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摘 要

本实验采用一种新型的激光微加工技术对固体氧化物燃料电池的电极/电解质界面进行介微米级处理，有效改善了电极/电解质的界面接触。

实验初始阶段，以三角形，正方形，圆形三种不同形状的点阵结构为基础，对电解质表面进行微加工，发现电解质表面经过圆形点阵结构修饰以后，性能达到最优，比空白样阻抗降低了80%。在此基础之上，进一步研究激光修饰功率对于电池电化学性能的影响。研究表明，电池的阻抗随着激光修饰功率的增大，呈现出先增大后减小的趋势，并在激光功率为2W时，电池电化学性能达到最优，此时阻抗比未修饰的样品降低55.6%，功率比未修饰的样品高47.9%。通过扫描电镜观察，激光修饰以后，电池的反应活性区域大幅增加，活化极化降低，电池电性能提高；随着激光功率进一步增大，电解质结构被破坏，电池性能降低。

关键词：固体氧化物燃料电池 电极/电解质界面 电化学性能 精微修饰

The subtle modifications of interface

between electrolyte and electrode in SOFC

Abstract

In this research, we take a new type of laser micromachining technology to make micron scale processing on electrode / electrolyte interface in the solid oxide fuel cell. It is efficient to improve the interface between electrode and electrolyte.

At the beginning of the experiment, we make micron scale processing on electrode / electrolyte interface, based on three different shapes of the lattice structure. It works out that the performance of cell based on the circular lattice structure achieves optimal performance and the impedance of it decreases by 80% compared with the blank one. On the basis, it takes a further study of modified laser power for the battery electrochemical performance. The study has shown that the impedance of the battery increases at first then decreases, with a modified laser power increasing. When the laser power is 2W, the battery achieves the optimal performance that the impedance reduced 55.6% than the unmodified sample and power increases 47.9% than the unmodified samples. By scanning electron microscopy, we find that the reaction active area increased significantly after laser modifications. The activation polarizationl of the cell decreases and the performance of it improves at the same time. However, with the power of laser increasing, the structure is destroyed and the battery performance goes lower.

Key Word: Solid oxide fuel cell; Electrode/electrolyte interface; Electrochemical property; Subtle modifications

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2燃料电池 1

1.3固体氧化物燃料电池 2

1.3.1固体氧化物燃料电池的工作原理 3

1.3.2固体氧化物燃料电池的结构类型及特征 4

1.4固体氧化物燃料电池的组成 7

1.4.1电解质材料 7

1.4.2阳极材料 8

1.4.3阴极材料 9

1.4.4连接材料 9

1.5固体氧化物燃料电池的阳极三相反应界面 9

1.6本论文研究内容 10

第二章 实验及表征方法 11

2.1实验原料 11

2.2实验所需主要设备 11

2.3实验方法和步骤 12

2.3.1实验流程 12

2.3.2粉料制备 12

2.3.3基片制备 13

2.3.4激光修饰 13

2.3.5对称电池的电极制备及测试 14

2.3.6单电池的电极制备及测试 14

2.4表征方法 15

2.4.1电化学性能 15

2.4.2光学显微镜分析 17

2.4.3扫描电镜分析 17

2.4.4 X射线衍射分析 17

第三章 结果与讨论 19

3.1晶体结构 19

3.2电化学性能 19

3.2.1电化学阻抗谱 19

3.2.2电解质表面修饰初步尝试 20

3.2.3表面点阵结构修饰 20

3.2.4激光功率对电池电性能的影响 22

3.2.5单电池功率分析 23

3.3微观结构 24

3.3.1电极与电解质界面表面图 24

3.3.2电解质与电极界 25

第四章 结论与展望 26

4.1结论 26

4.2展望 26

参考文献 27

致谢 30

第一章 绪论

1.1引言

现在，人们对于能源越来越关注^[1]，人类社会的发展离不开能源。在现在高速发展的情况下，人类将能源问题推到了最前沿。此前人类都是依赖于化石能源，但是随着人类开采，化石能源已经渐渐不能满足人类的发展。并且由于大量使用化石能源，人们正在面临全球变暖，臭氧层空洞，酸雨，化学烟雾等问题^[2]。

正是因为这些问题，人类一方面正在积极开发利用太阳能，风能，潮汐能，地热能，生物质能等各种新能源。另一方面也在寻找更高效更清洁的装置来进行能源的转换。由于能够稳定传输电流，不产生有危害的废气^[3]，有70%上的能源转化率等优势，燃料电池作为新型的转化装置，受到了广泛的关注，并且大家进行积极的研究，争取早日做到产业化^[4]。

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