用于燃料电池的氧化锆薄膜制备方法进展_图文

1、 用于燃料电池的氧化锆薄膜制备方法进展作者:贾莉, 吕喆, 黄喜强, 李国卿, 苏文辉作者单位:贾莉(大连理工大学,物理系,辽宁,大连,116024;哈尔滨工业大学,凝聚态科学与技术研究中心,黑龙江,哈尔滨,150001, 吕喆,黄喜强(哈尔滨工业大学,凝聚态科学与技术研究中心,黑龙江,哈尔滨,150001, 李国卿(大连理工大学,物理系,辽宁,大连,116024, 苏文辉(大连理工大学,物理系,辽宁,大连,116024;哈尔滨工业大学,凝聚态科学与技术研究中心,黑龙江,哈尔滨,150001;吉林大学,凝聚态物理系,吉林,长春,130023;中国科学院国际材料物理中心,辽宁,沈阳,110015

2、刊名: 电源技术英文刊名:CHINESE JOURNAL OF POWER SOURCES年,卷(期:2004,28(7被引用次数:5次参考文献(17条1.Kim S G;YOON S P;NAM S W Fabrication and characterization of a YSZ/YDC composite electrolyte by a sol-gel coating method 20022.Sasaki H;OTOSHI S;SUZUKI M Fabrication of high power density tubular type solid oxide fuel cell

3、s 19943.WANG L S;BARNETT S A Deposition, structure and properties of cermet thin films composed of Ag and Y-stabilized zirconia 19924.Will J;MITTERDORFER A;KLEINLOGEL C Fabrication of thin electrolytes for second-generation solid oxide fuel cells 20005.Setoguchi T;SAWANO M;EGUCHI K Application of th

4、e stabilized zirconia thin film prepared by spray pyrolysis method to SOFC 19906.CHOUR K W;CHEN J;XU R Metal-organic vopor deposition of YSZ electrolyte layers for solid oxidefuel cell applications 1997(1/27.杨烈宇;关文铎;顾卓明材料表面薄膜技术 19998.阎加强;张培新;单松高中低温固体氧化物燃料电池的研究 1998(049.ISHIHARA T;SATO K;TAKITA Y Ele

5、ctrophoretic deposition of Y2O3-stabilized ZrO2 electrolyte films in solid oxide fuel cells 1996(0410.Liu J;BARNETT S A Thin YSZ electrolyte solid oxide fuel cells by centrifugal casting 2002(1211.贺天民;裴力;吕喆管状YSZ电解质的制备及其在固体氧化物燃料电池中的应用期刊论文-功能材料 2001(0112.贺天民;吕喆;裴力YSZ-Al2O3电解质膜管制备及其应用期刊论文-电源技术 2001(021

6、3.RAJENDRA N B;CLIVE A R;MERRILEA J M Fabrication of dense zirconia electrolyte films for tubular solid oxide fuel cells by electrophoretic deposition 2001(0114.韩敏芳;李伯涛;彭苏萍SOFC电解质薄膜YSZ制备技术期刊论文-电池 2002(0315.CHARPENTIER P;FRAGNAND P;SCHLEICH D M Preparation of thin film SOFCs working at reduced temper

7、ature 200016.Srivastava P K;QUACH T;DUAN Y Electrode supported solid oxide fuel cells: Electrolyte films prepared by DC magnetron sputtering 1997(3/417.WANG L S;BARNETTS A Sputtering-depositedmedium-temperature solid oxide fuel cells with multi-相似文献(10条化学气相沉积-电化学气相沉积(CVD-EVD方法是为固体氧化燃料电池(SOFC制造YSZ(Y&

8、lt;,2>O<,3>稳定的ZrO<,2>电解质薄膜的关键技术.作者采用这种方法在多孔陶瓷管基体上完成了YSZ薄膜的制备.通过理论和实验分析,作者对CVD-EVD的动力学过程进行了系统的研究.按照固体表面吸附控制速率的机制建立了反应物参与竞争吸附的小孔沉积模型.通过EVD动力学过程模型研究了控制薄膜生长速率的机制,整个EVD动力学过程包括五步.其中最慢的一步将是薄膜生长速率的控制机制.通过实验研究水蒸汽和氧气对薄膜生长速率的影响,确定了薄膜生长速率控制机制.作者认为薄膜的生长受两种机制影响,一种机制与反应物气体的输运及反应有关,这种机制趋向使薄膜表面平整;另一机制

