水系浆料在注浆成型制备固体氧化物燃料电池中的应用

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固体氧化物燃料电池(SOFC)是陶瓷三合一部件,降低部件成型的成本和提高成品率可以加速SOFC商业化进程。相对于干法成型,湿法成型混合更为均匀,被广泛用于陶瓷成型中。湿法成型的主要步骤为:粉末合成,浆料制备,固化成型,烧结。其中稳定浆料的制备最为关键。本文根据胶体化学理论,从研究不同分散剂对NiO和YSZ表面电荷的影响入手,探讨了稳定浆料的原理和制备问题,发现采用的阴离子分散剂和两性分散剂使NiO和YSZ表面电荷相反,因此在水中相互吸引而絮凝,当选择阳离子分散剂时,NiO和YSZ表面电荷都为正,因此稳定分散。制备出以聚二烯二甲基氯化铵分散NiO和YSZ,聚乙烯吡咯烷酮分散石墨的稳定阳极水系浆料,而后注浆得到阳极生坯,从而解决了注浆成型制备阳极的技术难题。采用的氧化镍为甘氨酸-硝酸盐法制备,制备出阴极面积为0.42cm2的阳极支撑型单电池。在30ml/min的氢气下,800C时开路电压为1.02V,最大功率密度为509mW cm-2,极化电阻占电池内阻的主要部分,可以通过优化电极材料和微结构来改善电池性能。为了优化单电池性能,以三种不同的氧化镍粉体为原料采用上述工艺制备阴极面积相当的单电池,结果表明以澳大利亚绿色氧化镍为原料制备的单电池内阻最小,性能最高,在800C时最大功率密度为785mW cm-2。长管SOFC由于较长的电荷传输路径,内阻较高,针对阳极支撑型SOFC,采用阳极中间开线电流收集方式,并与末端电流收集方式相对比,结果表明中间开线收集方式可以极大降低电池内阻,从而提高电池性能。为进一步降低成型成本,本文开发了以壳寡糖和PVA分散YSZ的水系浆料,结果表明此浆料可用于浸渍法在阳极基底上制备电解质薄膜。得到阴极面积为1.6cm2的阳极支撑单电池,在30ml/min的氢气下,800C时最大功率为424mW cm-2。采用红外和zeta电位分析表明,YSZ并不吸附壳寡糖,对浆料稳定起主要作用的应该是PVA。综上,本文解决了稳定水系浆料制备的技术难题,尤其是多分散相体系的浆料制备。以水系浆料实现注浆制备阳极及浸渍成型电解质薄膜,降低了SOFC制备成本。
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