固體氧化物燃料電池納米纖維電極的制備及性能研究.pdf

1、發(fā)展清潔高效的能源技術(shù)是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。將燃料、氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的高效低排放的能量轉(zhuǎn)換裝置—固體氧化物燃料電池（SOFC）已引起人們廣泛的關(guān)注。研發(fā)中低溫SOFC，降低成本、延長(zhǎng)壽命是商業(yè)化發(fā)展的需求，也是目前研究與發(fā)展的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。電極作為SOFC的核心部件之一，其性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)電池的電化學(xué)性能、長(zhǎng)期穩(wěn)定性及使用壽命。本論文基于三相界面理論，設(shè)計(jì)制備了具有納米纖維結(jié)構(gòu)的電極材料，成功制備了具有優(yōu)異

2、性能的納米纖維基復(fù)合陰極、納米纖維基復(fù)合陽(yáng)極，并通過制備成單電池研究了納米纖維基復(fù)合電極的可應(yīng)用性。
　　論文首先研制了SOFC領(lǐng)域難燒結(jié)制備的新興陰極材料Y0.3Sr0.7CoO3-δ（YSC）。采用溶膠凝膠法制備了YSC顆粒，1100℃煅燒96h，YSC完全成相（但含有微量Y2O3雜相）。采用靜電紡絲技術(shù)首次制備了YSC納米纖維，經(jīng)900℃煅燒2h，YSC纖維完全成相（但仍含有微量Y2O3雜相）。該納米纖維制備在GDC電解質(zhì)上

3、的燒制溫度降低至1000℃，形成的YSC納米纖維陰極具有較高的孔隙率。通過浸入大量的Gd0.2Ce0.8O1.9(GDC)相后形成的納米纖維基YSC?GDC復(fù)合陰極表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能。當(dāng)YSC與 GDC的質(zhì)量比為1:0.44時(shí)，界面極化電阻（Rp）達(dá)到最低值，在650℃測(cè)得的Rp值為0.200Ω·cm2，小于顆?；鵜SC?GDC復(fù)合陰極對(duì)應(yīng)溫度測(cè)得的Rp值。納米纖維基YSC?GDC復(fù)合陰極在700℃恒流極化108h后，Rp值有所增加

4、，穩(wěn)定性并不理想。
　　基于YSC的研究結(jié)果，利用靜電紡絲技術(shù)首次制備了Sm0.5Sr0.5CoO3-δ(SSC)納米纖維，800℃煅燒2h便可形成純相。將SSC納米纖維于1000℃燒制在GDC電解質(zhì)上，通過浸漬GDC相形成的納米纖維基SSC?GDC復(fù)合陰極具有較好的電化學(xué)性能。當(dāng)SSC與GDC的質(zhì)量比為1:0.87時(shí)，Rp達(dá)到最低值，在650℃時(shí)為0.038Ω·cm2，小于之前的文獻(xiàn)報(bào)道值。650℃時(shí)，納米纖維基SSC?GDC復(fù)

5、合陰極在0.2A·cm-2恒流極化107h后，Rp值沒有增加，表現(xiàn)出良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該復(fù)合陰極在La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)電解質(zhì)上的Rp值也小于之前的文獻(xiàn)報(bào)道值。800℃時(shí)，LSGM電解質(zhì)支撐的納米纖維基SSC?GDC復(fù)合陰極在0.2A·cm-2恒流極化100h后，Rp值由0.0383Ω·cm2變?yōu)?.0379Ω·cm2，具有較好的穩(wěn)定性，為單電池的制備提供了可能性。
　　利用靜電紡絲技術(shù)首次制

6、備了La0.2Sr0.8TiO3+δ(LST)納米纖維，在600℃下煅燒可獲得純相，為實(shí)現(xiàn)電極在電解質(zhì)上的低溫?zé)Y(jié)創(chuàng)造了有利條件。LST納米纖維于1000℃成功燒制在1mol％CeO2-10mol%Sc2O3-89mol%ZrO2(ScSZ)電解質(zhì)上，低于LST陽(yáng)極-ScSZ電解質(zhì)界面二次相的生成溫度1200℃。同樣采用浸漬GDC相的方法制備的納米纖維基LST?GDC復(fù)合陰極，隨GDC浸漬量的增加，Rp值逐漸降低，當(dāng)LST與GDC的質(zhì)量

7、比小于1:0.92直至減小到1:1.31時(shí)，Rp趨于平穩(wěn)。LST?GDC(1:0.92)復(fù)合陽(yáng)極在800℃、850℃、900℃和950℃測(cè)得的Rp值分別為0.95Ω·cm2、0.63Ω·cm2、0.38Ω·cm2和0.27Ω·cm2，小于之前文獻(xiàn)報(bào)道值。納米纖維基LST?GDC(1:0.88)復(fù)合陽(yáng)極，在0.557V的恒電壓負(fù)載條件下，950℃至550℃之間，以13℃/min速度快速升降溫，經(jīng)過26次循環(huán)后，電流密度沒有減小，表明該電極

8、具有良好的抗熱沖擊能力。納米纖維基LST?GDC(1:1)復(fù)合陽(yáng)極在950℃時(shí)經(jīng)過11次氧化還原循環(huán)后，測(cè)得的Rp值仍為0.261Ω·cm2，說明該電極具有優(yōu)異的氧化還原穩(wěn)定性。此外，納米纖維基LST?GDC復(fù)合陽(yáng)極燒制在LSGM電解質(zhì)上，也同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。
　　基于以上研究，將納米纖維基SSC?GDC復(fù)合陰極和納米纖維基LST?GDC復(fù)合陽(yáng)極制備在LSGM電解質(zhì)上，構(gòu)成LSGM電解質(zhì)支撐的單電池，測(cè)試結(jié)果再現(xiàn)了納米纖

9、維基復(fù)合電極優(yōu)異的電化學(xué)性能，初步證實(shí)了納米纖維基復(fù)合電極的實(shí)際應(yīng)用性。利用該單電池初步分析了電解質(zhì)歐姆電阻、電極歐姆電阻和電極電化學(xué)反應(yīng)電阻對(duì)電池動(dòng)力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，納米纖維基LST?GDC(1:1.14)復(fù)合陽(yáng)極的界面極化電阻、歐姆電阻、電化學(xué)反應(yīng)電阻都明顯小于納米顆?；鵏ST?GDC(1:0.5)復(fù)合陽(yáng)極，納米纖維LST?GDC復(fù)合陽(yáng)極表現(xiàn)出了的優(yōu)異電化學(xué)性能。通過減少LSGM電解質(zhì)的厚度，可提高單電池的功率性能。在8

10、00℃時(shí)，以 H2為燃料，單電池的最大功率密度為0.149W·cm-2；以512ppm H2S-H2為燃料，最大功率密度為0.155W·cm-2，0.5V恒電位工作8h后，電流沒有減小，表現(xiàn)出很好的耐 H2S毒化特性；在800℃時(shí)，水蒸氣的分壓為0.10 atm，H2的分壓為0.90atm時(shí)，-0.5V恒壓條件下陰極極化（即水電解H2O+4e→2H2+2O2-）時(shí)，電流密度為-0.332A·cm-2，表現(xiàn)出較好的電解水性能。單電池的這些