中溫固體氧化物燃料電池材料制備及性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)的中低溫化是國際SOFC領(lǐng)域研究的重點與熱點，提高電解質(zhì)和電極在中低溫條件下的性能，成為解決問題的關(guān)鍵。結(jié)合SOFC的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本論文提出SOFC電解質(zhì)材料和電極材料新的制備工藝，改善了電解質(zhì)和電極微觀結(jié)構(gòu);研發(fā)了新的復(fù)合電解質(zhì)材料和新的電極材料，提高中低溫條件下電解質(zhì)和電極的離子電子傳輸性能和催化性能，化學(xué)相容性和熱匹配性。主要內(nèi)容如下:
　　(1) SOFC電解質(zhì)的制備和表征:通過綠色合成法

2、丙烯酰胺聚合反應(yīng)合成了具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的中溫電解質(zhì)La0.9Sr0.1 Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)和螢石型結(jié)構(gòu)的中溫電解質(zhì)Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)，提供了一種制備高純度、化學(xué)計量比精確、高比表面積、高燒結(jié)活性的中溫固體氧化物燃料電池關(guān)鍵材料超細粉的新方法。采用超細電解質(zhì)粉末，可以在較低溫度下實現(xiàn)電解質(zhì)隔膜的致密化，從而有效避免在電池三合一組件制備過程各種電池材料的相互作用。研究結(jié)果表明，用這種方法合成LSGM和

3、SDC納米粉體具有較高的燒結(jié)性能，高導(dǎo)電性和低傳導(dǎo)活化能。通過甘氨酸共燃燒法(GNP)合成一系列不同質(zhì)量比的SDC-LSGM復(fù)合電解質(zhì)，研究了LSGM摻雜量的變化對復(fù)合電解質(zhì)電化學(xué)性能的影響。在SDC中摻雜適量LSGM，電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和燒結(jié)性能得到極大改善。但隨著LSGM含量的增加，雜相增多，電導(dǎo)率顯著降低。所有混合試樣中，SDC和LSGM混合質(zhì)量比為8∶2(SL82)是最佳比例試樣，800℃和700℃時的離子電導(dǎo)率分別是0.113

4、 S/cm和0.059 S/cm。
　　(2)用GNP法制備了(Gd1-xSrx)yCoO3-δ系列陰極材料，并研究了陰極材料的電化學(xué)性能?？疾炝?Gd0.8Sr0.2)yCoO3-δ-nSDC復(fù)合陰極中SDC的不同含量和A-缺位對熱膨脹、電導(dǎo)率和交流阻抗的影響，并組裝了單電池，研究了組成和溫度對單電池功率密度和過電位的影響。阻抗測試表明，Gd0.8Sr0.2CoO3-δ(GSC)-nSDC系列復(fù)合陰極中，當(dāng)SDC的質(zhì)量分數(shù)為40

5、％(GSC-40SDC)時，極化阻抗值最小，在750℃時的阻抗Rp為0.251Ω·cm2。(Gd0.8Sr0.2)yCoO3-δ-50SDC系列復(fù)合陰極中，當(dāng)y=0.96(GSC96)時極化電阻最小，750℃時Rp僅為0.094Ω·cm2。以H2/O2為燃料測試了Ni-35SDC｜ SDC｜ GSC-nSDC單電池的性能，當(dāng)SDC的質(zhì)量分數(shù)為40％時，單電池的電化學(xué)性能最好，在750℃時的最大功率密度為330 mW/cm2，放電電流為0

6、.4 A/cm2時，過電位為0.07 V。以H2/O2為燃料測試了Ni-35SDC| SL82| GSC96-50SDC和Ni-35SDC｜ SL82| GSC-50SDC單電池的性能，電池在750℃時的最大功率密度分別為352 mW/cm2和190 mW/cm2，A-適量缺位可有效改善電極的電化學(xué)性能。
　　(3)中溫SOFC陰極微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和性能研究:通過綠色合成法丙烯酰胺聚合反應(yīng)合成了La0.8Sr0.2MnO3(LSM)

7、納米粉體，考察了焙燒溫度對粉體粒徑和比表面積的影響，以及粉體粒徑對陰極微觀結(jié)構(gòu)和單電池電化學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明，當(dāng)陰極材料LSM的顆粒粒徑從40 nm增加到90 nm，以H2/O2為燃料，電池工作溫度為650℃時，最大功率密度從132 mW/cm2增加到228 mW/cm2，電極極化電阻從2.547Ω·cm2下降到1.034Ω·cm2。較大的納米顆粒制備的陰極具有優(yōu)良均勻的微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致更高的功率密度和更低的電極極化電阻。研究了C

8、o3O4摻雜對GSC-40SDC復(fù)合陰極微觀結(jié)構(gòu)和單電池電化學(xué)性能的影響，Co3O4極大地改善了陰極的催化性能，在所測樣品中，當(dāng)Co3O4的質(zhì)量分數(shù)為30％時，電池具有最佳電化學(xué)性能，測試溫度為750℃時，電池的極化阻抗為0.096Ω·cm2，最大功率密度518 mW/cm2。研究了在電解質(zhì)和電極之間加入與電解質(zhì)相同材料的夾層，對電極微觀結(jié)構(gòu)和陰極電化學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明，具有夾層樣品的電極與夾層界面的結(jié)合程度，優(yōu)于不含夾層樣品電

9、極與電解質(zhì)界面的結(jié)合程度，負載了SDC夾層的陰極氧還原活性高于沒有夾層的電極。
　　(4)用靜電紡絲技術(shù)優(yōu)化SOFC陽極微觀結(jié)構(gòu)，探索了制備金屬-陶瓷Ni-SDC復(fù)合納米纖維的工藝流程，并以Ni-SDC納米纖維為陽極組裝Ni-35 SDC/SDC/LSM-50SDC單電池，研究了陽極表面微觀結(jié)構(gòu)和單電池電化學(xué)性能。用電紡技術(shù)制備金屬-陶瓷Ni-SDC復(fù)合納米纖維，前驅(qū)液采用N，N-二甲基甲酰胺為溶劑，無機鹽（醋酸鎳、硝酸鈰和硝酸釤

10、）的質(zhì)量分數(shù)為15 wt％，聚乙烯吡咯烷酮質(zhì)量分數(shù)為15 wt％的比例配置，電壓為15kV，接收距離為12 cm，空氣濕度低于30％，Ni-SDC納米纖維原絲在700℃燒結(jié)4h得到Ni-SDC復(fù)合納米纖維。納米纖維的直徑基本上在200nm左右，且軸向較為均勻。以納米纖維為陽極組裝的單電池，當(dāng)測試溫度為750℃時，最大功率密度為187 mW/cm2，是使用傳統(tǒng)方法制備相同Ni含量粉體陽極單電池的1.5倍。并且纖維陽極在H2還原前后，陽極表