金属支撑固体氧化物燃料电池电解质和阴极多层薄膜的可控制备研究

金属支撑固体氧化物燃料电池（SOFC）已成为该领域今后发展的重要方向，其致密固体电解质和高性能阴极薄膜的制备面临着诸多挑战。本项目拟采用丝网印刷和悬浮液喷涂技术进行薄膜沉积，在非还原性可控气氛中烧结，分别沉积和烧结10Sc1CeSZ和掺Co的CGO固体电解质薄膜，揭示Co-CGO晶界液相作用下10Sc1CeSZ/Co-CGO双层固体电解质薄膜的致密化机理，实现双层固体电解质致密薄膜的可控制备；采用丝网印刷技术将LSC前驱体-CGO复合阴极薄膜沉积在半电池上并烧结，然后进行较低温度下空气中热处理，揭示LSC-CGO复合阴极热处理过程中LSC相形成和LSC-CGO纳米结构生长及电池运行中的稳定性规律，实现具有稳定纳米结构的阴极薄膜可控制备，制备出高性能、高稳定性、650-700oC工作的不锈钢支撑SOFC单电池。研究结果有助于解决金属支撑SOFC电解质和阴极薄膜低成本制备所面临的关键技术问题。

本研究项目完成了10Sc1CeSZ和Ce0.8Gd0.2O2-δ（CGO）固体电解质材料及La0.6Sr0.4CoO3-δ（LSC）前驱体粉体合成、物相分析、粒径测定和显微结构表征，分析了Co-CGO晶界液相对10Sc1CeSZ/Co-CGO双层固体电解质薄膜致密化的影响，揭示出对应于氩气气氛中不同阴极烧结温度下LSC前驱体原位成相的规律，最终完成了铁基不锈钢支撑SOFC单电池的制备和电化学性能表征。所合成的CGO粉体材料主要由纳米颗粒构成，LSC前驱体粉体具有较高的比表面积，这些CGO和LSC前驱体粉体材料适合于复相梯度结构阴极在较低温度下的烧结。发现了因丝网印刷法沉积得到的10Sc1CeSZ固体电解质薄膜孔隙率过高，造成Co-CGO薄膜难以通过液相流动带动CGO粒子填充10Sc1CeSZ薄膜中的全部孔洞而使其致密化，在改用湿法陶瓷成膜技术制备YSZ固体电解质薄膜后，基于提高素坯薄膜的固含量和采用高烧结活性的细颗粒YSZ粉体，成功地在低于常规不锈钢材料固相线温度下制备出致密的YSZ薄膜。我们首次发现了450℃煅烧后的LSC前驱体粉体在对应于铁基不锈钢支撑SOFC阴极氩气气氛中的烧结条件下，LSC前驱体形成了中间相，所形成的中间相最后通过空气中850℃的退火（即电池工作前的原位退火条件）都形成了具有钙钛矿结构的结晶相。这表明对应于氩气气氛中不同的阴极烧结温度，LSC前驱体形成的中间相都能原位形成完全成相的LSC阴极，而与具体的中间相无关，从而表明基于LSC的梯度阴极可在非氧化气氛中进行烧结，解决了本项目所涉及的一个关键科学问题。我们也揭示出在其他高性能的阴极材料体系和在其他非氧化性气氛下烧结后的前驱体原位成相呈现同样规律，表明所形成的基于阴极前驱体原位成相的梯度阴极制备技术具有广泛适用性，同时也将这一技术应用于SOFC领域的其他电池部件制备。所制备出的铁基不锈钢支撑SOFC单电池的开路电压为1.107V，接近理论电压值，进一步表明电解质层致密，电池密封良好。但电池在800℃的最高功率密度仅为30mW/cm2，交流阻抗分析揭示出高的欧姆阻抗和电极极化阻抗，下一步研究需解决致密CGO阻挡层薄膜的制备难题，从而提高电池的电化学性能。上述结果表明，通过本项目研究我们成功地解决了在金属支撑体上制备致密电解质薄膜和高性能阴极烧结的两大难题，从而为将来的实际应用形成关键制备技术。