9、与表面过程机理有关,这一机制趋向使薄膜表面凹凸不平.2.期刊论文范宝安.朱庆山.谢朝晖固体氧化物燃料电池YSZ电解质薄膜的制备方法概述-过程工程学报2004,4(1 固体氧化物燃料电池(SOFC是一类既能发电,又无噪声污染、高效清洁的能量转换装置. 氧化钇稳定的氧化锆(YSZ是应用最为广泛的SOFC电解质材料. SOFC制备的关键技术之一是获得足够薄且不透气的YSZ电解质薄膜. 本文综述了几种不同的制备YSZ电解质薄膜的方法,并对它们进行了分析和比较,讨论了它们各自的优缺点和应用场合. 最后,对用于固体氧化物燃料电池的YSZ薄膜制备方法进行了评述和展望.固体氧化物燃料电池(SOFC以其高效、低

10、污染等优点被认为是未来很有希望的绿色发电方式之一,受到人们的越来越广泛的关注。降低电池的工作温度,从而降低成本、延长寿命已经成为目前研究的热点。减小电解质膜的厚度是降低电池工作温度,保持电池输出性能的有效方法之一。因此,开发低成本、高效率的电解质薄膜制备工艺是获得高性能燃料电池的重要途径。本文采用丝网印刷法和磁控溅射法制备电解质薄膜,研究了影响这两种工艺制备效果的几个重要参数,并对两种方法制备的电解质薄膜及组装的电池进行了简单的对比。对于丝网印刷法,研究结果首先表明,初始YSZ粉末的性质对所得到的电解质薄膜的微观结构、电池的开路电压和电池的性能都有很大的影响。经过比较,球磨法研制的YSZ粉末可

11、以获得更好的电池性能。然后是选取合适的阳极基体,对流延基体、不同预烧温度的压片阳极基体分别进行了比较,最终选择使用预烧1100的压片阳极。选取不同固含量的YSZ浆料,对所得到的电池性能进行比较,最终确定30%固含量为最佳。最后,印刷了不同的层数,对所得到的电解质薄膜及电池的性能进行了比较。对于磁控溅射法,主要研究了热处理、阳极预烧温度以及溅射衬底温度几个因素的影响。首先,对溅射所得到的电解质薄膜进行热处理,并与未经热处理的电解质薄膜及所组装的电池性能影响进行了比较。研究结果究表明,用热处理过的电解质薄膜组装的电池输出性能更好。第二,选取不同的预烧温度制备阳极基体,对所制备电池的性能及开路电压进

12、行比较,最终确定使用预烧1200的压片基体。第三,选取不同的溅射衬底温度,对所得到的电池的性能及开路电压进行了比较及讨论。最后,对利用丝网印刷法和磁控溅射法所得到的电池性能进行了简单的对比。4.期刊论文尹艳红.李少玉.杨书廷.夏长荣.孟广耀.YIN Yan-hong.LI Shao-yu.YANG Shu-ting.XIA Chang-rong.MENG Guang-yao固体氧化物燃料电池致密电解质薄膜制备技术-河南师范大学学报(自然科学版2005,33(4鉴于固体氧化物燃料电池(SOFC在高温运行时存在的种种问题,电解质薄膜的厚度,降低其运行温度,是解决这些问题的重要途径.本文分别综述了目

13、前常用的SOFC致密电解质薄膜的制备工艺,如化学法、物理法、陶瓷粉末法等,评述了它们的优缺点,并介绍了采用上述方法制备电解质薄膜的性能和用于电池研究的实验结果.燃料电池通过电化学反应把燃料的化学能中的部分吉布斯自由能转换成电能,不受卡诺循环效应,具有较高效率;固体氧化物燃料电池(SOFC因具有高效、清洁、环境友好等优点,近年来受到国际的普遍关注。注浆成型是一种传统的陶瓷制备方法,本论文采用该方法制备了锥管状和长管状阳极支撑体。 论文采用燃烧法和氨水沉淀法合成阳极材料NiO,燃烧法和柠檬酸一硝酸盐法合成电解质材料GDC,采用溶胶凝胶法合成阴极材料LSM和BSCF。并采用X射线衍射分析,微观形貌分

