梯度多层膜的纳米界面效应对提高固体氧化物燃料电池阴极功能层性能的研究

固体氧化物燃料电池（SOFC）通过电化学反应将储存在氢气、天然气、一氧化碳等燃料中的化学能转变成电能和热能，具有对燃料适用性强、能源利用率高、无需贵金属催化剂等突出特点，对于节约能源和减少环境污染具有重要的意义。为实现SOFC的产业化应用，降低电池的工作温度是重要的出路。由此研制适用于600-800℃的阴极功能层材料，是实现SOFC电池堆的关键技术。材料的纳米尺度界面增强导电效应的发现、以及梯度多层膜技术能够增大三相界面的研究给探索新型阴极功能层材料带来了一条崭新的途径。本项目拟采用先进的磁控溅射技术，制备高质量的纳米尺度梯度多层膜阴极功能层。在纳米尺度的范围内研究固体氧化物燃料电池阴极功能层多层膜的界面对电导的增强电效应，同时研究梯度多层膜结构对增大气体，阴极与电解质的三相反应界面和减少极化损失的内在联系。通过实验结合理论分析，研究电导增强的机理、增强三相界面机制。

本课题采用反应磁控溅射倾斜沉积（GLAD）的方法制备了多孔柱状晶的ZrO2和YSZ薄膜，研究了各种工艺参数（沉积角、功率和靶基距）对薄膜沉积速率、光学和结构性能的影响；并将多孔YSZ薄膜用作SOFC电解质与阴极功能层之间的过渡层，研究了单电池的性能。通过实验和分析得到了以下结论：.1、倾斜沉积的薄膜是倾斜的柱状晶结构，柱状晶的直径小于200nm，柱状晶之间存在空隙，空隙宽度小于100nm。这种倾斜的柱状结构是由原子阴影效应和较低的原子迁移率导致的。.2、增大沉积角和增加靶基距均可使薄膜的透过率增加，折射率减小，孔隙率增大，沉积速率减小。不同的是增大沉积角会增大柱状倾斜角，而增加靶基距会减小柱状倾斜角。溅射功率对ZrO2薄膜的透过率、折射率以及微结构影响不大。当沉积角为75°时可制备出折射率为1.56，孔隙率为41.7%的ZrO2薄膜。.3、当靶基距为11.0cm时，不同沉积角条件下制备的ZrO2薄膜均属于四方相，平均晶粒大小在10nm左右；随着沉积角的增加，最强衍射峰面由（110）变为（101），说明沉积角大小的改变在一定程度上可以改变ZrO2薄膜中某些晶粒的取向。靶基距为6.5cm时制备的ZrO2薄膜出现了单斜晶相的衍射峰，而当靶基距增大到8.0cm时单斜相的衍射峰减弱，几乎观察不到，说明靶基距对ZrO2 薄膜晶相的组成有一定的影响。.4、增加了多孔YSZ过渡层的单电池在700、750和800℃时的最大功率密度分别为0.62W/cm2、0.95W/cm2和1.23W/cm2。多孔YSZ过渡层显著提高SOFC单电池的性能。在带电解质的半电池片上制备的多孔YSZ膜具有倾斜的柱状结构，柱体细小，排列较紧密；而进行1150℃烧结和电池测试之后，多孔YSZ膜仍是倾斜的柱状结构，但柱体变粗，柱体内部变得致密，柱体之间的空隙变大，大的空隙宽度可以达到1μm。使得阴极中的纳米颗粒可以浸渍到功能层的缝隙中，形成梯度结构的阴极功能过渡层，增加了三相界面，提高了阴极的电化学性能，从而提高电池片的功率密度