低溫固體氧化物燃料電池復(fù)合電解質(zhì)性能優(yōu)化.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種高效、清潔的發(fā)電裝置，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最具有發(fā)展前景的發(fā)電裝置。低溫化是 SOFC發(fā)展的必然趨勢(shì)，其關(guān)鍵在于開發(fā)低溫(400-600℃)環(huán)境下具有優(yōu)良性能的電解質(zhì)材料。氧化物、二元碳酸鹽復(fù)合電解質(zhì)在400-600℃范圍內(nèi)表現(xiàn)出較高的離子電導(dǎo)率，近年來(lái)得到了廣泛的研究。然而，碳酸鹽摻雜的復(fù)合電解質(zhì)依然存在諸多缺點(diǎn)，如碳酸鹽的摻雜明顯降低了電池的機(jī)械強(qiáng)度，電池在高溫環(huán)境下操作時(shí)容易變形甚至漏氣，嚴(yán)重影響

2、電池輸出性能和壽命。為了進(jìn)一步提高碳酸鹽摻雜的復(fù)合電解質(zhì)的電導(dǎo)率、穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，本文通過(guò)摻雜絕緣相 MgO，針對(duì) La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85-MgO-碳酸鹽復(fù)合電解質(zhì)的電化學(xué)性能、穩(wěn)定性以及機(jī)械性能進(jìn)行了研究。
　　1.本文通過(guò)聚丙烯酰胺溶膠凝膠法合成La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85(LSGM)初級(jí)粉體，經(jīng)900℃煅燒4h以后，與二元碳酸鹽(52Li2CO3:48Na2CO3)和絕緣相

3、 MgO(國(guó)藥)混合，形成不同配比的 LSGM-MgO-(Li/Na)2CO3復(fù)合電解質(zhì)粉體。通過(guò)XRD、SEM、EIS、TG-DTA、TEC、BET和抗彎強(qiáng)度測(cè)試，分析復(fù)合電解質(zhì)的材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LSGM、碳酸鹽、MgO三相可以穩(wěn)定共存，且隨著 MgO含量的增加，復(fù)合電解質(zhì)的電導(dǎo)率呈先增加后降低的規(guī)律，MgO含量為2 wt％時(shí)，復(fù)合電解質(zhì)的電導(dǎo)率達(dá)到最大值，650℃時(shí)達(dá)0.17 S·cm-1，相較未添加MgO的復(fù)合

4、電解質(zhì)，其電導(dǎo)率提高了15%。同時(shí)，復(fù)合電解質(zhì)的抗彎強(qiáng)度隨MgO含量的增加呈線性增加。本實(shí)驗(yàn)采用干壓成型的方法，制備了 LSGM-MgO-(Li/Na)2CO3復(fù)合電解質(zhì)的單電池。不同配比的 LSGM-MgO-(Li/Na)2CO3復(fù)合電解質(zhì)的單電池在低溫輸出性能良好，復(fù)合電解質(zhì)中MgO含量為2 wt%時(shí)單電池性能最高，600℃和500℃時(shí)最高功率密度分別為590 mW·cm-2、380 mW·cm-2，各復(fù)合電解質(zhì)燃料電池開路電壓均在

5、0.95V以上。
　　2.考察不同MgO含量對(duì)LSGM-MgO-(Li/Na)2CO3復(fù)合電解質(zhì)穩(wěn)定性的影響。經(jīng)過(guò)600℃、200h熱處理，LSGM、MgO和(Li/Na)2CO3三相穩(wěn)定共存，當(dāng)MgO的摻雜量為2 wt%時(shí)，LSGM-MgO-(Li/Na)2CO3復(fù)合電解質(zhì)相結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。分別將未摻雜MgO的LSGM-(Li/Na)2CO3復(fù)合電解質(zhì)和MgO含量為2 wt%的LSGM-MgO-(Li/Na)2CO3復(fù)合電解質(zhì)干壓成

6、片，在空氣氣氛下、室溫-600℃進(jìn)行20次共200h的熱循環(huán)測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未摻雜MgO的 LSGM-(Li/Na)2CO3復(fù)合電解質(zhì)的電導(dǎo)率由原來(lái)的0.118 S·cm-1降低到0.071 S·cm-1，電導(dǎo)率損失40%。MgO含量為2 wt%的LSGM-MgO-(Li/Na)2CO3復(fù)合電解質(zhì)電導(dǎo)率由原來(lái)的0.131 S·cm-1降低到0.081 S·cm-1，電導(dǎo)率損失36%，在整個(gè)的測(cè)試過(guò)程中MgO含量為2 wt%的LSGM-M

7、gO(Li/Na)2CO3復(fù)合電解質(zhì)的電導(dǎo)率始終大于未摻雜 MgO的LSGM-(Li/Na)2CO3復(fù)合電解質(zhì)的電導(dǎo)率。復(fù)合電解質(zhì)能夠在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，600℃、200h的電導(dǎo)率基本保持在0.08 S·cm-1。
　　3.通過(guò)均勻沉淀法合成了納米MgO(2)粉體，討論不同顆粒尺寸的MgO對(duì)復(fù)合電解質(zhì)形貌和電導(dǎo)率的影響。均勻沉淀法合成的納米MgO(2)粉體粒徑略小于的MgO(1)，且MgO(2)對(duì)復(fù)合電解質(zhì)電導(dǎo)率的提高更明