14、析等方法对合成的粉体进行表征分析。 采用了几种NiO粉体制备出阳极支撑体,并采用TOSOH的YSZ粉制备出悬浮性良好的电解质浆料,浸渍出具有620m的YSZ电解质薄膜,并制作出NiO-YSZ/YSZ/LSM-YSZ单电池,电池在800的OCV最高可达到1.05V以上,在850电池的最大功率密度为1.15Wcm-2。研究结果显示采用INCO公司的NiO粉末来制作阳极支撑体是较好选择。 0.41c。初次电池在600时的欧姆电阻为0.06c,第二次的欧姆电阻为0.12c。说明电池的界面电阻是影响电池输出性能的主要因素,从电池的OCV以及阻抗分析来看,电池的制作工艺已经在慢慢成熟,但是仍然有较大的提升

15、空间。后续工作需要继续进行。6.学位论文郝斌魁掺杂CeO<,2>电解质薄膜的磁控溅射制备工艺探索2006掺杂CeO2基电解质材料替代传统的YSZ电解质材料是发展中温固体氧化物燃料电池的趋势,是目前SOFC领域的研究热点之一。掺杂浓度为1020左右的Gd2O3掺杂的CeO2(GDC电解质因在400-700温度下具有较高离子电导率,使其成为最有希望的替代材料之一。为了满足电解质材料薄膜化、中温化的发展趋势,早日实现固体氧化物燃料电池商业化,尚需对GDC电解质材料制备工艺的改善和离子电导率的提高进行更加深入的研究,这对推动中温固体氧化物燃料电池的发展具有非常重要的应用价值。本文采用反应射

16、频磁控溅射方法,利用Gd/Ce镶嵌复合靶,探索厚度2微米以下GDC薄膜的制备工艺。重点探讨了基片温度与氧分压对薄膜成分、物相、生长取向、晶粒大小、粗糙度等表面形貌的影响,以及不同生长条件下薄膜的表面演化行为,取得的主要研究结果如下:1.沉积温度对GDC薄膜生长行为影响的研究结果表明:基片温度对GDC薄膜成分的影响较小。不同温度下制备的薄膜中,面心立方结构GDC固溶体相占主导,同时存在少量体心立方结构Gd2O3中间相。GDC薄膜的生长取向随基片温度而变化,200时,无择优取向,500时薄膜呈现(220织构,700则为(111择优取向。薄膜沉积速率随基片温度升高基本呈下降趋势。AFM分析表明,薄膜

17、为岛状生长,随温度升高,表面生长岛尺寸增大,岛密度变小;200温度下,GDC薄膜进行高沉积速率下的低粗糙化生长,而300以上温度范围内,GDC薄膜发生以晶粒择优生长为主导的表面粗化生长。2.氧分压对GDC薄膜生长行为影响的研究结果表明:氧分压对薄膜成分的影响较小。在氧分压较小时,薄膜呈现(111织构面心立方萤石结构GDC固溶体单相;在高氧分压条件下,薄膜中(220织构的面心立方GDC固溶体多晶相占主导,同时出现少量体心立方结构的Gd2O3中间相。AFM分析表明,低氧分压时,薄膜表面生长岛之间相互结合成具有一定取向关系的生长岛链,这与GDC相很强的(111织构有关;随着氧分压的增高,球形生长岛尺

18、寸逐渐增大。在高氧分压条件下,薄膜的表面为孤立的不规则生长岛。适当地提高活性气体氧的分压有利于晶粒长大,但过高的氧分压造成了薄膜表面生长岛粗糙且不规则的形貌。从薄膜的表面粗糙化机理上看,低氧分压下,薄膜溅射速率高,厚度大,GDC薄膜表面为以晶粒择优生长与阴影效应为主导的表面粗糙化生长;而高氧分压下,由于等离子体中大量氧负离子在薄膜表面的反溅射刻蚀,造成薄膜表面粗糙度进一步增大。7.期刊论文周贤界.徐华蕊.ZHOU Xianjie.XU Huarui YSZ电解质薄膜制备工艺进展-材料导报2006,20(4电解质作为固体氧化物燃料电池(SOFC的关键组件,很大程度上决定着燃料电池性能的优劣和成本

