低溫固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)改進(jìn).pdf

1、固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種高效、清潔的能源轉(zhuǎn)換裝置，它能夠把儲存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。降低操作溫度?00oC 甚至以下的中低溫，是SOFC 商業(yè)化的目標(biāo)之一。本論文將通過對陰極、電解質(zhì)和陽極的研究，探索SOFC中低溫運(yùn)行的可行性。
　　 首先，陰極是SOFC的關(guān)鍵組成部分，它是氧分子被還原的場所，因?yàn)檠踹€原需要較高的活化能，所以陰極的極化電阻占電極電阻的絕大部分，并且制約了電池的總電阻（內(nèi)阻）。在論文第二章

2、，將采用離子浸漬法，制備以傳統(tǒng)陰極材料La1-xSrxMnO3±δ（LSM）為骨架的，以納米Ce0.80Sm0.20O1.90（SDC）粒子修飾的LSM-SdC復(fù)合陰極。通過改變LSM 骨架的燒結(jié)溫度和SdC粒子的熱處理溫度來優(yōu)化電極微結(jié)構(gòu)，從而提高電極性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在以SdC為電解質(zhì)的對稱電池上，隨著LSM 骨架燒結(jié)溫度的升高，界面電阻變大，高溫導(dǎo)致LSM 粒子長大，從而降低了三相界面的長度。在600～800oC的溫度范圍內(nèi)，提高S

3、DC的燒結(jié)溫度，界面阻抗變小，這是因?yàn)榻n的SdC促進(jìn)了電極和電解質(zhì)的結(jié)合，高溫使二者結(jié)合加強(qiáng)。當(dāng)溫度升高到850oC后，高溫使SdC粒子過度長大，降低三相界面長度，增大界面阻抗。所以浸漬法的燒結(jié)溫度的優(yōu)化，取決于提高電極與電解質(zhì)結(jié)合（高溫）和抑制粒子長大（低溫）。
　　 第三章，用離子浸漬法在新型電極材料Sr2Fe1.5Mo0.5O6(SFM)上浸漬SdC納米粒子，制備了SFM-SdC復(fù)合陰極。當(dāng)浸漬的SdC質(zhì)量達(dá)到總電極質(zhì)量

4、的40wt.％后,750oC 時，界面阻抗下降到0.11 ?cm2，僅為純SFM 陰極（0.27 ?cm2）
　　 的40％。用電導(dǎo)弛豫法測量了SFM 材料的氧表面交換系數(shù)（kex）和氧化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)（Dchem），二者分別為1.4×10-5cms-1和10-5～10-4cm2s-1。當(dāng)在SFM表面部分覆蓋SdC納米顆粒后，表面交換系數(shù)提高了約兩個數(shù)量級。此發(fā)現(xiàn)說明，浸漬SdC納米粒子，加快了SFM 電極的表面氧交換速率，即增強(qiáng)了

5、陰極的表面過程，從而降低了電極阻抗。此發(fā)現(xiàn)確定了納米粒子改善電極性能的機(jī)理，也為浸漬法優(yōu)化電極性能提供了有力的證據(jù)。
　　 摻雜氧化鈰（DCO）電解質(zhì)在陽極氣氛下容易被還原，產(chǎn)生內(nèi)短路的電子導(dǎo)電，引起電壓下降，為此在第四章，通過研制一層不傳導(dǎo)電子的阻隔層，組成雙層電解質(zhì)，切斷電子傳導(dǎo)通路，來提高輸出電壓和電池性能。第一部分，用氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯（ScSZ)做電子阻隔層，電池結(jié)構(gòu)為Ni-SDC//ScSZ/SDC//SSC-SDC

6、，開路電壓有了很大的提高，能夠保持在1.0V以上，600oC的最大功率密度達(dá)625 mWcm-2，并且在60小時的測試中，電池性能保持穩(wěn)定。第二部分，用電導(dǎo)率較高的氧化鉍基電解質(zhì)Y0.25Bi0.75O1.5（YSB）作為電子阻隔層。開路電壓有所提高，但是沒有ScSZ/SdC雙層那樣明顯。同時，高電導(dǎo)率的YSB 電解質(zhì)，降低了歐姆阻抗。用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的LSM和YSB 復(fù)合體系作為陰極，組成結(jié)構(gòu)為Ni-SDC//SDC/YSB//LSM-Y

7、SB的含雙層電解質(zhì)的單電池，這種全陶瓷結(jié)構(gòu)的單電池，在600oC 時的最大功率密度為266 mWcm-2，并且能夠穩(wěn)定100個小時以上。為了減小陰極的極化電阻，用Ag-YSB 復(fù)合體系為陰極，操作溫度可以降低到600oC以下，如Ni-SDC//SDC/YSB//Ag-YSB 單電池，500oC 時的最大功率密度達(dá)到223 mWcm-2。但是由于銀粒子易于燒結(jié)，電池的長期穩(wěn)定性能有待。
　　 最后一章，期望發(fā)展低成本的旋轉(zhuǎn)涂覆工藝

8、，降低電解質(zhì)層的厚度，從而減小歐姆電阻，同時用兩步燒結(jié)法，優(yōu)化電解質(zhì)和陽極的微結(jié)構(gòu)，提高電極性能，目標(biāo)是將電池的工作溫度降低到500oC以下。在NiO-SdC陽極襯底上，用旋轉(zhuǎn)涂覆法制備SdC電解質(zhì)薄膜，可以很好地控制薄膜厚度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，配制懸浮SdC漿料時，用草酸鹽共沉淀制備的粉體，1300oC是最佳預(yù)燒溫度，能夠得到致密且電導(dǎo)率高的電解質(zhì)薄膜。在燒結(jié)過程中，采用兩步燒結(jié)法（先升到高溫，然后快速降到某個較低溫度后，長時間保溫），可以得

9、到晶粒小、致密度高、電導(dǎo)率高的電解質(zhì)。同時，兩步燒結(jié)法有效地控制了陽極粒子的長大，提高陽極性能，即降低電極電阻。提高陽極的孔隙率，也可以降低界面電阻，當(dāng)增加陽極造孔劑量，使孔隙率從45.7％提高到59.3％后，電極電阻降低約50％。最后，利用兩步燒結(jié)法，通過使用適量的造孔劑，并用旋轉(zhuǎn)涂覆法降低電解質(zhì)層厚度到9微米，得到了高的輸出性能的單電池，500oC的最大功率密度達(dá)到了476 mWcm-2。
　　 在110小時的長期測試中，該