部，向漏斗中加入YSZ纳米粉和异丙醇及乙烯醇缩丁醛混合悬浮液，通过控制溶液的浓度和液面下沉速度，得到7μm厚的致密YSZ薄膜。 YSZ作为氧离子电解质时，由于电导率较低，必须在900°C-1000℃的温度下工作才能使SOFC获得较高的功率密度，这样给双极板、高温密封胶的选材和电池组装带来一系列的困难。目前国际上SOFC的发展趋势是，适当降低电池的工作温度至800℃左右。 4.2电极材料 在高温SOFC中，要求电极必须具备下列特点： a 多孔性； b 高的电子导电性； c 与固体电解质有高的化学和热相容性以及相近的热膨胀系数。 4.2.1 阴极材料 SOFC中的阴极、阳极可以采用Pt等贵金属材料，但由于Pt价格昂贵，而且高温下易挥发、实际已很少采用。目前发现钙钛矿型复合氧化物Ln1-xAxMO3(Ln为镧系元素，A为碱土金属，M为过渡金属）是性能较好的一切（空气级）阴极材料。不同过渡金属的钙钛矿型的氧化物La1-xSrxMO3-δ（M为Mn、Fe、Co，0≤x≤1）的阴极电化学活性的顺序为：La1-xSrxCoO3-δLa1-xSrxMnO3-δLa1-xSrxFeO3-δLa1-xSrxCrO3-δ。 目前，SOFC中空气电极广泛采用锶掺杂的亚锰酸镧（LSM)钙钛矿材料。原因是LSM具有较高的电子导电性、电化学活性和与LSM相近的热膨胀系数等优良综合性能。在La1-xSrxMnO3中，随Sr掺杂量的变化。电导性连续增大，但热膨胀系数也不断增加，为了保证和YSZ膨胀系数相匹配，一般Sr量取0.1-0.3。 4.2.2.1金属电极 阳极曾用过具有电子导电性的材料，如Pt，Ag等贵金属，石墨，过渡金属铁、钴、镍等都曾作为阳极加以研究。贵金属不仅成本太高，而且在较高的温度下还存在Ag的挥发问题，Pt电极在SOFC运行中，反应产生的水蒸气会使阳极和电解质发生分离；过渡金属也有一定的局限性?如铁也可以作为阳极材料，但是铁在高温下容易被氧化而失去活性。后来人们用廉价的Nj代替了Pt、Ag等贵金属。但Ni颗粒的表面活性高，容易烧结团聚，不仅会降低阳极的催化活性，而且由于电极烧结、孔隙率降低，会影响燃料气体向三相界面扩散，增加电池的阻抗。Co也是一种很好的阳极材料，其电催化性能比Ni好，但是Co的价格比较贵，限制了它在实际中的应用。因此，纯金属阳极都不能为SOFC技术所采用。 4.2.2 阳极材料 4.2.2.2Ni-YSZ金属陶瓷电极 金属陶瓷复合材料是通过将具有催化活性的金属分散任电解质材料中得到的，这样既保持了金属阳极的高电子电导率和催化活性，同时又增加了材料的离子电导率和改善了阳极与电解质热膨胀系数不匹配的问题。复合材料中的陶瓷相主要是其结构方面的作用，即保持金属颗粒的分散性和长期运行时阳极的多孔结构。金属Ni因其便宜的价格及较高的稳定性，常与电解质氧化钇稳定的氧化锆(yttria stabilized zirconia，YSZ)混合制成多孔金属陶瓷Ni-YSZ，Ni-YSZ是目前应用最广泛的SOFC阳极材料 Ni-YSZ金属陶瓷中，首先需要制备NiO-YSZ复合材料，然后在SOFC工作环境中还原，得到Ni-YSZ金属陶瓷。 Ni-YSZ金属陶瓷阳极的电导率与其中的Ni的含量密切相关。Ni-YSZ的电导率随Ni的含量呈S形(如图示)，说明了Ni-YSZ组