19、的高低.钇稳定氧化锆(YSZ因其优良的综合性能,一直是SOFC最具竞争力的电解质材料之一,因此开发YSZ电解质工艺已成为人们关注和研究的热点.论述了制备YSZ电解质薄膜的主要方法,并对这些方法进行了评述和展望.料电池的膜电极组件并制成单电池。以CH4、O2和N2混合物作为工作气体，进行了单室固体氧化物燃料电池(SC-SOFC试验，研究了电池的开路电压、输 出功率密度以及阻抗谱随着温度和燃料与氧气比率(rmlx=CH4/O2的变化规律。当混合气体的rmix为2时，该电池在600，650和700的最大功率密度分别 达到157，261和372mW/cm2，对应的电流密度分别为334，564和672

20、mA/cm2。 9.期刊论文 田长安.赵娣芳.尹奇异.鲁红典.盖国胜.TIAN Chang-an.ZHAO Di-fang.YIN Qi-yi.LU Hong-dian.GAI Guo-sheng 固体氧化物燃料电池电解质薄膜制备技术 -电源技术2009,33(8 固体氧化物燃料电池(SOFCs作为一种高效、清洁、环境友好的能源转换装置受到了人们的广泛关注,但是SOFC的广泛应用还有待于其电解质薄膜制 备技术的进一步发展.论述了制备电解质薄膜的主要方法,并对它们进行了分析和比较.讨论了它们各自的优缺点和应用场合.最后,对用于SOFCs的薄膜制 备方法进行了评述和展望. 10.学位论文 张艳敏

21、固体氧化物燃料电池阳极材料的流延法制备及其表面修饰研究 2006 固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCells，SOFCs作为一种新型的能源利用技术具有能量转化效率高、对环境污染小、燃料适应性强等优点，它 一诞生就吸引了世界各国广泛的关注与研究。 经过二十年的快速发展，固体氧化物燃料电池技术已开始走向市场化和产业化。为了降低制造和使用成本，当前固体氧化物燃料电池技术的一个重 要课题是通过使电解质薄膜化以实现中低温操作。而制备低成本、大面积阳极以支撑薄膜化电解质是实现中低温SOFC的重要关键环节。 本论文探索了用流延法制备性能良好的SOFC阳极工艺，通过对阳极表面进行修饰处理以保障

22、溅射法薄膜电介质的致密性。论文还基于研制的阳极板 制备了两种SOFC单电池，并对单电池的性能进行了表征。 论文第一章概述了SOFC的工作原理，各关键材料(电解质、阴极、阳极、连接材料的性能要求，以及SOFC技术研究、发展的现状和趋势。最后给出 了本论文的主要研究目标。 第二章研究了采用流延法制备固体氧化物燃料电池阳极膜和阳极/电解质复合膜的制备工艺。分析了流延中各种添加剂对流延法制膜的影响，确定了 流延体系和制备/YSZ阳极的工艺过程；研究了刀口高度和生坯厚度的关系；讨论了生坯的烧结工艺，为防止烧结体卷曲还使用了加压烧结；此外，还 采用扫描电镜对不同温度下烧结的阳极衬底形貌作了分析，分析给出了流延法制备的阳极可能不导通的内在原因。 论文第三章进行了/YSZ阳极的表面修饰研究。为了保证采用磁控溅射法能制备5-10um厚或更薄的YSZ膜，有必要对阳极表面进行修饰，以达到降低 电极/电解质接触面上阳极的孔径大小和增加接触面平整度的目的。阳极表面修饰采用了浸渍、浇注、抛光等多种不同的方法，研究发现几种方法对阳极 表面微结构均有改善，其中，以在有机玻璃和绒布上进行机械抛光的效果最好。 第四章给出了单电池的制备工艺与电化学性能表征。电池阳极由流延法制备，电解质分别由流延和磁控溅射制备，