基于鎵酸鑭電解質(zhì)的中溫固體氧化物燃料電池研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種全固態(tài)結(jié)構(gòu)的發(fā)電裝置,具有能量轉(zhuǎn)換效率高、成本低、污染小等優(yōu)點(diǎn),因此受到越來(lái)越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的SOFC通常使用YSZ(Y2O3穩(wěn)定ZrO2)作為固體電解質(zhì),為了獲得較高的輸出性能,電池需要工作在較高的溫度,一般為800℃-1000℃。然而,電池的高溫運(yùn)行會(huì)帶來(lái)許多棘手的問(wèn)題,如電極和密封材料的選擇、電池的穩(wěn)定性等,所以降低電池的工作溫度勢(shì)在必行,中溫固體氧化物燃料電池(IT-SOFC)應(yīng)運(yùn)而生。為了提

2、高中溫SOFC的性能,需要考慮兩方面的問(wèn)題:
　　(1)使用在中溫時(shí)具有較高氧離子電導(dǎo)率的電解質(zhì),即中溫電解質(zhì);
　　(2)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu),使其在中溫時(shí)表現(xiàn)出較好的電化學(xué)活性。
　　Sr和Mg摻雜的LaGaO3(LSGM)電解質(zhì)在中溫時(shí)具有較高的離子電導(dǎo)率(800oC時(shí)電導(dǎo)率可達(dá)0.15S·cm-1),而且機(jī)械強(qiáng)度高、在較大的氧分壓范圍內(nèi)化學(xué)穩(wěn)定性好、離子遷移數(shù)高。但是研究表明,LSGM電解質(zhì)與傳統(tǒng)的Ni基陽(yáng)極之間的化學(xué)

3、相容性較差,高溫時(shí)容易反應(yīng)生成近似絕緣的鎳酸鑭,降低電池的輸出性能。本文嘗試使用浸漬的方法制備基于LSGM電解質(zhì)的中溫SOFC,避免LSGM和Ni基陽(yáng)極的共燒結(jié),并對(duì)電池的輸出性能、穩(wěn)定性、交流阻抗譜和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試分析。
　　采用固相反應(yīng)法制備了La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ電解質(zhì)材料。對(duì)其進(jìn)行X射線衍射(XRD)測(cè)試,結(jié)果表明在1400oC時(shí)材料呈純的鈣鈦礦相;粒度分布測(cè)試表明,固相法合成的LSGM經(jīng)球磨處

4、理后,平均粒徑為0.12μm,可以用于薄膜化的SOFC中;LSGM電解質(zhì)材料的熱膨脹系數(shù)為10.88×10-6K-1;對(duì)材料的燒結(jié)曲線進(jìn)行測(cè)試,得出材料的開(kāi)始燒結(jié)溫度為1050℃,且在1350℃收縮速率達(dá)到最大,當(dāng)溫度從50℃升至1400℃時(shí),樣品收縮13.8％;電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果表明,800℃時(shí)LSGM的電導(dǎo)率高達(dá)0.08S·cm-1。
　　使用固相法合成的LSGM作為電解質(zhì)材料,利用浸漬的方法制備納米Ni/YSZ陽(yáng)極,陰極選用Ba

5、0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF),制備SOFC單電池,對(duì)不同電池的性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明,利用面粉揮發(fā)所造的孔隙在陽(yáng)極中分布不均,在測(cè)試過(guò)程中Ni容易發(fā)生燒結(jié)團(tuán)聚,而利用酸洗Ni的方式造的孔分布均勻,可以提高浸漬型電池的穩(wěn)定性。浸漬液中分散劑尿素的加入,可以提高Ni在陽(yáng)極中分布的均勻度,提高電池的輸出性能和穩(wěn)定性。穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果表明,降低電池的工作溫度,可以有效提高電池的穩(wěn)定性。
　　由于Ni/YSZ陽(yáng)極在

6、中低溫時(shí)電化學(xué)活性較差,改用納米Ni/LSGM的陽(yáng)極,制備研究基于LSGM電解質(zhì)的SOFC單電池。結(jié)果表明,減小電解質(zhì)膜的厚度,可以在一定程度上提高電池的輸出性能,但是歐姆電阻往往不是限制電池性能的主要因素,要想獲得較好輸出性能,減小電池的極化電阻是刻不容緩的;當(dāng)陽(yáng)極為L(zhǎng)SGM(1250℃煅燒):面粉=5:2.5(質(zhì)量比)并經(jīng)1400℃燒結(jié)而得,其中Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(陽(yáng)極中Ni與LSGM的質(zhì)量比)為5.7%時(shí),陽(yáng)極處于導(dǎo)通狀態(tài),電池表現(xiàn)出

7、較好的輸出性能,但穩(wěn)定性差,當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)升至約7.5%時(shí),輸出性能有小幅度提高,穩(wěn)定性得到了明顯的改善;以木薯粉作為造孔劑時(shí),陽(yáng)極內(nèi)有較多的閉孔,限制了硝酸鎳的浸入量,而且木薯粉的較大粒徑,導(dǎo)致致密電解質(zhì)膜的制備難度增大;當(dāng)陽(yáng)極使用1350℃煅燒的LSGM作為支撐體時(shí),經(jīng)1400℃燒結(jié)后,陽(yáng)極孔隙率為40%,此時(shí)Ni的浸漬量可達(dá)20%,650℃時(shí)電池的開(kāi)路電壓為1.07V,最大功率密度為875mW·cm-2;固相法合成的LSGM粉體可以