固體氧化物燃料電池Pd-YSZ陰極及其性能優(yōu)化.pdf

1、固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是一種高效、清潔、安靜、可靠的全固態(tài)電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化裝置。傳統(tǒng)SOFC工作溫度通常在1000℃左右，具有相當(dāng)高的能量轉(zhuǎn)化效率和功率密度；但是，高溫對(duì)材料的限制阻礙了SOFC技術(shù)的發(fā)展和推廣。因此，工作溫度降低于800℃并具有高溫SOFC功率密度的中低溫SOFC是目前發(fā)展的方向。溫度降低后陰極所產(chǎn)生的活化損耗過高問題一直是制約中溫SOFC（Intermediate T

2、emperature SOFC，IT-SOFC）發(fā)展的主要技術(shù)難點(diǎn)之一。本文研究以IT-SOFC為背景，研究了Pd修飾的金屬-陶瓷復(fù)合陰極，力求開發(fā)滿足IT-SOFC發(fā)展需要的陰極材料。
　　 首先確定了最佳電極制備方法-溶液浸漬法，并以此制備了具有陰極與電解質(zhì)一體化離子傳導(dǎo)路徑的納米結(jié)構(gòu)Pd浸漬YSZ陰極。在此基礎(chǔ)上，研究了陰極的微觀形貌、電化學(xué)活性和納米顆粒/基體界面特征之間的關(guān)系。其次，采用Pd浸漬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法對(duì)傳統(tǒng)L

3、SM陰極進(jìn)行了改性，系統(tǒng)研究了改性后的陰極相結(jié)構(gòu)、微觀形貌、陰極阻抗和單電池性能。為更好地理解Pd的氧還原催化作用，較為深入地研究了不同粒徑Pd顆粒的氧化-還原性能，以及附著在YSZ基體上的納米Pd顆粒氧化-還原的特殊性，并對(duì)Pd的氧還原催化機(jī)制進(jìn)行了探索。最后，研究了納米Pd的熱穩(wěn)定性，探索了合金化對(duì)納米Pd陰極微觀形貌穩(wěn)定性的影響。上述研究結(jié)果表明：
　　 (1)浸漬法是制備具有陰極—電解質(zhì)一體化離子傳導(dǎo)路徑的納米復(fù)合陰極的

4、有效方法。在相對(duì)低的溫度范圍內(nèi)（<750℃），可以獲得均勻附著于多孔電解質(zhì)上的納米催化活性材料。在極大地增加三相反應(yīng)界面的同時(shí)，避免了傳統(tǒng)陶瓷陰極制備中的高溫?zé)Y(jié)（＞1200℃），回避了高溫下催化活性材料與電解質(zhì)材料不相匹配（熱膨脹系數(shù)和化學(xué)相容性）的問題，從而使得陰極材料的選擇范圍更廣。
　　 (2)浸漬法制備的Pd-YSZ納米復(fù)合陰極具有很高的氧還原催化活性。在擔(dān)載量約為4 wt.%時(shí)，750℃的陰極極化阻抗最低可達(dá)0.11

5、 Ωcm2，此時(shí)的氧還原反應(yīng)活化能僅為105 kJmoL-1，能夠滿足IT-SOFC陰極材料的需要。Pd良好的氧還原催化活性與Pd的氧化-還原特性相關(guān)，Pd和PdO的共存和相互轉(zhuǎn)變，有利于氧分子在其上的吸附-解離，是催化氧還原反應(yīng)的重要條件。電流極化處理可增強(qiáng)Pd與YSZ之間的接觸，并改變其界面特征，進(jìn)一步改善陰極的活性。
　　 (3)在750℃，傳統(tǒng)的LSM-YSZ復(fù)合陶瓷陰極對(duì)氧還原的催化活性較差，以其制備的單電池的最高功率

6、密度僅為0.20 Wcm-2。通過浸漬法改變LSM為納米顆粒分布與YSZ多孔基體之中，單電池性能得到很大地提升，750℃的峰值功率密度為0.83Wcm-2。Pd的浸漬，對(duì)傳統(tǒng)LSM-YSZ陰極的性能帶來極大的改善，使其單電池的功率密度可高達(dá)1.42 Wcm-2。由此可見，通過浸漬技術(shù)納米化LSM以及引入Pd納米顆粒可以極大地改善LSM-YSZ復(fù)合陶瓷陰極的電化學(xué)活性，使得LSM陰極材料可以成功地用于IT-SOFC。
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